[发明专利]基于重力导向机制的水力割缝水平导向装置及使用方法

说明书

本发明涉及一种基于重力导向机制的水力割缝水平导向装置及使用方法，包括用于插入煤层的中空钻杆和安装在钻杆前端的导向器，导向器前端固定安装有割缝器，导向器内部上下两端固定安装有与割缝器上的侧向喷嘴成90°夹角的触发器，钻杆内插设有前端固定安装有重力导向球的信号线，煤层钻孔的孔口处安装有与信号线连接的信号指示灯；触发器与重力导向球接触后，信号指示灯开启；钻杆内插设有与割缝器连通且用于连接高压水泵的高压旋转水尾和高压胶管，此种装置可保证水力割缝装置的割缝方向在水平面方向，每个钻孔都沿水平方向进行水力割缝，多个钻孔一次排列割缝连接，最后形成煤层内部保护层对煤层进行高效的卸压增透。

技术领域

本发明属于煤矿安全技术领域，涉及一种基于重力导向机制的水力割缝水平导向装置及使用方法。

背景技术

《煤矿安全规程》(2016年)一百一十五条规定：“高瓦斯、突出矿井的容易自燃煤层，应当采取以预抽方式为主的综合抽采瓦斯措施”；《防治煤矿冲击地压细则》(2020年)第三十九条规定：“具有冲击地压危险的高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井，应当根据本矿井条件，综合考虑制定防治冲击地压、煤与瓦斯突出、瓦斯异常涌出等复合灾害的综合技术措施，强化瓦斯抽采和卸压措施”。

近些年来，我国一些深井所发生的煤与瓦斯动力灾害现象更趋复杂，特征模糊，致灾共性化，不能用传统的煤与瓦斯突出理论进行解释，已有的防治瓦斯技术及装备不能完全满足深部矿井煤岩瓦斯动力灾害治理的需求；深部矿井煤岩瓦斯灾害致灾机理更趋复杂，仅靠煤层瓦斯抽采达标不能完全解决煤岩层的复合灾害，必须从煤层瓦斯抽采达标和卸压有效的角度进行动力灾害防治。

我国瓦斯抽采最常用的方法是采用井下或地面钻孔对瓦斯含量较高的煤层提前预抽，但该类煤层大部分具有低渗透、微孔隙、高吸附等特性，严重影响瓦斯抽采效果。随着开采深度逐渐增加，煤层渗透率进一步减小，瓦斯抽采更加困难，突出危险性越来越大。因此，保障低渗煤层瓦斯高效抽采的关键是采取合理的措施进行卸压增透。目前，适合于煤矿井下应用的卸压增透措施主要有两类：一类是以保护层开采为主的层间卸压增透措施，其在改善煤层透气性、提高瓦斯抽采率方面即经济又高效，条件允许的情况下，该措施是区域性瓦斯灾害治理的最佳手段；另一类是以钻孔卸压为主的层内卸压增透措施，以大直径钻孔卸压、水力压裂、水力冲孔和水力割缝等措施为代表，通过钻孔对低渗透煤层内部创造自由空间，为煤层增透创造条件。

高压水力割缝技术，对钻孔周围的煤体进行冲刷、剥离，形成具有一定宽度和深度的“盘状”缝槽，增加和扩展煤体中的网格空间结构，进而改善煤体中的瓦斯流动状态，增强瓦斯抽采效果，同时缓和煤体应力紧张状态，削弱或消除突出动力，降低煤层的突出危险性。

虽然高压水射流装备取得了阶段性成果，但其卸压增透范围仍然有限，不能进行大面积卸压增透进而消除突出煤层的突出危险性。煤矿井下煤层增透的水力化措施中都是环形切割，即钻机带动钻杆和割缝器在孔内边旋转边喷射破煤切割成缝，最后形成的空间形状就是相当于一个钻孔穿过若干个圆盘或者椭圆球，该结构确实可以对煤体部分区域产生卸压效果，但不能形成大面积消突的平面保护层。实现煤层内的保护层，要在煤层中形成连片的保护层，这就要求对割缝器的喷嘴方向进行控制，使其始终沿着水平方向喷射高压水射流，在单孔范围内形成条状水平切割带，若干个钻孔接续排列即形成煤层内部的一个保护层。如前所述，在所有的增透措施中保护层措施是最有效的一种增透措施。那么如何使喷嘴始终沿着水平方向喷射就成了必须要解决的问题，目前国内外在煤矿井下瓦斯抽采钻孔中的水力化措施喷射器喷射方向方面还没有相关研究。

本发明拟开发重力导向割缝器，开展钻孔内高压水射流水平条形切割破煤实验，构建煤层内部“保护层”卸压增透模型。为大面积提高低渗煤层瓦斯抽采效率、消除或降低煤层突出危险性提供最高效经济的解决方式；对促进高瓦斯及突出矿井灾害防治技术发展进步，保障煤矿安全高效生产具有重大意义。

发明内容