CN111350536A - 高速公路瓦斯突出隧道超厚煤层水力压裂增透系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高速公路瓦斯突出隧道超厚煤层水力压裂增透系统，属于煤层揭煤防突施工技术领域，它包括左洞、右洞、压裂泵组和数据监控系统，所述压裂泵组包括压裂泵、电动机、传动装置和控制阀组，电动机通过传动装置与压裂泵连接，所述数据监控系统包括PLC控制柜、计算机和软启动柜，所述软启动柜、控制阀组和计算机均与PLC控制柜电连接，所述软启动柜与电动机电连接；在左洞与右洞之间设有横通道，所述压裂泵组置于其中一个洞中，压裂泵的出口连接压裂管路，所述压裂管路穿过横通道通向另一个洞。本发明可远程操作，压裂完成后可远方操作先将其卸压，再安排人员进入检查，避免了可能事故对操作人员造成伤害，彻底消灭了带压进人的安全隐患。

Description

高速公路瓦斯突出隧道超厚煤层水力压裂增透系统

技术领域

本发明涉及煤层揭煤防突施工技术领域，尤其涉及高速公路瓦斯 突出隧道超厚煤层水力压裂增透系统。

背景技术

随着我国高速公路网的飞速发展，特别是我国西南地区，山峦众 多，地质复杂。公路隧道逐年增多，瓦斯突出、煤层等越来越多的地 质问题逐渐显出。煤层瓦斯是一种洁净能源，但对工程建设而言是一 种灾害源。现有的煤层揭煤防突施工工法安全性有待提高。

发明内容

本发明旨在提供高速公路瓦斯突出隧道超厚煤层水力压裂增透 系统，可远程操作，能提高安全性，避免可能事故对操作人员造成伤 害。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

高速公路瓦斯突出隧道超厚煤层水力压裂增透系统，包括左洞、 右洞、压裂泵组和数据监控系统，所述压裂泵组包括压裂泵、电动机、 传动装置和控制阀组，电动机通过传动装置与压裂泵连接，所述数据 监控系统包括PLC控制柜、计算机和软启动柜，所述软启动柜、控 制阀组和计算机均与PLC控制柜电连接，所述软启动柜与电动机电 连接；

在左洞与右洞之间设有横通道，所述压裂泵组置于其中一个洞中， 压裂泵的出口连接压裂管路，所述压裂管路穿过横通道通向另一个洞。

进一步的，所述传动装置包括液力变速器、电机用万向联轴器和 泵用联轴器，电动机通过电机用万向联轴器与液力变速器连接，所述 液力变速器通过泵用联轴器与压裂泵连接。

进一步的，压裂泵、液力变速器安装在一台平板车上，电动机、 泵出口调节阀、软启动柜及PLC控制柜安装在另一台平板车上。

进一步的，所述压裂泵的进口接外来输水管，所述压裂管路上设 有单向阀，压裂管路通过三通连接有泄压管路，所述泄压管路上安装 有电动泄压阀。

进一步的，所述电动泄压阀和止回阀安装在孔口阀组平车上。

其中，所述横通道的两端安装有防爆门构成避险硐室。

进一步的，高速公路瓦斯突出隧道超厚煤层水力压裂增透系统还 包括润滑系统，所述润滑系统包括润滑油泵、过滤器和冷却器，润滑 油泵入口连接油箱，润滑油泵出口设过滤器，冷却器从压裂泵的进口 取水，润滑油泵与PLC控制柜连接。

优选地，润滑油泵为润滑螺杆泵，冷却器为板式冷却器。

进一步的，所示高压软管连接孔内压裂管，孔内压裂管和封孔注 浆管伸进穿层钻孔内，所述孔内压裂管与穿层钻孔孔壁间有封孔段， 封孔段由孔口封孔至煤层顶板处；

所述孔内压裂管前端有花管段，花管段前端越过煤层区，在花管 段外壁绑结马尾巴实现封孔段内端的封堵，在封孔段外端采用聚氨酯 封堵。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明可远程操作，压裂完成后可远方操作先将其卸压，再安排 人员进入检查，避免了可能事故对操作人员造成伤害，彻底消灭了带 压进人的安全隐患。

附图说明

图1是压裂泵组及管路铺设示意图；

图2是泵组布置示意图；

图3是图2中A处的剖视图；

图4是泵组的PID图；

图5是压裂钻孔封孔示意图。

图中：

1-压裂泵组、11-压裂泵、12-电动机、13-液力变速器、14-高压 软管、15-平板车、16-电动泄压阀、17-孔口阀组平车、18-止回阀；

21-润滑油泵、22-过滤器、23-冷却器、24-油箱；

31-PLC控制箱、32-计算机、33-软启动柜；

41-穿层钻孔、42-孔内压裂管、43-封孔注浆管、44-封孔段、45- 花管段、46-马尾巴、47-聚氨酯、48-纱布；

101-左洞、102-右洞、103-横通道、104-防爆门、111-泵用联轴 器、121-电机用万向联轴器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合 附图，对本发明进行进一步详细说明。

如图1所示，本发明公开的高速公路瓦斯突出隧道超厚煤层水力 压裂增透系统，包括左洞101、右洞102、压裂泵组1和电气系统。 在左洞101与右洞102之间设有横通道103，当对左洞101进行水力 压裂操作时，将压裂泵组1置于右洞102中，压裂泵11的出口连接 高压软管14，所述高压软管14穿过横通道103通向左洞101的施工 区域。可在横通道103的两端安装防爆门104构成避险硐室。

当对右洞102进行水力压裂操作时，则将压裂泵组1置于左洞 101中，压裂泵11的出口连接高压软管14，所述高压软管14穿过横 通道103通向右洞102的施工区域。如此布置，进行远程操作，可提 高施工的安全性。

泵组可选择BYW78/400煤矿井下压裂泵组。如图2、3、4所示， 本实施方式中压裂泵组1包括压裂泵11、电动机12、液力变速器13、 控制阀组和润滑系统2。电动机12通过液力变速器13与压裂泵11 连接。

本实施方式中压裂泵11选用卧式电动往复泵，压裂泵减速箱的 齿轮、轴承，传动箱的曲轴、连杆、十字头、轴承、导向套等重要部 件都采用强制润滑，泵组配有1套独立完善的润滑系统，为各个部 件供油。

泵组的动力端柱塞填料、润滑系统都需要冷却，冷却采用开式冷 却，从压裂泵11泵的进口流量计前取水，到各个冷却点，然后直接 排放。

本系统采用液力变速器13调速的换挡方式来实现调速。液力变 速器有5个档位，系统根据泵出口的压力系统压力变化切换档位， 通过检查液力变速器13的输出转速来确定档位是否正确，确保泵处 于最佳的工作状态。液力变速器13的泵轮、涡轮动力传递采用润滑 油，齿轮、轴承需要润滑油润滑、冷却，因此液力变速器13的内部 传递部分设置1台机械油泵，给各个点供油，对外有润滑油输出、 回流的冷却接口，泵组为其配上1台冷却器对润滑油冷却。

润滑系统2包括润滑油泵21、过滤器22和冷却器23，润滑油泵 21入口连接油箱24，润滑油泵21出口设过滤器22。润滑油泵21选 择润滑螺杆泵，冷却器23选择板式冷却器。

电气系统分为数据监控系统3和视频监视系统。数据监控系统3 包括PLC控制柜31、计算机32、仪表和软启动柜33，可对润滑油泵 21、电动阀、液力变速器13和主泵进行就地、远程操作，能实时显 示系统内所有检测元件的参数，并能对这些参数进行归档、保存，以 便查阅。

PLC控制柜31是整个数据监控系统的核心，它负责采集监测仪 表的参数，经计算、比较等各种处理后，对控制对象发出相应指令。

计算机32通过通讯电缆与PLC连接，可对各控制对象进行远程 操作；对不同的泵头进行配方设置；能显示设备的实时状态和参数的 实时值；形成温度、流量、压力的历史曲线；并能对重要数据及报警 记录进行归档保存，以便查阅。

视频监视系统由防爆高清摄像头、硬盘录像机、硬盘及液晶显示 器组成。

软启动柜33、润滑油泵21、控制阀组和计算机32均与PLC控 制柜31电连接，所述软启动柜33与电动机12电连接。

如图2、3所示，压裂泵11、液力变速器13安装在1台平板车 15上，电动机12、泵出口调节阀、软启动柜33及PLC控制柜12安 装在另一台平板车15上。电动机12通过电机用万向联轴器121与液 力变速器13连接，所述液力变速器13通过泵用联轴器111与压裂泵 11连接，可以完全消除2台平板车在使用现场安装的位置误差，使 泵组具有高压力、大排量、小体积的特点，有利于洞内运输、安装及 压裂施工。

所述压裂泵11的进口接外来输水管，所述高压软管14上设有止 回阀18，高压软管14通过三通连接有泄压管路，所述泄压管路上安 装有电动泄压阀16。电动泄压阀16和止回阀18安装在孔口阀组平 车17上。可以远程操作井口泄压，同时防止输出管路管路时泄压高压。

如图1、5所示，施工时，将高压软管14连接左洞101或右洞 102内的孔内压裂管42，孔内压裂管42和封孔注浆管43伸进穿层钻 孔41内，所述孔内压裂管42与穿层钻孔41孔壁间有封孔段44，封 孔段44由孔口封孔至煤层顶板处。

所述孔内压裂管42前端有花管段45，花管段45前端越过煤层 区，在花管段45外壁绑结马尾巴46实现封孔段44内端的封堵，在 封孔段44外端采用聚氨酯47封堵。

孔内压裂管42管内径为φ40mm，壁厚8mm的无缝钢管，每根长 2m，用相应接头进行连接，孔内压裂管42前端为2m-4mm的花管段 45。花管段45上注水孔的直径为8mm。相邻注水孔的轴向中心距为 200mm。

封孔注浆管43采用φ4分铁管加工，长2m，所述封孔注浆管43 前端止于封孔段44内，封孔注浆管43后端伸出孔外并连接球阀；

另加工一根一头带梯形笋子尖、一头为丝扣的φ4分铁管，用来 连接注浆泵与封孔注浆管43，注浆时开启球阀，注浆结束后及时关 闭球阀。

封孔段4内端采用马尾巴46封堵，其方法是将马尾巴46绑结实 在孔内压裂管42上，当花管段45穿过煤层时停止送管，向孔外方向 拉动孔内压裂管42，马尾巴46收缩，起到封堵水泥砂浆及过滤水的 作用。马尾巴46长度不小于1m，条数以与孔壁较紧密接触为准，为 与孔内压裂管2绑捆结实。可在孔内压裂管42外壁绑结马尾巴46的 区域焊接小齿。马尾巴46后方留50cm左右的花管，用纱布48缠绕。 封孔段4外端采用注入聚氨酯47封堵的办法，聚氨酯47的封堵段长 度不小于1.5m。封孔段44通过封孔注浆管43注入水泥砂浆填充封孔，注浆液要求抗压强度不小于40MPa，抗收缩能力强，主料为标号 不小于425#水泥，配料为膨胀水泥。

本发明的施工工艺：

S1，于施工路段，开挖左洞101和右洞102，开挖至距煤层一定 距离后停止；

S2，洞内穿层钻孔，钻孔内安装孔内压裂管42并封孔；

S3，压裂泵组1就位，连接好电气系统及高压管路；

S4，检查泵组管路连接状况，回流阀全部打开；

S5，将压裂泵调整到空档位置空载启动压裂泵；

S6，检查电机运行正反；

S7，调整电源方向；

S8，逐步关闭回流阀；

S9，开始压裂：外接来水通过压裂泵11加压后对煤层气进行压 裂；液体压入的速度远远超过储层的自然吸水能力时，由于流动阻力 的增加，进入储层的液体压力就会逐渐上升，当超过储层的破裂压力 时，储层内原来的闭合裂隙就会被贯通，煤层渗透性就会增加，为瓦 斯的流动创造条件，从而达到增加煤层透气性、提高瓦斯抽采效果的 目的。

在压裂的过程中，压裂泵不断向煤层注水，克服煤岩体的破裂压 力，随着压裂的进行，煤层裂缝的间歇不断减小，岩体的破裂压力不 断增加，因而此过程中不断增泵的出口压力，以确保压裂过程顺利进 行。

本实施方式中压裂泵为容积式泵，泵的输出流量是恒定的，泵的 压力增加，就造成柱塞泵的柱塞的推力增加，电机的输出功率增加， 当泵柱塞推力，电机的功率增加到设计值时，通过降低泵转速来减小 泵的流量，满足泵的压力增加。

S10，结束压裂，将泵组档位回到空档，停泵并远程打开卸压阀 卸压。

其中，压裂参数计算方法如下：

①破裂压力的确定依据公式：

p_f≥σ₁+σ₃-2(σ₁-σ₃)cos2θ+R_t (1)

其中：p_f—为破裂压力，MPa；σ₁，σ₃为最大最小水平主应力， MPa；θ为目标方向角；R_t为煤岩体抗拉强度，MPa，取2.6。

其中：H为埋深，单位为m。

②总注水量

注水量的确定依据公式：

ν_水＝ν_体k

ν_体＝abh (3)

其中：ν_体—注水影响体体积，m³；k—为影响体孔隙率；a—为 影响体长度，m；b—为影响体宽度，m；h—为影响体高度，m；

在注水形成压力之前，需充填压裂泵组至压裂孔的管道已经压裂 孔，此处需要的水量约为：

ν_c＝ν_g+ν_k

ν_g＝πγ_g ²h_g

ν_k＝πγ_k ²h_k

其中：ν_c为充填管道和压裂孔所需水量，m3；

ν_g、γ_g、h_g分别为充填管道所需水量、管道半径和管道长度；

ν_k、γ_k、h_k分别为充填压裂孔所需水量、压裂孔半径和压裂孔长 度。

本发明可远程操作孔口泄压，压裂完成后可远方操作先将其卸压， 再安排人员进入检查，避免了可能事故对操作人员造成伤害，彻底消 灭了带压进人的安全隐患。

当然，本发明还可有其它多种实施方式，在不背离本发明精神及 其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应 的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利 要求的保护范围。

Claims (10)

1.高速公路瓦斯突出隧道超厚煤层水力压裂增透系统，其特征在于：包括左洞、右洞、压裂泵组和数据监控系统，所述压裂泵组包括压裂泵、电动机、传动装置和控制阀组，电动机通过传动装置与压裂泵连接，所述数据监控系统包括PLC 控制柜、计算机和软启动柜，所述软启动柜、控制阀组和计算机均与PLC 控制柜电连接，所述软启动柜与电动机电连接；

在左洞与右洞之间设有横通道，所述压裂泵组置于其中一个洞中，压裂泵的出口连接压裂管路，所述压裂管路穿过横通道通向另一个洞。

2.根据权利要求1所述的高速公路瓦斯突出隧道超厚煤层水力压裂增透系统，其特征在于：所述传动装置包括液力变速器、电机用万向联轴器和泵用联轴器，电动机通过电机用万向联轴器与液力变速器连接，所述液力变速器通过泵用联轴器与压裂泵连接。

3.根据权利要求2所述的高速公路瓦斯突出隧道超厚煤层水力压裂增透系统，其特征在于：压裂泵、液力变速器安装在一台平板车上，电动机、泵出口调节阀、软启动柜及PLC控制柜安装在另一台平板车上。

4.根据权利要求1所述的高速公路瓦斯突出隧道超厚煤层水力压裂增透系统，其特征在于：所述压裂泵的进口接外来输水管，所述压裂管路上设有单向阀，压裂管路通过三通连接有泄压管路，所述泄压管路上安装有电动泄压阀。

5.根据权利要求4所述的高速公路瓦斯突出隧道超厚煤层水力压裂增透系统，其特征在于：所述电动泄压阀和止回阀安装在孔口阀组平车上。

6.根据权利要求1所述的高速公路瓦斯突出隧道超厚煤层水力压裂增透系统，其特征在于：所述横通道的两端安装有防爆门构成避险硐室。

7.根据权利要求1所述的高速公路瓦斯突出隧道超厚煤层水力压裂增透系统，其特征在于：它还包括润滑系统，所述润滑系统包括润滑油泵、过滤器和冷却器，润滑油泵入口连接油箱，润滑油泵出口设过滤器，冷却器从压裂泵的进口取水，润滑油泵与PLC 控制柜连接。

8.根据权利要求1所述的高速公路瓦斯突出隧道超厚煤层水力压裂增透系统，其特征在于：润滑油泵为润滑螺杆泵。

9.根据权利要求8所述的高速公路瓦斯突出隧道超厚煤层水力压裂增透系统，其特征在于：所述冷却器为板式冷却器。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的高速公路瓦斯突出隧道超厚煤层水力压裂增透系统，其特征在于：所示高压软管连接孔内压裂管，孔内压裂管和封孔注浆管伸进穿层钻孔内，所述孔内压裂管与穿层钻孔孔壁间有封孔段，封孔段由孔口封孔至煤层顶板处；

所述孔内压裂管前端有花管段，花管段前端越过煤层区，在花管段外壁绑结马尾巴实现封孔段内端的封堵，在封孔段外端采用聚氨酯封堵。

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