[發(fā)明專利]鉆孔割縫與原位封孔壓裂弱化堅(jiān)硬巖體裝備及作業(yè)方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202211512314.0
• 申請(qǐng)日: 2022-11-29
• 公開（公告）號(hào): CN115874926A
• 公開（公告）日: 2023-03-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 江紅祥;劉送永;李洪盛;趙慧賀;何青源;馬丹;司壘;許少毅;江帆;張曉迪
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國礦業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): E21B7/04
• 分類號(hào): E21B7/04;E21B7/18;E21B33/127;E21B7/02;E21B10/43;E21B10/60;E21B17/042
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 余俊杰

1.一種鉆孔割縫與原位封孔壓裂弱化堅(jiān)硬巖體裝備，其特征在于：包括行走機(jī)構(gòu)(1)、高壓水系統(tǒng)(2)、回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(3)、推進(jìn)機(jī)構(gòu)(4)、鉆孔角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(5)、鉆孔割縫壓裂裝置(6)、一級(jí)連接鉆桿(7)和導(dǎo)軌(8)，所述高壓水系統(tǒng)(2)安裝在行走機(jī)構(gòu)(1)上，導(dǎo)軌(8)鉸接在行走機(jī)構(gòu)(1)上，鉆孔角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(5)兩端分別與行走機(jī)構(gòu)(1)和導(dǎo)軌(8)鉸接，回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(3)滑動(dòng)安裝在導(dǎo)軌(8)上，鉆桿(7)兩端分別與回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(3)和鉆孔割縫壓裂裝置(6)連接，推進(jìn)機(jī)構(gòu)(4)兩端分別與回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(3)和導(dǎo)軌(8)連接。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鉆孔割縫與原位封孔壓裂弱化堅(jiān)硬巖體裝備，其特征在于：所述鉆孔割縫壓裂裝置(6)包括通過錐螺紋依次連接的鉆頭(6-1)、二級(jí)連接鉆桿(6-2)、左側(cè)密封鉆桿(6-3)、三級(jí)連接鉆桿(6-4)和右側(cè)密封鉆桿(6-6)，旋轉(zhuǎn)割縫裝置(6-5)環(huán)形套接在三級(jí)連接鉆桿(6-4)外表面，三級(jí)連接鉆桿(6-4)環(huán)形外表面和旋轉(zhuǎn)割縫裝置(6-5)內(nèi)表面均加工有溝槽(6-5-1)，三級(jí)連接鉆桿(6-4)通過球軸承(6-9)與旋轉(zhuǎn)割縫裝置(6-5)滾動(dòng)連接，三級(jí)連接鉆桿(6-4)內(nèi)部加工割縫流道(6-4-1)與旋轉(zhuǎn)割縫裝置(6-5)內(nèi)部傾斜流道(6-5-2)對(duì)正安裝。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種鉆孔割縫與原位封孔壓裂弱化堅(jiān)硬巖體裝備，其特征在于：所述鉆頭(6-1)內(nèi)部加工錐形孔(6-1-4)，滑桿(6-10)面朝鉆頭(6-1)的一端加工成半球形與錐形孔(6-1-4)構(gòu)成活動(dòng)密封，滑桿(6-10)的半球形端與錐形孔(6-1-4)之間安裝有低壓大行程彈簧(6-7)。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種鉆孔割縫與原位封孔壓裂弱化堅(jiān)硬巖體裝備，其特征在于：所述鉆頭(6-1)包括實(shí)心截齒(6-1-2)和空心截齒(6-1-3)，實(shí)心截齒(6-1-2)和空心截齒(6-1-3)按照2：1數(shù)量交替焊接在鉆頭(6-1)前端面，所述空心截齒(6-1-3)高度較低且內(nèi)部流道呈錐形收縮狀，按30°-90°固定焊接在鉆頭(6-1)端面的鉆進(jìn)流道(6-1-1)出口位置，經(jīng)空心截齒(6-1-3)噴出的水射流旋轉(zhuǎn)沖擊巖石形成環(huán)形割縫，實(shí)心截齒(6-1-2)擠壓破碎環(huán)形割縫中間的巖脊。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種鉆孔割縫與原位封孔壓裂弱化堅(jiān)硬巖體裝備，其特征在于：所述左側(cè)密封鉆桿(6-3)和右側(cè)密封鉆桿(6-6)中心位置加工有螺紋孔，螺紋孔左側(cè)加工三道退刀槽(6-3-10)，右側(cè)加工軸向階梯孔(6-3-12)，閥套(6-3-3)的端面加工內(nèi)六角凹槽(6-3-1)及螺紋孔，用于安裝閥套(6-3-3)和管螺紋(6-3-7)，封隔橡膠(6-3-8)底部與管螺紋(6-3-7)連接，環(huán)形退刀槽(6-3-10)配合封隔橡膠左側(cè)緊固件(6-3-9)，軸向階梯孔(6-3-12)內(nèi)部安裝封隔橡膠復(fù)位彈簧(6-3-14)以及封隔橡膠復(fù)位滑塊(6-3-13)，封隔橡膠復(fù)位滑塊(6-3-13)為U型結(jié)構(gòu)，扣壓于封隔橡膠復(fù)位彈簧(6-3-14)行程末端，封隔橡膠復(fù)位滑塊(6-3-13)頂部的密封鉆桿(6-3)上加工方形槽，內(nèi)置黃銅材質(zhì)的封隔橡膠止板(6-3-15)，其末端與封隔橡膠右側(cè)緊固件(6-3-11)扣壓連接，封隔橡膠右側(cè)緊固件(6-3-11)嵌入封隔橡膠(6-3-8)五公分，階梯孔(6-3-5)底部開孔尺寸小于閥套(6-3-3)外直徑，彈簧外直徑尺寸與閥套(6-3-3)內(nèi)直徑接近，閥芯(6-3-2)內(nèi)加工有T型流道(6-3-6)。

6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種鉆孔割縫與原位封孔壓裂弱化堅(jiān)硬巖體裝備，其特征在于：所述旋轉(zhuǎn)割縫裝置(6-5)的內(nèi)表面和端面均加工耐磨涂層，內(nèi)部加工傾斜流道(6-5-2)、高壓噴嘴(6-5-3)焊接在旋轉(zhuǎn)割縫裝置(6-5)表面。

7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種鉆孔割縫與原位封孔壓裂弱化堅(jiān)硬巖體裝備，其特征在于：所述滑桿(6-10)同閥芯(6-3-2)相同內(nèi)部加工T型流道，配合低壓大行程彈簧(6-7)安裝于二級(jí)連接鉆桿(6-2)內(nèi)部，二級(jí)連接鉆桿(6-2)末端安裝限位閥塊(6-8)。

8.一種鉆孔割縫與原位封孔壓裂弱化堅(jiān)硬巖體裝備的作業(yè)方法，包括權(quán)利要求1-7任一所述的鉆孔割縫與原位封孔壓裂弱化堅(jiān)硬巖體裝備，其特征在于，包括如下步驟：

S1：鉆孔位置調(diào)節(jié)：行走機(jī)構(gòu)(1)工作使裝備達(dá)到鉆孔工作面，控制鉆孔角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(5)使鉆孔割縫壓裂裝置(6)鉆頭(6-1)處于預(yù)定鉆孔位置和角度；

S2：鉆孔：先后啟動(dòng)高壓水系統(tǒng)(2)、回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(3)和推進(jìn)機(jī)構(gòu)(4)，控制高壓水系統(tǒng)(2)輸出低壓水，低壓水依次經(jīng)滑桿(6-10)內(nèi)部的T型流道、錐形孔(6-1-4)、鉆孔流道(6-1-1)及空心截齒(6-1-3)沖擊巖石，高水系統(tǒng)(3)輔助下回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(3)帶動(dòng)鉆頭(6-1)旋轉(zhuǎn)破碎巖石，推進(jìn)機(jī)構(gòu)(4)沿一級(jí)連接鉆桿(7)軸向逐漸推進(jìn)完成一定深度鉆孔；

S3：割縫：鉆頭(6-1)鉆進(jìn)到預(yù)定位置后，依次關(guān)閉推進(jìn)機(jī)構(gòu)(4)和回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(3)，然后提高高壓水系統(tǒng)(2)的輸出工作壓力，滑桿(6-10)在高壓水的推動(dòng)下向左移動(dòng)進(jìn)一步壓縮低壓大行程彈簧(6-7)，滑桿(6-10)與鉆頭(6-1)內(nèi)部的錐形孔(6-1-4)接觸形成密封，阻止高壓水經(jīng)進(jìn)入鉆頭(6-1)輔助鉆進(jìn)，高壓水系統(tǒng)(2)升壓過程中，高壓水依次進(jìn)入割縫流道(6-4-1)、傾斜流道(6-5-2)，及高壓噴嘴(6-5-3)割縫巖石，并推動(dòng)旋轉(zhuǎn)割縫裝置(6-5)快速轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)高壓水經(jīng)閥芯(6-2)、閥套(6-3)以及管螺紋(6-3-7)持續(xù)注入封隔橡膠(6-3-8)；

S4：密封：隨著壓力的持續(xù)升高，封隔橡膠(6-3-8)膨脹，右側(cè)封隔橡膠緊固件(6-3-11)，帶動(dòng)封隔橡膠止板(6-3-15)向左移動(dòng)，并壓縮封隔橡膠復(fù)位彈簧(6-3-14)，直至旋轉(zhuǎn)割縫裝置(6-5)兩側(cè)封孔橡膠(6-3-8)膨脹與孔壁接觸形成密封空間，高壓水推動(dòng)閥芯(6-3-2)向上移動(dòng)壓縮高壓小行程彈簧(6-3-4)，閥芯(6-3-2)與閥套(6-3-3)接觸，關(guān)閉封隔橡膠(6-3-8)的注水通道，右側(cè)密封裝置(6-6)與左側(cè)密封裝置(6-3)工作原理相同；

S5：壓裂與復(fù)位：封隔橡膠(6-3-8)膨脹完成壓裂區(qū)域密封后，閥芯(6-3-2)與閥套(6-3-3)接觸，切斷封隔橡膠(6-3-8)的注水通道，增大高壓水系統(tǒng)(2)的工作壓力，實(shí)現(xiàn)割縫后封隔區(qū)域巖石的原位壓裂，直至檢測(cè)到水射流工作壓力陡升時(shí)關(guān)閉高壓水系統(tǒng)(2)，低壓大行程彈簧(6-7)推動(dòng)滑桿(6-10)向右移動(dòng)，復(fù)位至限位閥塊(6-8)，高壓小行程彈簧(6-3-4)推動(dòng)閥芯(6-3-2)向下移動(dòng)，復(fù)位至閥芯(6-3-2)與階梯孔(6-3-5)接觸，打開閥套(6-3-3)頂部的注水通道，封隔橡膠(6-3-1)在其自身彈性收縮力及封隔橡膠復(fù)位彈簧(6-3-14)合理作用下，恢復(fù)原狀；

S6：重復(fù)步驟S2、S3、S4、S5完成不同深度鉆孔割縫、封孔和壓裂，使完整巖體壓裂分割成薄板狀弱化巖體強(qiáng)度，完成特定位置巖體鉆孔割縫與封孔壓裂后，轉(zhuǎn)步驟S1更換鉆孔位置或角度繼續(xù)巖體弱化施工。