CN102900417A - 煤矿井下压裂或割缝用加砂装置及加砂控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤矿井下压裂或割缝用加砂装置及加砂控制方法，该装置包括由依次连接的进水管、混合管、出水管，进水管的管路上设有第一电动阀、第一数字压力表、第一电磁流量计；出水管的出口端用于与介质加压泵组的介质接入口连接，出水管的管路上设有止回阀、第二数字压力表、第二电磁流量计；混合管上方通过给砂管连通有用于盛装砂料的料斗，给砂管的管路上设有电动卸料阀和电动闸板阀；第一电动阀、电动卸料阀和电动闸板阀均采用防爆型；进水管、混合管和出水管分别固定在平板矿车上。该方法利用现有控制技术控制本装置的加砂时机及加砂量。本发明的有益效果是，加砂装置结构简单、体积下、使用安全，该方法可提高煤层割缝效率，确保压裂后煤岩体的增透效果。

Description

煤矿井下压裂或割缝用加砂装置及加砂控制方法

技术领域

本发明涉及煤矿井下煤层瓦斯抽采技术领域，特别是用于煤矿井下水力压裂或割缝工艺中的加砂装置及加砂控制方法。

背景技术

煤层瓦斯是一种洁净能源，但对煤矿生产而言更是一种灾害源。我国的煤炭赋存地质条件复杂，主要依靠地下开采，随着开采深度的增加，煤层瓦斯含量逐渐增加，煤层瓦斯压力增大，突出的危险性增高，防突难度越来越大。随着开采深度的增加、资源需求的日益强烈、国家一系列关于煤矿瓦斯灾害治理强制措施和煤层气开发利用鼓励政策的出台，都迫切要求有一套系统的、完整的、地面与井下相结合的瓦斯抽采工艺技术。特别是重庆地区所属煤矿煤层大多为松软煤层，具有煤层硬度低、瓦斯含量高、透气性差的特点；突出危险性大，瓦斯灾害是制约煤矿安全、高效生产的第一因素，现行的瓦斯治理措施已难以满足高效生产的需求，迫切需要一种新型区域和局部治理工艺，以彻底改变目前消突困难、采掘接替紧张的局面。水力压裂及水力割缝技术作为煤矿井下瓦斯治理的重要手段广泛的应用于国内大多数煤与瓦斯突出矿井的局域瓦斯治理和局部瓦斯治理措施中，水力压裂技术还是煤层气开采中层位改造的重要措施。但由于受基础工业和安全管理方面的限制，为压裂和割缝提供动力的压力泵组其系统压力具有一定的局限性，不能无限度提高，因此，其压裂割缝能力受到一定局限，目前，尚无办法能显著改善。于是，本领域的技术人员从压裂割缝介质方面寻找改善改善的途径。经实践发现，水力割缝技术中，以前采用纯清水作为割缝介质，但其往往对硬度系数较大的煤体和煤层顶底板的岩石无法达到预期的割缝效果，其割缝能力有限，而在水中加入少量的砂石后，采用较低的割缝压力就能够割穿硬度系数较大的煤岩体；煤岩体水力压裂技术对煤岩体的增透具有较好效果，但采用清水压裂完成后，压裂所产生的裂隙容易闭合，降低了压裂后增透应有的效果，当在压裂水中添加少量沙石，利用进入裂缝的砂石作为支撑体对煤岩体的支撑作用，以阻止已压裂的裂缝闭合，确保压裂后的增透效果。然而，现有技术中尚无成套的加砂设备或装置可以利用，更缺乏科学的加砂控制方法，只能通过简易的加砂料斗依靠人工调整料闸开合度控制加砂量，其不仅劳动强度大、安全性差、砂水混合比例不理想，而且还严重制约水力压裂及割缝的效率和增透效果。

发明内容

本发明的第一目的就是针对现有技术的不足，提供一种用于煤矿井下压裂或割缝的加砂装置，以取代简易加砂料斗，实现降低劳动强度、减少煤矿井下用工量、减少安全隐患、提高水力压裂及割缝的效率和增透效果的目标。本发明的第二目的就是提供一种加砂控制方法，通过单位流量的加砂量，控制压裂或割缝介质中的含砂量与设定量相同，以提高煤层割缝效率，确保压裂后煤岩体的增透效果。

为实现第一目的，本发明采用如下技术方案。

一种煤矿井下压裂或割缝用加砂装置，包括由依次连接的进水管、混合管、出水管，进水管的进口端用于与水源连接，进水管的管路上设有第一电动阀、第一数字压力表、第一电磁流量计；出水管的出口端用于与介质加压泵组的压裂或割缝介质接入口连接，出水管的管路上设有止回阀、第二数字压力表、第二电磁流量计；所述混合管通过给砂管连通有用于盛装砂料的料斗，料斗位于混合管上方，给砂管的管路上设有电动卸料阀和电动闸板阀，电动卸料阀位于电动闸板阀上方；所述第一电动阀、电动卸料阀和电动闸板阀均采用防爆型；所述进水管、混合管和出水管分别通过固定支架固定在平板矿车上。

采用上述技术方案后的本发明，可利用现有技术中成熟的PLC或PC的工业自动控制系统，通过对第一数字压力表、第一电磁流量计、第二数字压力表和第二电磁流量计进水和出水的压力和流量检测的数字信号采集，并将压力和流量的检测信号通过自动控制系统显示，以确定压力及流量与设定值的差异；同时，利用自动控制系统的控制功能实现对第一电动阀、电动卸料阀和电动闸板阀的关闭和开启度的控制，根据进水的实际流量调整控制加砂量，从而自动实现压裂或割缝介质中的砂水混合比例，以取代现有技术中的人工加砂工作、降低劳动强度、减少煤矿井下用工量和减少安全隐患，确保砂水混合比例满足设定要求，且结构简单、制造和使用成本低，方便上下井运输。本发明由于第一电动阀、电动卸料阀和电动闸板阀均采用防爆型，以确保煤矿井下使用安全；另外，该装置由进水管、混合管和出水管分别通过固定支架固定在平板矿车上，可方便该装置移动，转移使用场地，还加强了进水管、混合管和出水管相互连接的牢固性。其中，电动闸板阀用于确保电动卸料阀的密闭性，在需要及时停止供砂时，可迅速关断电动闸板阀。本发明在介质加压泵组工作前或工作中，料斗中应备有足够砂料。

优选的，所述混合管由依次连接的射流喷嘴、混料仓和混流管组成，射流喷嘴的进口端与所述进水管的出口端连接，射流喷嘴呈缩径管结构，射流喷嘴的小直径管段构成其射流段，射流喷嘴的出口端伸入混料仓内；混料仓由直管段和锥管段构成，锥管段的口径沿介质流动方向逐渐收缩；混流管包括扩口段，扩口段的口径沿介质流动方向逐渐扩张，扩口段的小端口径与混料仓的锥管段小端口径相同，扩口段的小端与混料仓的锥管段小端通过一直管段连通；所述给砂管的出口端与混料仓的直管段连通，给砂管的出口位于射流喷嘴的出口端的后方。利用介质加压泵组进口的负压以及射流喷嘴的喷射作用将砂料混合在清水中，混料仓由直管段用于贮存足够的砂料，锥管段利于砂料集中被混合；混流管的扩口段便于介质扩散，以实现砂水混合均匀的效果。当然混料仓整体可呈橄榄状，或其直管段可呈鼓形或球形的一部分。

进一步优选的，所述射流喷嘴包括其前端设有的喷孔，喷孔直径小于射流喷嘴的小直径管直径，喷孔后端设有锥度集流段。进一步提高清水的喷射效果，实现砂水顺利混合。

优选的，所述第一电动阀、电动卸料阀和电动闸板阀外部分别设有防爆罩，防爆罩固定连接在所述平板矿车上。

优选的，所述进水管的进口端和所述出水管的出口端具有与U形卡接方式的快速接头相适应的结构。U形卡接方式的快速接头是现有技术中管路连接的常用管件，适用于管路的快速连接，因此，本发明在与水源和介质加压泵组连接时方便、快速，通过缩短准备时间提高压裂或割缝工作效率。

为实现第二目的，本发明采用如下技术方案。

一种煤矿井下压裂或割缝的加砂控制方法，设置一用于控制本发明第一目的技术方案所述加砂装置的自动控制系统，该自动控制系统按以下步骤执行加砂控制：

a、顺序开启第一电动阀、介质加压泵组，第一电动阀开启至设定开度；

b、开启电动闸板阀；

c、采集第一电磁流量计的流量数字信号并与进水流量设定值比较，当第一电磁流量计的流量值小于设定值时，执行步骤d；当第一电磁流量计的流量值大于设定值时，执行步骤e；当第一电磁流量计的流量值等于设定值时，执行步骤f； 

d、按设定增量调增第一电动阀的开度，返回步骤b；

e、按设定增量调减第一电动阀的开度，返回步骤b； 

f、保持第一电动阀的开度，并延时数秒，启动电动卸料阀至设定开度；

g、采集第二电磁流量计的流量数字信号，并比较第二电磁流量计与第一电磁流量计的流量差值，计算介质中的含砂比值；当含砂比值小于设定值时，执行步骤h；当含砂比值大于设定值时，执行步骤i；当含砂比值等于设定值时，执行步骤j；

h、按设定量调增电动卸料阀的开度，返回步骤g；

i、按设定量调减电动卸料阀的开度，返回步骤g；

j、保持电动卸料阀的开度；

k、循环执行步骤g～h，至设定时间或压裂或割缝完成；

l、顺序关闭电动卸料阀、电动闸板阀；

m、动态采集第二电磁流量计的流量数字信号，并比较第二电磁流量计与第一电磁流量计的流量差值，判断介质中的是否含砂；

n、介质中的无砂时，顺序关闭第一电动阀、介质加压泵组。

本发明的加砂控制方法，通过进水量的检测和控制，并根据实际进水量和设定的加砂比例实现加砂量的动态控制，保持砂水比例恒定的目的；同时，在介质加压泵组的启动阶段不供砂，以利用清水作压裂或割缝的先期引导作用，在介质加压泵组的启动阶段不供砂，可确保泵组内无残留砂料，利于延长介质加压泵组的使用寿命。本发明可通过设定不同的砂水混合比，以满足煤矿井下压裂或割缝时，不同岩层的需要。

优选的，所述步骤f中的延时时间为10秒。确保清水作压裂或割缝的先期引导作用效果充分.

本发明的有益效果是，加砂装置结构简单、体积下，且便于上下井的运输和使用场地的转移，且降低了加砂劳动强度、减少煤矿井下用工量、减少安全隐患；加砂控制方法通过单位流量的加砂量的控制实现压裂或割缝介质中的含砂量控制，可提高煤层割缝效率，确保压裂后煤岩体的增透效果，同时，介质加压泵组使用寿命长。

附图说明

图1是本发明中加砂装置的结构示意图。

图2是本发明中加砂控制方法的控制流程框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明，但并不因此将本发明限制在所述的实施范围之中。

实施例1 参见图1，一种煤矿井下压裂或割缝用加砂装置，包括由依次连接的进水管1、混合管2、出水管3，进水管1的进口端用于与水源连接，进水管1的管路上设有第一电动阀4、第一数字压力表5、第一电磁流量计6；出水管3的出口端用于与介质加压泵组的压裂或割缝介质接入口连接，出水管3的管路上设有止回阀7、第二数字压力表8、第二电磁流量计9；所述混合管2通过给砂管10连通有用于盛装砂料的料斗11，料斗11位于混合管2上方，给砂管10的管路上设有电动卸料阀12和电动闸板阀13，电动卸料阀12位于电动闸板阀13上方；所述第一电动阀4、电动卸料阀12和电动闸板阀13均采用防爆型；所述进水管1、混合管2和出水管3分别通过固定支架15固定在平板矿车16上。

所述混合管2由依次连接的射流喷嘴21、混料仓22和混流管23组成，射流喷嘴21的进口端与所述进水管1的出口端连接，射流喷嘴21呈缩径管结构，射流喷嘴21的小直径管段构成其射流段，射流喷嘴21的出口端伸入混料仓22内；混料仓22由直管段221和锥管段222构成，锥管段222的口径沿介质流动方向逐渐收缩；混流管23包括扩口段231，扩口段231的口径沿介质流动方向逐渐扩张，扩口段231的小端口径与混料仓22的锥管段222小端口径相同，扩口段231的小端与混料仓22的锥管段222小端通过一直管段连通；所述给砂管10的出口端与混料仓22的直管段221连通，给砂管10的出口位于射流喷嘴21的出口端的后方。

所述射流喷嘴21包括其前端设有的喷孔211，喷孔211直径小于射流喷嘴21的小直径管直径，喷孔211后端设有锥度集流段。

所述第一电动阀4、电动卸料阀12和电动闸板阀13外部分别设有防爆罩14，防爆罩14固定连接在所述平板矿车16上。

所述进水管1的进口端和所述出水管3的出口端具有与U形卡接方式的快速接头相适应的结构。

实施例2 参见图1、图2，一种煤矿井下压裂或割缝的加砂控制方法，设置一用于控制本发明实施例1所述加砂装置的自动控制系统，该自动控制系统按以下步骤执行加砂控制：

a、顺序开启第一电动阀4、介质加压泵组，第一电动阀4开启至设定开度；

b、开启电动闸板阀13；

c、采集第一电磁流量计6的流量数字信号并与进水流量设定值比较，当第一电磁流量计6的流量值小于设定值时，执行步骤d；当第一电磁流量计6的流量值大于设定值时，执行步骤e；当第一电磁流量计6的流量值等于设定值时，执行步骤f； 

d、按设定增量调增第一电动阀4的开度，返回步骤b；

e、按设定增量调减第一电动阀4的开度，返回步骤b； 

f、保持第一电动阀4的开度，并延时数秒，启动电动卸料阀12至设定开度；

g、采集第二电磁流量计9的流量数字信号，并比较第二电磁流量计9与第一电磁流量计6的流量差值，计算介质中的含砂比值；当含砂比值小于设定值时，执行步骤h；当含砂比值大于设定值时，执行步骤i；当含砂比值等于设定值时，执行步骤j；

h、按设定量调增电动卸料阀12的开度，返回步骤g；

i、按设定量调减电动卸料阀12的开度，返回步骤g；

j、保持电动卸料阀12的开度；

k、循环执行步骤g～h，至设定时间或压裂或割缝完成；

l、顺序关闭电动卸料阀12、电动闸板阀13；

m、动态采集第二电磁流量计9的流量数字信号，并比较第二电磁流量计9与第一电磁流量计6的流量差值，判断介质中的是否含砂；

n、介质中的无砂时，顺序关闭第一电动阀4、介质加压泵组。

所述步骤f中的延时时间为10秒。

以上虽然结合了附图描述了本发明的实施方式，但本领域的普通技术人员也可以意识到对所附权利要求的范围内作出各种变化或修改，这些修改和变化应理解为是在本发明的范围和意图之内的。

Claims (7)

1.一种煤矿井下压裂或割缝用加砂装置，其特征在于，包括由依次连接的进水管（1）、混合管（2）、出水管（3），进水管（1）的进口端用于与水源连接，进水管（1）的管路上设有第一电动阀（4）、第一数字压力表（5）、第一电磁流量计（6）；出水管（3）的出口端用于与介质加压泵组的压裂或割缝介质接入口连接，出水管（3）的管路上设有止回阀（7）、第二数字压力表（8）、第二电磁流量计（9）；所述混合管（2）通过给砂管（10）连通有用于盛装砂料的料斗（11），料斗（11）位于混合管（2）上方，给砂管（10）的管路上设有电动卸料阀（12）和电动闸板阀（13），电动卸料阀（12）位于电动闸板阀（13）上方；所述第一电动阀（4）、电动卸料阀（12）和电动闸板阀（13）均采用防爆型；所述进水管（1）、混合管（2）和出水管（3）分别通过固定支架（15）固定在平板矿车（16）上。

2.根据权利要求1所述的煤矿井下压裂或割缝用加砂装置，其特征在于：所述混合管（2）由依次连接的射流喷嘴（21）、混料仓（22）和混流管（23）组成，射流喷嘴（21）的进口端与所述进水管（1）的出口端连接，射流喷嘴（21）呈缩径管结构，射流喷嘴（21）的小直径管段构成其射流段，射流喷嘴（21）的出口端伸入混料仓（22）内；混料仓（22）由直管段（221）和锥管段（222）构成，锥管段（222）的口径沿介质流动方向逐渐收缩；混流管（23）包括扩口段（231），扩口段（231）的口径沿介质流动方向逐渐扩张，扩口段（231）的小端口径与混料仓（22）的锥管段（222）小端口径相同，扩口段（231）的小端与混料仓（22）的锥管段（222）小端通过一直管段连通；所述给砂管（10）的出口端与混料仓（22）的直管段（221）连通，给砂管（10）的出口位于射流喷嘴（21）的出口端的后方。

3.根据权利要求2所述的煤矿井下压裂或割缝用加砂装置，其特征在于：所述射流喷嘴（21）包括其前端设有的喷孔（211），喷孔（211）直径小于射流喷嘴（21）的小直径管直径，喷孔（211）后端设有锥度集流段。

4.根据权利要求1所述的煤矿井下压裂或割缝用加砂装置，其特征在于：所述第一电动阀（4）、电动卸料阀（12）和电动闸板阀（13）外部分别设有防爆罩（14），防爆罩（14）固定连接在所述平板矿车（16）上。

5.根据权利要求1所述的煤矿井下压裂或割缝用加砂装置，其特征在于：所述进水管（1）的进口端和所述出水管（3）的出口端具有与U形卡接方式的快速接头相适应的结构。

6.一种煤矿井下压裂或割缝的加砂控制方法，其特征在于，设置一权利要求1～5任一项权利要求所述的加砂装置的自动控制系统，该自动控制系统按以下步骤执行加砂控制：

a、顺序开启第一电动阀（4）、介质加压泵组，第一电动阀（4）开启至设定开度；

b、开启电动闸板阀（13）；

c、采集第一电磁流量计（6）的流量数字信号并与进水流量设定值比较，当第一电磁流量计（6）的流量值小于设定值时，执行步骤d；当第一电磁流量计（6）的流量值大于设定值时，执行步骤e；当第一电磁流量计（6）的流量值等于设定值时，执行步骤f； 

d、按设定增量调增第一电动阀（4）的开度，返回步骤b；

e、按设定增量调减第一电动阀（4）的开度，返回步骤b； 

f、保持第一电动阀（4）的开度，并延时数秒，启动电动卸料阀（12）至设定开度；

g、采集第二电磁流量计（9）的流量数字信号，并比较第二电磁流量计（9）与第一电磁流量计（6）的流量差值，计算介质中的含砂比值；当含砂比值小于设定值时，执行步骤h；当含砂比值大于设定值时，执行步骤i；当含砂比值等于设定值时，执行步骤j；

h、按设定量调增电动卸料阀（12）的开度，返回步骤g；

i、按设定量调减电动卸料阀（12）的开度，返回步骤g；

j、保持电动卸料阀（12）的开度；

k、循环执行步骤g～h，至设定时间或压裂或割缝完成；

l、顺序关闭电动卸料阀（12）、电动闸板阀（13）；

m、动态采集第二电磁流量计（9）的流量数字信号，并比较第二电磁流量计（9）与第一电磁流量计（6）的流量差值，判断介质中的是否含砂；

n、介质中的无砂时，顺序关闭第一电动阀（4）、介质加压泵组。

7.根据权利要求6所述的煤矿井下压裂或割缝的加砂控制方法，其特征在于：所述步骤f中的延时时间为10秒。

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