[发明专利]一种超高压水射流割缝系统及其使用方法

说明书

发明提供一种超高压水射流割缝系统及其使用方法。该系统包括超高压水射流发生系统、钻杆钻具系统、孔口密封器、气渣分离器和钻机。钻机夹持钻杆，带动钻杆旋转并钻入煤岩层中。所述钻头在钻杆的旋转带动下自轴旋转。纳米流体通过超高压水泵和水辫进入钻杆的内腔或通道Ⅰ。所述纳米流体经过内腔送入钻头或经过通道Ⅰ送入通道Ⅱ。所述径向喷嘴形成高压水射流对前方煤体进行冲击。所述轴向喷嘴形成高压水射流对四周煤体进行冲击。煤体经受高压水冲击而破碎或者由钻头研磨破碎。纳米流体经过通道Ⅱ冲击润湿煤屑。该系统能够显著提高煤岩屑的流动性，并为其顺畅排出提供动力，破解因排渣不畅引起的喷孔、堵孔、卡钻等严重影响作业安全的难题。

技术领域

本发明涉及煤矿井下复合动力灾害防治技术领域，特别涉及超高压水射流割缝系统。

背景技术

研究表明，我国的能源需求增长量仍要以煤炭增产为主，而随着煤炭开采深度的急剧增长，地应力显著增大，煤岩层渗透率显著降低，瓦斯难以抽采，煤与瓦斯突出、冲击地压及复合动力灾害也日益严重。增透是深部低渗煤层瓦斯高效抽采和煤岩动力灾害防控的关键，而超前卸压是防治冲击地压的有效手段。水力割缝无磨损、无火花、无尘、能量集中、可定向控制切割等独特的优点使其在煤矿井下瓦斯强化抽采和复合动力灾害防控方面具有巨大的优势。但是，水力割缝仍然存在割缝压力较低，中硬煤岩缝槽深度有限等问题，提高射流压力是一种直接而有效的解决方法，即采用超高压水射流割缝。目前，关于超高压水射流割缝中排渣不顺畅的难题仍没有有效的装置和方法。

因此，亟需发明一种能够顺畅排渣的超高压水射流割缝瓦斯高效抽采系统及其方法来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种超高压水射流割缝系统及其使用方法，以解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种超高压水射流割缝系统，包括超高压水射流发生系统、钻杆钻具系统、孔口密封器、气渣分离器和钻机。

所述超高压水射流发生系统包括超高压水泵和纳米流体储罐。所述超高压水泵和纳米流体储罐之间的高压管路上设置有控制阀Ⅰ。

所述钻杆钻具系统包括钻杆、钻头和水辫。所述钻杆整体为中空圆管。所述钻杆的管壁上对称设置有两个通道Ⅰ。所述通道Ⅰ贯通钻杆长度方向的两端。在钻杆中部位置处的外壁上设置有若干通道Ⅱ。所述通道Ⅰ和通道Ⅱ连通。所述通道Ⅱ倾斜于钻杆的轴线向后开设。所述通道Ⅰ的尾端设置有内螺纹。螺杆上设置有与通道Ⅰ内螺纹相匹配的外螺纹。所述螺杆旋入通道Ⅰ中，将通道Ⅰ封堵。

所述钻头上设有供高压水射出的径向喷嘴和轴向喷嘴。所述径向喷嘴设置在钻头前端。所述轴向喷嘴设置在钻头的侧壁。所述钻头安装在钻杆的首端。所述钻头的内腔与钻杆的内腔连通。所述水辫的输入端与超高压水泵通过高压管路连接，输出端与钻杆的尾端连接。

所述孔口密封器为管状体。所述孔口密封器的前端开口，并固定在钻孔孔口孔壁上，后端与气渣分离器连接。所述钻杆从孔口密封器的后端伸入钻孔中。所述气渣分离器与瓦斯抽采管道相连。所述瓦斯抽采管道安装有控制阀Ⅱ。

工作时，钻机夹持钻杆，带动钻杆旋转并钻入煤岩层中。所述钻头在钻杆的旋转带动下自轴旋转。纳米流体通过超高压水泵和水辫进入钻杆的内腔或通道Ⅰ。所述纳米流体经过内腔送入钻头或经过通道Ⅰ送入通道Ⅱ。所述径向喷嘴形成径向水射流对前方煤岩体进行冲击。所述轴向喷嘴形成横向水射流对四周煤岩体进行冲击。煤岩体经受水射流冲击而破碎或者由钻头研磨破碎。所述通道Ⅱ形成水射流冲击煤岩屑，纳米颗粒粘附在煤岩屑表面。纳米流体携带煤岩渣返出至气渣分离器。

进一步，所述通道Ⅱ的轴线与钻杆的轴线之间的夹角为10～30度。

进一步，所述纳米流体是纳米粒子分散至水中形成的两相悬浮液。纳米粒子的质量分数为0.1～1％。纳米粒子的粒径为20～80nm。