CN109538183A - 一种坚硬岩石钻孔切缝压裂一体装置 - Google Patents

Abstract

一种坚硬岩石钻孔切缝压裂一体装置，包括油缸支撑座、推进油缸、导轨、回转驱动装置、橡胶圈、反向挤压环、钻杆、钻头、流道轴、旋转密封轴和旋转密封套；油缸支撑座固定在导轨后端，回转驱动装置与导轨滑动相连，推进油缸固定在油缸支撑座上，推进油缸活塞杆与回转驱动装置相连，输出轴前端与钻杆后端、钻杆前端与钻头后端分别连接，安装在输出轴和钻杆内部的流道轴与钻头后端连接，旋转密封套固定在回转驱动装置的后端，旋转密封轴穿过旋转密封套与流道轴相连，橡胶圈固定在回转驱动装置的前端并与反向挤压环相连。本发明能实现坚硬岩体钻孔—切缝—压裂一体化作业，具有碎落坚硬岩体(f>10)能力强、效率高、产尘量低等优点。

Description

一种坚硬岩石钻孔切缝压裂一体装置

技术领域

本发明涉及一种坚硬岩石钻孔切缝压裂一体装置，适用于普氏硬度系数较高(f>10)的巷道或隧道岩体掘进施工。

背景技术

目前，煤炭开采已经逐渐向深层和复杂地层发展，对深层、复杂地层煤炭资源安全高效开采技术和装备提出了更高的要求和新的挑战。由于地应力的增大，通常深层、复杂地层煤岩的弹性模量、硬度和破坏强度等随之增大，单轴抗压强度往往达到150MPa以上。虽然爆破掘进法具有灵活、方便、成本低、适应性强以及不受地质条件变化影响的特点，但其存在工序多、安全性低、掘进效率低等缺点。机械切削破岩时刀具磨损严重、消耗量大，主要用于切削破碎普氏硬度系数f≤8的煤岩；机械冲击可以破碎大部分煤岩，但在坚硬煤岩(f>10)中工作存在球齿磨损严重和脱落、破岩效率低以及粉尘量大等问题，大大降低了机械冲击破岩能力、效率以及设备使用寿命和可靠性，如何实现坚硬煤岩的安全高效破碎已经成为深层、复杂地层煤炭等矿体资源高效开发的关键问题和难点。

目前，对于坚硬岩石(f>10)钻孔、切缝、压裂一体化的技术尚未出现，并且该项技术目前还存在岩道密封困难等众多难题急需克服，以确保在高压磨料的作用下，已经切出的环形缝隙可以被压裂。

发明内容

为了克服现有技术的上述不足，本发明提供一种坚硬岩石钻孔切缝压裂一体装置，该装置能够实现坚硬岩体钻孔—切缝—压裂一体化作业方式，具有碎落坚硬岩体能力强、效率高和产尘量低的优点。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：主要由油缸支撑座、推进油缸、导轨、回转驱动装置、橡胶圈、反向挤压环、钻杆、钻头、流道轴、旋转密封轴和旋转密封套组成；所述的油缸支撑座固定在导轨的后端，回转驱动装置与导轨滑动相连，推进油缸固定在油缸支撑座上，推进油缸活塞杆与回转驱动装置相连，回转驱动装置的输出轴前端与钻杆后端、钻杆前端与钻头后端均可拆卸式连接，安装在输出轴和钻杆内部的流道轴与钻头后端配合连接，旋转密封套固定在回转驱动装置的后端，旋转密封轴穿过旋转密封套与流道轴相连，橡胶圈固定在回转驱动装置的前端并与反向挤压环相连；由旋转密封套侧部的磨料液输入口输入的高压磨料经旋转密封轴、流道轴以及钻头内部的流道分别引入至钻头前端和侧部的喷嘴。

相比现有技术，本发明的一种坚硬岩石钻孔切缝压裂一体装置，其适用于硬岩岩道掘进，工作介质是硬岩(f>10)，钻进深度比较浅，为50-100cm，需要对岩道进行密封，破岩效率高；用于换向的装置采用机械结构的拉环来实现，具体是通过拉动拉环使控制磨料液从前喷嘴或者侧喷流出来完成换向，并且该结构位于工作区域之外，操作简单可靠；采用橡胶圈+反向挤压环作为反向密封装置，岩道中的工作压力越大，密封圈的变形程度越大，密封越可靠；高压磨料既在钻孔时辅助射流钻孔，又用于切缝和压裂，真正的实现钻孔、切缝和压裂一体化，减少了中间环节；使用的喷嘴数量少，工作流量小，工作压力大，破岩效率高；岩石为一次性破碎，通过侧面喷嘴实现了岩石裂缝的角度为45°～90°，便于整块岩石碎落。综上，本发明充分利用了高压磨料射流切割岩石能力强、坚硬岩体不抗等特性，实现坚硬岩体钻孔—切缝—压裂一体化作业方式，具有碎落坚硬岩体能力强、效率高、产尘量低等优点，对坚硬岩石巷(隧)道机械化开拓具有促进作用。所采用的高压磨料射流除了可以破碎岩石，还可以有效的抑制岩石破碎产生的粉尘，改善机械开拓坚硬岩体的工作条件，实现巷道或隧道坚硬岩体的机械化高效开挖。同时降低巷道开挖费用，提高了能源资源的安全、高效开发，对我国矿山的可持续发展有重要的社会意义。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明一个实施例的全剖视图。

图2是本发明实施例中输出轴的剖视图。

图3是本发明实施例中钻头的剖视图。

图4-1是本发明实施例中流道轴的剖视图。

图4-2是本发明实施例中流道轴的俯视图。

图5-1是本发明实施例中旋转密封轴的剖视图。

图5-2是本发明实施例中旋转密封轴的俯视图。

图6是本发明实施例中旋转密封套的剖视图。

图7是本发明实施例中钻杆的剖视图。

图中：1、油缸支撑座，2、推进油缸，2-1、推进油缸活塞杆，3、导轨，4、O型密封圈，5、回转驱动装置，5-1、电机，5-2、齿轮Ⅰ，5-3、壳体，5-4、输出轴，5-4-1、键槽Ⅰ，5-4-2、通孔Ⅰ，5-4-3、圆柱形凸台Ⅰ，5-4-4、长键槽，5-5、盖板Ⅱ，5-6、齿轮Ⅱ，5-7、盖板Ⅰ，6、橡胶圈，7、反向挤压环，8、钻杆，8-1、内螺纹凹槽Ⅰ，8-2、内螺纹凹槽Ⅱ，8-3、通孔Ⅱ，9、钻头，9-1、凹槽，9-2、前喷嘴流道，9-3、前喷嘴分流道，9-4、喷嘴，9-4-1、前面喷嘴，9-4-2、侧面喷嘴，9-5、侧喷嘴分流道，9-6、侧喷嘴流道，9-7、机械截齿，10、流道轴，10-1、内螺纹凹槽Ⅲ，10-2、中心水道，10-3、磨料液出口，10-4、静密封圈凹槽Ⅰ，10-5、键槽Ⅱ，11、旋转密封轴，11-1、T型水道，11-2、圆柱形凸台Ⅱ、11-3、拉环，12、旋转密封套，12-1、通孔段Ⅰ，12-2、静密封圈凹槽Ⅱ，12-3、磨料液输入口，12-4、通孔段Ⅱ。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

图1至图7示出了本发明一个较佳的实施例的结构示意图，图1中的一种坚硬岩石钻孔切缝压裂一体装置，包括油缸支撑座1、推进油缸2、导轨3、O型密封圈4、回转驱动装置5、橡胶圈6、反向挤压环7、钻杆8、钻头9、流道轴10、旋转密封轴11和旋转密封套12。油缸支撑座1固定在导轨3的后端，回转驱动装置5与导轨3滑动相连，推进油缸2通过螺栓螺母固定在油缸支撑座1上，推进油缸活塞杆2-1与回转驱动装置5相连，通过推进油缸活塞杆2-1的伸缩控制回转驱动装置5在导轨3上前进或后退的过程。旋转密封轴11穿过旋转密封套12与流道轴10通过螺纹连接，旋转密封轴11与旋转密封套12配合处静密封采用O型密封圈4。

参见图2，所述的回转驱动装置5由电机5-1、齿轮Ⅰ5-2、壳体5-3、输出轴5-4、盖板Ⅱ5-5、齿轮Ⅱ5-6和盖板Ⅰ5-7组成，盖板Ⅰ5-7和盖板Ⅱ5-5分别安装在回转驱动装置5的两端，固定在盖板Ⅰ5-7上的两个电机5-1其输出轴通过键与齿轮Ⅰ5-2相连，齿轮Ⅱ5-6通过键连接在输出轴5-4上并与齿轮Ⅰ5-2相啮合，两个电机5-1转向相同，共同驱动输出轴5-4旋转，扭矩动力和旋转运动依次经过输出轴5-4、钻杆8传递至钻头9，进而配合推进油缸活塞杆2-1伸缩可以实现钻头9钻进破岩。旋转密封套12固定在盖板Ⅰ5-7上，橡胶圈6固定在盖板Ⅱ5-5的前端。橡胶圈6在发生变形之前其内径大于输出轴5-4外径，橡胶圈6在受到反向挤压环7挤压时，只有当挤压力大于某一值时，橡胶圈6才会发生变形而使岩孔处于完全密封状态，并且随着岩道中的压力增大，橡胶圈6的密封性能也随之增强。所述的回转驱动装置5的输出轴5-4的前端具有一个圆柱形凸台Ⅰ5-4-3，圆柱形凸台Ⅰ5-4-3上设有外螺纹，输出轴5-4的后端具有一个圆环结构，圆环结构上加工有键槽Ⅰ5-4-1，齿轮Ⅱ5-6通过键连接在键槽Ⅰ5-4-1处，输出轴5-4的内部为中空的通孔Ⅰ5-4-2，在通孔Ⅰ5-4-2后端加工长键槽5-4-4，输出轴5-4内部的流道轴10与输出轴5-4键连接并且通过此长键槽5-4-4与输出轴5-4相对滑动。

参见图6，所述旋转密封套12后端的外圆上设有磨料液输入口12-3，磨料液输入口12-3与旋转密封套12内部的通孔段Ⅱ12-4相通，通孔段Ⅱ12-4前后端为直径收小的通孔段Ⅰ12-1，通孔段Ⅰ12-1上加工有静密封圈凹槽Ⅱ12-2。

参见图5-1和5-2，所述旋转密封轴11的前端是加工有外螺纹的圆柱形凸台Ⅱ11-2，其前端内部加工有T型水道11-1，并且旋转密封轴11在前后移动的过程中，T型水道11-1的入口始终和磨料液入口12-3导通，在旋转密封轴11的后端固定一拉环11-3。

参见图7，所述钻杆8的内部为中空的通孔Ⅱ8-3，在钻杆8的前端和后端分别加工有内螺纹凹槽Ⅰ8-1和内螺纹凹槽Ⅱ8-2；输出轴5-4的圆柱形凸台Ⅰ5-4-3上的外螺纹与内螺纹凹槽Ⅰ8-1相配合。

参见图3，所述钻头9的后端为具有凹槽9-1的外圆环，该外圆环上加工的外螺纹与钻杆8前端的内螺纹凹槽Ⅱ8-2配合连接，凹槽9-1与流道轴10前端配合，配合处的静密封采用O型密封圈4；在钻头9的内部分别设有前喷嘴流道9-2和侧喷嘴流道9-6，其分别与前喷嘴分流道9-3和侧喷嘴分流道9-5相连，在前喷嘴分流道9-3和侧喷嘴分流道9-5的前端分别安装前面喷嘴9-4-1和侧面喷嘴9-4-2，侧面喷嘴9-4-2向后倾斜并与钻杆8之间形成45°～90°的夹角；钻头9前端还布置了数个机械截齿9-7，机械截齿9-7与前面喷嘴9-4-1交替布置。

参见图4-1和4-2，所述的流道轴10总体为T型，其内部设有中心水道10-2，在中心水道10-2靠近前端的位置处开设有磨料液出口10-3，通过流道轴10的前后移动使中心水道10-2分别与前喷嘴流道9-2和侧喷嘴流道9-6导通；流道轴10后端内加工有内螺纹凹槽Ⅲ10-1，旋转密封轴11的圆柱形凸台Ⅱ11-2上的外螺纹和内螺纹凹槽Ⅲ10-1相配合，流道轴10后端外圆环结构上加工有键槽Ⅱ10-5，流道轴10与输出轴5-4在键槽Ⅱ10-5处进行键连接，在流道轴10前端外圆环上、磨料液出口10-3前后两侧加工有安装静密封圈凹槽Ⅰ10-4。

工作原理：利用坚硬岩石钻孔切缝压裂一体装置破碎岩体时，巷道内液压泵系统给推进油缸2提供具有一定压力的油使推进油缸活塞杆2-1具有推力和直线速度，推进油缸活塞杆2-1的推力和直线速度经回转驱动装置5、钻杆8传递至钻头9，使钻头9上的机械截齿9-7挤压岩石。输出轴5-4的扭矩和转速经钻杆8传递至钻头9，使钻头9上的机械截齿9-7旋转切削岩石。在钻头9钻进切削岩石的过程中，中心水道10-2与前喷嘴流道9-2导通，高压磨料液从磨料液输入口12-3输入，依次流经T型水道11-1、中心水道10-2、前喷嘴流道9-2和前喷嘴分流道9-3。最后从前面喷嘴9-4-1射出，实现高压磨料射流辅助钻进。钻头9钻进一定距离(50-100cm)通过拉环11-3使中心水道10-2与侧喷嘴流道9-6导通，使高压磨料液从侧面喷嘴9-4-2射出，仅使钻头9回转在岩孔周围产生环状裂缝。完成钻孔和切缝后继续高压磨料液注入，高压磨料液推动反向挤压环7挤压橡胶圈6，当压力达到一定值时，橡胶圈6膨胀而使岩道密封，向岩孔内注入高压磨料液压裂已形成的环形切缝(岩石缝隙的角度为45°～90°)使岩石整块碎裂。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质，对以上实施例所做出任何简单修改和同等变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种坚硬岩石钻孔切缝压裂一体装置，其特征是：主要由油缸支撑座(1)、推进油缸(2)、导轨(3)、回转驱动装置(5)、橡胶圈(6)、反向挤压环(7)、钻杆(8)、钻头(9)、流道轴(10)、旋转密封轴(11)和旋转密封套(12)组成；

所述的油缸支撑座(1)固定在导轨(3)的后端，回转驱动装置(5)与导轨(3)滑动相连，推进油缸(2)固定在油缸支撑座(1)上，推进油缸活塞杆(2-1)与回转驱动装置(5)相连，回转驱动装置(5)的输出轴(5-4)前端与钻杆(8)后端、钻杆(8)前端与钻头(9)后端均可拆卸式连接，安装在输出轴(5-4)和钻杆(8)内部的流道轴(10)与钻头(9)后端配合连接，旋转密封套(12)固定在回转驱动装置(5)的后端，旋转密封轴(11)穿过旋转密封套(12)与流道轴(10)相连，橡胶圈(6)固定在回转驱动装置(5)的前端并与反向挤压环(7)相连；由旋转密封套(12)侧部的磨料液输入口(12-3)输入的高压磨料经旋转密封轴(11)、流道轴(10)以及钻头(9)内部的流道分别引入至钻头(9)前端和侧部的喷嘴(9-4)。

2.根据权利要求1所述的一种坚硬岩石钻孔切缝压裂一体装置，其特征是：所述的回转驱动装置(5)由电机(5-1)、齿轮Ⅰ(5-2)、壳体(5-3)、输出轴(5-4)、盖板Ⅱ(5-5)、齿轮Ⅱ(5-6)和盖板Ⅰ(5-7)组成，盖板Ⅰ(5-7)和盖板Ⅱ(5-5)分别安装在回转驱动装置(5)的两端，固定在盖板Ⅰ(5-7)上的两个电机(5-1)其输出轴通过键与齿轮Ⅰ(5-2)相连，齿轮Ⅱ(5-6)通过键连接在输出轴(5-4)上并与齿轮Ⅰ(5-2)相啮合，两个电机(5-1)转向相同，共同驱动输出轴(5-4)旋转；旋转密封套(12)固定在盖板Ⅰ(5-7)上，橡胶圈(6)固定在盖板Ⅱ(5-5)的前端。

3.根据权利要求2所述的一种坚硬岩石钻孔切缝压裂一体装置，其特征是：所述的回转驱动装置的输出轴(5-4)的前端具有一个圆柱形凸台Ⅰ(5-4-3)，圆柱形凸台Ⅰ(5-4-3)上设有外螺纹，输出轴(5-4)的后端具有一个圆环结构，圆环结构上加工有键槽Ⅰ(5-4-1)，齿轮Ⅱ(5-6)通过键连接在键槽Ⅰ(5-4-1)处，输出轴(5-4)的内部为中空的通孔Ⅰ(5-4-2)，在通孔Ⅰ(5-4-2)后端加工长键槽(5-4-4)，输出轴(5-4)内部的流道轴(10)与输出轴(5-4)键连接并且通过此长键槽(5-4-4)与输出轴(5-4)相对滑动。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种坚硬岩石钻孔切缝压裂一体装置，其特征是：在所述旋转密封套(12)后端的外圆上设有磨料液输入口(12-3)，磨料液输入口(12-3)与旋转密封套(12)内部的通孔段Ⅱ(12-4)相通，通孔段Ⅱ(12-4)前后端为直径收小的通孔段Ⅰ(12-1)，通孔段Ⅰ(12-1)上加工有静密封圈凹槽Ⅱ(12-2)。

5.根据权利要求4所述的一种坚硬岩石钻孔切缝压裂一体装置，其特征是：所述旋转密封轴(11)的前端是加工有外螺纹的圆柱形凸台Ⅱ(11-2)，其前端内部加工有T型水道(11-1)，并且旋转密封轴(11)在前后移动的过程中，T型水道(11-1)的入口始终和磨料液入口(12-3)导通，在旋转密封轴(11)的后端固定一拉环(11-3)。

6.根据权利要求3所述的一种坚硬岩石钻孔切缝压裂一体装置，其特征是：所述钻杆(8)的内部为中空的通孔Ⅱ(8-3)，在钻杆(8)的前端和后端分别加工有内螺纹凹槽Ⅰ(8-1)和内螺纹凹槽Ⅱ(8-2)；输出轴(5-4)的圆柱形凸台Ⅰ(5-4-3)上的外螺纹与内螺纹凹槽Ⅰ(8-1)相配合。

7.根据权利要求6所述的一种坚硬岩石钻孔切缝压裂一体装置，其特征是：所述钻头(9)的后端为具有凹槽(9-1)的外圆环，该外圆环上加工的外螺纹与钻杆(8)前端的内螺纹凹槽Ⅱ(8-2)配合连接，凹槽(9-1)与流道轴(10)前端配合；在钻头(9)的内部分别设有前喷嘴流道(9-2)和侧喷嘴流道(9-6)，其分别与前喷嘴分流道(9-3)和侧喷嘴分流道(9-5)相连，在前喷嘴分流道(9-3)和侧喷嘴分流道(9-5)的前端分别安装前面喷嘴(9-4-1)和侧面喷嘴(9-4-2)，侧面喷嘴(9-4-2)向后倾斜并与钻杆(8)之间形成45°～90°的夹角；钻头(9)前端还交替布置了数个机械截齿(9-7)。

8.根据权利要求7所述的一种坚硬岩石钻孔切缝压裂一体装置，其特征是：所述的流道轴(10)总体为T型，其内部设有中心水道(10-2)，在中心水道(10-2)靠近前端的位置处开设有磨料液出口(10-3)，通过流道轴(10)的前后移动使中心水道(10-2)分别与前喷嘴流道(9-2)和侧喷嘴流道(9-6)导通；流道轴(10)后端内加工有内螺纹凹槽Ⅲ(10-1)，旋转密封轴(11)的圆柱形凸台Ⅱ上的外螺纹和内螺纹凹槽Ⅲ(10-1)相配合，流道轴(10)后端外圆环结构上加工有键槽Ⅱ(10-5)，流道轴(10)与输出轴(5-4)在键槽Ⅱ(10-5)处进行键连接，在流道轴(10)前端外圆环上、磨料液出口(10-3)前后两侧加工有安装静密封圈凹槽Ⅰ(10-4)。

9.根据权利要求1所述的一种坚硬岩石钻孔切缝压裂一体装置，其特征是：所述的旋转密封轴(11)和旋转密封套(12)以及流道轴(10)和钻头(9)在相连接位置的密封件均采用O型密封圈(4)。