[发明专利]一种适用于硬岩的水力压裂截割协同装置及使用方法

说明书

本发明公开一种适用于硬岩的水力压裂截割协同装置及使用方法，属于硬岩巷(隧)道高效快速掘进技术领域，本发明提供的适用于硬岩的水力压裂截割协同装置，包括钻杆、气动钻孔系统、水力压裂系统、协同控制系统及截割头。利用本发明提供的适用于硬岩的水力压裂截割协同装置可以对所需掘进硬岩进行钻孔并压裂，降低岩体强度，待压裂效果良好时，使用截割头对压裂后硬岩进行截割，整个工序由同一设备完成，从而达到安全连续高效开采的目的。克服了常规硬岩压裂掘进速度慢、效率低、工序多等问题，减少了硬岩掘进的工作步骤，真正使得硬岩掘进过程成为一体化工序，提高了硬岩的开采效率。

技术领域

本发明属于硬岩巷(隧)道高效快速掘进技术领域，尤其涉及一种适用于硬岩的水力压裂截割协同装置及使用方法。

背景技术

由于深部地层复杂的地质结构，煤矿开采掘进时经常遇到硬岩巷道，岩巷钻爆法掘进水平常年维持在70m～80m/月，掘进效率低，采掘接替关系紧张。金属矿山面临的情况更为严峻，国外采深达到1000m以上的金属矿山有112座，其中采深超过3000m的有16座(12座位于南非，全部为金矿)。特别是当巷道岩石普氏系数f6时，岩巷掘进存在推进速度慢、资源消耗量大、掘进成本高等问题。因此，硬岩巷道掘进难度大与能源需求量增加的矛盾日益凸显，是亟需解决的重大难题。

针对地下深部硬岩巷道掘进难度大的问题，许多学者开始对全岩巷道掘进设备及工艺进行优化调整。钻爆法破岩一直以来都是硬岩矿山巷道开挖和采矿的主导方法，近些年来爆破工艺也在优化。其主要优点是作业准备快，对岩石适应性强，移动灵活，遇到地质断层和技术故障容易处理。但仍存在平均掘进速度较低，难以组织多工序交叉作业，炮烟危害严重及危险性较高等缺点。

因此，为解决炮采危害及缺点，硬岩地下矿山机械化开采技术逐渐成为学者研究的焦点。学者们总结出地下硬岩机械化连续采矿的设备类型，分为钻进式设备、切割盘式掘进机、转筒切割盘式掘进机以及悬臂式平巷掘进机等。近年来，我国掘进机所使用的刀盘结构不断改进，材质不断优化，促使其整体性能不断提高，硬岩掘进设备及工艺技术得到较大程度的优化。然而，为实现硬岩巷道高效掘进，只从截齿刀盘结构单方面进行优化，难以起到很好的掘进效果，需同时对巷道硬岩本身力学性质的进行改变，即在掘进机性能不变的条件下，通过改变岩石、岩体的结构和强度,达到提高掘进机工作效率的目的。

目前，高效的硬岩巷道掘进技术都是预先处理岩体后辅助机械化截割破岩。尤其是水力压裂辅助机械破岩效果较为明显，是使用广泛和完善的压裂技术，并且已经成功运用到页岩石油、致密油气等领域。常规的水力压裂掘进方法需先使用钻机在硬岩内部打入水力压裂钻孔，再移步水力压裂设备对硬岩岩体进行压裂，压裂完毕后移走水力压裂设备，推进掘进机至工作面处进行掘进。

但是这种常规的水力压裂方法耗时费力，需对硬岩巷(隧)道掘进设备进行改进及优化，从而达到硬岩水力压裂与掘进一体化的目标。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于硬岩的水力压裂截割协同装置及使用方法，以解决上述现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种适用于硬岩的水力压裂截割协同装置，包括：

钻杆，所述钻杆为水力压裂与掘进一体化钻杆，所述钻杆一端可拆卸连接有锥形钻头；

气动钻孔系统，所述气动钻孔系统用于产出高压气体，并驱动所述钻杆进行钻孔；

水力压裂系统，所述水力压裂系统与所述钻杆连通，所述水力压裂系统用于提供高压力压裂液；

协同控制系统，所述气动钻孔系统、所述水力压裂系统均与所述协同控制系统连通，所述协同控制系统用于实现所述钻杆的气动钻孔、水力压裂功能相互转换；

截割头，所述截割头安装在掘进机上，所述钻杆同轴套设在所述截割头的中部，所述气动钻孔系统与所述截割头传动配合。