CN115726781A - 一种原位钻割裂弱化岩体装备及作业方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原位钻割裂弱化岩体装备及作业方法，水箱和液压升降平台安装在行走机构上，链式滑台、高压水泵及压力调节装置安装在钻孔角度调节装置上，行走机构负责复杂地形下的设备移动，钻孔角度调节装置与液压升降平台协同工作，负责调节钻孔‑割缝‑压裂钻杆工作位置及其与岩体工作面夹角，链式滑台控制钻孔‑割缝‑压裂钻杆的钻进与退出，压力调节装置通过改变水射流工作压力的大小，实现低压辅助钻进与高压割缝岩石，切换压裂注水口实现坚硬岩体的压裂。本发明集钻孔、割缝、压裂工艺于一体，在工程应用中可避免钻杆频繁钻进与退出问题，提高了煤矿井下坚硬岩体的掘进速度，为机械冲击破碎坚硬岩体提供基础。

Description

一种原位钻割裂弱化岩体装备及作业方法

技术领域

本发明涉及水力破岩应用技术领域，具体为一种原位钻割裂弱化岩体装备及作业方法。

背景技术

水力压裂技术在石油开采领域的应用相对较早，且在深井岩石压裂方面的机理研究较为成熟。在煤矿开采领域水力压裂技术常被用于瓦斯抽放与工作面顶板的垮落预防等方面，以后者为例在深井煤矿开采过程中，坚硬顶板的存在工作面初次来压时，容易引起矿压冲击灾害事故的发生。水力压裂技术的应用可以降低煤矿工作面老顶垮落成的冲击灾害，并杜绝了初采工作面顶板垮落造成的矿压冲击灾害。水力压裂技术利用岩石抗拉强度较低的特点，可在坚硬岩体内部形成纵横交错的裂纹，提高岩层透气性的同时大大降低了岩石结构强度。因此，水力压裂技术逐渐被引入到煤矿巷道硬岩掘进中，辅助掘进机完成部分地区矿井的硬岩掘进工作。

虽然水力压力技术在辅助煤矿和石油安全高效开采过程表现突出，但该技术使用前需要大量的准备工作。对于煤矿深井开采过程中，实施水力压裂技术辅助开采的准备工作将严重影响超硬岩巷道的快速掘进，且存在设备可靠性低、安全性差等问题。因此，如何实现水力压裂技术的高效应用已经成为该技术在硬岩快速掘进的关键问题和难点。综合分析现有机械装备掘进辅助技术的相关研究，发现水射流辅助破岩技术在硬岩掘进领域的应用相对较为成功。因此在机械掘进装备集成水力压裂技术的同时，可利用高压磨料水射流在坚硬岩体内部，预先切割一定深度的裂缝，为后续的水力压裂岩石起到导向作用。水射流破岩技术与水力压裂技术所用设备大致相同，在机械掘进装备上集成上述两项技术是，不会造成设备庞大，移动困难、运转效率低下等问题。相反集成上述两项技术后，既可实现水射流辅助硬岩破碎，为水力压力提供作业条件，又可以实时水力压裂使坚硬岩体整体结构强度降低，更易于后续机械刀具的冲击破碎。钻-割-裂硬岩技术可省去复杂的准备工作，且改进了频繁退、进钻杆的工序问题，明显提高硬岩压裂弱化效率，更好的实现了水力压裂技术在硬岩掘进领域的应用，提高了深井硬岩巷道的快速掘进速度。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的不足，提供一种原位钻割裂弱化岩体装备及作业方法，结构简单、操作方便，可以降低煤矿深井地应力较高条件下，巷道掘进工作面岩石的结构强度，实现，辅助钻孔、割缝导向与自动原位压裂岩体，无需频繁推出钻杆，可以辅助机械冲击破岩，对实现深井硬岩巷道的快速掘进具有重大意义。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种原位钻割裂弱化岩体装备，包括行走机构、水箱、高压水泵、压力调节装置、柔性高压管、集成驱动装置、链式滑台、钻孔角度调节装置、钻孔-割缝-压裂钻杆和液压升降平台，所述水箱和液压升降平台安装在行走机构上，钻孔角度调节装置铰接在液压升降平台上，链式滑台通过螺栓固定安装在钻孔角度调节装置上，柔性高压管、压力调节装置以及高压水泵固定安装在链式滑台上，柔性高压管两端分别与高压泵和滑动式二位三通方向阀进水口连接，钻孔-割缝-压裂钻杆通过集成连接钻杆与链式滑台、钻孔角度调节装置以及柔性高压管相连接。

优选的，所述集成驱动装置包括驱动电机、减速器、旋转密封装置I、旋转密封装置II和滑动式二位三通方向阀，其中驱动电机、减速器、驱动钻杆三者均通过键连接，旋转密封装置II固定连接在减速器外壳体上，旋转密封装置I的旋转轴外延部分加工密封锥螺纹连接在驱动钻杆末端，封隔橡胶注水流道通过旋转密封装置II与高压管接滑动式二位三通方向阀的一个出口，中心流道通过旋转密封装置I和高压管接滑动式二位三通方向阀另一个出口，滑动式二位三通方向阀的进水口外接柔性高压管，排放口接水箱。

优选的，所述钻孔-割缝-压裂钻杆包括利用锥螺纹依次连接的钻头、前端密封钻杆、割缝压裂钻杆、后端密封钻杆、普通连接钻杆以及驱动钻杆，各钻杆内部均对称加工封隔橡胶注水流道和中心流道，割缝压裂钻杆上的割缝孔和压裂孔内部均安装单向阀。

进一步优选的，所述旋转密封装置I包括旋转轴、密封件壳体、密封件端盖、圆锥滚子轴承、硬质合金阀座、密封导套、温度测量探孔、泄水孔以及注水孔，密封导套与硬质合金阀座接触端面的对应位置设置有温度测量探孔和泄水孔，密封件壳体与密封件端盖通过螺纹连接，旋转轴外延部分加工密封锥螺纹，旋转轴上安装圆锥滚子轴承的位置加工环形阶梯端面，硬质合金阀座与密封导套分别嵌入安装在旋转轴承和密封件端盖内，旋转密封装置II通过深沟球轴承与驱动钻杆连接，并通过螺栓固定在减速器壳体上。

进一步优选的，所述钻头端面环形焊接半球形耐磨截齿，钻头内部加工倾斜流道，倾斜流道进口接通钻头内部的中心流道，倾斜流道出口对应位置焊接高压喷嘴，高压喷嘴焊接角度在30°-90°之间。

进一步优选的，所述钻杆包括封隔橡胶、弹性钢板、滑环、压力控制阀、前端密封钻杆主体、矩形凹槽、出水口、垂直孔、压环、封隔橡胶注水流道、中心流道以及蓄水槽，压力控制阀由阀套、阀芯、复位弹簧三部分组成，阀芯内部加工垂直交叉的T型流道，末端直径大于中心流道，复位弹簧套在阀芯上，安装于阀套内，阀套外圆柱面加工螺纹，端面加工内六角凹槽，安装在出水口处；前端密封钻杆主体外表面加工，绕圆周均匀分布的矩形凹槽，两个矩形凹槽中间的凸台中心加工垂直孔，垂直孔与封隔橡胶注水流道贯通，矩形凹槽内安装弹性钢板，两端安装滑环，滑环内侧焊接固定厚度凸台，弹性钢板两端与滑环内测凸台端面接触，滑环采用弹性材料加工为半圆形，矩形凹槽两端距离封隔橡胶与前端密封钻杆主体接触端面的圆柱段长度为200mm，且表面光滑处理，压环扣压在封隔橡胶两端。

进一步优选的，所述割缝压裂钻杆包括退刀槽、压裂孔、割缝孔、喷嘴、O型圈、封隔橡胶注水流道、中心流道、单向阀以及蓄水槽，压裂孔与封隔橡胶注水流道连通，且压裂孔出口安装单向阀，割缝孔与中心流道连通，割缝孔底部安装单向阀，顶部安装喷嘴，割缝压裂钻杆中割缝孔和压裂孔与中心流道空间垂直但不交错，封隔橡胶注水流道连接处加工有蓄水槽。

本发明还提供一种原位钻割裂弱化岩体装备的作业方法，包括如下步骤：

S1：钻孔位置调节：行走机构运行至岩石掘进工作面，控制液压油缸的伸缩长度，调节液压升降平台以及钻孔角度调节装置与岩体夹角，使钻孔-割缝-压裂钻杆以预定角度对准钻孔位置；

S2：钻孔：调节压力调节装置，控制水射流输出动压在较低状态，启动高压水泵以及集成驱动装置内部的驱动电机，驱动钻孔-割缝-压裂钻杆转动，然后，调节压力调节装置升高水射流工作压力，接着启动链式滑台推进钻孔-割缝-压裂钻杆钻进坚硬岩体，水射流经各节钻杆中心流道、压力控制阀、钻头内部的倾斜流道，最后经高压喷嘴喷出，辅助钻头钻进岩体；

S3：割缝：钻进预定深度后，关闭链式滑台的驱动装置，链式滑台自锁，调节压力调节装置，提高水射流工作压力，高压状态下压力控制阀关闭，割缝孔上方的单向阀开启，喷嘴随钻孔-割缝-压裂钻杆旋转割缝岩石，直至割缝深度无法增加；

S4：压裂与复位：关闭集成驱动装置内的驱动电机，钻孔-割缝-压裂钻杆停止转动，调节压力调节装置降低水射流工作压力，调节滑动式二位三通方向阀切换封隔橡胶注水流道，然后提高水射流工作压力，封隔橡胶开始膨胀，并于钻孔岩壁接触，随后压裂孔上的单向阀开启，岩石割缝内水射流工作压力持续升高，实现压裂目标后，调节压力调节装置使水射流工作压力降低，然后关闭高压泵，弹性钢板推动滑环向钻杆两端运动，封隔橡胶在其自身弹性收缩作用及滑环推动下恢复原状；

S5：重复步骤S2、S3、S4完成坚硬岩体的钻孔、割缝和压裂过程，将岩体压裂成薄板状，进而弱化岩体整体强度。完成特定位置岩体钻孔、割缝与压裂后，转步骤S1更换钻孔位置或角度继续岩体弱化施工。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明利用岩石的抗拉强度较低的特点，将水射流破岩技术与水力压裂技术集成硬岩钻进装备上，通过控制水射流工作压力，依次实现低压辅助钻进、中压割缝岩石和高压压裂岩体，从而弱化硬岩结构强度，为机械冲击破碎创造更有利的掘进工作条件，实现深井高地应力条件下，硬岩巷道快速掘进，优化集成设备机构的同时实现安全高效生产。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种原位钻割裂弱化岩体装备的示意图；

图2为本发明实施例提供的钻孔-割缝-压裂钻杆工作示意图；

图3为本发明实施例提供的旋转密封装置的剖视图；

图4为本发明实施例提供的钻头示意图；

图5为本发明实施例提供的前端密封钻杆示意图；

图6为本发明实施例提供的割缝-压裂钻杆示意图。

图中：1、行走机构；2、水箱，3、高压水泵；4、压力调节装置；5、柔性高压管；6、集成驱动装置；7、链式滑台；8、钻孔角度调节装置；9、钻孔-割缝-压裂钻杆；10、液压升降平台；6-1、驱动电机；6-2、减速器；6-3、旋转密封装置I；6-4、旋转密封装置II；6-5、滑动式二位三通方向阀；6-3-1、旋转轴；6-3-2、密封件壳体；6-3-3、密封件端盖；6-3-4、圆锥滚子轴承；6-3-5、硬质合金阀座；6-3-6、密封件导套；6-3-7、温度测量探孔；6-3-8、泄水孔；6-4-1、深沟球轴承；9-1、钻头；9-2、前端密封钻杆；9-3、割缝-压裂钻杆；9-4、后端密封钻杆；9-5、普通连接钻杆；9-6、驱动钻杆；9-7、封隔橡胶注水流道；9-8、中心流道；9-9、单向阀；9-10、蓄水槽；9-1-1、半球形耐磨截齿，9-1-2、倾斜流道，9-1-3、高压喷嘴；9-2-1、封隔橡胶；9-2-2、弹性钢板；9-2-3、滑环；9-2-4、压力控制阀；9-2-5、前端密封钻杆主体；9-2-6、矩形凹槽；9-2-7、出水口；9-2-8、垂直孔；9-2-9、压环；9-2-4-1、阀套；9-2-4-2、阀芯；9-2-4-3、复位弹簧；9-2-4-4、内六角凹槽；9-3-1、退刀槽；9-3-2、压裂孔；9-3-3、割缝孔；9-3-4、喷嘴；9-3-5、O型橡胶圈。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：一种原位钻割裂弱化岩体装备，包括行走机构1、水箱2、高压水泵3、压力调节装置4、柔性高压管5、集成驱动装置6、链式滑台7、钻孔角度调节装置8、钻孔-割缝-压裂钻杆9和液压升降平台10，水箱2和液压升降平台10安装在行走机构1上，钻孔角度调节装置8铰接在液压升降平台10上，链式滑台7通过螺栓固定安装在钻孔角度调节装置8上，柔性高压管5、压力调节装置4以及高压水泵3固定安装在链式滑台7上，柔性高压管5两端分别与高压泵3和滑动式二位三通方向阀6-5进水口连接，钻孔-割缝-压裂钻杆9通过集成连接钻杆6与链式滑台7、钻孔角度调节装置8以及柔性高压管5相连接。

液压升降平台10的升降以及钻孔角度调节装置8用以调节钻孔-割缝-压裂钻杆9与岩体之间的夹角，水箱2、高压水泵3、压力调节装置4、柔性高压管5、集成驱动装置6整体形成一套高压水系统，用于辅助钻孔-割缝-压裂工作，其中，集成驱动装置6用于调节水射流工作压力，辅助岩体钻孔-割缝-压裂工作，装置的动力系统包括行走机构1和链式滑台7，行走机构1置于装置下方，用于驱动装置行走，链式滑台7用于推进钻孔-割缝-压裂钻杆9钻进坚硬岩体。

该实施例的具体工作步骤为，通过行走机构1带动装置到达预定工作位置，控制液压升降平台10以及钻孔角度调节装置8调节钻孔-割缝-压裂钻杆9与岩体夹角，让孔-割缝-压裂钻杆9对准钻孔位置；接着进行钻孔操作，调整压力调节装置4，然后开启高压水泵2，启动集成驱动装置6驱动钻孔-割缝-压裂钻杆9转动，调整压力调节装置4升高水射流工作压力，利用链式滑台7推进钻孔-割缝-压裂钻杆9钻进坚硬岩体进行转孔操作；接着进行割缝操作，进预定深度后，关闭链式滑台7的驱动装置，链式滑台7自锁，调节压力调节装置4，提高水射流工作压力，割缝-压裂钻杆9-3随着钻孔-割缝-压裂钻杆9的转动，旋转割缝岩石；最后进行压裂工作，关闭集成驱动装置6内部的钻孔-割缝-压裂钻杆9的驱动单元，通过改变水流道让钻孔-割缝-压裂钻杆9上面的封隔橡胶9-2-1开始膨胀，封堵两侧的钻孔岩壁，高压水进入到封隔岩壁内部，通过水射流压力持续升高，对目标区域进行压裂，最后关闭高压泵，进行复位，完成工作。

具体的，集成驱动装置6包括驱动电机6-1、减速器6-2、旋转密封装置I6-3、旋转密封装置II6-4和滑动式二位三通方向阀6-5，其中驱动电机6-1、减速器6-1、驱动钻杆9-6三者均通过键连接，旋转密封装置II6-4固定连接在减速器6-2外壳体上，旋转密封装置I6-3的旋转轴6-3-1外延部分加工密封锥螺纹连接在驱动钻杆9-6末端，封隔橡胶注水流道9-7通过旋转密封装置II6-4与高压管接滑动式二位三通方向阀6-5的一个出口，中心流道9-8通过旋转密封装置I6-3和高压管接滑动式二位三通方向阀6-5另一个出口，滑动式二位三通方向阀6-5的进水口外接柔性高压管5，排放口接水箱2，水流通过外接柔性高压管5进入到滑动式二位三通方向阀6-5中，并通过两个出口分流，分别进入到中心流道9-8和封隔橡胶注水流道9-7中，驱动电机6-1驱动钻孔-割缝-压裂钻杆9转动，滑动式二位三通方向阀6-5改变高压水射流的流道，让高压水分别通过中心流道9-8进入到钻头9-1辅助钻孔，通过滑动式二位三通方向阀6-5和封隔橡胶注水流道9-7进入到封隔橡胶9-2-1中让封隔橡胶9-2-1膨胀，对割缝-压裂区域进行密封，通过割缝-压裂钻杆9-3分别进入到割缝孔9-3-3和压裂孔9-3-2中进行目标区域割缝及压裂工作。

具体的，钻孔-割缝-压裂钻杆9包括利用锥螺纹依次连接的钻头9-1、前端密封钻杆9-2、割缝-压裂钻杆9-3、后端密封钻杆9-4、普通连接钻杆9-5以及驱动钻杆9-6，各钻杆内部均对称加工封隔橡胶注水流道9-7和中心流道9-8，割缝-压裂钻杆9-3上的割缝孔9-3-3和压裂孔9-3-2内部均安装单向阀9-9，钻孔-割缝-压裂钻杆9由多节钻杆螺纹连接而成，多节钻杆按功能可分为前段钻杆，用于钻孔；密封钻杆，通过橡胶膨胀，隔绝作业孔内部割缝和压裂区域；割缝-压裂钻杆9-3，用于对作用区域岩块割缝和压裂，处于该处钻杆上的割缝孔9-3-3和压裂孔9-3-2通过滑动式二位三通方向阀6-5实施交互工作，在割缝和压裂时不产生影响；驱动钻杆9-6，用于带动钻孔-割缝-压裂钻杆9整体工作。

请参阅图3，作为进一步优选的，旋转密封装置I6-3包括旋转轴6-3-1、密封件壳体6-3-2、密封件端盖6-3-3、圆锥滚子轴承6-3-4、硬质合金阀座6-3-5、密封导套6-3-6、温度测量探孔6-3-7、泄水孔6-3-8以及注水孔6-3-9，密封导套6-3-6与硬质合金阀座6-3-5接触端面的对应位置设置有温度测量探孔6-3-7和泄水孔6-3-8，密封件壳体6-3-2与密封件端盖6-3-3通过螺纹连接，旋转轴6-3-1外延部分加工密封锥螺纹，旋转轴6-3-1上安装圆锥滚子轴承6-3-4的位置加工环形阶梯端面，硬质合金阀座6-3-5与密封导套6-3-6分别嵌入安装在旋转轴承6-3-1和密封件端盖6-3-3内，旋转密封装置II6-4通过深沟球轴承6-4-1与驱动钻杆9-6连接，并通过螺栓固定在减速器6-2壳体上，旋转密封装置I6-3承接钻孔-割缝-压裂钻杆9和高压水系统，具体连接高压水系统中的柔性高压管5，高压水通过柔性高压管5进入滑动式二位三通方向阀6-5中，滑动式二位三通方向阀6-5选择通过注水孔6-3-9中进入到中心流道9-8，或是进入到封隔橡胶注水流道9-7中，旋转密封装置I6-3配合滑动式二位三通方向阀6-5，用于保证工作时高压水射流的流道分配，在分配同时，旋转密封装置I6-3对进入到钻孔-割缝-压裂钻杆9中的水流进行旋转密封，同时上面配有泄水孔6-3-8，用于泄压排水工作。

请参阅图4，作为进一步优选的，钻头9-1端面环形焊接半球形耐磨截齿9-1-1，钻头9-1内部加工倾斜流道9-1-2，倾斜流道9-1-2进口接通钻头9-1内部的中心流道9-8，倾斜流道9-1-2出口对应位置焊接高压喷嘴9-1-3，高压喷嘴9-1-4焊接角度在30°-90°之间，水射流经各节钻杆中心流道9-8、压力控制阀9-2-4、钻头9-1内部的倾斜流道9-1-2，最后经高压喷嘴9-1-1喷出，辅助钻头9-1-1钻进岩体。

请参阅图5，作为进一步优选的，钻杆9-2包括封隔橡胶9-2-1、弹性钢板9-2-2、滑环9-2-3、压力控制阀9-2-4、前端密封钻杆主体9-2-5、矩形凹槽9-2-6、出水口9-2-7、垂直孔9-2-8、压环9-2-9、封隔橡胶注水流道9-7、中心流道9-8以及蓄水槽9-10，压力控制阀9-2-4由阀套9-2-4-1、阀芯9-2-4-2、复位弹簧9-2-4-3三部分组成；阀芯9-2-4-2内部加工垂直交叉的T型流道，末端直径大于中心流道9-8；复位弹簧9-2-4-3套在阀芯9-2-4-2上，安装于阀套9-2-4-1内；阀套9-2-4-1外圆柱面加工螺纹，端面加工内六角凹槽9-2-4-4，安装在出水口9-2-7处；前端密封钻杆主体9-2-5外表面加工，绕圆周均匀分布的矩形凹槽9-2-6，两个矩形凹槽9-2-6中间的凸台中心加工垂直孔9-2-8，垂直孔9-2-8与封隔橡胶注水流道9-7贯通，矩形凹槽9-2-6内安装弹性钢板9-2-2，两端安装滑环9-2-3，滑环9-2-3内侧焊接固定厚度凸台，用于封隔橡胶9-2-1膨胀，滑环9-2-3沿着钻杆轴向相对滑动过程中，挤压弹性钢板9-2-2，反之，封隔橡胶注水流道9-7内水压减小，弹性钢板9-2-2两端与滑环9-2-3内测凸台端面接触，间接推动封隔橡胶9-2-1向钻杆两端运动，实现封隔橡胶9-2-1的自动收缩，滑环9-2-3采用弹性材料加工为半圆形，矩形凹槽9-2-6两端距离封隔橡胶9-2-1与前端密封钻杆主体9-2-5接触端面的圆柱段长度为200mm，且表面光滑处理，压环9-2-9扣压在封隔橡胶9-2-1两端，蓄水槽9-10的作用是避免多节钻杆连接过程中，封隔橡胶注水流道9-7不对中问题，后端密封钻杆9-4与前端密封钻杆9-3功能相同，结构类似，不同的是前端密封钻杆9-3的压裂注水流道9-7并非贯通加工。

请参阅图6，作为进一步优选的，割缝-压裂钻杆9-3包括退刀槽9-3-1、压裂孔9-3-2、割缝孔9-3-3、喷嘴9-3-4、O型圈9-3-5、封隔橡胶注水流道9-7、中心流道9-8、单向阀9-9以及蓄水槽9-10，压裂孔9-3-2与封隔橡胶注水流道9-7连通，且压裂孔9-3-2出口安装单向阀9-9，割缝孔9-3-3与中心流道9-8连通，割缝孔9-3-3底部安装单向阀9-9，顶部安装喷嘴9-3-4，割缝-压裂钻杆9-3中割缝孔9-3-3和压裂孔9-3-2与中心流道9-8空间垂直但不交错，封隔橡胶注水流道9-7连接处加工有蓄水槽9-10。

本发明具体作业方法步骤如下：

S1：钻孔位置调节：行走机构1运行至岩石掘进工作面，控制液压油缸的伸缩长度，调节液压升降平台10以及钻孔角度调节装置8与岩体夹角，使钻孔-割缝-压裂钻杆9以预定角度对准钻孔位置；

S2：钻孔：调节压力调节装置4，控制水射流输出动压在较低状态，启动高压水泵2以及集成驱动装置6内部的驱动电机6-1，驱动钻孔-割缝-压裂钻杆9转动，然后，调节压力调节装置4升高水射流工作压力，接着启动链式滑台7推进钻孔-割缝-压裂钻杆9钻进坚硬岩体，水射流经各节钻杆中心流道9-8、压力控制阀9-2-4、钻头9-1内部的倾斜流道9-1-2，最后经高压喷嘴9-1-1喷出，辅助钻头9-1-1钻进岩体；

S3：割缝：钻进预定深度后，关闭链式滑台7的驱动装置，链式滑台7自锁，调节压力调节装置4，提高水射流工作压力，高压状态下压力控制阀9-2-4关闭，割缝孔9-3-3上方的单向阀9-9开启，喷嘴9-3-4随钻孔-割缝-压裂钻杆9旋转割缝岩石，直至割缝深度无法增加；

S4：压裂与复位：关闭集成驱动装置6内的驱动电机6-1，钻孔-割缝-压裂钻杆9停止转动，调节压力调节装置4降低水射流工作压力，调节滑动式二位三通方向阀6-5切换封隔橡胶注水流道9-7，然后提高水射流工作压力，封隔橡胶9-2-1开始膨胀，并于钻孔岩壁接触，随后压裂孔9-3-2上的单向阀9-9开启，岩石割缝内水射流工作压力持续升高，实现压裂目标后，调节压力调节装置4使水射流工作压力降低，然后关闭高压泵，弹性钢板9-2-2推动滑环9-2-3向钻杆两端运动，封隔橡胶9-2-1在其自身弹性收缩作用及滑环9-2-3推动下恢复原状；

S5：重复步骤S2、S3、S4完成坚硬岩体的钻孔、割缝和压裂过程，将岩体压裂成薄板状，进而弱化岩体整体强度。完成特定位置岩体钻孔、割缝与压裂后，转步骤S1更换钻孔位置或角度继续岩体弱化施工。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种原位钻割裂弱化岩体装备，其特征在于：包括行走机构(1)、水箱(2)、高压水泵(3)、压力调节装置(4)、柔性高压管(5)、集成驱动装置(6)、链式滑台(7)、钻孔角度调节装置(8)、钻孔-割缝-压裂钻杆(9)和液压升降平台(10)，所述水箱(2)和液压升降平台(10)安装在行走机构(1)上，钻孔角度调节装置(8)铰接在液压升降平台(10)上，链式滑台(7)通过螺栓固定安装在钻孔角度调节装置(8)上，柔性高压管(5)、压力调节装置(4)以及高压水泵(3)固定安装在链式滑台(7)上，柔性高压管(5)两端分别与高压泵(3)和滑动式二位三通方向阀(6-5)进水口连接，钻孔-割缝-压裂钻杆(9)通过集成连接钻杆(6)与链式滑台(7)、钻孔角度调节装置(8)以及柔性高压管(5)相连接。

2.根据权利要求1所述的一种原位钻割裂弱化岩体装备，其特征在于：所述集成驱动装置(6)包括驱动电机(6-1)、减速器(6-2)、旋转密封装置I(6-3)、旋转密封装置II(6-4)和滑动式二位三通方向阀(6-5)，其中驱动电机(6-1)、减速器(6-1)、驱动钻杆(9-6)三者均通过键连接，旋转密封装置II(6-4)固定连接在减速器(6-2)外壳体上，旋转密封装置I(6-3)的旋转轴(6-3-1)外延部分加工密封锥螺纹连接在驱动钻杆(9-6)末端，封隔橡胶注水流道(9-7)通过旋转密封装置II(6-4)与高压管接滑动式二位三通方向阀(6-5)的一个出口，中心流道(9-8)通过旋转密封装置I(6-3)和高压管接滑动式二位三通方向阀(6-5)另一个出口，滑动式二位三通方向阀(6-5)的进水口外接柔性高压管(5)，排放口接水箱(2)。

3.根据权利要求1所述的一种原位钻割裂弱化岩体装备，其特征在于：所述钻孔-割缝-压裂钻杆(9)包括利用锥螺纹依次连接的钻头(9-1)、前端密封钻杆(9-2)、割缝-压裂钻杆(9-3)、后端密封钻杆(9-4)、普通连接钻杆(9-5)以及驱动钻杆(9-6)，各钻杆内部均对称加工封隔橡胶注水流道(9-7)和中心流道(9-8)，割缝-压裂钻杆(9-3)上的割缝孔(9-3-3)和压裂孔(9-3-2)内部均安装单向阀(9-9)。

4.根据权利要求2所述的一种原位钻割裂弱化岩体装备，其特征在于：所述旋转密封装置I(6-3)包括旋转轴(6-3-1)、密封件壳体(6-3-2)、密封件端盖(6-3-3)、圆锥滚子轴承(6-3-4)、硬质合金阀座(6-3-5)、密封导套(6-3-6)、温度测量探孔(6-3-7)、泄水孔(6-3-8)以及注水孔(6-3-9)，密封导套(6-3-6)与硬质合金阀座(6-3-5)接触端面的对应位置设置有温度测量探孔(6-3-7)和泄水孔(6-3-8)，密封件壳体(6-3-2)与密封件端盖(6-3-3)通过螺纹连接，旋转轴(6-3-1)外延部分加工密封锥螺纹，旋转轴(6-3-1)上安装圆锥滚子轴承(6-3-4)的位置加工环形阶梯端面，硬质合金阀座(6-3-5)与密封导套(6-3-6)分别嵌入安装在旋转轴承(6-3-1)和密封件端盖(6-3-3)内，旋转密封装置II(6-4)通过深沟球轴承(6-4-1)与驱动钻杆(9-6)连接，并通过螺栓固定在减速器(6-2)壳体上。

5.根据权利要求3所述的一种原位钻割裂弱化岩体装备，其特征在于：所述钻头(9-1)端面环形焊接半球形耐磨截齿(9-1-1)，钻头(9-1)内部加工倾斜流道(9-1-2)，倾斜流道(9-1-2)进口接通钻头(9-1)内部的中心流道(9-8)，倾斜流道(9-1-2)出口对应位置焊接高压喷嘴(9-1-3)，高压喷嘴(9-1-4)焊接角度在30°-90°之间。

6.根据权利要求3所述的一种原位钻割裂弱化岩体装备，其特征在于：所述钻杆(9-2)包括封隔橡胶(9-2-1)、弹性钢板(9-2-2)、滑环(9-2-3)、压力控制阀(9-2-4)、前端密封钻杆主体(9-2-5)、矩形凹槽(9-2-6)、出水口(9-2-7)、垂直孔(9-2-8)、压环(9-2-9)、封隔橡胶注水流道(9-7)、中心流道(9-8)以及蓄水槽(9-10)，压力控制阀(9-2-4)由阀套(9-2-4-1)、阀芯(9-2-4-2)、复位弹簧(9-2-4-3)三部分组成，阀芯(9-2-4-2)内部加工垂直交叉的T型流道，末端直径大于中心流道(9-8)；复位弹簧(9-2-4-3)套在阀芯(9-2-4-2)上，安装于阀套(9-2-4-1)内，阀套(9-2-4-1)外圆柱面加工螺纹，端面加工内六角凹槽(9-2-4-4)，安装在出水口(9-2-7)处，前端密封钻杆主体(9-2-5)外表面加工，绕圆周均匀分布的矩形凹槽(9-2-6)，两个矩形凹槽(9-2-6)中间的凸台中心加工垂直孔(9-2-8)，垂直孔(9-2-8)与封隔橡胶注水流道(9-7)贯通，矩形凹槽(9-2-6)内安装弹性钢板(9-2-2)，两端安装滑环(9-2-3)，滑环(9-2-3)内侧焊接固定厚度凸台，弹性钢板(9-2-2)两端与滑环(9-2-3)内测凸台端面接触，滑环(9-2-3)采用弹性材料加工为半圆形，矩形凹槽(9-2-6)两端距离封隔橡胶(9-2-1)与前端密封钻杆主体(9-2-5)接触端面的圆柱段长度为200mm，且表面光滑处理，压环(9-2-9)扣压在封隔橡胶(9-2-1)两端。

7.根据权利要求3所述的一种原位钻割裂弱化岩体装备，其特征在于：所述割缝-压裂钻杆(9-3)包括退刀槽(9-3-1)、压裂孔(9-3-2)、割缝孔(9-3-3)、喷嘴(9-3-4)、O型圈(9-3-5)、封隔橡胶注水流道(9-7)、中心流道(9-8)、单向阀(9-9)以及蓄水槽(9-10)，压裂孔(9-3-2)与封隔橡胶注水流道(9-7)连通，且压裂孔(9-3-2)出口安装单向阀(9-9)，割缝孔(9-3-3)与中心流道(9-8)连通，割缝孔(9-3-3)底部安装单向阀(9-9)，顶部安装喷嘴(9-3-4)，割缝-压裂钻杆(9-3)中割缝孔(9-3-3)和压裂孔(9-3-2)与中心流道(9-8)空间垂直但不交错，封隔橡胶注水流道(9-7)连接处加工有蓄水槽(9-10)。

8.一种原位钻割裂弱化岩体装备的作业方法，包括权利要求1-7任一所述的原位钻割裂弱化岩体装备，其特征在于，包括如下步骤：

S1：钻孔位置调节：行走机构(1)运行至岩石掘进工作面，控制液压油缸的伸缩长度，调节液压升降平台(10)以及钻孔角度调节装置(8)与岩体夹角，使钻孔-割缝-压裂钻杆(9)以预定角度对准钻孔位置；

S2：钻孔：调节压力调节装置(4)，控制水射流输出动压在较低状态，启动高压水泵(2)以及集成驱动装置(6)内部的驱动电机(6-1)，驱动钻孔-割缝-压裂钻杆(9)转动，然后，调节压力调节装置(4)升高水射流工作压力，接着启动链式滑台(7)推进钻孔-割缝-压裂钻杆(9)钻进坚硬岩体，水射流经各节钻杆中心流道(9-8)、压力控制阀(9-2-4)、钻头(9-1)内部的倾斜流道(9-1-2)，最后经高压喷嘴(9-1-1)喷出，辅助钻头(9-1-1)钻进岩体；

S3：割缝：钻进预定深度后，关闭链式滑台(7)的驱动装置，链式滑台(7)自锁，调节压力调节装置(4)，提高水射流工作压力，高压状态下压力控制阀(9-2-4)关闭，割缝孔(9-3-3)上方的单向阀(9-9)开启，喷嘴(9-3-4)随钻孔-割缝-压裂钻杆(9)旋转割缝岩石，直至割缝深度无法增加；

S4：压裂与复位：关闭集成驱动装置(6)内的驱动电机(6-1)，钻孔-割缝-压裂钻杆(9)停止转动，调节压力调节装置(4)降低水射流工作压力，调节滑动式二位三通方向阀(6-5)切换封隔橡胶注水流道(9-7)，然后提高水射流工作压力，封隔橡胶(9-2-1)开始膨胀，并于钻孔岩壁接触，随后压裂孔(9-3-2)上的单向阀(9-9)开启，岩石割缝内水射流工作压力持续升高，实现压裂目标后，调节压力调节装置(4)使水射流工作压力降低，然后关闭高压泵，弹性钢板(9-2-2)推动滑环(9-2-3)向钻杆两端运动，封隔橡胶(9-2-1)在其自身弹性收缩作用及滑环(9-2-3)推动下恢复原状；

S5：重复步骤S2、S3、S4完成坚硬岩体的钻孔、割缝和压裂过程，将岩体压裂成薄板状，进而弱化岩体整体强度。完成特定位置岩体钻孔、割缝与压裂后，转步骤S1更换钻孔位置或角度继续岩体弱化施工。

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