[发明专利]一种自携磨料式水力割缝钻头

说明书

一种自携磨料式水力割缝钻头，包括钻头和安装在钻头顶部四周的切割头，钻头由钻头外壁和钻头腔体构成，在所述钻头腔体内设有低压冷却水流系统和高压切割水流系统、高压水砂混合液产生与添加磨料系统、高低压水分流控制系统三大系统。本发明能够大大提高水射流的切割能力，切割能力显著提高，同时切割速度也大大提高，高压水射流获得的能量更多，割缝的范围加大，钻孔的定向致裂效果更好，从而使工作面布置的钻孔数目减少，费用降低。

技术领域

本发明涉及一种水力割缝钻头，尤其是一种自携磨料式水力割缝钻头，属于采矿工程技术领域。

背景技术

水力致裂技术最早应用于石油工程来提高贫油井的产量。目前水力致裂技术在煤矿坚硬顶板控制方面、海底隧道工程、坚硬顶煤弱化、岩石压裂、煤层气开采等方面开始推广应用。一般水力致裂裂缝的起裂扩展受控于钻孔围岩的地应力场，裂缝的起裂和扩展平面平行于最大主应力方向。但很多工程中需要的裂缝扩展方向与地应力场控制的裂缝方向并不吻合，需要通过人工措施去控制裂缝的定向起裂，引导裂缝的扩展方向，即定向水力致裂。

定向水力致裂最常用的是在钻孔壁上用高压水射流切割特定方向的裂缝，诱导水压裂缝沿切割的方向扩展，达到定向致裂的效果。在地面上，高压水射流应用广泛，其中水刀是一种常见的应用高压水射流的切割技术。水刀是以水为刀的切割工具，这项技术最早起源于美国，用于航空航天军事工业。以其冷切割不会改变材料的物理化学性质而备受青睐。后经技术不断改进，在高压水中混入石榴砂，极大的提高了水刀的切割速度和切割厚度。

目前，地面上水刀携砂切割应用非常广泛，但是其需要的空间比较大，然而在矿井中，虽然水力致裂已应用很长时间，但由于钻孔内部空间受制于钻孔直径，在钻孔内部进行水力割缝时，几乎都是不携砂的，只利用高压水的高能量冲击破碎煤岩，其效率低，冲击产生的裂缝深度不足，定向水力致裂的定向效果较差；其次，传统的水力割缝钻头的喷嘴均布置在一个同心圆上，导致其喷嘴较短，高压水在喷嘴内不能蓄积足够的能量，致使高压水从钻头喷出时能量不足，其对煤岩体的破坏程度有限，导致其割缝深度不足，定向致裂效果较差，定向切断坚硬顶板等工程问题不能得到充分解决。

公知的，携砂的水射流的切割速度和切割半径较无砂的水射流高很多。携砂的高压水射流的产生有两种方式，第一种是前混式，即将高压水和磨料(砂子)混合后，水砂混合液经过高压管路到喷嘴，经喷嘴直接喷出，切割需要切割的材料；第二种是后混式，利用高压水在喷嘴处产生的虹吸现象，将沙箱里的砂子吸入到喷嘴中与高压水混合后，经喷嘴喷出，切割相应的材料。因前混式产生的水砂混合液对沿程的高压管路磨损巨大，且喷嘴处容易产生沙堵，因而传统的水力割缝钻头很少采用；又因为后混式需要较大的空间才能完成，因而传统的水力割缝钻头不具备这样的条件，无法实现这样的功能。

发明内容

为了克服现有的上述不足，本发明提供一种自携磨料式水力割缝钻头，该钻头能够大大提高水射流的切割能力，切割能力显著提高，同时切割速度也大大提高，高压水射流获得的能量更多，割缝的范围加大，钻孔的定向致裂效果更好，从而使工作面布置的钻孔数目减少，费用降低。