CN113494264A - 一种基于分段压裂的隔水层强化注浆改造装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于分段压裂的隔水层强化注浆改造装置及方法，该装置包括至少两段依次通过高压压裂管柱串联的压裂注浆控制器，各压裂注浆控制器之间的高压压裂管柱上均串联有安全丢开装置；压裂注浆控制器包括外套管、封隔胶囊、内套管、压簧和单向封堵弹片；外套管上设有第一开孔和第二开孔，外套管内设有阀座；封隔胶囊套设于外套管外并与第一开孔连通；内套管滑动适配于外套管内，压簧支撑于内套管和阀座之间，内套管设有第三开孔和第四开孔，第三开孔可与第一开孔对准，第四开孔可与第二开孔对准，内套管的内端还设置有第一球座；单向封堵弹片设于阀座的内侧。本发明能够克服现有顶板水害防治存在的问题。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿井下安全技术领域，具体涉及一种基于分段压裂的隔水层强化注浆改造装置及方法。
背景技术
我国煤层覆存差异大，与东部矿区相比，西部矿区生态环境较为脆弱，大规模、高强度地下开采导致西部矿区水资源破坏加剧。西部矿区煤层上部存在浅埋松软岩层，其顶板岩层的运动及范围在横向、纵向上尤为敏感和强烈，实际开采过程中覆岩也难以形成大的稳定结构，岩体移动变形较为显著，垮落带及导水(砂)裂缝带发育充分，采动破断裂缝甚至可直接沟通地表，形成较大规模的地裂缝，导地下含水层富集水溃入井下，形成严重的顶板水害问题。
针对该类灾害，现有采取的方法主要是钻孔超前疏排或者疏降含水层中富集水。采用以上方法可有效解决减弱了工作面回采过程中涌水量，达到消除或缓解顶板水灾害，但西部地区整体为干旱半干旱的生态环境脆弱的区域。高强度地下水的疏排，不仅增加了矿井排水工程量，并加大了经费投入，同时极大浪费了地下水，并易引发地下水为下降、地表水污染、土地盐碱化、植被破坏等一系列问题，给生态脆弱的西部矿区带来极大的危害。
因此，在安全有效回采的基础上，如何对地下水资源和地面生态环境进行保护，是目前需要解决的难题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种基于分段压裂的隔水层强化注浆改造装置及方法，以克服现有顶板水害防治存在的问题，实现顶板水害的有效控制及地面水资源和地面生态的保护。
一方面，本发明提供了一种基于分段压裂的隔水层强化注浆改造装置，包括至少两段依次通过高压压裂管柱串联并置于钻孔内的压裂注浆控制器，靠近钻孔孔口的一段所述压裂注浆控制器通过高压压裂管柱接出钻孔外，各所述压裂注浆控制器之间的高压压裂管柱上均串联有安全丢开装置；
所述压裂注浆控制器包括外套管、封隔胶囊、内套管、压簧和单向封堵弹片；
所述外套管的两端分别与对应端的高压压裂管柱相连，外套管的管壁上沿由外向内的方向依次设有第一开孔和第二开孔，外套管的内壁上位于其内端和所述第二开孔之间设有阀座；
所述封隔胶囊套设于所述外套管设有第一开孔一段的管外，封隔胶囊与第一开孔连通；
所述内套管滑动适配于所述外套管位于其外端和阀座之间的管内，所述压簧支撑于所述内套管和阀座之间，所述内套管沿由外向内的方向依次设有第三开孔和第四开孔，压簧发生一级压缩时，所述第三开孔与所述第一开孔对准，压簧发生二级压缩时，所述第四开孔与所述第二开孔对准，所述内套管的内端还设置有第一球座，从钻孔孔口到钻孔孔底的各段压裂注浆控制器的第一球座的口径逐渐缩小；
所述单向封堵弹片设于所述阀座的内侧，用于单向封堵该阀座。
进一步地，靠近钻孔孔底的一段压裂注浆控制器的内端通过高压压裂管柱连接有导向器。
进一步地，靠近钻孔孔底的一段压裂注浆控制器与所述导向器之间的高压压裂管柱上串联有单流阀。
进一步地，所述单向封堵弹片的一端铰接于所述外套管的内壁，单向封堵弹片的内侧与外套管的内壁之间设置有用于将该单向封堵弹片顶紧于该阀座内侧的弹簧。
进一步地，所述阀座的内侧设有锥形口，所述单向封堵弹片的外侧设于与所述锥形口适配的锥形凸体。
进一步地，所述第三开孔和第四开孔内均设置有单向阀。
进一步地，所述安全丢开装置包括第一连接头和第二连接头，所述第一连接头内设有第二球座，各安全丢开装置的第二球座的口径大小在其两侧相邻的两段压裂注浆控制器的第一球座的口径之间，第一连接头的内端与其内侧的高压压裂管柱相连，第一连接头的外端与第二连接头的内端套接并通过剪切销锁定，所述第二连接头的外端与其外侧的高压压裂管柱相连。
另一方面，本发明提供了一种基于分段压裂的隔水层强化注浆改造的方法，该方法采用上述基于分段压裂的隔水层强化注浆改造装置，包括如下步骤：
步骤S10，确定富水区域以及导水裂隙带的高度；
步骤S20，将各段串联的压裂注浆控制器依次输送至钻孔内；
步骤S30，到达指定位置后，投入相应规格的封堵球，封堵球依次穿过各段压裂注浆控制器和安全丢开装置进入第一压裂注浆控制器，并封堵于第一压裂注浆控制器内的第一球座内；
步骤S40，通过压裂泵组注水增压，水压推动内套管压缩压簧，压力增加至设定压力P1时，压簧发生一级压缩，此时内套管上的第三开孔与外套管上的第一开孔对准，管内的水通过第三开孔和第一开孔压入封隔胶囊，封隔胶囊胀开并与钻孔的内壁之间形成坐封；
步骤S50，坐封完成后，压裂泵组持续加压，继续推动内套管压缩压簧，压力增加至设定压力P2时，压簧发生二级压缩，此时内套管上的第四开孔与外套管上的第二开孔对准，开始第一压裂注浆段隔水层压裂施工；
步骤S60，通过压裂数据判识出现多次明显裂缝形成后，压裂泵组开始高压注入浆液封堵，等待注浆液完全凝固后，完成第一压裂注浆段隔水层的强化注浆改造；
步骤S70，投入相应规格的封堵球，输送至安全丢开装置的第二球座位置，注水加压，安全丢开装置断开，拖动第二压裂注浆控制器至下一压裂段位置，第二压裂注浆控制器和第一压裂注浆控制器组成压裂注浆封堵段，开启注水泵对管道的内部进行注水清洗，清洗完成后，然后重复步骤S20-S60对第二压裂注浆段隔水层进行强化注浆改造；
步骤S80，待最后一段压裂注浆段隔水层改造完成后，投入设计规格封堵球，将钻孔孔口的一段高压压裂管柱上的安全丢开装置断开并退出钻孔。
本发明的有益效果体现在：
1.本发明针对富水强区域隔水层难以在采动影响下有效封隔问题，采用分段压裂注浆改造技术，实现弱或无有效隔水层的强化改造，有效封堵富水区域，抑制采动裂隙对隔水层扰动影响，消除或有效降低矿井回采扰动过程中地下水涌入量，有效决顶板水害问题。
2.本发明不再钻探疏排水进行顶板水灾害防治，使用压裂注浆加固改造隔水层，即增大隔水层裂缝发育规模，提高浆液运移和流通空间，大幅增强加固改造效果混合和注浆操作，又保护了地下水资源和地面生态；
3.本发明可实现隔水层高压压裂人工裂缝改造和注浆加固一体化实施，简单易操作。
4.隔水层定向长钻孔分段压裂注浆强化改造技术，可实现单个超前工作面回采1000m的分15级以上的分段压裂注浆强化施工，注浆压力可达10MPa以上，可实现隔水层的有效强化改造，抑制工作面回采扰动裂隙对隔水效果的影响，保证回采安全；
5.隔水层的分段压裂实施可建立隔水层的空间规模化裂隙体系，为注浆液体的流动和扩散提供运移空间，增大改造范围。通过分段改造后的逐段注浆加固，可实现裂缝体系空间的带压注浆充分加固改造，实现富水区域或承压水区域的有效防护，并抑制或抵制采掘扰动裂隙对隔水层的影响，防止顶板水害发生。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明实施例一段压裂注浆控制器的结构示意图；
图2为本发明实施的安全丢开装置的结构示意图；
图3为本发明实施例投球坐封时压裂注浆控制器的结构示意图；
图4为本发明实施例压裂注浆时压裂注浆控制器的结构示意图；
图5为本发明实施例向钻孔内输送该隔水层强化注浆改造装置时示意图；
图6为本发明实施例对第一压裂注浆段隔水层进行坐封压裂施工的示意图；
图7为本发明实施例对第一压裂注浆段隔水层进行注浆施工的示意图；
图8为本发明实施例断开安装丢开装置并拖动对第二压裂注浆段隔水层进行坐封压裂施工的示意图；
图9为本发明实施例对第二压裂注浆段隔水层进行注浆施工的示意图；
附图中，100-高压压裂管柱；200-压裂注浆控制器；210-外套管；211-第一开孔；212-第二开孔；213-阀座；220-封隔胶囊；230-内套管；231-第三开孔；232-第四开孔；233-第一球座；240-压簧；250-单向封堵弹片；251-弹簧；2452-锥形口；253-锥形凸体；300-安全丢开装置；310-第一连接头；311-第二球座；320-第二连接头；330-剪切销；400-导向器；500-单流阀；600-封堵球；700-压裂泵组；800-钻孔。
具体实施方式
下面将结合附图对本实施例技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实施例的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本实施例的保护范围。
本发明实施例提供了一种基于分段压裂的隔水层强化注浆改造装置如图1-图9所示，包括至少两段依次通过高压压裂管柱100串联并置于钻孔800内的压裂注浆控制器200，靠近钻孔800孔口的一段压裂注浆控制器200通过高压压裂管柱100接出钻孔800外，各压裂注浆控制器200之间的高压压裂管柱100上均串联有安全丢开装置300。
参照图1、图3和图4，压裂注浆控制器200包括外套管210、封隔胶囊220、内套管230、压簧240和单向封堵弹片250。
外套管210的两端分别与对应端的高压压裂管柱100相连，外套管210的管壁上沿由外向内的方向依次设有第一开孔211和第二开孔212，外套管210的内壁上位于其内端和第二开孔212之间设有阀座213。
封隔胶囊220套设于外套管210设有第一开孔211一段的管外，封隔胶囊220与第一开孔211连通。
内套管230滑动适配于外套管210位于其外端和阀座213之间的管内，压簧240支撑于内套管230和阀座213之间，内套管230沿由外向内的方向依次设有第三开孔231和第四开孔232，压簧240发生一级压缩时，第三开孔231与第一开孔211对准，压簧240发生二级压缩时，第四开孔232与第二开孔212对准，内套管230的内端还设置有第一球座233，从钻孔800孔口到钻孔800孔底的各段压裂注浆控制器200的第一球座233的口径逐渐缩小，使得投入封堵球600(低密度聚合球)时，封堵球600能够通过高压压裂管柱100、压裂注浆控制器200和安全丢开装置300串联形成的管道进入并封堵于底端压裂注浆控制器200的第一球座233上。
参照图3，投入相应规格的封堵球600封堵底端压裂注浆控制器200的第一球座233后，通过压裂泵组700向管道内注水增压，水压推动内套管230压缩压簧240，压力增加至设定压力P1时，压簧240发生一级压缩，此时内套管230上的第三开孔231与外套管210上的第一开孔211对准，管内的水通过第三开孔231和第一开孔211压入封隔胶囊220，封隔胶囊220胀开并与钻孔800的内壁之间形成坐封。
参照图4，坐封完成后，压裂泵组700持续加压，继续推动内套管230压缩压簧240，压力增加至设定压力P2时，压簧240发生二级压缩，此时内套管230上的第四开孔232与外套管210上的第二开孔212对准，然后开始进行压裂施工，通过压裂数据监测，判识孔内形成设计规模裂缝后，孔内开始进行大流量高压注浆液体注入，达到设计注入量，停泵。
本实施例中，第三开孔231和第四开孔232内均设置有单向阀。第三开孔231内设单向阀的目的是控制高压水注入封隔胶囊220膨胀坐封后，不发生液体回流，保证封隔器密封不回缩。第四开孔232设单向阀的目的是为了防止压裂注水和封堵浆液回流。
单向封堵弹片250设于阀座213的内侧，用于单向封堵该阀座213，具体来说，单向封堵弹片250的一端铰接于外套管210的内壁，单向封堵弹片250的内侧与外套管210的内壁之间设置有用于将该单向封堵弹片250顶紧于该阀座213内侧的弹簧251。为了提高单向封堵弹片250对阀座213的封堵效果，阀座213的内侧设有锥形口252，单向封堵弹片250的外侧设于与锥形口252适配的锥形凸体253。
单向封堵弹片250的作用为在投封堵球600过程中可实现其单向的顺利输送，当进行压裂和注浆改造过程中可随着压裂和注浆压力的增加密封前端压裂段，实现浆液的有效侯凝。
本实施例中，靠近钻孔800孔底的一段压裂注浆控制器200的内端通过高压压裂管柱100连接有导向器400，导向器400前端为椭球状和光滑流线型，以降低与钻孔800孔壁磨阻，引导压裂注浆装备向孔底逐步输送。
优选地，靠近钻孔800孔底的一段压裂注浆控制器200与导向器400之间的高压压裂管柱100上串联有单流阀500，单向阀能够阻止钻孔800内的液体流入底端的压裂注浆控制器200内，同时允许压裂注浆控制器200内的液体通过单流阀500流出，保证封堵球600能够随流体输送至底部的压裂注浆控制器200。
安全丢开装置300起到断开两段压裂注浆控制器200的作用，具体来说，参照图2，安全丢开装置300包括第一连接头310和第二连接头320，第一连接头310内设有第二球座311，各安全丢开装置300的第二球座311的口径大小在其两侧相邻的两段压裂注浆控制器200的第一球座233的口径之间，第一连接头310的内端与其内侧的高压压裂管柱100相连，第一连接头310的外端与第二连接头320的内端套接并通过剪切销330锁定，第二连接头320的外端与其外侧的高压压裂管柱100相连。
当第一段压裂注浆完成后，投入相应规格的封堵球600(低密度聚合球)，通过高压注水坐入安全丢开装置300的第二球座311，注水增压，当到达设定压力时，剪切销330被剪断，第一连接头310和第二连接头320分离，安全丢开装置300打开，发生自分离，然后拖动至下一压裂段设计位置，进行下一段隔水层压裂人工造缝和注浆加固改造。
需要说明的是，第一段安全丢开装置300的封堵球规格大于第一段压裂注浆控制器200封堵所需的封堵球规格，第二段压裂注浆控制器200的封堵球规格大于第一段安全丢开装置300的封堵球规格，如此类推，保证投球坐封增压的有效性。
本发明实施例还提供了一种基于分段压裂的隔水层强化注浆改造的方法如图1-图9所示，该方法采用上述基于分段压裂的隔水层强化注浆改造装置，包括如下步骤：
步骤S10，通过井下和地面联合的音频电透视测试方法，确定富水区域，采用钻孔800电视探测及钻孔800注水探测等方法，确定导水裂隙带的高度，识别隔水层失稳风险；
步骤S20，将各段串联的压裂注浆控制器200依次输送至钻孔800内(参照图5)；
步骤S30，到达指定位置后，投入相应规格的封堵球600，封堵球600依次穿过各段压裂注浆控制器200和安全丢开装置300进入第一压裂注浆控制器200，并封堵于第一压裂注浆控制器200内的第一球座233内；
步骤S40，通过压裂泵组700注水增压，水压推动内套管230压缩压簧240，压力增加至设定压力P1时，压簧240发生一级压缩，此时内套管230上的第三开孔231与外套管210上的第一开孔211对准(参照图3)，管内的水通过第三开孔231和第一开孔211压入封隔胶囊220，封隔胶囊220胀开并与钻孔800的内壁之间形成坐封；
步骤S50，坐封完成后，压裂泵组700持续加压，继续推动内套管230压缩压簧240，压力增加至设定压力P2时，压簧240发生二级压缩，此时内套管230上的第四开孔232与外套管210上的第二开孔212对准((参照图4)，开始第一压裂注浆段隔水层压裂施工(参照图6)；
步骤S60，通过压裂数据判识出现多次明显裂缝形成后，压裂泵组700开始高压注入浆液封堵，等待注浆液完全凝固后，完成第一压裂注浆段隔水层的强化注浆改造(参照图7)；
步骤S70，投入相应规格的封堵球600，输送至安全丢开装置300的第二球座311位置，注水加压，安全丢开装置300断开，拖动第二压裂注浆控制器200至下一压裂段位置，第二压裂注浆控制器200和第一压裂注浆控制器200组成压裂注浆封堵段，开启注水泵对管道的内部进行注水清洗，清洗完成后，然后重复步骤S20-S60对第二压裂注浆段隔水层进行强化注浆改造(参照图8和图9)；
步骤S80，待最后一段压裂注浆段隔水层改造完成后，投入设计规格封堵球600，将钻孔800孔口的一段高压压裂管柱100上的安全丢开装置300断开并退出钻孔800。
综上，本发明具有如下有益效果：
1.本发明针对富水强区域隔水层难以在采动影响下有效封隔问题，采用分段压裂注浆改造技术，实现弱或无有效隔水层的强化改造，有效封堵富水区域，抑制采动裂隙对隔水层扰动影响，消除或有效降低矿井回采扰动过程中地下水涌入量，有效决顶板水害问题。
2.本发明不再钻探疏排水进行顶板水灾害防治，使用压裂注浆加固改造隔水层，即增大隔水层裂缝发育规模，提高浆液运移和流通空间，大幅增强加固改造效果混合和注浆操作，又保护了地下水资源和地面生态；
3.本发明可实现隔水层高压压裂人工裂缝改造和注浆加固一体化实施，简单易操作。
4.隔水层定向长钻孔800分段压裂注浆强化改造技术，可实现单个超前工作面回采1000m的分15级以上的分段压裂注浆强化施工，注浆压力可达10MPa以上，可实现隔水层的有效强化改造，抑制工作面回采扰动裂隙对隔水效果的影响，保证回采安全；
5.隔水层的分段压裂实施可建立隔水层的空间规模化裂隙体系，为注浆液体的流动和扩散提供运移空间，增大改造范围。通过分段改造后的逐段注浆加固，可实现裂缝体系空间的带压注浆充分加固改造，实现富水区域或承压水区域的有效防护，并抑制或抵制采掘扰动裂隙对隔水层的影响，防止顶板水害发生。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实施例各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本实施例的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (8)
1.一种基于分段压裂的隔水层强化注浆改造装置，其特征在于，
包括至少两段依次通过高压压裂管柱串联并置于钻孔内的压裂注浆控制器，靠近钻孔孔口的一段所述压裂注浆控制器通过高压压裂管柱接出钻孔外，各所述压裂注浆控制器之间的高压压裂管柱上均串联有安全丢开装置；
所述压裂注浆控制器包括外套管、封隔胶囊、内套管、压簧和单向封堵弹片；
所述外套管的两端分别与对应端的高压压裂管柱相连，外套管的管壁上沿由外向内的方向依次设有第一开孔和第二开孔，外套管的内壁上位于其内端和所述第二开孔之间设有阀座；
所述封隔胶囊套设于所述外套管设有第一开孔一段的管外，封隔胶囊与第一开孔连通；
所述内套管滑动适配于所述外套管位于其外端和阀座之间的管内，所述压簧支撑于所述内套管和阀座之间，所述内套管沿由外向内的方向依次设有第三开孔和第四开孔，压簧发生一级压缩时，所述第三开孔与所述第一开孔对准，压簧发生二级压缩时，所述第四开孔与所述第二开孔对准，所述内套管的内端还设置有第一球座，从钻孔孔口到钻孔孔底的各段压裂注浆控制器的第一球座的口径逐渐缩小；
所述单向封堵弹片设于所述阀座的内侧，用于单向封堵该阀座。
2.根据权利要求1所述的基于分段压裂的隔水层强化注浆改造装置，其特征在于，靠近钻孔孔底的一段压裂注浆控制器的内端通过高压压裂管柱连接有导向器。
3.根据权利要求2所述的基于分段压裂的隔水层强化注浆改造装置，其特征在于，靠近钻孔孔底的一段压裂注浆控制器与所述导向器之间的高压压裂管柱上串联有单流阀。
4.根据权利要求1所述的基于分段压裂的隔水层强化注浆改造装置，其特征在于，所述单向封堵弹片的一端铰接于所述外套管的内壁，单向封堵弹片的内侧与外套管的内壁之间设置有用于将该单向封堵弹片顶紧于该阀座内侧的弹簧。
5.根据权利要求4所述的基于分段压裂的隔水层强化注浆改造装置，其特征在于，所述阀座的内侧设有锥形口，所述单向封堵弹片的外侧设于与所述锥形口适配的锥形凸体。
6.根据权利要求1所述的基于分段压裂的隔水层强化注浆改造装置，其特征在于，所述第三开孔和第四开孔内均设置有单向阀。
7.根据权利要求1所述的基于分段压裂的隔水层强化注浆改造装置，其特征在于，所述安全丢开装置包括第一连接头和第二连接头，所述第一连接头内设有第二球座，各安全丢开装置的第二球座的口径大小在其两侧相邻的两段压裂注浆控制器的第一球座的口径之间，第一连接头的内端与其内侧的高压压裂管柱相连，第一连接头的外端与第二连接头的内端套接并通过剪切销锁定，所述第二连接头的外端与其外侧的高压压裂管柱相连。
8.一种基于分段压裂的隔水层强化注浆改造的方法，其特征在于，采用如权利要求1-7任一项所述的基于分段压裂的隔水层强化注浆改造装置，包括如下步骤：
步骤S10，确定富水区域以及导水裂隙带的高度；
步骤S20，将各段串联的压裂注浆控制器依次输送至钻孔内；
步骤S30，到达指定位置后，投入相应规格的封堵球，封堵球依次穿过各段压裂注浆控制器和安全丢开装置进入第一压裂注浆控制器，并封堵于第一压裂注浆控制器内的第一球座内；
步骤S40，通过压裂泵组注水增压，水压推动内套管压缩压簧，压力增加至设定压力P1时，压簧发生一级压缩，此时内套管上的第三开孔与外套管上的第一开孔对准，管内的水通过第三开孔和第一开孔压入封隔胶囊，封隔胶囊胀开并与钻孔的内壁之间形成坐封；
步骤S50，坐封完成后，压裂泵组持续加压，继续推动内套管压缩压簧，压力增加至设定压力P2时，压簧发生二级压缩，此时内套管上的第四开孔与外套管上的第二开孔对准，开始第一压裂注浆段隔水层压裂施工；
步骤S60，通过压裂数据判识出现多次明显裂缝形成后，压裂泵组开始高压注入浆液封堵，等待注浆液完全凝固后，完成第一压裂注浆段隔水层的强化注浆改造；
步骤S70，投入相应规格的封堵球，输送至安全丢开装置的第二球座位置，注水加压，安全丢开装置断开，拖动第二压裂注浆控制器至下一压裂段位置，第二压裂注浆控制器和第一压裂注浆控制器组成压裂注浆封堵段，开启注水泵对管道的内部进行注水清洗，清洗完成后，然后重复步骤S20-S60对第二压裂注浆段隔水层进行强化注浆改造；
步骤S80，待最后一段压裂注浆段隔水层改造完成后，投入设计规格封堵球，将钻孔孔口的一段高压压裂管柱上的安全丢开装置断开并退出钻孔。
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