CN114991737A - 一种高压水力割缝集成装置 - Google Patents

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杜文国
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白哲
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Abstract

本发明公开了一种高压水力割缝集成装置，包括水箱、履带平台、钻杆结构、高压水泵和本地控制器；所述水箱设置在履带平台上，所述履带平台上设置有高压水泵和本地控制器，所述高压水泵和本地控制器连接，所述高压水泵和钻杆结构连接，所述本地控制器将水箱和高压水泵的信息进行采集，所述钻杆结构端部设置钻头，所述钻头设置在待钻孔处。解决了现有井下水力割缝装置井下操作不安全的问题；同时，实现了水箱和整机一体的设置，极大地推进了装置的一体化设置。

Description

一种高压水力割缝集成装置
技术领域
本发明涉及井下水力割缝领域，具体为一种高压水力割缝集成装置。
背景技术
煤与瓦斯突出是一种伴有声响和猛烈力能效应的动力现象，是在极短时间内，从煤(岩)壁内部向采掘空间突然喷出大量煤(岩)和瓦斯的现象。它能摧毁井巷设施、破坏矿井通风系统，使井巷充满瓦斯和煤(岩)抛出物，能造成人员窒息、煤流埋人，甚至可能引起瓦斯爆炸和火灾事故，导致生产中断。煤与瓦斯突出不仅严重影响矿井生产的正常进行，而且影响井下生产人员的生命安全，造成设备和财产损失。
随着煤矿开采深度的增加，高瓦斯低透气性松软煤层的比例越来越大，煤与瓦斯突出灾害日趋严重，因此展开防治煤与瓦斯突出技术研究，对保障煤矿安全生产和促进经济发展，具有十分重要的意义。高压水射流煤层割缝技术以其良好的卸压增透效果，在预抽松软低透煤层瓦斯，防止煤与瓦斯突出方面得到了广泛应用。
高压水力割缝装置是利用高压水射流技术对煤层进行水力切割、造缝，使煤层卸压，提高煤层透气性和瓦斯释放能力，起到卸压防冲、抽采防突双重作用，有效防止动力灾害发生。
目前该类设备应用到井下后，主要有以下缺点：
1)整个设备未到达集成化设计，水箱与整机均独立设置，水箱一般均放置在拖车上，占地面积大，不方便移动；
2)施工作业过程中，需要多个操作人员分别操作高压水泵、钻机；高压水泵在井下施工噪音较大，不利于操作人员之间的技术沟通；
3)装置没有实现智能化、可视化操作，系统压力、水箱液位等关键参数均没有实现数据采集和集中显示，仅限于人工读表；
4)系统压力的调节没有实现远程控制。压力的调节主要是靠现场操作工在水泵出口进行手动调节来实现；
5)设备供电控制没有实现集成化。目前设备井下用电现状是高压水泵、液压泵站等都是采用单独电路供电、单独控制；
6)设备工作过程参数数据无法保存。目前设备井下作业数据仅靠作业人员手动记录，效率和质量均较低；
7)没有实现远程操作，人员安全性差。目前还需对割缝设备进行近距离操作，现场操作安全性较低。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种高压水力割缝集成装置；解决了现有井下水力割缝装置井下操作不安全的问题；同时，实现了水箱和整机一体的设置，极大地推进了装置的一体化设置。
本发明是通过以下技术方案来实现：一种高压水力割缝集成装置，包括水箱、履带平台、钻杆结构、高压水泵和本地控制器；所述水箱设置在履带平台上，所述履带平台上设置有高压水泵和本地控制器，所述高压水泵和本地控制器连接，所述高压水泵和钻杆结构连接，所述本地控制器将水箱和高压水泵的信息进行采集，所述钻杆结构端部设置钻头，所述钻头设置在待钻孔处。
进一步的，所述履带平台上设置进水过滤泵、水泵过滤装置和液压泵，所述进水过滤泵和水箱连接，所述进水过滤泵与水泵过滤装置连接，所述水泵过滤装置的出水口与液压泵的进水口连接。
进一步的，所述本地控制器连接远程控制终端，所述远程控制终端通过电缆线和本地控制器连接。
进一步的，所述水箱设置了液位传感器。
进一步的，所述高压水泵的出口通过高压密封水辫连接高压软管，所述高压密封水辫连接钻杆结构。
进一步的，所述钻杆结构包括钻杆、高压水力切缝器、钻头，所述钻杆、高压水力切缝器和钻头依次连接。
进一步的，所述高压水泵出口处设置了压力传感器；所述压力传感器和高压软管连接，所述压力传感器和本地控制器连接；所述高压水泵外壳上设置了温度传感器。
进一步的，所述本地控制器内部设置有开关、PLC控制器、电机启动器。
进一步的，所述水箱上设置有进水口、出水口和排污口；所述进水口和排污口上设置有控制阀门；所述出水口通过管道与高压水泵上的进水过滤泵连接。
进一步的，所述高压水泵的出口旁路设置有高压调节阀门，所述高压调节阀门通过管道和水箱连接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本装置的结构上通过集成一体的水箱与整机的连接结构，有效的实现了装置的一体化结构设置，同时，极大的方便了技术人员的操作便捷性，该部分结构的设置大大提高了装置的集成化发展。
进一步的，本装置的钻杆结构能够通过调节钻杆实现对不同的深度钻孔加工；并且，可以根据不同孔径的钻割更换不同的钻头，通过水箱上控制阀门的设置进一步的保证了装置结构的安全稳定性能。
进一步的，通过本地控制器连接远程控制终端，有效的保证了装置对信息的实时掌控，同时方便了装置的实时调节；具体的，通过获取高压水泵的输出压力值、水箱液位值和水泵表面温度数值对装置进行具体调节。
进一步的，通过在水箱上设置液位传感器，能够通过液位传感器实现对水箱中液位信息的捕捉；同时，在本装置的高压水泵的出口处设置有压力传感器，通过压力传感器的设置，能够保证可以将系统的压力数据实时的传输到远程控制终端；并且，通过温度传感器的设置，有效的保证了装置的实时监测高压水泵的表面温度，并将数据通过本地控制器处理后发送到远程控制终端。
进一步的，通过电机启动器和开关的设置，使得装置实现供电以及对高压水泵、进水过滤泵、水泵过滤装置和液压泵的控制；同时，通过高压调节阀门的设置实现了根据井下钻割工艺的要求，通过远程操作并调节高压水泵出口的高压调节阀门，以获得不同的压力。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种高压水力割缝集成装置的整体结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种高压水力割缝集成装置的水箱的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种高压水力割缝集成装置的高压水泵的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种高压水力割缝集成装置的高压水泵的传感器结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种高压水力割缝集成装置的本地控制器的结构示意图；
图中：水箱1、进水口101、出水口102、排污口103、控制阀门104、液位传感器105、履带平台2、管道3、高压水泵4、温度传感器401、高压调节阀门402、压力传感器403、本地控制器5、开关501、PLC控制器502、电机启动器503、高压软管6、高压密封水辫7、钻杆8、高压水力切缝器9、钻头11、远程控制终端10、进水过滤泵12、水泵过滤装置13、液压泵14、液位传感器105。
具体实施方式
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
实施例1：
一种高压水力割缝集成装置，包括水箱1、钻杆结构、履带平台2、高压水泵4、高压调节阀门402、传感器单元和远程控制终端10。
所述高压水泵4、水泵过滤装置13、液压泵14、水箱1均设置在履带移动平台2上，所述传感器单元包括液位传感器105、温度传感器401、压力传感器403，所述液位传感器105、温度传感器401、压力传感器403均设置在固定设备上。
在本实施例中，控制部分分为本地控制器5和远程控制终端10两部分，所述本地控制器5设置在履带平台2上，所述履带平台2的内部设置有PLC控制器502、电机启动器503，用于实现供电和对高压水泵4、进水过滤泵12、水泵过滤装置13、液压泵14的控制，同时采集液位传感器105、压力传感器403、温度传感器401的参数，经过处理后将数据传输给远程控制终端10。
所述进水过滤泵12通过金属管道与水泵过滤装置13连接；所述进水过滤装置13的出水口通过金属管道与液压泵14的进水口连接。
所述远程控制终端10为移动式轻量化装置，操作人员通过远程控制终端10内部设置的显示模块，获取高压水泵4的输出压力值、水箱1的液位值和高压水泵4的表面温度数值。
根据井下钻割工艺的要求，通过远程控制终端10操作并调节高压水泵4出口的高压调节阀门402，以此获得不同的压力。
高压水泵4的出口和高压密封水辫7通过高压软管6连接，高压密封旋转水辫7与钻杆结构连接。
钻杆结构在本实施例中由多根钻杆8组成，根据钻孔深度的不同，可以通过调整钻杆8的数量。所述钻杆结构固定在凿岩钻机上，钻杆8最前端安装了高压水力切缝器9和钻头11，通过钻机的旋转和高压水的作用，可以实现井下钻割一体化施工。本装置能够有效作用于改造煤层透气性、消除煤层部分地应力、提高瓦斯抽采率，具有安全、智能、高效、装置集成化的优点。解决了现有井下水力割缝装置无法实现智能控制、井下操作不安全的问题。
实施例2：
一种高压水力割缝集成装置，包括水箱1、进水口101、出水口102、排污口103、控制阀门104、液位传感器105、履带平台2、管道3、高压水泵4、温度传感器401、高压调节阀门402、压力传感器403、本地控制器5、开关501、PLC控制器502、电机启动器503、高压软管6、高压密封水辫7、钻杆8、高压水力切缝器9、钻头11、远程控制终端10、进水过滤泵12、水泵过滤装置13、液压泵14、液位传感器105。
所述水箱1采用集成化设计，通过水箱1固定设置在履带平台2之上；所述水箱1设有进水口101、出水口102和排污口103，所述进水口101和排污口103均设置有控制阀门104，所述水箱1的出水口102通过管道3与高压水泵4进水过滤泵12相连接。
所述水箱1的上部安装有液位传感器105，通过液位传感器105可以将水箱1的液位信息发送到远程数据终端10上，并通过远程数据终端10显示并提供告警。所述高压水泵4通过紧定装置固定在履带平台2上，所述高压水泵4的外壳上安装有温度传感器401，所述温度传感器401的信号线缆与设置在履带平台2上的本体控制器5连接。
所述高压水泵4出口旁路安装有高压调节阀门402，所述高压水泵4出口处安装压力传感器403，所述压力传感器403的信号线缆与安装在履带平台2上的本地控制器5连接。
所述压力传感器403后安装高压软管6，所述高压软管6的另一端与高压密封水辫7连接。所述高压调节阀门402通过法兰与泵出口旁通管相连接，所述高压调节阀门402的出口与金属管道连接后并接入到水箱1。
所述本地控制器5安装在履带平台2之上，所述本地控制器5的内部设置有开关501、PLC控制器502、电机启动器503。
装置所用的液位传感器105、温度传感器401以及压力传感器403的数据电缆线都接入到本地控制器5中PLC控制器502上。所述远程数据终端10是将本安型显示屏、处理电路一并安装在本安型防爆外壳内。
所述远程数据终端10的外部通过电缆线与本地控制箱5连接，所述远程数据终端10内部可外接数据存储装置，可以对作业过程中的工艺数据进行实时存取，并将数据在本安型显示屏上显示。使用时将远程数据终端10移动到装置外的安全位置，通过实时监测设备的多项参数来远程控制设备，以此达到安全、少人、高效的要求。
所述本地控制器5通过液位传感器105、温度传感器401、压力传感器403分别将水箱1的液位信息、高压水泵4的表面温度信息以及系统的工作压力采集到PLC控制器502上，并通过控制器处理后发送到远程数据终端10，并通过远程数据终端10显示、告警。所述高压密封水辫7依次与钻杆8、高压水力切缝器9、钻头11联接。
实施例3：
一种高压水力割缝集成装置，解决现有高压水力割缝装置智能化控制和远程操作问题，同时极大地提升了井下作业的安全性；解决了现有高压水力割缝设备生产过程数据存储、数据回放、数据追踪方面的问题，有利于指导生产工艺的调整优化；解决了现有设备非集中化、辅助设备较多的技术问题。
包括水箱1、高压水泵4、传感器单元、高压调节阀门402、远程控制终端10、高压密封水辫7、钻杆8、高压水力切缝器9、钻头11。
所述水箱1、高压水泵4、本地控制器5均安装在履带平台2上。所述传感器单元包括液位传感器105、压力传感器403、温度传感器401。所述液位传感器105安装在水箱1的上盖；所述压力传感器403安装在高压水泵4出口处，采用旁路布置；所述温度传感器401安装在高压水泵4外壳上，采用螺纹联接。所述的高压调节阀门402安装在高压水泵4旁通出口处，对系统进行压力调节。控制模块包括本体控制器5和远程控制终端10。
所述本体控制器5内部设置有内部设置有开关510、PLC控制器502、电机启动器503。装置所用得液位传感器105、温度传感器401以及压力传感器403的数据电缆线都接入到本地控制器5中PLC控制器502上。所述远程数据终端10将本安型显示屏、处理电路安装在本安型防爆外壳内，外部通过电缆线与本地控制器5连接。所述高压水泵4、高压软管6、高压密封水辫7、钻杆8、高压水力切缝器9、钻头11依次联接。所述的钻杆8安装在井下钻机之上。
所述钻杆8与高压密封水辫7、高压水力切缝器9均通过螺纹联接，螺纹联接处均设置可承受100MPa的密封结构。本装置的设备采用集成化布置，所有设备均集成到一起组成一台设备；设备采用本地集成化供电方式，井下电源通过一根电缆进入本地控制器5，在控制器内转化成多路分别为高压水泵4、履带平台2、水泵过滤装置13供电；
本装置的设备采用远程控制终端，可以通过有线电缆将控制终端移动到安全地带进行操作，这些操作主要包括远程控制调压阀门开度、远程急停高压水泵、监视压力和温度的实时数据。同时远程控制终端10可以根据设置的阈值进行告警；在远程控制终端10上可以实时存储操作过程工艺数据，并可以定期采用外部存储设备将其进行地面数据回放。这种方式极大地提高了井下作业的安全性和井下钻割作业的工作效率；
设备上的水箱1设置了液位传感器105，可以实时监测水箱1液位的变化，井下操作工人通过远程控制终端10上的液位值，可以定时为水箱1补水，避免水泵干抽，损坏水泵；设备上的高压水泵4出口处设置了压力传感器403，可以将系统的压力数据实时的传输到远程操作数据终端10并显示，井下操作工可以更为方便的掌握系统的工作压力，并根据系统压力去调整钻割工艺；设备上的高压水泵4出口旁通处设置高压调节阀门402，该阀门的开度可以通过远程控制终端10调节，通过调节可以改变泵出口的压力，这种方式较当前手动调节具有安全、高效、调节精度高等优点；高压水泵4外壳上设置了温度传感器401，可以实时监测高压水泵4的表面温度，并将数据通过本地控制器5处理后发送到远程控制终端10上，一旦温度数据超过了设定的阈值，远程控制终端10会发出告警信号，提醒井下操作人员采取相应的措施。
实施例4：
包括：水箱1、履带平台2、管道3、高压水泵4、本地控制器5、高压软管6、高压密封水辫7、钻杆8、高压水力切缝器9、远程操作数据终端10、钻头11。
如图1所示，在实际操作中，通过按下本体控制器5的开关501按钮为履带平台2供电，通过操作履带平台2操控部分设备将履带平台2移动到预定的位置。安装中注意钻杆8处密封元件的安装以及水源的供给。按下本体控制器5上的水泵启动按钮，选定好煤壁的钻孔位置后，固定好钻机，通过远程控制终端10调节系统压力为20～60MPa并以该压力进行钻孔。钻孔过程中根据钻杆的钻进并实时拼接新钻杆使钻孔达到设计孔深；通过远程控制终端10将高压水泵4压力调节到70～90MPa，每当钻杆退到一定位置后，进行割缝作业。煤层被切割后，切割缝两侧的煤层发生变形和破裂，切割缝上下侧的煤壁发生变形恢复，瓦斯压力和地层应力得以释放，从而消除煤与瓦斯突出的可能性。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高压水力割缝集成装置，其特征在于，包括水箱(1)、履带平台(2)、钻杆结构、高压水泵(4)和本地控制器(5)；所述水箱(1)设置在履带平台(2)上，所述履带平台(2)上设置有高压水泵(4)和本地控制器(5)，所述高压水泵(4)和本地控制器(5)连接，所述高压水泵(4)和钻杆结构连接，所述本地控制器(5)将水箱(1)和高压水泵(4)的信息进行采集，所述钻杆结构端部设置钻头(11)，所述钻头(11)设置在待钻孔处。
2.根据权利要求1所述的一种高压水力割缝集成装置，其特征在于，所述履带平台(2)上设置进水过滤泵(12)、水泵过滤装置(13)和液压泵(14)，所述进水过滤泵(12)和水箱(1)连接，所述进水过滤泵(12)与水泵过滤装置(13)连接，所述水泵过滤装置(13)的出水口与液压泵(14)的进水口连接。
3.根据权利要求1所述的一种高压水力割缝集成装置，其特征在于，所述本地控制器(5)连接远程控制终端(10)，所述远程控制终端(10)通过电缆线和本地控制器(5)连接。
4.根据权利要求1所述的一种高压水力割缝集成装置，其特征在于，所述水箱(1)设置了液位传感器(105)。
5.根据权利要求1所述的一种高压水力割缝集成装置，其特征在于，所述高压水泵(4)的出口通过高压密封水辫(7)连接高压软管(6)，所述高压密封水辫(7)连接钻杆结构。
6.根据权利要求1所述的一种高压水力割缝集成装置，其特征在于，所述钻杆结构包括钻杆(8)、高压水力切缝器(9)、钻头(11)，所述钻杆(8)、高压水力切缝器(9)和钻头(11)依次连接。
7.根据权利要求1所述的一种高压水力割缝集成装置，其特征在于，所述高压水泵(4)出口处设置了压力传感器(403)；所述压力传感器(403)和高压软管(6)连接，所述压力传感器(403)和本地控制器(5)连接；所述高压水泵(4)外壳上设置了温度传感器(401)。
8.根据权利要求1所述的一种高压水力割缝集成装置，其特征在于，所述本地控制器(5)内部设置有开关(501)、PLC控制器(502)、电机启动器(503)。
9.根据权利要求1所述的一种高压水力割缝集成装置，其特征在于，所述水箱(1)上设置有进水口(101)、出水口(102)和排污口(103)；所述进水口(101)和排污口(103)上设置有控制阀门(104)；所述出水口(102)通过管道(3)与高压水泵(4)上的进水过滤泵(12)连接。
10.根据权利要求1所述的一种高压水力割缝集成装置，其特征在于，所述高压水泵(4)的出口旁路设置有高压调节阀门(402)，所述高压调节阀门(402)通过管道和水箱(1)连接。
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