基于水锤效应的多次瞬态压裂岩石的装置及掘进方法

本发明属于瞬态压裂开采，尤其涉及一种基于水锤效应的多次瞬态压裂岩石的装置及掘进方法。

背景技术：

1、对于一些矿井下和地下工程中的掘进，一般是通过盾构机、悬臂式掘进机等进行，但是由于施工条件受到限制，无法进入大型机械协助掘进，就只能通过钻爆掏槽钻爆的方式进行掘进，钻爆掏槽的方式主要有炸药爆破掘进、冲击锤破岩、气体爆破破岩、液压技术破岩等。这几种钻爆掏槽的方式各有优缺点。钻爆掏槽掘进最初是采用的炸药爆破掘进，随着炸药生产技术的发展，越来越多的矿用炸药被研究出来，但是炸药在矿井下的贮存有着十分严格的规定，甚至在使用的时候需要从井上运输到井下，还需要专业人员操作。虽然矿用炸药可以避免瓦斯事故，但是使用矿用炸药进行钻爆掏槽仍然存在着超挖、欠挖、过多扰动周围岩层等问题，并且炸药使用量也不好控制，用量少效果不理想，用量多可能会出现飞石、超挖等情况，并且需要专门对炸药爆破产生的烟尘进行通风排入大气，不仅耽误施工进度，而且烟尘排入大气污染环境。

2、冲击锤破岩对工人身体伤害较大，而且施工进度较慢；气体爆破破岩是目前新型的破岩方式，但是也需要采用炸药引爆，也存在超挖、欠挖、飞石等情况。通过液压技术破岩虽然可以避免超挖、欠挖、飞石等问题，但是液压破岩属于静态破岩，破出的岩石大多为整块岩石，需要打入锚杆拉出并用风镐、冲击锤二次破碎，这无疑增加了工人的劳动量和减慢了施工速度。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于水锤效应的多次瞬态压裂岩石的装置及掘进方法。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种基于水锤效应的多次瞬态压裂岩石的装置，包括高压供水系统和与其连接的水锤压裂系统，所述水锤压裂系统包括压裂棒主体，所述压裂棒主体中心设有容纳第一高压硬管的腔体，压裂棒主体外部周边沿其长度方向设有四个梯形凹槽，相邻梯形凹槽之间的夹角为直角，每个梯形凹槽槽底设有与腔体联通的出水口，每个梯形凹槽内均设有与其形状相匹配的压裂组装模块，每个压裂组装模块底部均设有耐高压高弹性软管容纳腔，压裂模块表面可设置柱形、尖锥形等保证压裂的效果，容纳腔内设有一端通过出水口与第一高压硬管联通的耐高压高弹性软管，所述耐高压高弹性软管另一端出口通过第二高压硬管与自锁阀主体联通，所述自锁阀主体包括桶状本体，桶状本体顶部设有开口，桶状本体内设有一个圆形浮漂桶盖，所述桶盖的外径大于开口内径，由于自锁阀门其外形就是一个小型水桶，上部开口小于筒壁，在桶的内部设置带有浮漂的桶盖，当高压水流通过压裂棒主体和耐高压弹性软管流入自锁阀门后，由于水的浮力将桶盖顶起，当桶内部的水将满时，桶盖与上部开口贴合，完成自锁，此时由于耐高压弹性软管内部高速流动的水被突然停止，产生水锤效应。

4、进一步的，所述高压供水系统包括耐高压水箱，耐高压水箱顶部设有开口，耐高压水箱内部设有柱塞阀，所述柱塞阀顶部通过连接杆与第二加压面连接，第二加压面顶部设有第一加压面，第一加压面通过固定杆与耐高压水箱外壁固定连接，第一加压面和第二加压面之间设有液压泵，液压泵放置在第一加压面和第二加压面之间，可以根据工况选择手动液压泵和电动液压泵，通过在两个加压面之间对耐高压水箱内部存水加压，耐高压水箱底部出水口通过第一高压硬管与压裂棒主体内部的耐高压高弹性软管连接。

5、进一步的，所述第一高压硬管上依次设有开关阀、泄压阀和单向阀，单向阀允许的水流通过方向为耐高压水箱至压裂模块，其作用在于可以减小由于前方出现水锤效应时对耐高压水箱和液压泵的冲击作用，同时防止液体回流崩坏装置，开关阀的设置在于当耐高压水箱内部压力达到设定要求时，打开开关阀，控制水从耐高压水箱内部流出；泄压阀设置在单向阀和耐高压水箱之间，当水流达到要求流量时，自锁阀门关闭，泄压阀可以卸掉在泄压阀之前的水锤产生的高压；所述耐高压水箱底部还设有进水口，所述第二高压硬管上也设有泄压阀。

6、进一步的，所述压裂组装模块底部的容纳腔内设有缓冲结构，保护耐高压弹性软管。

7、一种基于水锤效应的多次瞬态压裂岩石的装置的掘进方法，包括以下步骤：s1.通过打孔钻在开挖掌子面上布置压裂孔和压裂辅助孔，将本装置置入压裂孔中；

8、s2.关闭耐高压水桶出水阀门，同时将所有的部件连接好，向耐高压水桶中加满水；

9、s3.通过第一加压面和第二加压面之间的液压泵向耐高压水桶内的水加压，直至压力表示数为10mpa时停止加压，打开出水阀门，水流通过耐弹性高压软管后流入自锁阀，待自锁阀关闭，在耐弹性高压软管内部出现高强度水锤效应，弹性软管瞬间膨胀带动组装模块与压裂孔壁产生高压，破碎煤体或者岩体；

10、s4.打开泄压阀，将自锁阀内水重新加入到耐高压水桶里面重复利用，重复步骤s2-s3直至在压裂孔周边形成临空面；

11、s5.重复步骤s2-s4直至所有预设压裂孔周围的岩石都被掏出，支护并喷浆进入下一个循环。

12、本发明具有的优点是：本发明利用在管道内部高速流体在流动过程中被突然停止后，对阀门和管壁产生巨大压强(水流本身压力的几十甚至上百倍)的原理，高压水流从特制耐高压水箱内流出，通过不同孔径的管流入耐高压高弹性软管，再流入自锁阀中，当自锁阀内部水装满时自锁阀自动锁定，在耐高压弹性软管中高速流动的水被截停，产生水锤效应，高弹性软管中的压力瞬间增大，由于压裂棒主体比压裂孔直径略微小一点，高弹性软管膨胀受压裂孔周围岩石阻挡，其内部产生的高压瞬间加载上压裂孔周围岩石上，周围岩石破裂，与传统的方法相比，其加载能量可控，不会产生超挖、欠挖、飞石等现象，而且瞬间加载会使周围岩石破碎程度较高，不需要二次破裂等工序，提高了掘进效率；为巷道及隧道掘进钻爆掏槽提供了全新的思路，成本低操作简单，利于推广。

技术特征：

1.一种基于水锤效应的多次瞬态压裂岩石的装置，其特征在于：包括高压供水系统和与其连接的水锤压裂系统，所述水锤压裂系统包括压裂棒主体，所述压裂棒主体中心设有容纳第一高压硬管的腔体，压裂棒主体外部周边沿其长度方向设有四个梯形凹槽，相邻梯形凹槽之间的夹角为直角，每个梯形凹槽槽底设有与腔体联通的出水口，每个梯形凹槽内均设有与其形状相匹配的压裂组装模块，每个压裂组装模块底部均设有耐高压高弹性软管容纳腔，容纳腔内设有一端通过出水口与第一高压硬管联通的耐高压高弹性软管，所述耐高压高弹性软管另一端出口通过第二高压硬管与自锁阀主体联通，所述自锁阀主体包括桶状本体，桶状本体顶部设有开口，桶状本体内设有一个圆形浮漂桶盖，所述桶盖的外径大于开口内径。

2.如权利要求1所述的基于水锤效应的多次瞬态压裂岩石的装置，其特征在于：所述高压供水系统包括耐高压水箱，耐高压水箱顶部设有开口，耐高压水箱内部设有柱塞阀，所述柱塞阀顶部通过连接杆与第二加压面连接，第二加压面顶部设有第一加压面，第一加压面通过固定杆与耐高压水箱外壁固定连接，第一加压面和第二加压面之间设有液压泵，耐高压水箱底部出水口通过第一高压硬管与压裂棒主体内部的耐高压高弹性软管连接。

3.如权利要求1所述的基于水锤效应的多次瞬态压裂岩石的装置，其特征在于：所述第一高压硬管上依次设有开关阀、泄压阀和单向阀，所述耐高压水箱底部还设有进水口，所述第二高压硬管上也设有泄压阀。

4.如权利要求1所述的基于水锤效应的多次瞬态压裂岩石的装置，其特征在于：所述压裂组装模块底部的容纳腔内设有缓冲结构。

5.如权利要求1-4任一所述的基于水锤效应的多次瞬态压裂岩石的装置的掘进方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了基于水锤效应的多次瞬态压裂岩石的装置及掘进方法，属于静态压裂开采领域，主要由高压供水系统和水锤压裂系统组成，高压供水系统由耐高压水桶、单向阀、液压泵、开关阀门、耐高压硬管、压力表、泄压阀等组成，水锤压裂系统由压裂棒主体、耐高压高弹性软管、自锁阀门、压裂组装模块等组成；该装置利用在管道内部高速流体在流动过程中被突然停止后，对阀门和管壁产生巨大压强的原理，通过在特制耐高压水桶中加压，保持管道中水的流速，同时对不同作用的管道设置不同的管径，不仅能够确保压裂效果，也能通过不同的流速保证设备管道的使用期限。

技术研发人员：李峰,任保睿,荆亚东,张晨雨,闫正旭,张昭
受保护的技术使用者：中国矿业大学（北京）
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13