用于煤岩体高压电脉冲水压致裂的裂隙分布导向装置的制作方法

1.本实用新型属于煤岩力学研究技术领域，具体为用于煤岩体高压电脉冲水压致裂的裂隙分布导向装置。


背景技术：

2.利用人工的方法对煤体进行结构改造，疏通煤层气的渗流通道，是提高煤层气抽采率的一个重要途径。自然环境下，煤岩体内部存在很多错综复杂的节理裂隙，此外，深部地下工程中的冲击地压、岩爆、煤与瓦斯突出等煤岩体动力灾害大多数都发生在断层构造带附近。煤岩体力学实验研究已经逐渐开始重视煤岩试样内部结构与现场实际的吻合性，即如何制备与现场裂隙煤岩一致的试样已经成为煤岩试验力学的重要内容。因此如何在煤岩试样内部预制特定位置、走向和延伸长度的裂隙已经成为煤岩试验力学研究中急需解决的难题之一。
3.而目前，在实验室阶段，在煤岩试样的实验中，高压电脉冲水压致裂是一种常用致裂方法，但其产生的裂隙存在不可预期性，其与现场实际裂隙的吻合性差，因此目前对高压电脉冲水压致裂技术的应用存在不可操控性。
4.本实用新型创造的目的旨在提供一种致裂导向装置，作为高压电脉冲水压致裂技术（或其他致裂技术）使用前的前置功能设备，通过在煤岩体样品内部开设导向裂隙来增加对高压电脉冲水压致裂技术的深度应用。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于提供用于煤岩体高压电脉冲水压致裂的裂隙分布导向装置，该装置能够固定在煤岩体的预制作业孔中，并且对预制作业孔的内壁进行开设导向裂隙，以干预并引导高压电脉冲水压致裂时裂隙形态及分布。
6.为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：用于煤岩体高压电脉冲水压致裂的裂隙分布导向装置，包括固定部和开缝部，所述固定部包括上固定部、下固定部，且上固定部通过中部导向装置连接下固定部，所述开缝部通过连接滑套活动安装在中部导向装置上，且中部导向装置设置控制开缝部纵向移动纵向移动机构。
7.在上述技术方案中，该装置设置的上固定部和下固定部用于支撑预制作业孔的内壁，从而将整个装置固定在煤岩体样品的柱状预制作业孔中，而开缝部用于在预制作业孔的内壁开设导向缝隙，在纵向移动机构的作用下，开缝部会顺着中部导向装置上下移动，从而可以按照预设路径在预制作业孔的内壁开设导向缝隙。由于导向缝隙的存在，在使用高压高压电脉冲水压致裂方式对煤岩体样品进行致裂时，裂隙就会以导向缝隙为引导进行分布和延伸。
8.优选地，所述中部导向装置的上端和下端分别通过轴承安装在上固定罩和下固定罩中，且该装置设置控制中部导向装置转动的电机i。在电机i的驱动作用下，整个中部导向装置会绕轴线转动，即，可以使开缝部做圆周运动，结合开缝部的纵向移动，可以实现开缝
部的移动至工作弧面的任一位置，从而使开缝部能够在预制作业孔内壁开设出沿径向和绕圆周方向的导向缝隙，从而使该装置能够开设出任意走向的导向缝隙。
9.优选地，所述上固定部包括顶座，该顶座包括上固定罩，上固定部还包括至少三条均匀辐射分布在上固定罩外周的上支腿；所述下固定部包括底座，该底座包括下固定罩，下固定部还包括至少三条均匀辐射分布在下固定罩外周的下支腿；安装中部导向装置两端的轴承分别位于上固定罩和下固定罩中。均匀设置的上支腿和下支腿从不同方位均匀支撑预制作业孔的内壁，使得顶座和底座所受支撑力均匀分布，从而保证整个装置的稳定性。
10.优选地，所述上支腿包括伸缩插接的固定腿i和伸缩腿ii，其中固定腿i固定连接上固定罩，且在固定腿i中设置给伸缩腿ii提供弹力的弹簧i；在伸缩腿ii位于固定腿i外部的一段上设置导轮，并设置一根绕过所有导轮的拉线。伸缩设置的上支腿能够适应一定直径范围的预制作业孔，且当向着顶座的方向拉动拉线时，在导轮的导向作用下，三个伸缩腿ii同时收缩，松开拉线后，三个伸缩腿ii同时伸出，这使得上固定部的安装和拆卸极为便利。
11.优选地，所述下支腿包括伸缩插接的固定臂i和伸缩臂i，其中固定臂i铰接连接下固定罩，并在固定臂i中设置给伸缩臂i提供弹力的弹簧ii。设置的下支腿能够适应一定直径范围的预制作业孔，且由于整个下支腿铰接设置；由于下支腿可伸缩，在将整个装置的下部放进预制作业孔后，下支腿均处于伸展状态，调整下支腿的朝向使伸缩臂i顶触预制作业孔内壁，然后继续下压整装置，此时下支腿与预制作业孔侧壁之间的夹角逐渐变化，且伸缩臂i逐渐缩进固定臂i中，直至底座接触最底部，此时底座被固定，对于该结构的下支腿，仅仅通过下压或上拉装置就可以实现其固定和松动，使得该装置的拆装更加便利。
12.优选地，所述中部导向装置包括外部的导向管以及设置在导向管内部并沿着导向管的轴线方向延伸的导向螺杆，该导向螺杆的两端通过轴承安装在导向管中，且设置控制导向螺杆转动的电机ii；所述连接滑套包括直接连接开缝部的外滑套和内部的内滑套，其中外滑套套装在导向管上，内滑套设置在导向管中并通过螺纹孔安装在导向螺杆上，且内滑套的一侧延伸设置插舌，该插舌穿过设置于导向管一侧的导向滑缝，且内滑套通过插舌连接外滑套。嵌套设置的导向螺杆和导向管结构合理，两者的移动互不干扰，同时简化整个装置的外露结构，以提高该装置本身的稳定性，降低故障发生频率。
13.优选地，所述开缝部包括延伸臂和设置在延伸臂前端的开缝钻组件，其中延伸臂具有预紧结构，使得开缝钻组件在受到指向后部的压力时向后移动，并在预紧结构的作用下保持向前移动的运动趋势，采用这种浮动结构安装开缝钻组件，可以保护开缝钻组件在工作过程中不受破坏，同时可以给开缝钻组件的原始工作位置的调整提供活动空间。
14.优选地，所述延伸臂包括中空的固定臂ii和伸缩臂i，所述伸缩臂i活动插入固定臂ii中，并在固定臂ii上设置对伸缩臂i进行定位的定位机构；所述预紧结构设置于伸缩臂i上。通过调节伸缩臂i的伸出长度，能够使该装置对不同直径的预制作业孔进行开设导向缝隙，而在预制作业孔孔径一定的情况下，通过调节伸缩臂i的伸出长度，可以调节开缝钻组件的最大开缝深度。
15.优选地，所述伸缩臂i中空；所述预紧结构包括活动插入伸缩臂i的预紧臂，且该预紧臂仅做轴向移动；所述开缝钻组件安装在预紧臂的前端，且在预紧臂的前部套装弹簧iii。
16.优选地，所述延伸臂还包括电磁铁组件，该电磁铁组件通电时会给预紧结构提供向后的磁吸力，并向后吸附预紧臂，从而使开缝钻组件向后移动。当需要在预制作业孔的内壁开设多条独立的导向裂隙的情况下，在完成一条导向裂隙的开设后，通过电磁铁组件使开缝钻组件后缩，并使开缝钻组件在移动至另一个开缝起始点的过程中不接触预制作业孔的内壁，这个过程无需手动调整延伸臂的长度，可以有效提高该装置的自动化程度，并可以有效提高裂隙的开设效率；而当电磁铁组件关闭后，开缝钻组件恢复至原来的工作状态，因此可以保证同一预制作业孔内壁开设的导向裂隙具有相同的深度。
附图说明
17.此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
18.图1为本实用新型中实施例的整体结构示意图。
19.图2为图1中下支腿的安装结构示意图。
20.图3为图1中开缝部的安装结构示意图。
21.图4为图3所示结构的拆分及剖切结构示意图。
22.图5为图1中上支腿的安装结构示意图。
23.图6为图5中上支腿的剖切结构示意图。
24.图7为图1中导向管与顶座的安装结构示意图。
25.图8为图7中导向螺杆的顶部与导向管之间的连接结构示意图。
26.图9为导向螺杆和导向管与底座的安装结构示意图。
27.图10为该实施例在煤岩体样品中的安装状态示意图。
28.图中，顶座1、底座2、上支腿3、下支腿4、导向管5、开缝部6、拉线7、连接滑套8、导向螺杆9、上固定罩11、电机i12、固定架13、大轴承i14、下固定罩21、大轴承ii22、电机ii23、小轴承i24、遮罩25、限位凸沿26、固定腿i31、伸缩腿ii32、弹簧i33、导轮孔34、导轮35、固定臂i41、伸缩臂i42、弹簧ii43、小轴承ii51、导向滑缝52、开缝钻组件61、固定臂ii62、伸缩臂ii63、定位螺栓64、电磁铁组件65、弹簧iii66、预紧臂67、限位缝68、限位条69、外滑套81、内滑套82、插舌83、插槽84、固定螺钉85、煤岩体样品100、预制作业孔101。
具体实施方式
29.以下将配合附图及实施例来详细说明本技术的实施方式，借此对本技术如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
30.图1为本实用新型的一个实施例，用于煤岩体高压电脉冲水压致裂的裂隙分布导向装置。该装置包括上固定部、下固定部，且上固定部通过中部导向装置连接下固定部。其中上固定部包括顶座1，该顶座1包括上固定罩11，上固定罩11的外周固定设置三条均匀辐射分布的上支腿3；下固定部包括底座2，该底座2包括下固定罩21，下固定罩21的外周铰接设置三条均匀辐射分布的下支腿4；且在上固定罩11和下固定罩21中分别设置用于安装中部导向装置的两端的大轴承i14和大轴承ii22，并在上固定罩11的顶部通过固定架13安装一个电机i12，该电机i12用于驱动整个中部导向装置绕轴转动。图中，开缝部6通过连接滑套8安装在中部导向装置上，且中部导向装置设置控制开缝部6（或连接滑套8）纵向移动的
纵向移动机构。基于上述结构特征，该装置的具体使用还需配设控制器（能够实现对本实施例进行控制的控制技术本身为现有基础技术，且不属于本技术的保护范围，因此为示出），以控制各用电部件的工作，且主要控制对象为电机i12和纵向移动机构，使两者协同工作，从而使开缝部6能够实现纵向移动，同时也可以进行圆周运动，因此，开缝部6可以在柱状预制作业孔101的内壁开设任意走向的导向裂隙。
31.具体地，实施例中所用上支腿3包括伸缩插接的固定腿i31和伸缩腿ii32，其中固定腿i31固定连接上固定罩11，且在固定腿i31中设置给伸缩腿ii32提供弹力的弹簧i33；在伸缩腿ii32位于固定腿i31外部的一段上开设导轮孔34，并在导轮孔34纵安装导轮35，并设置一根绕过所有导轮35的拉线7。基于上述结构，通过调整上支腿3能够使该装置适应一定直径范围的预制作业孔101，且当向着顶座1的方向拉动拉线7时，在导轮35的导向作用下，三个伸缩腿ii32同时收缩，松开拉线7后，三个伸缩腿ii32同时伸出，这使得上固定部的安装和拆卸极为便利。
32.实施例中所用下支腿4包括伸缩插接的固定臂i41和伸缩臂i42，其中固定臂i41铰接连接下固定罩21，并在固定臂i41中设置给伸缩臂i42提供弹力的弹簧ii43。同样，伸缩结构的下支腿4能够适应一定直径范围的预制作业孔101，且由于整个下支腿4铰接设置，加之下支腿4可伸缩，在将整个装置的下部放进预制作业孔101后，下支腿4均处于伸展状态，需要说明的是，如图9所示，在下固定罩21的背面设置限位凸沿26，该限位凸沿26支撑固定臂i41，使的所有固定臂i41不会完全向下翻转至垂直状态，这有利于下支腿4自动展开。调整下支腿4的朝向使伸缩臂i42顶触预制作业孔101内壁，然后继续下压整装置，此时下支腿4与预制作业孔101侧壁之间的夹角逐渐变化，且伸缩臂i42逐渐缩进固定臂i41中，直至底座2接触最底部，此时底座2被固定，对于该结构的下支腿4，仅仅通过下压或上拉装置就可以实现其固定和松动，使得该装置的拆装更加便利。
33.关于中部导向装置，其包括外部的导向管5以及设置在导向管5内部并沿着导向管5的轴线方向延伸的导向螺杆9，该导向螺杆9的两端分别通过小轴承i24和小轴承ii51安装在导向管5中，且在导向管5的下部设置控制导向螺杆9转动的电机ii23。所用连接滑套8包括直接连接开缝部的外滑套81和内部的内滑套82，其中外滑套81套装在导向管5上，内滑套82设置在导向管5中并通过螺纹孔安装在导向螺杆9上，且内滑套82的一侧延伸设置插舌83，该插舌83穿过设置于导向管5一侧的导向滑缝52，且插舌83插入设置在外滑套81上的插槽84通过固定螺钉85固定。本实施例中，导向滑缝52与开缝部6位于同一侧，而在开缝时，会有粉尘产生，基于防尘考虑，也可以将导向滑缝52设置在开缝部6的背面（本实施例为示出）。同样，基于防尘考虑，在整个底座2上套装一个遮罩25，以防止粉尘进入大轴承ii22中。嵌套设置的导向螺杆9和导向管5结构合理，两者的移动互不干扰，同时简化整个装置的外露结构，以提高该装置本身的稳定性，降低故障发生频率。
34.本实施例所用的开缝部6包括延伸臂和设置在延伸臂前端的开缝钻组件61，主要通过开缝钻组件61中的钻头进行开缝。其中延伸臂包括中空的固定臂ii62和中空的伸缩臂i63，且伸缩臂i63活动插入固定臂ii62中，并在固定臂ii62上设置对伸缩臂i63进行定位的定位螺栓64。通过调节伸缩臂i63的伸出长度，能够使该装置对不同直径的预制作业孔101进行开设导向缝隙，而在预制作业孔101孔径一定的情况下，通过调节伸缩臂i63的伸出长度，可以调节开缝钻组件61的最大开缝深度。另外，在伸缩臂i63中活动插入预紧臂67，且该
预紧臂67上设置与伸缩臂i63上的限位缝68配合的限位条69，使得预紧臂67仅做轴向移动。上述开缝钻组件61安装在预紧臂67的前端，且在预紧臂67的前部套装弹簧iii66，该弹簧iii66的前端顶触开缝钻组件61，后端顶触伸缩臂i63，让开缝钻组件61受到向后的压力时，开缝钻组件61推动弹簧iii66压缩。可以保护开缝钻组件61在工作过程中不受破坏，同时可以给开缝钻组件61的原始工作位置的调整提供活动空间。
35.在实际开设导向缝隙时，会在同一样品上开设多条导向缝隙，为了使该装置更好地满足这一开设需求，在固定臂ii62内部设置电磁铁组件65，该电磁铁组件65与伸缩臂ii63安装在一起，并且与伸缩臂ii63的后部预留一端距离，而预紧臂67的末端从伸缩臂ii63的末端伸出，当该电磁铁组件65通电时会给预紧结构提供向后的磁吸力，并向后吸附预紧臂67，从而使开缝钻组件61向后移动。在实际作业中，在完成一条导向裂隙的开设后，通过电磁铁组件65使开缝钻组件61后缩，并使开缝钻组件61在移动至另一个开缝起始点的过程中不接触预制作业孔101的内壁，这个过程无需手动调整延伸臂的长度，可以有效提高该装置的自动化程度，并可以有效提高裂隙的开设效率；而当电磁铁组件65关闭后，开缝钻组件61恢复至原来的工作状态，因此可以保证同一预制作业孔101内壁开设的导向裂隙具有相同的深度。
36.该装置设置的上固定部和下固定部用于支撑预制作业孔101的内壁，从而将整个装置固定在煤岩体样品100中，在向控制器中输入坐标参数后启动设备，在电机i12和电机ii23的综合作用下，开缝钻组件61沿着预制作业孔101的内壁移动，并开设出与预设参数对应的导向裂隙路径，因此，理论上，该装置可以在柱状预制作业孔的内壁开设出任意走向的导向裂隙。而由于导向缝隙的存在，在使用高压电脉冲水压致裂方式对煤岩体样品100进行致裂时，裂隙就会在导向缝隙的引导下进行分布和延伸，这可以使人们可以更好地控制高压电脉冲水压致裂的致裂效果，以便更好利用这一技术对煤岩进行研究。
37.如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。
38.需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
39.上述说明示出并描述了本实用新型的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本实用新型并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述实用新型构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本实用新型的精神和范围，则都应在本实用新型所附权利要求的保护范围内。