松软煤层机械扩孔联合水力割缝综合增透装置及控制方法

摘要

本发明属于煤矿安全开采技术领域，涉及一种松软煤层机械扩孔联合水力割缝综合增透装置及控制方法，钻杆内部设置有机械扩孔机构和高低压转换机构；机械扩孔机构包括与钻杆外部轴管滑动连接的柱塞和铰接在柱塞中心位置的若干机械扩孔刀片，钻杆外部轴管上开设有便于机械扩孔刀片穿出的通槽；机械扩孔刀片内设置有与中心管贯通的高压射流通道，柱塞上开设有便于低压水通过的偏心孔；高低压转换机构包括内缸体和连接在内缸体上的低压水通道，内缸体内滑动连接有与柱塞固定连接的芯轴和连接在芯轴上的活塞；本发明实现了机械扩孔和水力割缝增透技术有机集成，发挥了机械扩孔和水力割缝的技术优势，实现了优势互补。

说明书

技术领域

本发明属于煤矿安全开采技术领域，涉及一种松软煤层机械扩孔联合水力割缝综合增透装置及控制方法。

背景技术

目前，煤炭是我国能源供应的主要来源。但我国所开采的绝大多数矿区煤层渗透率较低，并且随着开采深度的增加，瓦斯抽采难度进一步加大。瓦斯抽采效果是制约煤矿安全高效生产的关键。因此我国煤矿所存在的低渗、深度煤层瓦斯抽采困难等亟需攻克。

煤岩体结构改造是破解低渗深度煤层瓦斯抽采难题的关键。机械扩孔和水力割缝措施是目前最实用的煤岩体结构改造途径。机械扩孔可实现在预定的煤层段扩大钻孔孔径，并且可在轴向上对扩孔段设有限制，可对整个钻孔实施扩孔，轴向上进行充分的卸压和增透；水力割缝可在径向范围内切割出较大的环面，在径向上充分造缝卸压增透。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：机械扩孔的轴向深度影响范围广而在径向增透效果不明显；水力割缝局部卸压充分，在径向的作用效果强，而对轴向影响范围小。现阶段缺乏将机械扩孔和水力割缝有机集成，发挥各自优势并克服其缺陷的装备。

发明内容

有鉴于此，本发明为了解决上述现有松软煤层瓦斯抽采过程中存在的渗透性系数低、深度煤层瓦斯抽采困难，导致煤层瓦斯抽采效率低的问题，提供一种松软煤层机械扩孔联合水力割缝综合增透装置及控制方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种松软煤层机械扩孔联合水力割缝综合增透装置，依次包括通过中心管串联的钻头、钻杆和高压水泵，钻杆内部设置有机械扩孔机构和高低压转换机构；机械扩孔机构包括与钻杆外部轴管滑动连接的柱塞和铰接在柱塞中心位置的若干机械扩孔刀片，钻杆外部轴管上开设有便于机械扩孔刀片穿出的通槽；机械扩孔刀片内设置有与中心管贯通的高压射流通道，柱塞上开设有便于低压水通过的偏心孔；高低压转换机构包括内缸体和连接在内缸体上的低压水通道，内缸体内滑动连接有与柱塞固定连接的芯轴和连接在芯轴上的活塞，芯轴和柱塞内设有贯穿在中心管内的高压射流通道，内缸体内固定安装有端部与芯轴相抵的弹簧。

本基础方案的有益效果：当水压升高时，活塞与芯轴在内缸体内滑动，从而封闭低压水通道，使水流从高压射流通道流出，进行高压水力割缝。

进一步，钻头周侧均匀开设有钻孔，钻头与钻杆采用螺纹副旋合的方式可拆卸连接。有益效果：钻头为带孔的自清理可拆卸式钻头，可以定期取下进行检查和维修。

进一步，钻头内的中心管上套装有冷却槽，高压射流通道内径小于中心管。有益效果：高压射流通道内径小于中心管，芯轴和柱塞沿着钻杆外部轴管滑动时，高压射流通道能够沿着中心管伸缩，冷却槽内可以收集冷却水，对钻头持续冷却。

进一步，机械扩孔刀片通过第一销钉与钻杆外部轴管连接，通过第二销钉与柱塞连接；机械扩孔刀片上开有第一销钉滑道，第一销钉滑动安装在第一销钉滑道内。有益效果：第一销钉用于对机械扩孔刀片开闭路径的限位；第二销钉与柱塞固定连接，实现机械扩孔刀片与柱塞的铰接。

进一步，高低压转换机构中内缸体通过固定销与钻杆外部轴管固定连接。

一种松软煤层机械扩孔联合水力割缝综合增透装置的增透控制方法，包括以下步骤：

S1、通过设置高低压转换机构，当进行普通的轴向钻孔作业时，低压水通过机械扩孔机构的柱塞来排渣，同时通过钻头和钻杆之间的水流通道对钻头进行冷却；

S2、当进行径向的割缝作业时，增高水压，使高压水推动高低压转换机构的活塞堵住低压水通道，并压缩弹簧，推动活塞，打开机械扩孔刀片，在机械扩孔的同时，高压水流通过设置在机械扩孔刀片上的高压射流通道进行水力割缝，对松软煤层进行增透；

S3、水压降低后，机械扩孔刀片在弹簧的作用下收回，低压水通道打开，开始正常的钻进或者退钻。

进一步，步骤S2中径向的割缝包括：

S21、通过径向割缝旋转设备利用加速度计与陀螺仪进行旋转周长运算，通过条件检测方法，计算出旋转周长的弧线长度，并计算每一点的电子地图坐标，记录第k点坐标产生的时刻t

S22、通过水压发射模块发射水压；径向割缝控制芯片提取待切割物件数据库中的样式并通过数据设定模块设定待切割物件的样式；

S23、通过角度调整模块利用调制模型y(t)＝x(t)+n(t)调制后，调整水压光路与待切割物件的角度；其中，x(t)为数字调制信号，n(t)为服从标准SαS分布的脉冲噪声，x(t)的调制形式表示为：

其中，N为采样点数，a

S24、通过水压调整模块调节水压器参数后对旋转电机转子轴位进行水压调整；

S25、通过切割模块对待切割物的切割区域划分为多个切割单元，按照样式设定模块设定的样式进行切割。

进一步，步骤S24中水压调整模块修复方法包括：

a、清洗工件，检测各部尺寸，确定损伤部位及磨损量；

b、对工件进行无损检测及金相检测；

c、检测电机转子轴位的硬度和化学成分；

d、去除电机转子轴位损伤部位疲劳层，将疲劳层清理干净；

e、根据电机转子轴位的硬度和化学成分选择合金粉末；第一层为打底层合金粉末为Ni基粉末，Ni合金粉末重量百分比计Ni+Co≥58-60％；Cr为18-20％，Mo为8-10％；熔覆完成后进行表层工作层熔覆，熔覆材料为Co基粉末，Co基粉末的重量百分比计Ni为13％、Cr为14％、Mo为4％、Fe为3％、C为0.8％、Co为余量；

f、调节水压器参数，水压功率为4kw，光斑直径为2mm，搭接率33.3％，扫描速度200mm/分钟进行水压熔覆。

g、对修复部位按照要求进行机械加工；

h、对修复表面进行着色探伤和超声波探伤；

i、对修复后的电机转子轴位进行硬度检测。

进一步，步骤S25中切割模块切割方法包括：

a、将待切割物件的切割区域划分为多个切割单元；

b、于各所述切割单元上采集相应的坐标数据；根据水压头的坐标数据与各所述切割单元上的坐标数据，得到各所述切割单元相应的水压距离数据；

c、根据多个所述切割单元对应的水压距离数据得到待切割物件的切割深度曲线；

d、根据所述切割深度曲线控制所述水压头运动，以对所述待切割物件进行切割。

进一步，步骤S21中利用径向割缝旋转设备中的加速度计与陀螺仪进行旋转周长运算，通过条件检测方法，计算出旋转周长的弧线长度，并计算每一点的电子地图坐标，记录第k点坐标产生的时刻t

所述条件C

条件C

条件C

局部加速度方差计算方式为，

其中

条件C

条件之间是逻辑与的关系，即条件检测结果为C

d(k)＝m(k)*l或d(k)＝d(k-1)+l；

所述求出每个信号强度的扫描时刻与所有坐标产生时刻之间差的绝对值，找到绝对值最小的那个坐标产生时刻，配对保存为数据库的一条基本数据单元具体包括：

综合采集得到的RSSI与空间旋转路径的电子地图坐标，求出每个信号强度的扫描时刻t

即认为t

本发明的有益效果在于：

1、本发明所公开的松软煤层机械扩孔联合水力割缝综合增透装置，通过高低压转换机构控制机械扩孔刀片的开闭；通过设置在机械扩孔刀片上的高压射流通道，实现机械扩孔和水力割缝增透技术有机集成，发挥了机械扩孔和水力割缝的技术优势，实现了优势互补；通过设置高低压转换机构，在正常钻进时，低压水通过机械扩孔机构的柱塞来排渣和冷却钻头，水压增高后，高压水推动高低压转换机构的活塞堵住低压水通道，并压缩弹簧，打开机械扩孔刀片，此时，在机械扩孔的同时，高压水通过设置在机械扩孔刀片上的高压射流通道进行水力割缝，水压降低后，机械扩孔刀片在弹簧的作用下收回，低压水通道打开，开始正常的钻进或者退钻。

2、本发明所公开的松软煤层机械扩孔联合水力割缝综合增透装置，高速工作中会产生大量的热，使得工作中的钻头硬度降低，降低钻头寿命，该机械扩孔联合水力割缝综合增透装置采用通水式为钻头进行冷却降温，提高了钻头的使用寿命。解决了单一机械扩孔的轴向深度影响范围广而在径向增透效果不明显；单一水力割缝局部卸压充分，在径向的作用效果强，而对轴向影响范围小的问题。实现了机械扩孔和水力割缝增透技术有机集成，发挥各自优势。解决了现有松软煤层瓦斯抽采过程中存在的渗透性系数低、深度煤层瓦斯抽采困难，导致煤层瓦斯抽采效率低的问题。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明松软煤层机械扩孔联合水力割缝综合增透装置的结构示意图；

图2为本发明图1增透装置的径向切面图；

图3为本发明图1增透装置的增透控制方法流程图。

附图标记：钻孔1、冷却槽2、机械扩孔刀片3、第一销钉4、高压射流通道5、柱塞6、连接头7、内缸体8、芯轴9、弹簧10、定位轴套11、固定销12、轴管13、低压水通道14、活塞15、偏心孔18。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1～2所示的一种松软煤层机械扩孔联合水力割缝综合增透装置，依次包括通过中心管串联的钻头、钻杆和高压水泵，钻杆内部设置便于对煤岩体煤层段扩大钻孔1孔径的机械扩孔机构和可在径向范围内切割出环面的高低压转换机构；机械扩孔机构包括与钻杆外部轴管13滑动连接的柱塞6和铰接在柱塞6中心位置的2～4片机械扩孔刀片3，机械扩孔刀片3通过刀片铰链铰接在柱塞6中心位置，钻杆外部轴管13上开设有便于机械扩孔刀片3穿出的通槽；机械扩孔刀片3内设置有与中心管贯通的高压射流通道5，柱塞6上开设有便于低压水通过的偏心孔18；高低压转换机构包括内缸体8和连接在内缸体8上的低压水通道14，内缸体8内滑动连接有与柱塞6固定连接的芯轴9和连接在芯轴9上的活塞15，芯轴9和柱塞6内设有贯穿在中心管内的高压射流通道5，内缸体8内固定安装有端部与芯轴9相抵的弹簧10。内缸体8的前侧为连接头7，内缸体8的中部套装有定位轴套11，在芯轴9和活塞15滑动时，提高内缸体8的稳定性。

钻头周侧均匀开设有钻孔1，钻头与钻杆采用螺纹副旋合的方式可拆卸连接。钻头为带孔的自清理可拆卸式钻头，可以定期取下进行检查和维修。

钻头内的中心管上套装有冷却槽2，高压射流通道5内径小于中心管。高压射流通道5内径小于中心管，芯轴9和柱塞6沿着钻杆外部轴管13滑动时，高压射流通道5能够沿着中心管伸缩，冷却槽2内可以收集冷却水，对钻头持续冷却。

机械扩孔刀片3通过第一销钉4与钻杆外部轴管13连接，通过第二销钉与柱塞6连接；机械扩孔刀片3上开有第一销钉4滑道，第一销钉4滑动安装在第一销钉4滑道内。有益效果：第一销钉4用于对机械扩孔刀片3开闭路径的限位；第二销钉与柱塞6固定连接，实现机械扩孔刀片3与柱塞6的铰接。高低压转换机构中内缸体8通过固定销12与钻杆外部轴管13固定连接。

当进行普通的轴向钻孔1作业时，低压水通过机械扩孔机构的柱塞6来排渣，同时通过钻头和钻杆之间的水流通道对钻头进行冷却；当需要对煤层进行径向割缝作业时，水压升高，高压水推动活塞15与芯轴9在内缸体8内滑动，从而封闭低压水通道，使水流从高压射流通道5流出，进行高压水力割缝。

如图3所示一种松软煤层机械扩孔联合水力割缝综合增透装置的增透控制方法，包括以下步骤：

S1、通过设置高低压转换机构，当进行普通的轴向钻孔作业时，低压水通过机械扩孔机构的柱塞来排渣，同时通过钻头和钻杆之间的水流通道对钻头进行冷却；

S2、当进行径向的割缝作业时，增高水压，使高压水推动高低压转换机构的活塞堵住低压水通道，并压缩弹簧，推动活塞，打开机械扩孔刀片3，在机械扩孔的同时，高压水流通过设置在机械扩孔刀片3上的高压射流通道5进行水力割缝，对松软煤层进行增透；

S3、水压降低后，机械扩孔刀片3在弹簧的作用下收回，低压水通道打开，开始正常的钻进或者退钻。

进一步，步骤S2中径向的割缝包括：

S21、通过径向割缝旋转设备利用加速度计与陀螺仪进行旋转周长运算，通过条件检测方法，计算出旋转周长的弧线长度，并计算每一点的电子地图坐标，记录第k点坐标产生的时刻t

利用径向割缝旋转设备中的加速度计与陀螺仪进行旋转周长运算，通过条件检测方法，计算出旋转周长的弧线长度，并计算每一点的电子地图坐标，记录第k点坐标产生的时刻t

所述条件C

条件C

条件C

局部加速度方差计算方式为，

其中

条件C

条件之间是逻辑与的关系，即条件检测结果为C

d(k)＝m(k)*l或d(k)＝d(k-1)+l；

所述求出每个信号强度的扫描时刻与所有坐标产生时刻之间差的绝对值，找到绝对值最小的那个坐标产生时刻，配对保存为数据库的一条基本数据单元具体包括：

综合采集得到的RSSI与空间旋转路径的电子地图坐标，求出每个信号强度的扫描时刻t

即认为t

S22、通过水压发射模块发射水压；径向割缝控制芯片提取待切割物件数据库中的样式并通过数据设定模块设定待切割物件的样式；

S23、通过角度调整模块利用调制模型y(t)＝x(t)+n(t)调制后，调整水压光路与待切割物件的角度；其中，x(t)为数字调制信号，n(t)为服从标准SαS分布的脉冲噪声，x(t)的调制形式表示为：

其中，N为采样点数，a

S24、通过水压调整模块调节水压器参数后对旋转电机转子轴位进行水压调整；

水压调整模块修复方法包括：

a、清洗工件，检测各部尺寸，确定损伤部位及磨损量；

b、对工件进行无损检测及金相检测；

c、检测电机转子轴位的硬度和化学成分；

d、去除电机转子轴位损伤部位疲劳层，将疲劳层清理干净；

e、根据电机转子轴位的硬度和化学成分选择合金粉末；第一层为打底层合金粉末为Ni基粉末，Ni合金粉末重量百分比计Ni+Co≥58-60％；Cr为18-20％，Mo为8-10％；熔覆完成后进行表层工作层熔覆，熔覆材料为Co基粉末，Co基粉末的重量百分比计Ni为13％、Cr为14％、Mo为4％、Fe为3％、C为0.8％、Co为余量；

f、调节水压器参数，水压功率为4kw，光斑直径为2mm，搭接率33.3％，扫描速度200mm/分钟进行水压熔覆。

g、对修复部位按照要求进行机械加工；

h、对修复表面进行着色探伤和超声波探伤；

i、对修复后的电机转子轴位进行硬度检测。

S25、通过切割模块对待切割物的切割区域划分为多个切割单元，按照样式设定模块设定的样式进行切割。

切割模块切割方法包括：

a、将待切割物件的切割区域划分为多个切割单元；

b、于各所述切割单元上采集相应的坐标数据；根据水压头的坐标数据与各所述切割单元上的坐标数据，得到各所述切割单元相应的水压距离数据；

c、根据多个所述切割单元对应的水压距离数据得到待切割物件的切割深度曲线；

d、根据所述切割深度曲线控制所述水压头运动，以对所述待切割物件进行切割。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。