一种煤矿井下采煤工作面水力压裂岩层的装置及其使用方法

本发明涉及煤矿开采，具体的是一种煤矿井下采煤工作面水力压裂岩层的装置及其使用方法。

背景技术：

1、受成煤环境影响，煤矿井下煤层厚度变化大，当采煤机截割到较薄煤层时，往往需要截割煤层上方的岩层，而采煤机的破岩效率低、截齿损耗大，导致工作面推进速度低，上覆岩层变形大，工作面矿山压力显现剧烈，对工作面支架等支护系统的稳定性提出了较大的考验。同时受地壳运动影响，煤层也时常受断层影响，当采煤机截割至断层位置时同样会遇到破岩效率低、截齿损耗大等问题。针对上述现实难题，常采用破坏岩层结构的方法，使其强度降低，提高采煤机的截割效率。

2、因此，水力压裂技术在煤层回采过程中的破坏岩层结构、控制矿山压力以及初次放顶、巷道卸压等方面应运而生。水力压裂技术源于石油开采行业，其基本原理为：将高压液体注入煤岩层中，从而产生裂缝或使原生裂缝扩展，达到改造岩层结构的目的。与传统爆破技术相比，水力压裂技术具着安全性高、工程量小、污染小、成本低等优点。

3、传统的水力压裂技术首先是用煤矿钻机钻孔，再使用高压泵将压裂液注入到钻孔中以压裂岩层，即传统的水力压裂技术是钻孔与压裂分开进行。同时，受岩石硬度大影响，钻机破岩效率低、钻头损耗大；当钻孔深度较大时，在形成水力压裂孔的过程中所产生的碎岩屑较多，清理不方便，容易形成堵塞。基于上述分析，传统的水力压裂技术往往导致煤矿井下对岩层的一次水力压裂时间长，效率低。因此，为了提高钻孔效率与压裂效果，需对水力压裂岩层的装置结构进行改进。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种煤矿井下采煤工作面水力压裂岩层的装置及其使用方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、一种煤矿井下采煤工作面水力压裂岩层的装置，包括基座和固定套在基座外周面底端的座框，所述基座顶部设置有升降组件与推进组件共同构成的承载机构，所述推进组件一端设置有钻进筒，所述钻进筒与推进组件之间设置有对接机构，所述钻进筒两端分别设置有钻进组件和供液机构，且钻进筒的顶部以及底部分别设置有射孔机构和碎渣输送机构。

4、在一个优选地实施方式中，所述升降组件包括设置在基座顶部的顶板和位于基座与顶板之间的升降台，所述基座与顶板四角位置处分别设有三根导柱和一根丝杆，且每根导柱两端分别与基座以及顶板固定连接，丝杆两端分别与基座以及顶板转动连接，所述顶板顶部对应丝杆的位置处安装有伺服电机一，所述伺服电机一的输出轴端部与丝杆固定连接，所述丝杆与每根导柱均贯穿升降台且上下自由活动，且丝杆与升降台之间螺纹连接，所述顶板顶部一端竖直贯穿开设有穿槽。

5、在一个优选地实施方式中，所述推进组件包括固定在升降台顶部的导向座，所述导向座顶部对应穿槽的位置处固定安装有u型架，且导向座顶部的中间滑动安装有滑座，所述u型架内侧的中间开设有嵌槽，所述嵌槽内部转动安装有齿轮，所述u型架一端外侧安装有伺服电机二，且伺服电机二的输出轴端部与齿轮固定连接，所述滑座顶部对应嵌槽的位置处固定设有与齿轮相啮合的齿条，所述滑座远离钻进筒的一端安装有驱动电机，所述驱动电机的输出轴端部活动贯穿滑座。

6、在一个优选地实施方式中，所述钻进组件包括安装在钻进筒端部可拆卸的锥形结构的钻头和固定套在钻进筒外周面上的环盘一，所述钻头表面开设有两个回料槽，且钻头的轴心线位置以及两个回料槽的内腔底端面均开设有射浆管道，所述钻头表面固定有多个破壁齿，所述环盘一外周面开设有多个呈环形均匀分布的穿孔。

7、在一个优选地实施方式中，所述供液机构包括开设在钻进筒外周面上的环槽和位于环槽两侧的且固定套在钻进筒外周面的限位环，两个限位环之间转动安装有环板，且环板与两个限位环的连接处均进行机械密封，所述环槽内腔底端面开设有多个呈环形均匀分布的进液孔，所述环板表面连接有与环槽相连通的供送管。

8、在一个优选地实施方式中，所述射孔机构包括与钻进筒内腔相连通的多组输送管和安装在钻进筒表面的多组电动推杆，每组输送管均有两段直管和连通两段直管的软管组成，且其中一段直管固定在钻进筒表面，另一段直管固定在电动推杆的伸缩端端部，所述输送管的出液端固定有橡胶堵头，所述钻进筒表面对应每组电动推杆的位置处均固定有护罩。

9、在一个优选地实施方式中，所述碎渣输送机构包括通过轴承安装在钻进筒外周面上的多组环盘二，每组环盘二外周面底端均开设有槽口，多个槽口之间形成的通道内侧固定有安装架，所述安装架上安装有输料带，所述输料带表面固定有多个呈等距分布的刮板。

10、在一个优选地实施方式中，所述对接机构包括固定在驱动电机输出轴端部的对接柱一和固定在钻进筒端部的对接柱二，所述对接柱二一侧固定有卡块，所述对接柱一一侧对应卡块的位置处开设有卡槽，且卡块活动插接在对应位置的卡槽内部，所述对接柱一与对接柱二的对接端之间通过螺栓固定，所述对接柱一与对接柱二之间还设置有螺栓防松脱组件。

11、在一个优选地实施方式中，所述螺栓防松脱组件包括固定套在对接柱一外周面上的定环和活动套在对接柱一与对接柱二对接端位置外侧的动环，所述定环面向动环的一侧固定有导杆，且导杆一端活动贯穿动环，所述导杆外周面活动套有弹簧，所述弹簧两端分别与定环和动环固定连接，所述动环内周面对应卡块的位置处开设有沉槽。

12、本发明还提供了一种采用上述煤矿井下采煤工作面水力压裂岩层的装置对工作面岩层进行水力压裂的方法，具体包括如下步骤：

13、s1：通过运移设备将该装置运送至工作位置，并利用紧固件将座框固定在工作位置处；

14、s2：接通电源，并启动伺服电机一驱动丝杆转动，将升降台调整至目标工作高度；

15、s3：启动伺服电机二驱动齿轮转动，利用转动的齿轮来驱动滑座沿导向座向前推进，同时，启动驱动电机驱动钻进筒转动，以带动圆锥状结构的钻头进行钻孔，并在钻孔的过程中，利用高压泵将输送至钻进筒内部的带有石英砂的液体自射浆管道射出，以辅助钻孔，期间所产生的砂浆与碎岩混合物则通过环盘一上的穿孔回流至孔道内，随输料带持续运转的刮板送出孔道；

16、s4：完成钻孔后，阻断射浆管道射出砂浆，并利用高压泵将输送至钻进筒内部的带有石英砂的液体自输送管射出形成水力压裂孔，而形成水力压裂孔过程中的砂浆与碎岩混合物同样会回流至孔道内，随输料带持续运转的刮板送出孔道；

17、s5：水力压裂孔形成后，放出钻进筒内部多余的砂浆，并注入压裂液，同时，启动电动推杆推动橡胶堵头堵住水力压裂孔，然后利用高压泵将压裂液持续泵入水力压裂孔内部，让岩层破裂，形成裂缝。

18、本发明的有益效果：

19、1、本发明通过利用高压泵将输送至钻进筒内部的带有石英砂的液体自射浆管道射出，以辅助高速转动的钻头进行钻孔，不仅可以对钻孔过程中的钻头进行降温，还能提高钻进速率，同时，随钻进筒高速转动的环盘一还可以对孔道内表面进行刮平处理；

20、2、本发明通过利用水力喷砂射孔技术形成水力压裂孔，并用橡胶堵头堵住水力压裂孔，利用高压泵将压裂液持续泵入水力压裂孔内部，使岩层破裂，形成裂缝，提高压裂效率；

21、3、本发明通过设置带有螺栓防松脱组件的对接机构，可以方便对钻进筒进行快速拆装，还能在对接后防止出现松脱的情况；

22、4、本发明通过设置碎渣输送机构，可以利用随输料带持续运转的刮板将钻进形成孔道以及射浆形成水力压裂孔的过程中，所产生的回流至孔道内部的砂浆与碎岩混合物送出孔道，以避免在孔道内部形成堵塞。