一种具有转向功能的冲击波产生装置及其使用方法与流程

1.本技术属于冲击波技术领域，具体涉及一种具有转向功能的冲击波产生装置及其使用方法。


背景技术：

2.煤炭是世界上储量最多、分布最广的常规能源。煤层气是一种高热、洁净、方便的新型能源，其具有其它能源无法比拟的无污染、无油污等多种优点。煤层气是以吸附状态存在于煤层中，为了实现煤层气的工业开采和加快矿井中煤层气的抽排速度，经常采用冲击波产生装置对煤层进行改造。
3.对煤层进行改造时，需要打出多个供冲击波产生装置工作的钻孔，当钻孔距离较长时，打出钻孔施工缓慢，而且成本较高。因此目前会采用分支钻孔，分支钻孔包括主孔和从主孔造斜点处开钻的分支孔，通过设置一条主孔和位于煤层处的多个分支孔，不但提高了打出钻孔的效率，而且降低了成本。但是将冲击波产生装置从主孔推送至分支孔时，容易出现推送错孔位的问题，从而影响了冲击波产生装置的正常工作。


技术实现要素：

4.本技术实施例通过提供一种具有转向功能的冲击波产生装置及其使用方法，解决了现有技术中将冲击波产生装置从主孔推送至分支孔时，容易出现推送错孔位的问题。
5.为了实现上述目的，本发明实施例提供了一种具有转向功能的冲击波产生装置，包括冲击波产生装置本体、转向机构、以及设置于所述冲击波产生装置本体前端的导向头；所述导向头的后端铰接于所述冲击波产生装置本体的前端，所述转向机构驱动所述导向头运动，使所述导向头的轴线和所述冲击波产生装置本体的轴线形成设定的夹角。
6.在一种可能的实现方式中，所述导向头的后端通过十字轴式万向接头铰接于所述冲击波产生装置本体的前端；所述十字轴式万向接头包括第一传动轴叉、第二传动轴叉、以及十字轴；所述第一传动轴叉和所述第二传动轴叉通过所述十字轴连接；所述第一传动轴叉的端部连接于所述冲击波产生装置本体的前端，所述第二传动轴叉的端部连接于所述导向头的后端；所述第一传动轴叉外壁的周向设置有角度限位板，所述角度限位板的端面和所述第二传动轴叉的端面相配合，所述角度限位板使所述第二传动轴叉的轴线和所述第一传动轴叉的轴线呈设定的角度，所述角度位于0.5
°
～1
°
范围内。
7.在一种可能的实现方式中，所述转向机构包括控制器、高压水管、方位角角度传感器、流量电磁阀、以及设置于所述导向头外壁的出水孔；所述方位角角度传感器安装于所述第二传动轴叉的端部，所述方位角角度传感器位于所述第二传动轴叉的两个套筒叉之间；所述方位角角度传感器的输入轴与所述第一传动轴叉通过连杆连接，所述方位角角度传感器的输入轴和所述第一传动轴叉同轴设置；
所述导向头为柱形筒体，所述导向头的端部为弧形结构，所述出水孔的数量为三个，三个所述出水孔均布于所述导向头侧壁的周向，三个所述出水孔所在的平面垂直于所述导向头的轴线；所述高压水管设置于所述冲击波产生装置本体内，所述高压水管的端部伸入所述导向头的内部后分出三路输水管，三路所述输水管分别连接于三个所述出水孔；每一路所述输水管上均设置有流量电磁阀；所述方位角角度传感器和所述流量电磁阀均与所述控制器电性连接。
8.在一种可能的实现方式中，所述角度限位板靠近所述第二传动轴叉的一侧面设置有检测盘，所述检测盘和所述角度限位板之间设置有压力传感器。
9.在一种可能的实现方式中，所述导向头和所述冲击波产生装置本体之间设置有波纹管，所述万向接头位于所述波纹管内。
10.在一种可能的实现方式中，所述冲击波产生装置本体包括外壳、用于产生冲击波的负载、绝缘子、囊袋、以及设置于所述外壳内的电缆线、控制线和导水管；所述外壳为内部中空的柱体结构，所述外壳的前部设置有换能器窗口，所述换能器窗口为供冲击波通过的开口，所述外壳的后端设置有电缆接口和注水管接口；所述外壳的内部设置有高压电极与地电极；所述负载设置于所述换能器窗口处，所述负载的两端分别连接于所述高压电极和所述地电极；所述外壳内设置有所述绝缘子，所述绝缘子位于所述换能器窗口的后部，所述绝缘子与所述外壳的内壁为密封连接；所述电缆线的一端连接于所述电缆接口，所述电缆线的另一端穿过所述绝缘子后，所述电缆线端部的两个供电口分别连接于所述高压电极与所述地电极；所述导水管一端连接于所述注水管接口，所述导水管的另一端分出两路，一路连接于所述高压水管，另一路连接于注水管，所述注水管的端部穿过所述绝缘子后伸入所述换能器窗口处；所述注水管上设置有电磁阀；所述绝缘子与所述电缆线和所述导水管均为密封连接；所述控制线的一端连接于所述电缆接口，所述控制线的另一端连接于所述控制器，所述电磁阀与所述控制器电性连接；所述换能器窗口处设置有所述囊袋，所述囊袋采用具有伸缩性的绝缘材料，所述囊袋内部形成密封空间，所述负载位于所述密封空间内。
11.在一种可能的实现方式中，所述囊袋为两端开口的圆筒形结构，所述囊袋的两端设置有连接环，所述连接环为金属环体，所述囊袋通过所述连接环套装于所述外壳上，所述连接环分别位于所述换能器窗口的两侧。
12.本发明实施例还提供了一种具有转向功能的冲击波产生装置的使用方法，采用上述的具有转向功能的冲击波产生装置，包括以下步骤：在钻孔的孔口安装孔口装置，然后将所述冲击波产生装置本体放置在所述钻孔内，将所述冲击波产生装置本体的后端连接于通缆钻杆的前端；所述通缆钻杆的后端连接于脉冲功率驱动源和水箱；通过所述通缆钻杆将所述冲击波产生装置本体推送至所述钻孔的造斜点处；
打开所述水箱的阀门，所述水箱在增压泵的作用下将水注入所述高压水管，所述控制器通过预设的转向参数控制其中一个或者两个所述流量电磁阀动作，使其中一个或者两个所述出水孔喷出设定流量的水；所述导向头在所述出水孔喷出水的反作用力下进行转向，然后继续推送所述冲击波产生装置本体，所述导向头进入设定的分支孔，转向完成后关闭所述水箱的阀门和所述流量电磁阀，然后将所述冲击波产生装置本体推送至设定的所述冲击波作业点处；通过所述冲击波产生装置本体对冲击波作业点实施冲击波增透作业。
13.在一种可能的实现方式中，通过所述冲击波产生装置本体对冲击波作业点实施冲击波增透作业包括以下步骤：打开所述水箱的阀门，所述水箱在增压泵的作用下将水通过注水管注入所述换能器窗口处设置的囊袋内；观察所述注水管上的压力表的读数，所述压力表的读数为设定数值时，所述囊袋涨大并贴合于所述钻孔的孔壁上；通过所述脉冲功率驱动源向所述冲击波产生装置本体放电，所述冲击波产生装置本体产生冲击波，所述冲击波在所述囊袋内水介质的传输下直接对岩石做功，并使所述岩石产生裂隙，所述囊袋为绝缘材质，冲击波做功时，所述囊袋保持涨大状态。
14.在一种可能的实现方式中，所述压力传感器检测到一定的压力时，所述第二传动轴叉端面的一侧与所述检测盘抵接，所述第二传动轴叉的轴线和所述第一传动轴叉的轴线呈设定的角度，即冲击波产生装置本体和所述导向头呈设定的角度，此时，继续推送所述冲击波产生装置本体，直至完成冲击波产生装置本体的转向。
15.本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：本发明实施例提供了一种具有转向功能的冲击波产生装置及其使用方法，该装置在使用时，转向机构驱动导向头运动，使导向头的轴线和冲击波产生装置本体的轴线形成设定的夹角，也即使导向头朝向分支孔的方向，然后推送冲击波产生装置本体时，即可将冲击波产生装置本体推送至设定的分支孔内。本发明的装置能够避免冲击波产生装置推送错孔位的问题，从而保证冲击波产生装置能够对煤层进行改造。该方法通过水的反作用力进行转向，能够避免设置转向用的机械臂、推杆等机构存在易卡接于钻孔内的问题，该方法操作步骤简单，实用性强。
附图说明
16.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例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是本技术中记载的一些实施例，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。
17.图1为本发明实施例提供的具有转向功能的冲击波产生装置的结构示意图。
18.图2为图1的a处放大图。
19.图3为本发明实施例提供的具有转向功能的冲击波产生装置的外部结构示意图。
20.图4为本发明实施例提供的具有转向功能的冲击波产生装置的工作状态示意图。
21.图5为本发明实施例提供的导向头的方位角的示意图。
22.附图标记：1-冲击波产生装置本体；11-外壳；12-负载；13-绝缘子；14-囊袋；15-电
缆线；16-控制线；17-导水管；18-电缆接口；19-注水管接口；110-注水管；111-连接环；2-转向机构；21-高压水管；22-方位角角度传感器；23-流量电磁阀；24-出水孔；3-导向头；4-十字轴式万向接头；41-第一传动轴叉；42-第二传动轴叉；43-十字轴；44-角度限位板；45-检测盘；5-波纹管；6-孔口装置；7-通缆钻杆；8-脉冲功率驱动源；9-水箱。
具体实施方式
23.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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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。
24.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
25.如图1至图5所示，本发明实施例提供的具有转向功能的冲击波产生装置及其使用方法，包括冲击波产生装置本体1、转向机构2、以及设置于冲击波产生装置本体1前端的导向头3。
26.导向头3的后端铰接于冲击波产生装置本体1的前端，转向机构2驱动导向头3运动，使导向头3的轴线和冲击波产生装置本体1的轴线形成设定的夹角。
27.需要说明的是，转向机构2驱动导向头3运动，使导向头3的轴线和冲击波产生装置本体1的轴线形成设定的夹角，也即使导向头3朝向分支孔的方向，然后推送冲击波产生装置本体1时，即可将冲击波产生装置本体1推送至设定的分支孔内。本发明的装置能够避免冲击波产生装置推送错孔位的问题，从而保证冲击波产生装置能够对煤层进行改造。
28.本实施例中，导向头3的后端通过十字轴式万向接头4铰接于冲击波产生装置本体1的前端。
29.十字轴式万向接头4包括第一传动轴叉41、第二传动轴叉42、以及十字轴43。第一传动轴叉41和第二传动轴叉42通过十字轴43连接。第一传动轴叉41的端部连接于冲击波产生装置本体1的前端，第二传动轴叉42的端部连接于导向头3的后端。
30.第一传动轴叉41外壁的周向设置有角度限位板44，角度限位板44的端面和第二传动轴叉42的端面相配合，角度限位板44使第二传动轴叉42的轴线和第一传动轴叉41的轴线呈设定的角度，角度位于0.5
°
～1
°
范围内。
31.需要说明的是，角度限位板44能够防止导向头3的轴线和冲击波产生装置本体1之间的夹角过大而影响转向的问题。导向头3的轴线和冲击波产生装置本体1之间的夹角位于0.5
°
～1
°
范围内，该角度范围能够适应分支孔和主孔的夹角，从而实现精准推送。
32.本实施例中，转向机构2包括控制器、高压水管21、方位角角度传感器22、流量电磁阀23、以及设置于导向头3外壁的出水孔24。
33.方位角角度传感器22安装于第二传动轴叉42的端部，方位角角度传感器22位于第二传动轴叉42的两个套筒叉之间。
34.方位角角度传感器22的输入轴与第一传动轴叉41通过连杆连接，方位角角度传感器22的输入轴和第一传动轴叉41同轴设置。
35.导向头3为柱形筒体，导向头3的端部为弧形结构，出水孔24的数量为三个，三个出水孔24均布于导向头3侧壁的周向，三个出水孔24所在的平面垂直于导向头3的轴线。出水孔24的孔口设置有滤网。
36.高压水管21设置于冲击波产生装置本体1内，高压水管21的端部伸入导向头3的内部后分出三路输水管，三路输水管分别连接于三个出水孔24。每一路输水管上均设置有流量电磁阀23。
37.方位角角度传感器22和流量电磁阀23均与控制器电性连接。
38.需要说明的是，方位角角度传感器22检测导向头3的方位角，如图5所示，此时导向头3已调整好角度，投影线为导向轴的轴线在与冲击波产生装置本体1的轴线垂直的平面内的投影，投影线和基准线的夹角为方位角，通过方位角能够得知导向头3的转向方位，以实现冲击波产生装置的精准推送。
39.当转向角度位于两个出水孔24之间时，开启流量电磁阀23，使其中两个出水孔24喷水，通过调节两个出水孔24的喷水流量，能够改变喷出水的压力，喷出水的压力形成的反作用力能够推动导向头3移动，进而实现设定方位的角度调整，均布于导向头3侧壁周向的三个出水孔24，能够实现导向头3全方位的转向。
40.本实施例中，角度限位板44靠近第二传动轴叉42的一侧面设置有检测盘45，检测盘45和角度限位板44之间设置有压力传感器。
41.需要说明的是，导向头3移动时，当压力传感器检测到一定的压力时，第二传动轴叉42端面的一侧与检测盘45抵接，第二传动轴叉42的轴线和第一传动轴叉41的轴线呈设定的角度，即冲击波产生装置本体1和导向头3呈设定的角度，也即如图5中所示的方向角的角度，由于角度限位板44为固定安装，因此第二传动轴叉42和第一传动轴叉41相对固定，此时，导向头3的方向角固定，冲击波产生装置以该角度进行转向。
42.本实施例中，导向头3和冲击波产生装置本体1之间设置有波纹管5，万向接头位于波纹管5内。
43.需要说明的是，波纹管5用于保护万向接头，高压水管21位于波纹管5内，高压水管21为柔性管。
44.本实施例中，冲击波产生装置本体1包括外壳11、用于产生冲击波的负载12、绝缘子13、囊袋14、以及设置于外壳11内的电缆线15、控制线16和导水管17。
45.外壳11为内部中空的柱体结构，外壳11的前部设置有换能器窗口，换能器窗口为供冲击波通过的开口，外壳11的后端设置有电缆接口18和注水管接口19。外壳11的内部设置有高压电极与地电极。
46.负载12设置于换能器窗口处，负载12的两端分别连接于高压电极和地电极。
47.外壳11内设置有绝缘子13，绝缘子13位于换能器窗口的后部，绝缘子13与外壳11
的内壁为密封连接。
48.电缆线15的一端连接于电缆接口18，电缆线15的另一端穿过绝缘子13后，电缆线15端部的两个供电口分别连接于高压电极与地电极。
49.导水管17一端连接于注水管接口19，导水管17的另一端分出两路，一路连接于高压水管21，另一路连接于注水管110，注水管110的端部穿过绝缘子13后伸入换能器窗口处。注水管110上设置有电磁阀。绝缘子13与电缆线15和导水管17均为密封连接。
50.控制线16的一端连接于电缆接口18，控制线16的另一端连接于控制器，电磁阀与控制器电性连接。
51.换能器窗口处设置有囊袋14，囊袋14采用具有伸缩性的绝缘材料，囊袋14内部形成密封空间，负载12位于密封空间内。
52.需要说明的是，电缆线15将电流通过高压电极与地电极传输至负载12，通电后的负载12产生冲击波，冲击波穿过换能器窗口。工作人员通过控制线16将控制信号输送至控制器，控制器控制电磁阀和流量电磁阀23动作。
53.囊袋14、绝缘子13和外壳11端部形成密封空间，将水通过注水管110注入密封空间后，水能够将囊袋14撑开，如图4所示，该装置放置于钻孔时，囊袋14侧壁与钻孔内壁抵接，通过负载12产生冲击波时，冲击波在水介质的传递下透过囊袋14直接作用到钻孔的内壁，进而使岩体产生裂隙。囊袋14状态不会发生变化，因此囊袋14可重复使用。
54.本发明将水介质存储于囊袋14中向煤层做功，避免了现有技术中需要将水注入钻孔内才可进行冲击波作业的问题。从而对距离较长的钻孔作业时，能够免去向钻孔内充水的环节，直接通过水囊向岩体做功，因此解决了由于充水过程工作量大、钻孔裂隙发育保水性差、钻孔封孔效果差等因素导致冲击波的作业效果差、以及存在一定的安全隐患的问题，本发明的装置大大提高了冲击波作业时的效率，节约了成本，实用性强，便于推广使用。
55.本实施例中，囊袋14为两端开口的圆筒形结构，囊袋14的两端设置有连接环111，连接环111为金属环体，囊袋14通过连接环111套装于外壳11上，连接环111分别位于换能器窗口的两侧。
56.需要说明的是，囊袋14套装于外壳11上，能够便于囊袋14的拆卸和安装。通过连接环111安装囊袋14能够提高囊袋14安装后的稳定性，使囊袋14不易松动，连接环111和外壳11的连接处为防水密封连接。
57.本发明实施例还提供了一种具有转向功能的冲击波产生装置的使用方法，采用上述的具有转向功能的冲击波产生装置，包括以下步骤：在钻孔的孔口安装孔口装置6，然后将冲击波产生装置本体1放置在钻孔内，将冲击波产生装置本体1的后端连接于通缆钻杆7的前端。通缆钻杆7的后端连接于脉冲功率驱动源8和水箱9。
58.通过通缆钻杆7将冲击波产生装置本体1推送至钻孔的造斜点处。
59.打开水箱9的阀门，水箱9在增压泵的作用下将水注入高压水管21，控制器通过预设的转向参数控制其中一个或者两个流量电磁阀23动作，使其中一个或者两个出水孔24喷出设定流量的水。
60.导向头3在出水孔24喷出水的反作用力下进行转向，然后继续推送冲击波产生装置本体1，导向头3进入设定的分支孔，转向完成后关闭水箱9的阀门和流量电磁阀23，然后
将冲击波产生装置本体1推送至设定的冲击波作业点处。
61.通过冲击波产生装置本体1对冲击波作业点实施冲击波增透作业。
62.需要说明的是，通过水的反作用力进行转向，能够避免设置转向用的机械臂、推杆等机构存在易卡接于钻孔内的问题，水囊和转向共用一个供水管路，因此简化了该装置的结构，该方法易于操作，操作步骤简单，实用性强。
63.本实施例中，通过冲击波产生装置本体1对冲击波作业点实施冲击波增透作业包括以下步骤：打开水箱9的阀门，水箱9在增压泵的作用下将水通过注水管110注入换能器窗口处设置的囊袋14内。观察注水管110上的压力表的读数，压力表的读数为设定数值时，囊袋14涨大并贴合于钻孔的孔壁上。
64.通过脉冲功率驱动源8向冲击波产生装置本体1放电，冲击波产生装置本体1产生冲击波，冲击波在囊袋14内水介质的传输下直接对岩石做功，并使岩石产生裂隙，囊袋14为绝缘材质，冲击波做功时，囊袋14保持涨大状态。
65.需要说明的是，将水介质存储于囊袋14中向岩体做功，避免了现有技术中需要将水注入钻孔内才可实施冲击波作业的问题。本发明能够免去向钻孔内充水的环节，直接通过水囊向岩体做功，本发明的方法能够很好地通过冲击波使煤层产生裂隙，该方法大大提高了冲击波作业时的效率，节约了成本，实用性强，便于推广使用。
66.本实施例中，压力传感器检测到一定的压力时，第二传动轴叉42端面的一侧与检测盘45抵接，第二传动轴叉42的轴线和第一传动轴叉41的轴线呈设定的角度，即冲击波产生装置本体1和导向头3呈设定的角度，此时，继续推送冲击波产生装置本体1，直至完成冲击波产生装置本体1的转向。
67.需要说明的是，每次保证设定的转向角度，能够便于实现角度方位的控制。
68.本实施例中，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。