一种煤岩体卸压类椭圆形钻孔导向开槽卸压方法

1.本发明涉及煤矿安全开采技术领域，具体涉及一种煤岩体卸压类椭圆形钻孔导向开槽卸压方法。


背景技术：

2.煤岩体大直径钻孔卸压是最常用的煤岩体应力卸压方法，而其他卸压方法均可以在煤岩体大直径钻孔卸压后进行爆破和水压致裂，达到增强卸压的效果。前期大量的工程实践证明煤岩体大直径钻孔卸压能较为有效的降低煤岩体应力集中，但是，由于井下地质条件的复杂性，煤岩体大直径钻孔卸压仍存在很多棘手的问题：
3.①
施工时，由于地层并不是均质的，若遇到穿层时，钻头往往向相对软弱的一层偏转，使得大直径钻孔孔斜，且轨迹无法辨识，无法准确按照卸压设计进行施工，无法达到有效卸压的目的。
4.②
由于圆形钻孔的抗变形能力更强，当卸压钻孔施工密集，对周围岩体扰动大，周期来压时钻孔外围岩体会承受更大的压力，而圆形钻孔未变形或变形量小，无法达到有效卸压的目的。
5.③
钻孔增强卸压时，由于钻孔分布为圆形，进行爆破和水力压裂影响范围小，卸压效果不明显。譬如：水力压裂需要较大的破裂压力；顶板爆破不能有效连接达到切顶的目的等等。


技术实现要素：

6.针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种煤岩体卸压类椭圆形钻孔导向开槽卸压方法，其能够准确、有效的扶正钻孔施工方向，保证钻孔施工平直，有效遵循卸压设计，且通过施工类椭圆形钻孔，使得应力可以有效沿着类菱角处(优势破裂处)进行释放转移，达到有效卸压的目的；通过在类椭圆形卸压孔内部进行导向开槽，有效增强传统类椭圆形卸压孔卸压效果，使得应力可以按照导向槽进行释放，此外，为水力压裂和爆破卸压提供了良好的通道，优化了压裂方向和爆破范围，达到增透卸压的目的，充分满足矿井绿色安全高效生产，防治冲击地压的需求。
7.根据弹性力学理论可知，受力岩体开孔时，孔边应力远大于无孔时应力分布，也远大于距孔稍远处应力，即受力岩体开孔使得岩体应力重分布达到卸压的效果，此外，小孔边缘应力集中。
8.根据弹性力学理论，设某一均质薄板上，有一椭圆形孔口，其长轴与短轴分别为2a和2b，在椭圆坐标系中，为了把薄板的中面在z平面上所占的区域变换为ζ平面上的中心单位元，由复变函数可知变换式为：
[0009][0010]
其中r和m都是实数，按下式计算：
[0011][0012][0013]
距椭圆孔边某点的应力求解时，该点一定处于以椭圆端点为原点的极坐标系(r，θ)中，则有几何关系为：
[0014]
z＝a+rcosθ+irsinθ
[0015]
y＝rsinθ
[0016]
根据弹性力学理论，可得到极坐标表示的应力表达式，因此简化为：
[0017][0018][0019][0020]
f为地质体作用在孔周围的作用力，σ
x
为沿x方向正应力、σy为沿y方向正应力、τ
xy
为xy方向剪应力；
[0021]
由上式可知，椭圆孔口孔边应力与孔边曲率有明显关系，应力随着曲率的增加而逐渐增加。即椭圆长轴端点处附近应力集中，应力量值高于短轴端点处应力。
[0022]
当长轴与短轴相等时为圆孔，则圆孔孔边的应力集中程度相对较低，抗变形能力更强，
[0023]
假设常规煤岩体卸压圆孔孔边最大主应力为σ，则由类椭圆形钻孔施工导致的长轴端部应力集中系数为υ，此时类椭圆形钻孔长轴端部最大主应力为：
[0024]
σ
′
＝(1+υ)σ
[0025]
由强度理论可知，当岩体内最大主应力达到或超过岩体单轴抗压强度时，岩体将发生破裂。
[0026]
因此，与常规圆形卸压钻孔相比，煤岩体卸压时，更易沿类椭圆形长轴端部发生破裂，从而达到更为有效解除煤岩体应力集中，达到卸压的目的。
[0027]
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
[0028]
本发明提供一种煤岩体卸压类椭圆形钻孔导向开槽卸压方法，包括以下步骤：
[0029]
s1、设计工作面卸压方案，确定工作面卸压孔的孔径、孔深、间距、开槽位置和封孔长度；
[0030]
s2、将钻进装置安装在钻杆的端部并施工钻进类椭圆形卸压孔，钻进装置包括固定在钻杆前端的主钻头，主钻头后方的两侧对称设有两个能够朝钻杆方向收缩和伸展的副钻头；
[0031]
s3、在钻杆的尾部安装钻孔扶正装置，钻孔扶正装置放置在卸压孔的孔口位置，保证钻杆始终处于卸压孔的中心位置；
[0032]
s4、当钻机钻进至设计深度时，停止推进钻杆，保持原位置转动并降低钻速；
[0033]
s5、调整钻杆两侧的副钻头，使其向外侧伸展，利用副钻头边缘上的侧向切削具向孔壁进行切削；
[0034]
s6、随着副钻头与主钻头的间距达到最大，副钻头上的侧向切削具不再进尺；
[0035]
s7、控制钻杆两侧的副钻头向钻杆方向收缩回收，回复到初始状态；
[0036]
s8：重复步骤s4-s7继续进行钻孔卸压工作，直至完成卸压孔施工；
[0037]
s9、卸压工作完成后，依次取下钻孔扶正装置和钻进装置，此时，煤层钻孔卸压工作完成。
[0038]
优选地，主钻头选用mm孕镶金刚石钻头，主钻头的胎体正面设有切削具和水口，副钻头选用mm孕镶金刚石钻头，副钻头胎体的正面和侧面分别设有正向切削具和侧向切削具。
[0039]
优选地，钻进装置包括设在钻杆上的主齿轮，钻杆在主齿轮旁还嵌套有与其转动连接的控制盒；副钻头与副齿轮的转轴固定，主齿轮通过传动系统带动副齿轮转动；
[0040]
传动系统包括固定在控制盒上的主杆，主杆远离控制盒的一端铰接副杆并与其连接复位弹簧，副杆远离主杆的一端转动连接副齿轮，主齿轮与副齿轮之间连接有链条；
[0041]
主杆与副杆的较点设有驱动电机，驱动电机的输出端固定驱动杆，驱动杆远离驱动电机的一端设有与链条啮合的链轮并顶紧链条；
[0042]
控制盒内设有处理器和防爆电池，处理器电性连接驱动电机用以控制控制链轮是否顶紧链条，处理器与外部通讯设备无线连接，处理器、驱动电机电性连接防爆电池。
[0043]
优选地，所述钻孔扶正装置包括筒体，所述筒体内壁嵌套有缸体轴承，所述缸体轴承内腔设有与其同轴线布置的内部缸体，所述内部缸体由若干弧形压紧片组成，每个弧形压紧片均通过压紧弹簧与缸体轴承的内壁固定连接。
[0044]
优选地，所述传动系统还包括设在主齿轮、副齿轮、链条外围对其起到防护作用的防护罩。
[0045]
本发明的有益效果在于：本方法能够准确、有效的扶正钻孔施工方向，保证钻孔施工平直，且通过施工类椭圆形钻孔，使得应力可以有效沿着类菱角处进行释放转移，达到有效卸压的目的；通过在类椭圆形卸压孔内部进行导向开槽，有效增强传统类椭圆形卸压孔卸压效果，使得应力可以按照导向槽进行释放，此外，为水力压裂和爆破卸压提供了良好的通道，优化了压裂方向和爆破范围，达到增透卸压的目的，充分满足矿井绿色安全高效生产，防治冲击地压的需求。
附图说明
[0046]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0047]
图1为本发明实施例提供的主钻头和副钻头的结构示意图；
[0048]
图2为本发明实施例提供的主钻头和副钻头的结构示意图(正向展开)；
[0049]
图3为本发明实施例提供的主齿轮和副齿轮的连接示意图；
[0050]
图4为本发明实施例提供的主齿轮和副齿轮的连接示意图(俯视图)；
[0051]
图5为本发明实施例提供的钻孔扶正装置的结构示意图；
[0052]
图6为本发明实施例提供的煤层卸压孔的结构示意图；
[0053]
图7为本发明实施例提供的类椭圆孔优势破裂处的位置示意图。
[0054]
附图标记说明：
[0055]
1、主钻头；2、副钻头；3、副齿轮；4、副杆；5、驱动电机；6、主杆；7、控制盒；8、钻杆；9、链条；10、链轮；11、主齿轮；12、驱动杆；13、筒体；14、内部缸体；15、缸体轴承；16、压紧弹簧。
具体实施方式
[0056]
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。
[0057]
如图1至图7所示，一种煤岩体卸压类椭圆形钻孔导向开槽卸压方法，
[0058]
本发明提供一种煤岩体卸压类椭圆形钻孔导向开槽卸压方法，包括以下步骤：
[0059]
s1、设计工作面卸压方案，确定工作面卸压孔的孔径、孔深、间距、开槽位置和封孔长度；
[0060]
s2、将钻进装置安装在钻杆的端部并施工钻进类椭圆形卸压孔，钻进装置包括固定在钻杆前端的主钻头，主钻头后方的两侧对称设有两个能够朝钻杆方向收缩和伸展的副钻头；
[0061]
钻进装置包括设在钻杆上的主齿轮11，钻杆在主齿轮11旁还嵌套有与其转动连接的控制盒7；副钻头2与副齿轮3的转轴固定，主齿轮11通过传动系统带动副齿轮3转动；
[0062]
传动系统包括固定在控制盒7上的主杆6，主杆6远离控制盒7的一端铰接副杆4并与其连接复位弹簧，副杆4远离主杆6的一端转动连接副齿轮3，主齿轮11与副齿轮3之间连接有链条9；
[0063]
主杆6与副杆4的较点设有驱动电机5，驱动电机5的输出端固定驱动杆12，驱动杆12远离驱动电机5的一端设有与链条9啮合的链轮10并顶紧链条9；
[0064]
控制盒7内设有处理器和防爆电池，处理器电性连接驱动电机5用以控制控制链轮10是否顶紧链条9，处理器与外部通讯设备无线连接，外部通讯设备发送指令控制驱动电机5带动链轮10工作，当驱动电机5控制链轮10顶起链条9时，两侧的副齿轮3和副钻头2一起向钻杆方向收缩；当驱动电机5控制链轮10回收不顶起链条9时，在复位弹簧的拉力下，副齿轮3和副钻头2向两侧伸展开来；处理器、驱动电机5电性连接防爆电池。
[0065]
主钻头选用150mm孕镶金刚石钻头，主钻头的胎体正面设有切削具和水口，副钻头选用100mm孕镶金刚石钻头，副钻头胎体的正面和侧面分别设有正向切削具和侧向切削具。
[0066]
s3、在钻杆的尾部安装钻孔扶正装置，钻孔扶正装置放置在卸压孔的孔口位置，保证钻杆始终处于卸压孔的中心位置；
[0067]
所述钻孔扶正装置包括筒体，所述筒体内壁嵌套有缸体轴承，所述缸体轴承内腔设有与其同轴线布置的内部缸体，所述内部缸体由若干弧形压紧片组成，每个弧形压紧片均通过压紧弹簧与缸体轴承的内壁固定连接。
[0068]
所述传动系统还包括设在主齿轮、副齿轮、链条外围对其起到防护作用的防护罩。
[0069]
s4、当钻机钻进至设计深度时，停止推进钻杆，保持原位置转动并降低钻速；
[0070]
s5、调整钻杆两侧的副钻头，使其向外侧伸展，利用副钻头边缘上的侧向切削具向孔壁进行切削；
[0071]
s6、随着副钻头与主钻头的间距达到最大，副钻头上的侧向切削具不再进尺；
[0072]
s7、控制钻杆两侧的副钻头向钻杆方向收缩回收，回复到初始状态；
[0073]
s8：重复步骤s4-s7继续进行钻孔卸压工作，直至完成卸压孔施工；
[0074]
s9、卸压工作完成后，依次取下钻孔扶正装置和钻进装置，此时，煤层钻孔卸压工作完成。
[0075]
与常规圆形卸压钻孔相比，煤岩体卸压时，更易沿类椭圆形长轴端部发生破裂(优势破裂处，参见图7)，从而达到更为有效解除煤岩体应力集中，达到卸压的目的。本方法能够准确、有效的扶正钻孔施工方向，保证钻孔施工平直，有效遵循卸压设计，且通过施工类椭圆形钻孔，使得应力可以有效沿着类菱角处进行释放转移，达到有效卸压的目的；通过在类椭圆形卸压孔内部进行导向开槽，有效增强传统类椭圆形卸压孔卸压效果，使得应力可以按照导向槽进行释放，此外，为水力压裂和爆破卸压提供了良好的通道，优化了压裂方向和爆破范围，达到增透卸压的目的，充分满足矿井绿色安全高效生产，防治冲击地压的需求。
[0076]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。