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

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• 申請日: 2022-11-29
• 公開（公告）號: CN115874926A
• 公開（公告）日: 2023-03-31
• 發(fā)明（設計）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（專利權(quán)）人: 中國礦業(yè)大學
• 主分類號: E21B7/04
• 分類號: E21B7/04;E21B7/18;E21B33/127;E21B7/02;E21B10/43;E21B10/60;E21B17/042
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 余俊杰

本發(fā)明公開了一種鉆孔割縫與原位封孔壓裂弱化堅硬巖體裝備及作業(yè)方法，高壓水系統(tǒng)和導軌分別安裝在行走機構(gòu)上，鉆孔角度調(diào)節(jié)機構(gòu)兩端分別與行走機構(gòu)和導軌鉸接，推進機構(gòu)兩端分別與回轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)和導軌連接。隨著水射流工作壓力的升高，滑桿向左移動與鉆頭內(nèi)部錐形孔接觸，關(guān)閉低壓輔助鉆進功能，繼續(xù)提高壓水系統(tǒng)的工作壓力，實現(xiàn)割縫兩側(cè)鉆孔封孔和封孔中間巖體原位壓裂，不同鉆孔深度下可以進行巖體內(nèi)多割縫的原位封孔壓裂，使完整巖體壓裂分割成薄板狀弱化巖體強度。本發(fā)明將傳統(tǒng)頻繁進退鉆具才能完成的鉆孔、割縫、壓裂工藝一體化集成，極大地提高了巖體壓裂弱化效率，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，為機械化破碎堅硬巖體提供基礎。

技術(shù)領域

本發(fā)明涉及巖體改性應用技術(shù)領域，具體為一種鉆孔割縫與原位封孔壓裂弱化堅硬巖體裝備及作業(yè)方法。

背景技術(shù)

在硬巖巷隧道掘進和采煤工作面過斷層中，由于硬巖截割技術(shù)等因素限制，超硬巖巷隧道掘進、工作面過斷層仍采用鉆爆法施工，易引發(fā)瓦斯爆炸、粉塵爆炸、沖擊地壓等煤礦安全事故，且存在巖體破碎效率低、安全性差等問題。截齒式掘進機和采煤機切削破碎硬巖難度大，截割功率300kW掘進機切削強度150MPa的磨蝕性硬巖效率不足10m³/h，超硬巖破碎比能耗極低，粉塵產(chǎn)量大，截齒消耗量高達10把/m³，截齒式掘進機不適合超硬巖巷道掘進，截齒式采煤機不適合斷層巖體機械化截割。巖石隧道掘進機TBM提供的極大推進力可以擠壓破碎堅硬巖體，由于其體積大、結(jié)構(gòu)復雜、移動靈活性差等，難以適用于煤礦井下巷道掘進，在硬巖隧道掘進中也存在滾刀磨損快、成本高等問題。因此，如何實現(xiàn)超硬巖體的機械化高效破碎已經(jīng)成為巖石掘進或開采裝備關(guān)鍵問題和難點。

水射流輔助機械鉆孔不僅可以降低巖石結(jié)構(gòu)強度利于堅硬巖體的快速鉆進，并且水射流輔助可以降低機械截齒鉆進過程中因摩擦而產(chǎn)生的高溫，提高鉆頭使用壽命并降低鉆孔過程中的粉塵危害。水射流原位封孔壓裂技術(shù)將高壓水注入巖石鉆孔的割縫內(nèi)，利用巖石抗壓不抗拉特性實現(xiàn)超硬巖體壓裂。目前該技術(shù)廣泛應用于石油和天然氣開采、煤礦堅硬頂板水力壓裂控制等領域。水射流旋轉(zhuǎn)割縫及封孔壓裂使堅硬巖體成板狀分布，大大弱化巖體的結(jié)構(gòu)強度更易于后續(xù)機械破碎。原位封孔壓裂技術(shù)在堅硬巖體鉆孔過程中可一次性實現(xiàn)超遠距離鉆孔和不同間距的封孔壓裂，將大幅度提高堅硬巖體的壓裂弱化效率和效果，為堅硬巖體快速掘進和開采提供條件。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)的不足，提供一種鉆孔割縫與原位封孔壓裂弱化堅硬巖體裝備及作業(yè)方法，結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，可以降低堅硬巖體的結(jié)構(gòu)強度，能夠高效的實現(xiàn)單軸抗壓強度極高的超硬巖破碎，加裝鉆桿可實現(xiàn)遠距離鉆孔，改變水射流工作壓力不僅可進行高壓割縫與壓裂巖體，而且可以輔助機械鉆進提高巖石鉆進效率。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種鉆孔割縫與原位封孔壓裂弱化堅硬巖體裝備，包括行走機構(gòu)、高壓水系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)、推進機構(gòu)、鉆孔角度調(diào)節(jié)機構(gòu)、鉆孔割縫壓裂裝置、一級連接鉆桿和導軌，所述高壓水系統(tǒng)安裝在行走機構(gòu)上，導軌鉸接在行走機構(gòu)上，鉆孔角度調(diào)節(jié)機構(gòu)兩端分別與行走機構(gòu)和導軌鉸接，回轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)滑動安裝在導軌上，鉆桿兩端分別與回轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)和鉆孔割縫壓裂裝置連接，推進機構(gòu)兩端分別與回轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)和導軌連接。

優(yōu)選的，所述鉆孔割縫壓裂裝置包括通過錐螺紋依次連接的鉆頭、二級連接鉆桿、左側(cè)密封鉆桿、三級連接鉆桿和右側(cè)密封鉆桿，旋轉(zhuǎn)割縫裝置環(huán)形套接在三級連接鉆桿外表面，三級連接鉆桿環(huán)形外表面和旋轉(zhuǎn)割縫裝置內(nèi)表面均加工有溝槽，三級連接鉆桿通過球軸承與旋轉(zhuǎn)割縫裝置滾動連接，三級連接鉆桿內(nèi)部加工割縫流道與旋轉(zhuǎn)割縫裝置內(nèi)部傾斜流道對正安裝。

進一步優(yōu)選的，所述鉆頭內(nèi)部加工錐形孔，滑桿面朝鉆頭的一端加工成半球形與錐形孔構(gòu)成活動密封，滑桿的半球形端與錐形孔之間安裝有低壓大行程彈簧。