CN109488299B - 一种综掘岩巷硬岩水力压裂软化装置与方法 - Google Patents
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Abstract
一种综掘岩巷硬岩水力压裂软化装置与方法，适用于煤矿井下使用。水力压裂装置包括水箱、低压供液管路、乳化液泵、泄压阀、单向流动控制阀、高压软管Ⅰ、压力表、流量计、球阀、泄压阀、高压软管Ⅱ、转接头、连接杆、封孔器、可视化监视器、数据传输线电源线和高清摄像头；水力压裂方法及步骤包括：水力压裂钻孔工艺、水力压裂工艺。其施工时间短、效率高、松动软化效果好、规模可控、施工后衍生问题少。
Description
技术领域
本发明涉及一种综掘岩巷硬岩水力压裂软化装置与方法，尤其适用于一种煤矿井下使用的综掘岩巷硬岩水力压裂软化装置与方法。
背景技术
硬岩岩巷掘进一直是煤矿掘进施工的难题，硬岩岩性致密，普氏系数大，综掘设备掘进进尺少，掘进效率低。松动软化硬岩，降低硬岩体的强度，来提升破岩效率，可实现快速掘进。利用液体增压原理，通过高压泵，将动力源的机械能转换成压力能，经过钻孔、封孔、水力压裂可将钻孔周围一定范围内的煤岩(储)层压裂，在钻孔周围形成规模性裂缝，有效降低岩层体局部块段的整体强度，可达到松动软化硬岩的目的。
发明内容
针对现有技术的不足之处，提供一种结构简单、施工时间短、效率高、松动软化效果好、规模可控、施工后衍生问题少，通过水力压裂实现物理破岩软化硬岩的综掘岩巷硬岩水力压裂软化装置与方法。
为实现上述技术目的，本发明的综掘岩巷硬岩水力压裂软化装置，包括水箱、低压供液管路、乳化液泵、泄压阀、单向流动控制阀、高压软管Ⅰ、压力表、流量计、球阀、泄压阀、高压软管Ⅱ、转接头、连接杆、封孔器、可视化监视器、数据电源传输线线和高清摄像头；
其中水箱、低压供液管路、乳化液泵顺序连接，乳化液泵出口顺序设有泄压阀和单向流动控制阀，单向流动控制阀通过高压软管Ⅰ与球阀相连接，球阀上设有泄压阀，高压软管Ⅰ上分别设有压力表和流量计，球阀另一端通过高压软管Ⅱ与转接头连接，转接头通过连接杆与封孔器尾端相连接，其中封孔器尾端设有与连接杆匹配的连接头，高清摄像头挂置在距离掘进面3-4m处用于监视监测整个掘进工作面，高清摄像头通过导线与挂置于压力表附近的巷帮处的可视化监视器相连接。
水箱容积4.0m3以上，低压供液管路为Φ32mm中低压胶管，乳化液泵提供注液压力≥31.5Mpa，流量≥200L/min；泄压阀耐压40MPa以上；单向流动控制阀与Φ32mm高压软管连接，控制阀的抗压能力不低于40MPa；高压软管Ⅰ要求为Φ32mm，耐压40MPa以上；压力表要求最大量程35Mpa，最小可测0.2MPa；流量计要求耐35MPa以上高压液体流量计，最大量程300L/min；球阀为Φ32mm球阀，耐压40MPa以上；泄压阀耐压40MPa以上；高压软管Ⅱ为Φ32mm，耐压40MPa以上；转接头要求可与Φ32mm高压软管及内径26mm连接杆连接；连接杆要求内径26mm，长度2.0m的无缝钢管，通过连接头与封孔器丝扣连接，要求耐压40MPa以上；封孔器采用的ZFA-19封孔器，封孔器外径40±2mm，内径19±0.5mm，要求封孔器长800-1000mm，封孔器安全阀启动压力0.4-0.5MPa，工作流量满足200L/min，软管膨胀系数60％-100％；膨胀范围58-68mm，自由状态下工作压力≥20MPa，工作状态下耐压强度：试验压力≥20MPa，爆破压裂≥20Mpa。
一种综掘岩巷硬岩水力压裂软化方法，其步骤如下：
a.在掘进巷道断面设计五个平行于巷道掘进方向的钻孔，钻孔长度根据软硬程度设计，五个钻孔包括孔Ⅰ、孔Ⅱ、孔Ⅲ、孔Ⅳ、孔Ⅴ；五个钻孔按照孔Ⅰ、孔Ⅱ、孔Ⅲ、孔Ⅳ、孔Ⅴ的顺序依次进行压裂；
b.对综掘岩巷硬岩水力压裂装置进行泄漏检测：保持球阀关闭，启动乳化液泵，利用压力表观测管路中的压力，当高压软管Ⅰ压力由0Mpa逐渐提高至28MPa后保持压力输出，保持2-3min压力不下降而综掘岩巷硬岩水力压裂装置没有泄露这说明工作正常，反之说明综掘岩巷硬岩水力压裂装置故障；
c.首先对压裂孔Ⅰ进行单孔水力压裂：水力压裂装置泄漏检测正常后，将封孔器伸入孔Ⅰ，利用锚杆将连接杆固定在迎头，利用封孔器膨胀封孔；打开球阀，启动乳化液泵，使用水作为压裂液通过乳化液泵加压后，依次经过泄压阀、单向流动控制阀、高压软管Ⅰ、压力表、流量计、球阀、泄压阀、高压软管Ⅱ、转接头、连接杆、封孔器，以200L/min的流量向孔Ⅰ注入压裂液；
d.当压力表读数最大值并未达28MPa，且出现压力读数小幅降低，而后压力保持平稳或继续降低，则判断孔Ⅰ周围的岩层已经被压开，此时最大压裂时间为20min，压裂持续20min后停止注入压裂液，或者在未达20min时且泵注流量不变的情况下，利用可视化监测器观测孔Ⅰ邻近钻孔是否出现明显压裂液溢出的现象，若出明显压裂液溢出现象现即停止注入压裂液，停止注入压裂液后，若压裂液继续从邻近钻孔溢出，或者压裂液从封孔器后部掘进迎头的岩壁及孔Ⅰ与连接杆之间的环状空隙溢出，则判断孔Ⅰ自然卸压；若自然卸压后压力表读数未归0，则利用泄压阀泄压至压力表读数为0，而后压裂下一钻孔；
e.当压力表读数高于28MPa 1分钟后，若压力表读数仍继续增大，则判断压裂液未压开压岩层，当压力表读数高于28MPa后2分钟内停止注入压裂液，保压30-50分钟后开启泄压阀泄压至压力表读数为0；
f.关闭泄压阀后再次启动乳化液泵向孔Ⅰ注入液体，重复步骤c进行二次压裂，若压开岩层现象出现按步骤d中压开岩层情况处理；若未压开压层现象出现，按步骤e未压开压层情况处理；
g.重复步骤c、d、e、f对孔Ⅱ、孔Ⅲ、孔Ⅳ和孔Ⅴ进行压裂，从而完成综掘岩巷硬岩压裂松动软化。
所述孔Ⅰ、孔Ⅱ、孔Ⅲ、孔Ⅳ和孔Ⅴ的钻孔直径均为46mm，钻孔长度根据综掘岩巷迎头岩石软硬程度设计长度为6m-8m，其中孔Ⅴ为定向孔，位于巷道竖向中心线中点，孔Ⅴ与巷道底部之间的垂直距离Ⅷ(32)为巷道高度(35)的一半，孔Ⅴ与巷帮的垂直距离Ⅸ(34)为巷宽(33)的一半；孔Ⅰ与最近巷帮之间的垂直距离Ⅱ为1500mm、与巷道顶部之间的垂直距离Ⅰ为500mm；孔Ⅱ与最近巷帮之间的垂直距离Ⅳ为1100mm、与巷道顶部之间的垂直距离Ⅲ为1100mm；孔Ⅲ与巷道底部之间的的垂直距离Ⅴ为1100mm、与最近巷帮之间的垂直距离Ⅵ为500mm；孔Ⅳ与离巷道底部之间的垂直距离Ⅶ为500mm、与最近巷帮之间的垂直距离Ⅶ为500mm。
有益效果：采用此水力压裂软化方法后，硬岩综掘进尺由原先2m/d增加至4m/d，综掘效率提高了一倍。该方法实现了设备且可循环反复使用，压裂用时短，效率高，单孔压裂成功率在90％以上，实现了遥控可视化监测，大大降低了压裂现场的施工风险。增加了单相流动控制阀，利于控制压裂风险；采用膨胀封孔器封孔，采用该封孔方法具有封孔效果好，施工时间短，可否反复使用，相比于其他封孔方法，节约了施工时间，增加了压裂施工便捷度。
附图说明
图1为本发明综掘岩巷硬岩水力压裂软化装置结构图；
图2为本发明综掘岩巷硬岩水力压裂软化方法迎头压裂钻孔分布图。
图中：1-水箱，2-低压供液管路，3-乳化液泵，4-泄压阀，5-单向流动控制阀，6-高压软管Ⅰ，7-压力表，8-流量计，9-球阀，10-泄压阀，11-高压软管Ⅱ，12-转接头，13-连接杆，14-连接头，15-封孔器，16-可视化监视器，17-数据电源传输线线，18-高清摄像头，19-孔Ⅰ，20-垂直距离Ⅰ，21-垂直距离Ⅱ，22-孔Ⅱ，23-垂直距离Ⅲ，24-垂直距离Ⅳ，25-孔Ⅲ，26-垂直距离Ⅴ，27-垂直距离Ⅵ，28-孔Ⅳ，29-垂直距离Ⅶ，30-垂直距离Ⅶ，31-孔Ⅴ，32-垂直距离Ⅷ，33-巷宽，34-垂直距离Ⅸ，35-巷道高度。
具体实施方式：
下面根据本发明的一个实施例做进一步说明：
如图1所述，本发明的综掘岩巷硬岩水力压裂软化装置，包括水箱1、低压供液管路2、乳化液泵3、泄压阀4、单向流动控制阀5、高压软管Ⅰ6、压力表7、流量计8、球阀9、泄压阀10、高压软管Ⅱ11、转接头12、连接杆13、封孔器15、可视化监视器16、数据电源传输线线17和高清摄像头18；水箱1容积4.0m3以上，低压供液管路2为Φ32mm中低压胶管，乳化液泵3提供注液压力≥31.5Mpa，流量≥200L/min；泄压阀4耐压40MPa以上；单向流动控制阀5与Φ32mm高压软管连接，控制阀5的抗压能力不低于40MPa；高压软管Ⅰ6要求为Φ32mm，耐压40MPa以上；压力表7要求最大量程35Mpa，最小可测0.2MPa；流量计8要求耐35MPa以上高压液体流量计，最大量程300L/min；球阀9为Φ32mm球阀，耐压40MPa以上；泄压阀10耐压40MPa以上；高压软管Ⅱ11为Φ32mm，耐压40MPa以上；转接头12要求可与Φ32mm高压软管及内径26mm连接杆13连接；连接杆13要求内径26mm，长度2.0m的无缝钢管，通过连接头14与封孔器15丝扣连接，要求耐压40MPa以上；封孔器15采用的ZFA-19封孔器，封孔器15外径40±2mm，内径19±0.5mm，要求封孔器长800-1000mm，封孔器15安全阀启动压力0.4-0.5MPa，工作流量满足200L/min，软管膨胀系数60％-100％；膨胀范围58-68mm，自由状态下工作压力≥20MPa，工作状态下耐压强度：试验压力≥20MPa，爆破压裂≥20Mpa；
其中水箱1、低压供液管路2、乳化液泵3顺序连接，乳化液泵3出口顺序设有泄压阀4和单向流动控制阀5，单向流动控制阀5通过高压软管Ⅰ6与球阀9相连接，球阀9上设有泄压阀10，高压软管Ⅰ6上分别设有压力表7和流量计8，球阀9另一端通过高压软管Ⅱ11与转接头12连接，转接头12通过连接杆13与封孔器15尾端相连接，其中封孔器15尾端设有与连接杆13匹配的连接头14，高清摄像头18挂置在距离掘进面3-4m处用于监视监测整个掘进工作面，高清摄像头18通过导线17与挂置于压力表7附近的巷帮处的可视化监视器16相连接。
一种综掘岩巷硬岩水力压裂软化方法，其步骤如下：
a.在掘进巷道断面设计五个平行于巷道掘进方向的钻孔，钻孔长度根据软硬程度设计，五个钻孔包括孔Ⅰ19、孔Ⅱ22、孔Ⅲ25、孔Ⅳ28、孔Ⅴ31；如图2所示，五个钻孔按照孔Ⅰ19、孔Ⅱ22、孔Ⅲ25、孔Ⅳ28、孔Ⅴ31的顺序依次进行压裂；所述孔Ⅰ19、孔Ⅱ22、孔Ⅲ25、孔Ⅳ28和孔Ⅴ31的钻孔直径均为46mm，钻孔长度根据综掘岩巷迎头岩石软硬程度设计长度为6m-8m，其中孔Ⅴ31为定向孔，位于巷道竖向中心线中点，孔Ⅴ31与巷道底部之间的垂直距离Ⅷ32为巷道高度35的一半，孔Ⅴ31与巷帮的垂直距离Ⅸ34为巷宽33的一半；孔Ⅰ19与最近巷帮之间的垂直距离Ⅱ21为1500mm、与巷道顶部之间的垂直距离Ⅰ20为500mm；孔Ⅱ22与最近巷帮之间的垂直距离Ⅳ24为1100mm、与巷道顶部之间的垂直距离Ⅲ23为1100mm；孔Ⅲ25与巷道底部之间的的垂直距离Ⅴ26为1100mm、与最近巷帮之间的垂直距离Ⅵ27为500mm；孔Ⅳ28与离巷道底部之间的垂直距离Ⅶ29为500mm、与最近巷帮之间的垂直距离Ⅶ30为500mm；
b.对综掘岩巷硬岩水力压裂装置进行泄漏检测：保持球阀9关闭，启动乳化液泵3，利用压力表7观测管路中的压力，当高压软管Ⅰ6压力由0Mpa逐渐提高至28MPa后保持压力输出，保持2-3min压力不下降而综掘岩巷硬岩水力压裂装置没有泄露这说明工作正常，反之说明综掘岩巷硬岩水力压裂装置故障；
c.首先对压裂孔Ⅰ19进行单孔水力压裂：水力压裂装置泄漏检测正常后，将封孔器15伸入孔Ⅰ19，利用锚杆将连接杆13固定在迎头，利用封孔器15膨胀封孔；打开球阀9，启动乳化液泵3，使用水作为压裂液通过乳化液泵3加压后，依次经过泄压阀4、单向流动控制阀5、高压软管Ⅰ6、压力表7、流量计8、球阀9、泄压阀10、高压软管Ⅱ11、转接头12、连接杆13、封孔器15，以200L/min的流量向孔Ⅰ19注入压裂液；
d.当压力表7读数最大值并未达28MPa，且出现压力读数小幅降低，而后压力保持平稳或继续降低，则判断孔Ⅰ19周围的岩层已经被压开，此时最大压裂时间为20min，压裂持续20min后停止注入压裂液，或者在未达20min时且泵注流量不变的情况下，利用可视化监测器16观测孔Ⅰ19邻近钻孔是否出现明显压裂液溢出的现象，若出明显压裂液溢出现象现即停止注入压裂液，停止注入压裂液后，若压裂液继续从邻近钻孔溢出，或者压裂液从封孔器15后部掘进迎头的岩壁及孔Ⅰ19与连接杆13之间的环状空隙溢出，则判断孔Ⅰ19自然卸压；若自然卸压后压力表7读数未归0，则利用泄压阀10泄压至压力表7读数为0，而后压裂下一钻孔；
e.当压力表7读数高于28MPa 1分钟后，若压力表7读数仍继续增大，则判断压裂液未压开压岩层，当压力表7读数高于28MPa后2分钟内停止注入压裂液，保压30-50分钟后开启泄压阀10泄压至压力表7读数为0；
f.关闭泄压阀10后再次启动乳化液泵3向孔Ⅰ19注入液体，重复步骤c进行二次压裂，若压开岩层现象出现按步骤d中压开岩层情况处理；若未压开压层现象出现，按步骤e未压开压层情况处理；
g.重复步骤c、d、e、f对孔Ⅱ22、孔Ⅲ25、孔Ⅳ28和孔Ⅴ31进行压裂，从而完成综掘岩巷硬岩压裂松动软化。
Claims (2)
1.一种综掘岩巷硬岩水力压裂软化装置，其特征在于：它包括水箱（1）、低压供液管路（2）、乳化液泵（3）、泄压阀a（4）、单向流动控制阀（5）、高压软管Ⅰ（6）、压力表（7）、流量计（8）、球阀（9）、泄压阀b（10）、高压软管Ⅱ（11）、转接头（12）、连接杆（13）、封孔器（15）、可视化监视器（16）、数据电源传输线线（17）和高清摄像头（18）；
其中水箱（1）、低压供液管路（2）、乳化液泵（3）顺序连接，乳化液泵（3）出口顺序设有泄压阀a（4）和单向流动控制阀（5），单向流动控制阀（5）通过高压软管Ⅰ（6）与球阀（9）相连接，球阀（9）上设有泄压阀b（10），高压软管Ⅰ（6）上分别设有压力表（7）和流量计（8），球阀（9）另一端通过高压软管Ⅱ（11）与转接头（12）连接，转接头（12）通过连接杆（13）与封孔器（15）尾端相连接，其中封孔器（15）尾端设有与连接杆（13）匹配的连接头（14），高清摄像头（18）挂置在距离掘进面3-4m处用于监视监测整个掘进工作面，高清摄像头（18）通过导线（17）与挂置于压力表（7）附近的巷帮处的可视化监视器（16）相连接；
水箱（1）容积4.0m3以上，低压供液管路（2）为Φ32mm中低压胶管，乳化液泵（3）提供注液压力≥31.5Mpa，流量≥200L/min；泄压阀a（4）耐压40MPa以上；单向流动控制阀（5）与Φ32mm高压软管连接，控制阀（5）的抗压能力不低于40MPa；高压软管Ⅰ（6）要求为Φ32mm，耐压40MPa以上；压力表（7）要求最大量程35Mpa，最小可测0.2MPa；流量计（8）要求耐35MPa以上高压液体流量计，最大量程300L/min；球阀（9）为Φ32mm球阀，耐压40MPa以上；泄压阀b（10）耐压40MPa以上；高压软管Ⅱ（11）为Φ32mm，耐压40MPa以上；转接头（12）要求可与Φ32mm高压软管及内径26mm连接杆（13）连接；连接杆（13）要求内径26mm，长度2.0m的无缝钢管，通过连接头（14）与封孔器（15）丝扣连接，要求耐压40MPa以上；封孔器（15）采用的ZFA-19封孔器，封孔器（15）外径40±2mm，内径19±0.5mm，要求封孔器长800-1000mm，封孔器（15）安全阀启动压力0.4-0.5MPa，工作流量满足200L/min，软管膨胀系数60%-100%；膨胀范围58-68mm，自由状态下工作压力≥20MPa，工作状态下耐压强度：试验压力≥20MPa，爆破压裂≥20Mpa；
软化方法步骤如下：
a.在掘进巷道断面设计五个平行于巷道掘进方向的钻孔，钻孔长度根据软硬程度设计，五个钻孔包括孔Ⅰ（19）、孔Ⅱ（22）、孔Ⅲ（25）、孔Ⅳ（28）、孔Ⅴ（31）；五个钻孔按照孔Ⅰ（19）、孔Ⅱ（22）、孔Ⅲ（25）、孔Ⅳ（28）、孔Ⅴ（31）的顺序依次进行压裂；
b.对综掘岩巷硬岩水力压裂装置进行泄漏检测：保持球阀（9） 关闭，启动乳化液泵（3），利用压力表（7）观测管路中的压力，当高压软管Ⅰ（6）压力由0Mpa逐渐提高至28MPa后保持压力输出，保持2-3min压力不下降而综掘岩巷硬岩水力压裂装置没有泄露这说明工作正常，反之说明综掘岩巷硬岩水力压裂装置故障；
c.首先对压裂孔Ⅰ（19）进行单孔水力压裂：水力压裂装置泄漏检测正常后，将封孔器（15）伸入孔Ⅰ（19），利用锚杆将连接杆（13）固定在迎头，利用封孔器（15）膨胀封孔；打开球阀（9），启动乳化液泵（3），使用水作为压裂液通过乳化液泵（3）加压后，依次经过泄压阀a（4）、单向流动控制阀（5）、高压软管Ⅰ（6）、压力表（7）、流量计（8）、球阀（9）、泄压阀b（10）、高压软管Ⅱ（11）、转接头（12）、连接杆（13）、封孔器（15），以200L/min的流量向孔Ⅰ（19）注入压裂液；
d.当压力表（7）读数最大值并未达28MPa，且出现压力读数小幅降低，而后压力保持平稳或继续降低，则判断孔Ⅰ（19）周围的岩层已经被压开，此时最大压裂时间为20min，压裂持续20min后停止注入压裂液，或者在未达20min时且泵注流量不变的情况下，利用可视化监测器（16）观测孔Ⅰ（19）邻近钻孔是否出现明显压裂液溢出的现象，若出明显压裂液溢出现象现即停止注入压裂液，停止注入压裂液后，若压裂液继续从邻近钻孔溢出，或者压裂液从封孔器（15）后部掘进迎头的岩壁及孔Ⅰ（19）与连接杆（13）之间的环状空隙溢出，则判断孔Ⅰ（19）自然卸压；若自然卸压后压力表（7）读数未归0，则利用泄压阀b（10）泄压至压力表（7）读数为0，而后压裂下一钻孔；
e.当压力表（7）读数高于28MPa 1分钟后，若压力表（7）读数仍继续增大，则判断压裂液未压开压岩层，当压力表（7）读数高于28MPa后2分钟内停止注入压裂液， 保压30-50分钟后开启泄压阀b（10）泄压至压力表（7）读数为0；
f.关闭泄压阀b（10）后再次启动乳化液泵（3）向孔Ⅰ（19）注入液体，重复步骤c进行二次压裂，若压开岩层现象出现按步骤d中压开岩层情况处理；若未压开压层现象出现，按步骤e未压开压层情况处理；
g.重复步骤c、d、e、f对孔Ⅱ（22）、孔Ⅲ（25）、孔Ⅳ（28）和孔Ⅴ（31）进行压裂，从而完成综掘岩巷硬岩压裂松动软化。
2.根据权利要求1所述的综掘岩巷硬岩水力压裂软化装置，其特征在于：所述孔Ⅰ（19）、孔Ⅱ（22）、孔Ⅲ（25）、孔Ⅳ（28）和孔Ⅴ（31）的钻孔直径均为46mm，钻孔长度根据综掘岩巷迎头岩石软硬程度设计长度为6m-8m，其中孔Ⅴ（31）为定向孔，位于巷道竖向中心线中点，孔Ⅴ（31）与巷道底部之间的垂直距离Ⅷ（32）为巷道高度（35）的一半，孔Ⅴ（31）与巷帮的垂直距离Ⅸ（34）为巷宽（33）的一半；孔Ⅰ（19）与最近巷帮之间的垂直距离Ⅱ（21）为1500mm、与巷道顶部之间的垂直距离Ⅰ（20）为500mm；孔Ⅱ（22）与最近巷帮之间的垂直距离Ⅳ（24）为1100mm、与巷道顶部之间的垂直距离Ⅲ（23）为1100mm；孔Ⅲ（25）与巷道底部之间的的垂直距离Ⅴ（26）为1100mm、与最近巷帮之间的垂直距离Ⅵ（27）为500mm；孔Ⅳ（28）与离巷道底部之间的垂直距离Ⅶ（29）为500mm、与最近巷帮之间的垂直距离Ⅶ（30）为500mm。
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