[发明专利]一种用于井下煤岩层的一体式水压致裂装置及方法

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1.一种用于井下煤岩层的一体式水压致裂装置，包括动力推送机构（1）、转换机构（2）、第一平衡固定封孔单元、方向调整机构（4）、第二平衡固定封孔单元和钻孔监控机构（6）；其特征在于；

所述动力推送机构（1）包括主输送管路（11）和侧输出支路（12），所述主输送管路（11）为阶梯式管路，其小径段的外部设置有外螺纹结构A（13）；所述侧输出支路（12）与主输送管路（11）相平行的设置，且其左端折弯后与主输送管路（11）的大径段贯通的连接，侧输出支路（12）的中部安装有第一控制阀（14）；所述第一控制阀（14）包括推送阀块（15）、推送阀芯一（16）、活塞柱A（28）和复位弹簧A（17），所述推送阀块（15）内部开设有沿侧输出支路（12）径向延伸的推送阀腔（19），并于推送阀腔（19）的上部外侧、下部外侧同轴心的开设有上环形腔A（20）、下环形腔A（21），于推送阀腔（19）的中部设置有环形限位台阶A（22）；上环形腔A（20）、下环形腔A（21）的里端均与推送阀腔（19）连通；上环形腔A（20）的外端通过开设在推送阀块（15）右部内侧的出液通道A（23）与推送阀块（15）右端的外侧连通；下环形腔A（21）的外端通过开设在推送阀块（15）左部内侧的进液通道A（24）与推送阀块（15）左端的外侧连通；推送阀腔（19）的下端通过开设在推送阀块（15）左部内侧的控制通道A（25）与进液通道A（24）连通；环形限位台阶A（22）的内径略小于推送阀腔（19）的内径；所述推送阀芯一（16）滑动的设置在推送阀腔（19）的上部，其上部轴心处开设有安装凹槽A（26），其中部同轴心的设置有环形凸台A（27）；所述活塞柱A（28）滑动的设置在推送阀腔（19）的下部，且与推送阀腔（19）滑动密封配合；推送阀芯一（16）在环形凸台A（27）以下的部分与环形限位台阶A（22）的内圆面之间形成环形过液通道A（29），且下端与活塞柱A（28）的上端相抵接配合；在环形凸台A（27）的下端抵接在环形限位台阶A（22）的上端时，将环形过液通道A（29）的出液端关断，在环形凸台A（27）的下端脱离环形限位台阶A（22）的上端时，将环形过液通道A（29）的出液端打开；在活塞柱A（28）的上端抵接在环形限位台阶A（22）的下端时，将环形过液通道A（29）的进液端关断，在活塞柱A（28）的上端脱离环形限位台阶A（22）的下端时，将环形过液通道A（29）的进液端打开；所述复位弹簧A（17）设置在推送阀腔（19）的上端，其上端与推送阀腔（19）的上封装端相抵接，其下端插装于安装凹槽A（26）中，并与安装凹槽A（26）的封闭端相抵接；所述推送阀块（15）固定封堵在侧输出支路（12）的中部，且进液通道A（24）与主输送管路（11）的内腔连通，出液通道A（23）与外部连通；

所述转换机构（2）包括实心直杆体（30）和设置在实心直杆体（30）中段的转换控制阀；所述转换控制阀包括第一转换活塞（31）、第一转换弹簧（32）、第二转换活塞（33）和第二转换弹簧（34）；所述实心直杆体（30）中段的内部相平行的设置有沿长度方向延伸的第一转换阀腔（35）和第二转换阀腔（36），第一转换阀腔（35）的左端通过开设在实心直杆体（30）左部内侧的出液通道B（37）与实心直杆体（30）左端的外侧连通，且第一转换阀腔（35）和出液通道B（37）的连接处之间形成环形限位台阶B（39），环形限位台阶B（39）的大径端靠近第一转换阀腔（35）的一侧；出液通道B（37）的端部开设有内螺纹结构A（40）；第二转换阀腔（36）的右端通过开设在实心直杆体（30）右部内侧的进液通道B（38）与实心直杆体（30）右端的外侧连通，且第二转换阀腔（36）和进液通道B（38）的连接处之间形成环形限位台阶C（41），环形限位台阶C（41）的大径端靠近第二转换阀腔（36）的一侧；进液通道B（38）的端部开设有内螺纹结构B（42），并通过内螺纹结构B（42）和外螺纹结构A（13）之间的螺纹配合与主输送管路（11）的小径段固定连接；第一转换阀腔（35）的左部通过开设在实心直杆体（30）内部的连通通道A（43）与进液通道B（38）连通；第二转换阀腔（36）的右部通过开设在实心直杆体（30）内部的连通通道B（44）与出液通道B（37）连通；第一转换活塞（31）和第一转换弹簧（32）均设置在第一转换阀腔（35）的内部，第一转换活塞（31）与第一转换阀腔（35）之间滑动密封配合，第一转换弹簧（32）的左端和右端分别与第一转换活塞（31）的右端和第一转换阀腔（35）的封闭端连接，且第一转换活塞（31）抵接在环形限位台阶B（39）处时，同时关断出液通道B（37）和连通通道A（43），第一转换活塞（31）脱离环形限位台阶B（39）时，同时打开出液通道B（37）和连通通道A（43）；第二转换活塞（33）和第二转换弹簧（34）均设置在第二转换阀腔（36）的内部，第二转换活塞（33）与第二转换阀腔（36）之间滑动密封配合，第二转换弹簧（34）的左端和右端分别与第二转换阀腔（36）的封闭端和第二转换活塞（33）的左端连接，且第二转换活塞（33）抵接在环形限位台阶C（41）处时，同时关断进液通道B（38）和连通通道B（44），第二转换活塞（33）脱离环形限位台阶C（41）时，同时打开进液通道B（38）和连通通道B（44）；在进入进液通道B（38）中的高压液体作用于第二转换活塞（33）并将进液通道B（38）和连通通道B（44）之间的通道打开后，高压液体由连通通道B（44）进入出液通道B（37）中，并作用于第一转换活塞（31）将出液通道B（37）和连通通道A（43）之间的通道打开；

所述第一平衡固定封孔单元和所述第二平衡固定封孔单元的组成结构相同，均由中心输送管路（45）、平衡机构（3）、固定机构（5）和封孔机构（7）组成；所述中心输送管路（45）的一端外部设置有外螺纹结构B（120），另一端外部设置有外螺纹结构C（121），中心输送管路（45）的管身上在靠近左端的部分开设有多个径向通孔（122），每个径向通孔（122）中均安装有压裂阀（123）；所述压裂阀（123）包括压裂阀块（128）、第五转换活塞（124）、第五转换弹簧（125）、第六转换活塞（126）和第六转换弹簧（127），压裂阀块（128）的内部相平行的设置有沿径向延伸的第五转换阀腔（129）和第六转换阀腔（130），第五转换阀腔（129）的里端通过开设在压裂阀块（128）内部的连通通道G（131）与压裂阀块（128）里端的里侧连通，且第五转换阀腔（129）和连通通道G（131）的连接处之间形成环形限位台阶H（132），环形限位台阶H（132）的大径端靠近第五转换阀腔（129）的一侧；第六转换阀腔（130）的外端通过开设在压裂阀块（128）内部的连通通道H（133）与压裂阀块（128）外端的外侧连通，且第六转换阀腔（130）和连通通道H（133）的连接处之间形成环形限位台阶I（134），环形限位台阶I（134）的大径端靠近第六转换阀腔（130）的一侧；第五转换阀腔（129）靠近里端的部分通过开设在压裂阀块（128）内部的连通通道I（135）与连通通道H（133）连通；第六转换阀腔（130）靠近外端的部分通过开设在压裂阀块（128）内部的连通通道J（136）与连通通道G（131）连通；第五转换活塞（124）和第五转换弹簧（125）均设置在第五转换阀腔（129）的内部，第五转换活塞（124）与第五转换阀腔（129）之间滑动密封配合，第五转换弹簧（125）的两端分别与第五转换阀腔（129）的封闭端和第五转换活塞（124）的外端连接，且第五转换活塞（124）抵接在环形限位台阶H（132）处时，同时关断连通通道I（135）和连通通道G（131），第五转换活塞（124）脱离环形限位台阶H（132）时，同时打开连通通道I（135）和连通通道G（131）；第六转换活塞（126）和第六转换弹簧（127）均设置在第六转换阀腔（130）的内部，第六转换活塞（126）与第六转换阀腔（130）之间滑动密封配合，第六转换弹簧（127）的两端分别与第六转换活塞（126）的里端和第六转换阀腔（130）的封闭端连接，且第六转换活塞（126）抵接在环形限位台阶I（134）处时，同时关断连通通道J（136）和连通通道H（133），第六转换活塞（126）脱离环形限位台阶I（134）时，同时打开连通通道J（136）和连通通道H（133）；在进入连通通道G（131）中的高压液体作用于第五转换活塞（124）并将连通通道I（135）和连通通道G（131）之间的通道打开后，高压液体由连通通道I（135）进入连通通道H（133）中，并作用于第六转换活塞（126）将连通通道J（136）和连通通道H（133）之间的通道打开；所述平衡机构（3）包括外部支撑套筒（46）、多根连接弹簧（47）、多个支座（48）和多个平衡轮（49），所述外部支撑套筒（46）同轴心的套设在中心输送管路（45）靠近外螺纹结构B（120）一侧的外部，且通过多根径向连杆与中心输送管路（45）固定连接；外部支撑套筒（46）的筒身上周身均匀的安装有多个弹簧安装座（50），多根连接弹簧（47）的里端对应的安装在多个弹簧安装座（50）上，多个支座（48）对应的安装在多根连接弹簧（47）的外端，多个平衡轮（49）可转动的安装在多个支座（48）的外端；

所述固定机构（5）包括侧端板A（51）、侧端板B（52）、内环形隔板（53）、外环形挡板（54）、多个伸缩支撑体（55）和第二控制阀（56），所述侧端板A（51）和侧端板B（52）的形状和尺寸相同，且左右相对的设置，侧端板A（51）和侧端板B（52）的中心均开设有与中心输送管路（45）外径相适配的安装孔A（57）；所述内环形隔板（53）的内径大于安装孔A（57）的内径，且与安装孔A（57）同轴心的固定连接在侧端板A（51）和侧端板B（52）之间的里端；外环形挡板（54）的外径与侧端板A（51）和侧端板B的外径相同，且与安装孔A（57）同轴心的固定连接在侧端板A（51）和侧端板B（52）之间的外端；固定机构（5）通过安装孔A（57）固定套装在中心输送管路（45）中部的外部，且内环形隔板（53）与中心输送管路（45）之间形成环形空间（98）；外环形挡板（54）、内环形隔板（53）、侧端板A（51）和侧端板B（52）之间形成环形空腔（58）；多个伸缩支撑体（55）周向均匀的分布在环形空腔（58）中；所述伸缩支撑体（55）包括固定缸筒（59）、活塞体A（60）、伸缩筒体（61）、滑动板（62）、缓冲弹簧（63）和支柱（64）；所述固定缸筒（59）径向的设置，其里端贴合的与内环形隔板（53）的外表面固定连接，其外端与外环形挡板（54）的内侧面固定连接；在固定缸筒（59）的里端开设有进出液孔A（65），在内环形隔板（53）上开设有与进出液孔A（65）相连通的进出液孔B（66），进出液孔A（65）和进出液孔B（66）形成伸缩支撑体（55）的进出液通道；在固定缸筒（59）的外端开设有伸出孔A（67），在外环形挡板（54）上对应固定缸筒（59）上伸出孔A（67）的部分开设有伸出孔B（68），伸出孔B（68）和伸出孔A（67）的形状和尺寸相同；所述活塞体A（60）滑动密封的安装在固定缸筒（59）的内部，并由伸出孔A（67）进行限位；所述伸缩筒体（61）的里端滑动穿过伸出孔A（67）和伸出孔B（68），并与活塞体A（60）的外端中心固定连接，伸缩筒体（61）的外端内侧固定连接有限位环（69）；所述滑动板（62）滑动的设置在伸缩筒体（61）的内腔中，并通过限位环（69）进行限位；滑动板（62）的里端通过缓冲弹簧（63）与活塞体A（60）连接；所述支柱（64）径向的设置，其里端滑动的穿过限位环（69）后与滑动板（62）的中心固定连接；所述第二控制阀（56）包括连通阀块（70）、连通阀芯（71）、活塞柱B（81）、复位弹簧B（72）、第三转换活塞（92）、第三转换弹簧（93）、第四转换活塞（94）和第四转换弹簧（95），所述连通阀块（70）内部开设有沿高度方向延伸的连通阀腔（73），并于连通阀腔（73）的上部外侧、下部外侧同轴心的开设有上环形腔B（74）、下环形腔B（75），于连通阀腔（73）的中部设置有环形限位台阶D（76）；上环形腔B（74）、下环形腔B（75）的里端均与连通阀腔（73）连通；上环形腔B（74）的外端通过开设在连通阀块（70）右部内侧的出液通道C（77）与连通阀块（70）右端的外侧连通；下环形腔B（75）的外端通过开设在连通阀块（70）左部内侧的进液通道C（78）与连通阀块（70）左侧的外部连通；连通阀腔（73）的下端设置有开设在连通阀块（70）内部的控制口（83）；环形限位台阶D（76）的内径略小于连通阀腔（73）的内径；所述连通阀芯（71）滑动的设置在连通阀腔（73）的上部，其上部轴心处开设有安装凹槽B（79），其中部同轴心的设置有环形凸台B（80）；所述活塞柱B（81）滑动的设置在连通阀腔（73）的下部，且与连通阀腔（73）滑动密封配合；连通阀芯（71）在环形凸台B（80）以下的部分与环形限位台阶D（76）的内圆面之间形成环形过液通道B（82），且下端与活塞柱B（81）的上端相抵接配合；在环形凸台B（80）的下端抵接在环形限位台阶D（76）的上端时，将环形过液通道B（82）的出液端关断，在环形凸台B（80）的下端脱离环形限位台阶D（76）的上端时，将环形过液通道B（82）的出液端打开；在活塞柱B（81）的上端抵接在环形限位台阶D（76）的下端时，将环形过液通道B（82）的进液端关断，在活塞柱B（81）的上端脱离环形限位台阶D（76）的下端时，将环形过液通道B（82）的进液端打开；所述复位弹簧B（72）设置在连通阀腔（73）的上端，其上端与连通阀腔（73）的上封装端相抵接，其下端插装于安装凹槽B（79）中，并与安装凹槽B（79）的封闭端相抵接；所述连通阀块（70）内部在连通阀腔（73）的下方还相平行的开设有沿左右方向延伸的第三转换阀腔（84）和第四转换阀腔（85），第三转换阀腔（84）的左端通过开设在连通阀块（70）左部内侧的进液通道D（87）与进液通道C（78）连通，且第三转换阀腔（84）和进液通道D（87）的连接处之间形成环形限位台阶E（88），环形限位台阶E（88）的大径端靠近第三转换阀腔（84）的一侧；第四转换阀腔（85）的右端通过开设在连通阀块（70）右部内侧的出液通道D（86）与控制口（83）连通，且第四转换阀腔（85）和出液通道D（86）的连接处之间形成环形限位台阶F（89），环形限位台阶F（89）的大径端靠近第四转换阀腔（85）的一侧；第三转换阀腔（84）的左部通过开设在连通阀块（70）内部的连通通道D（91）与出液通道D（86）连通；第四转换阀腔（85）的右部通过开设在连通阀块（70）内部的连通通道C（90）与进液通道D（87）连通；所述第三转换活塞（92）和第三转换弹簧（93）设置在第三转换阀腔（84）的内部，第三转换活塞（92）与第三转换阀腔（84）之间滑动密封配合，第三转换弹簧（93）的左端和右端分别与第三转换活塞（92）的右端和第三转换阀腔（84）的封闭端连接，且第三转换活塞（92）抵接在环形限位台阶E（88）处时，同时关断连通通道D（91）和进液通道D（87），第三转换活塞（92）脱离环形限位台阶E（88）时，同时打开连通通道D（91）和进液通道D（87）；所述第四转换活塞（94）和第四转换弹簧（95）设置在第四转换阀腔（85）的内部，第四转换活塞（94）与第四转换阀腔（85）之间滑动密封配合，第四转换弹簧（95）的左端和右端分别与第四转换阀腔（85）的封闭端和第四转换活塞（94）的左端连接，且第四转换活塞（94）抵接在环形限位台阶F（89）处时，同时关断连通通道C（90）和出液通道D（86），第四转换活塞（94）脱离环形限位台阶F（89）时，同时打开连通通道C（90）和出液通道D（86）；在进入进液通道D（87）中的高压液体作用于第三转换活塞（92）并将打开连通通道D（91）和进液通道D（87）之间的通道打开后，高压液体由连通通道D（91）进入出液通道D（86）中，并作用于第四转换活塞（94）将连通通道C（90）和出液通道D（86）之间的通道打开；第二控制阀（56）的进液通道C（78）的进液端通过第一连通管路（96）与中心输送管路（45）的内腔连通；第二控制阀（56）的出液通道C（77）的出液端通过第二连通管路（97）与环形空间（98）连通；所述封孔机构（7）包括封孔器（100）和第三控制阀（101），所述封孔器（100）固定套装在第一连通管路（96）靠近外螺纹结构C一侧的外部，所述第三控制阀（101）包括封孔阀块（102）、推送阀芯二（103）、活塞柱C（114）、复位弹簧C（104）和单向阀（116），所述封孔阀块（102）内部开设有沿高度方向延伸的封孔阀腔（105），并于封孔阀腔（105）的上部外侧、下部外侧同轴心的开设有上环形腔C（106）、下环形腔C（107），于封孔阀腔（105）的中部设置有环形限位台阶G（108）；上环形腔C（106）、下环形腔C（107）的里端均与封孔阀腔（105）连通；上环形腔C（106）的外端通过开设在封孔阀块（102）右部内侧的进液通道E（109）与封孔阀块（102）右端的外侧连通；下环形腔C（107）的外端通过开设在封孔阀块（102）左部内侧的出液通道E（110）与封孔阀块（102）左端的外侧连通；封孔阀腔（105）的下端通过开设在封孔阀块（102）内部的控制通道B（111）与进液通道E（109）连通；环形限位台阶G（108）的内径略小于封孔阀腔（105）的内径；所述推送阀芯二（103）滑动的设置在封孔阀腔（105）的上部，其上部轴心处开设有安装凹槽C（112），其中部同轴心的设置有环形凸台C（113）；所述活塞柱C（114）滑动的设置在封孔阀腔（105）的下部，且与封孔阀腔（105）滑动密封配合；推送阀芯二（103）在环形凸台C（113）与活塞柱C（114）之间的部分与环形限位台阶G（108）的内圆面之间形成环形过液通道C（115），且下端与活塞柱C（114）的上端相抵接配合；在环形凸台C（113）的下端抵接在环形限位台阶G（108）的上端时，将环形过液通道C（115）的出液端关断，在环形凸台C（113）的下端脱离环形限位台阶G（108）的上端时，将环形过液通道C（115）的出液端打开；在活塞柱C（114）的上端抵接在环形限位台阶G（108）的下端时，将环形过液通道C（115）的进液端关断，在活塞柱C（114）的上端脱离环形限位台阶G（108）的下端时，将环形过液通道C（115）的进液端打开；所述复位弹簧C（104）设置在封孔阀腔（105）的上端，其上端与封孔阀腔（105）的上封装端相抵接，其下端插装于安装凹槽C（112）中，并与安装凹槽C（112）的封闭端相抵接；所述单向阀（116）安装在封孔阀块（102）的内部，其进液端通过设置在封孔阀块（102）内部的连通通道E（117）与出液通道E（110）连通，其出液端通过设置在封孔阀块（102）内部的连通通道F（118）与进液通道E（109）连通；第三控制阀（101）的进液通道E（109）的进液端通过第三连通管路（99）与中心输送管路（45）的内腔连通；第三控制阀（101）的出液通道E（110）的出液端通过第四连通管路（119）与封孔器（100）的内腔连通；

第一平衡固定封孔单元的中心输送管路（45）的一端通过外螺纹结构B（120）和内螺纹结构A（40）之间的螺纹配合与转换机构（2）固定连接；

所述方向调整机构（4）由位于中部的弹性连接段（137）、固定连接在弹性连接段（137）左端的刚性连接段A（138）、固定连接在弹性连接段（137）右端的刚性连接段B（139）组成；所述刚性连接段A（138）的端部设置有内螺纹结构C（140），刚性连接段B（139）的端部设置有内螺纹结构D（141），并通过内螺纹结构D（141）和外螺纹结构C（121）的螺纹配合与第一平衡固定封孔单元中中心输送管路（45）的一端固定连接；

所述第二平衡固定封孔单元与第一平衡固定封孔单元方向相反的布置，第二平衡固定封孔单元中的中心输送管路（45）通过外螺纹结构C（121）和内螺纹结构C（140）的螺纹配合与刚性连接段A（138）固定连接，第二平衡固定封孔单元中的中心输送管路（45）通过外螺纹结构B（120）与螺纹连接套（142）的右端固定连接；

所述钻孔监控机构（6）包括锥形探头（143）、连接杆体（144）、第一摄像头（145）、第二摄像头（146）、第三摄像头（147）和数据存储终端（8），所述锥形探头（143）内部为空腔结构，其小径端的中心开设有与其内部空腔连通的安装孔B，其大径端的中心开设有与其内部空腔连通的连通孔；所述连接杆体（144）的左部于轴心处开设有轴向凹槽，并于杆身上开设有与轴向凹槽相连通的两个径向安装孔；连接杆体（144）的左端与锥形探头（143）的大径端中心垂直的固定连接，且轴向凹槽的开口端通过连通孔与锥形探头（143）的内部空腔连通；所述第一摄像头（145）安装在安装孔B中；所述第二摄像头（146）和第三摄像头（147）分别安装在两个径向安装孔中；所述数据存储终端（8）内部设置有蓄电池组、数据处理器和存储器，所述数据处理器分别与蓄电池组、存储器、第一摄像头（145）、第二摄像头（146）和第三摄像头（147）连接；连接杆体（144）的右端外部设置有外螺纹结构D（9），并通过外螺纹结构D（9）与螺纹连接套（142）的左端固定连接。