CN202531151U - 煤矿巷道卸压水力压裂装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及煤矿开采技术领域，公开了一种煤矿巷道卸压水力压裂装置，该装置包括钻机、第一钻头、封隔器、高压水泵和手动泵；所述第一钻头与钻机连接，用于在煤矿巷道内的卸压位置进行钻孔并钻出一压裂段；所述手动泵通过膨胀导管与封隔器连接，用于为封隔器加压对压裂段进行封孔；所述高压水泵通过注水管与封隔器连接，用于为封隔器进行加压直到封隔器压裂完成。本实用新型削弱了护巷煤柱顶板的整体性，在护巷煤柱顶板上形成一个弱化带，将残余支承应力转移到相邻的备采工作面，从而为护巷煤柱卸压，避免了巷道片帮和底鼓现象；进一步地，第二钻头采用横向切槽钻头进行横向切槽，显著提高钻孔钻进速度，并降低压裂成本。

Description

煤矿巷道卸压水力压裂装置

技术领域

本实用新型涉及煤矿开采技术领域，特别是涉及一种煤矿巷道卸压水力压裂装置。

背景技术

井下进行大面积回采以后，采空区5上方岩层重量将向周围支承区转移，在采空区5四周形成支承压力带，在回采工作面6前方形成移动性支承压力，在工作面倾斜上下方及回采工作面后方形成残余支承压力。图1中，1为回采工作面6前方移动性支承压力，该压力较大；2、3为沿回采工作面6倾斜、仰斜方向残余支承压力；4为回采工作面后方残余支承压力，图中的箭头方向为回采方向。

在采动影响下，沿回采工作面6推进方向，回采空间两侧的护巷煤柱7的应力随着与工作面距离和时间的不同而发生很大变化，一般出现三个应力区。如图2所示，远离回采工作面的前方，未受采动影响的原始应力区(A)；在回采工作面6附近，受采动影响的应力增高区(B)；远离工作面的后方，采动影响趋向稳定的应力稳定区(C)。应力增高区B由应力升高、应力强烈和应力减弱三部分组成。因此，由于受残余支承压力的影响，护巷煤柱7载荷急剧增长，相邻采区巷道的变形开始变大，巷道片帮、底鼓现象突出。

随着回采工作面6的推进，残余支承压力沿倾斜方向的变化过程如图3所示，(图中的曲线E为残余支承压力影响范围)，该应力重新分布引起护巷煤柱7载荷急剧增长，再逐渐下降和趋向稳定的过程，以及各个应力区的分布范围和持续时间。图3中的I区距离回采工作面6最近，所受应力最大，II区、III区逐渐递减。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

本实用新型要解决的技术问题是如何提供一种对煤矿巷道进行卸压的水力压裂装置，以避免巷道片帮和底鼓现象。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本实用新型一种煤矿巷道卸压水力压裂装置，包括钻机、第一钻头、封隔器、高压水泵和手动泵；所述第一钻头与钻机连接，用于在煤矿巷道内的卸压位置进行钻孔并钻出一压裂段；所述手动泵通过膨胀导管与封隔器连接，用于为封隔器加压对压裂段进行封孔；所述高压水泵通过注水管与封隔器连接，用于为封隔器进行加压直到封隔器压裂完成。

其中，还包括数据采集仪和与所述数据采集仪相连接的数据处理器，所述数据采集仪安装在所述高压水泵的高压出水口，用于采集和记录高压出水口的出水压力，并将所采集到的数据信号传送给数据处理器进行数据处理。

其中，还包括第二钻头，所述第二钻头与钻机连接，用于在所述压裂段上预制横向切槽，所述第二钻头为横向切槽钻头。

其中，所述封隔器采用跨式膨胀型钻孔封隔器。

(三)有益效果

上述技术方案提供的一种煤矿巷道卸压水力压裂装置，该装置包括钻机、第一钻头、封隔器、高压水泵和手动泵，采用该装置在护巷煤柱上方进行水力压裂法钻孔，削弱了护巷煤柱顶板的整体性，在护巷煤柱顶板上形成一个弱化带，将残余支承应力转移到相邻的备采工作面，从而为护巷煤柱卸压，避免了巷道片帮和底鼓现象。进一步地，采用跨式膨胀型钻孔封隔器，保持较高的外压和自平衡式封孔，并且能够对钻孔目的段(如岩层坚硬段)进行封孔；进一步地，第二钻头采用横向切槽钻头进行横向切槽，在切槽尖端形成应力集中，显著提高钻孔钻进速度，并降低压裂成本。

附图说明

图1是煤矿巷道采空区周边的应力分布图；

图2是护巷煤柱位于回采工作面前后方的应力分布图；

图3是残余支承应力随回采工作面推进过程；

图4是本实用新型水力压裂卸压位置分布图；

图5是本实用新型水力压裂装置系统布置示意图；

图6是本实用新型钻压裂段时的结构示意图；

图7是本实用新型钻横向切槽时的结构示意图；

图8是本实用新型横向切槽钻头的结构示意图；

图9是本实用新型跨式膨胀型封隔器封孔和压裂时的结构示意图。

其中，1、回采工作面前方移动性支承压力；2、沿回采工作面倾斜残余支承压力；3、沿回采工作面仰斜方向残余支承压力；4、回采工作面后方残余支承压力；5、采空区；6、回采工作面；7、护巷煤柱；8、采区巷道；9、备采工作面；10、顶板；11、相邻采区巷道；12、卸压位置；13、第一钻头；14、注水管；15、膨胀导管；16、封隔器；16a、弹性膜；17、手动泵；18、高压水泵；19、第二钻头；20、钻机；21、弹性膜；22、钢套；23、出水孔；24、钻头顶尖；25、切刀组；26、主轴；27、弹簧；28、钻头套；29、平键；24a、钻头顶尖座；a、压裂段；b、横向切槽；c、分隔段。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

如图1，一种煤矿巷道卸压水力压裂方法，根据煤矿巷道内的应力分布规律(该应力分布规律如背景技术所述)，选择以护巷煤柱7上方的顶板10作为卸压位置12，如图4，在该卸压位置12上采用水力压裂法进行应力转移；如图5，该水力压裂法包括：

步骤1、采用第一钻头13在卸压位置进行钻孔，钻出一压裂段a，如图6；具体为：第一钻头13可采用普通钻头，与钻机连接，在卸压位置12的坚硬岩层进行钻孔，钻进至坚硬岩层所需的压裂段后停止钻进，其中，钻孔的孔径可为56mm，钻孔角度及长度可根据坚硬岩层的厚度和回采工作面6的长度而定；

步骤2、将带有注水管14和膨胀导管15的封隔器16推进压裂段；

步骤3、将手动泵17与膨胀导管15连接，为封隔器16进行加压对压裂段a进行封孔；其中：手动泵17封孔所需的压力一般为10Mpa；

步骤4、将高压水泵18与注水管14连接，为封隔器16进行加压直到封隔器16压裂完成。

本实用新型采用水力压裂装置在护巷煤柱上方进行水力压裂法钻孔，削弱了护巷煤柱顶板的整体性，在护巷煤柱顶板上形成一个弱化带，将残余支承应力转移到相邻的备采工作面9，从而为护巷煤柱卸压，避免了巷道片帮和底鼓现象。

为了保证钻孔质量，防止由于残余支承压力而导致钻孔变形，同时由于位于回采工作面6附近的残余支承应力较大，优选地，本实施例的卸压位置12位于回采工作面6前方，并处于残余支承应力的范围之外。为了进一步地提高对煤矿巷道的卸压能力，本实施例的卸压位置12可设置为多个，分布在顶板10上并位于回采工作面6前方的长度方向上。如图4所示，第一个卸压位置12与回采工作面6的距离设为L，其它的卸压位置12以等间距d的方式排布。

本实施例的水力压裂法的钻孔及压裂作业可以在回采巷道8中进行，该水力压裂法的钻孔及压裂作业同时也可以在相邻采区巷道11中进行。优选地，采用在相邻采区巷道11中进行，如图4所示，其原因是在相邻采区巷道11中进行水力压裂法的钻孔及压裂作业不会对回采工作面6的回采工作造成影响。

为了保持较高的外压和自平衡式封孔，并能够对钻孔目的段(如岩层坚硬段)进行封孔，本实施例的封隔器16采用跨式膨胀型钻孔封隔器，如图9，则步骤3中手动泵17为封隔器16加压使得弹性膜21膨胀，以对压裂段a进行封孔。

由于坚硬顶板岩石强度较高，为了降低压裂成本，并实现快速作业，本实施例的步骤1还包括：采用第二钻头19在压裂段a上预制横向切槽b；并采用第一钻头13进行进一步钻孔，为压裂段a的封孔提供空间。第二钻头19优先采用小孔径的横向切槽钻头，如图7、图8所示，该切槽半径约为钻孔半径的两倍，并能够在单轴抗压强度为50～150Mpa的坚硬岩石中形成横向切槽b，在切槽尖端形成应力集中，从而降低压裂成本。

如图5，本实用新型的一种煤矿巷道卸压水力压裂装置，包括钻机20、第一钻头13、封隔器16、高压水泵18和手动泵17；第一钻头13与钻机20连接，用于在煤矿巷道内的卸压位置12进行钻孔并钻出一压裂段a；手动泵17通过膨胀导管15与封隔器16连接，用于为封隔器16加压对压裂段a进行封孔；高压水泵18通过注水管14与封隔器16连接，用于为封隔器16进行加压直到封隔器16压裂完成。

由于坚硬顶板岩石强度较高，为了降低压裂成本，并实现快速作业，本实施例的水力压裂装置还包括第二钻头19，该第二钻头19与钻机20连接，用于在压裂段a上预制横向切槽b。该第二钻头19优先采用小孔径的横向切槽钻头，该切槽半径约为钻孔半径的两倍，并能够在单轴抗压强度为50～150Mpa的坚硬岩石中形成横向切槽b，在切槽尖端形成应力集中，从而降低压裂成本。如图7、图8所示，该横向切槽钻头包括依次组装的钻头顶尖24、切刀组25和主轴26，在主轴后部的外设有弹簧27，在切刀组25和主轴前部的外部设有钻头套28，弹簧27抵在该钻头套28的端部，在主轴26上设有平键29。其中，钻头顶尖24通过钻头顶尖座24a安装在切刀组25的前端，钻头顶尖座24a与切刀组25通过弹性圆柱销进行固定，切刀组25与主轴26通过销轴固定，且在该销轴的两端设有轴用弹性挡圈，弹簧27与钻头套28和主轴26的连接处设有弹簧座。

为了保持较高的外压和自平衡式封孔，并且能够对钻孔目的段(如岩层坚硬段)进行封孔，本实施例的封隔器16采用跨式膨胀型钻孔封隔器。如图9，该跨式膨胀型封隔器包括受内压可膨胀的弹性膜21、位于弹性膜21两端的钢套22、注水管14以及弹性膜膨胀介质通道(即：膨胀导管15)组成，弹性膜21具有两个，位于两个弹性膜21之间的注水管段为分隔段c，该分隔段c位于横向切槽b处，其开有出水孔23，注水管14贯穿该两个弹性膜21并与高压水泵18连接，膨胀导管15贯穿该两个弹性膜21并与与手动泵17连接，注水管14的管壁与弹性膜21的管壁之间预留有空隙，该空隙用于封闭钻孔(简称封孔)。其中，注水管14采用钢合金等具有高刚度和高强度的材料制成。当膨胀介质经膨胀导管15进入注水管14与弹性膜21之间的空隙，从而使弹性膜21膨胀以达到封孔的目的；弹性膜21可以是橡胶材料或是由纤维、金属丝加强的橡胶材料，也可以是薄的金属外套，取决于工作压力以及应用目的和环境。由于未经加强的橡胶弹性膜只能承受较低的压力等级(一般为0.2～0.3MPa)；而以薄金属外套为弹性膜的封隔器只适用于有限的专业领域，如超高温封孔系统以及套管内壁的修补等；由于纤维或金属丝加强的橡胶材料为弹性膜21的封隔器16具有广泛的适应性，优选地，本实施例的弹性膜21采用由纤维或金属丝加强的橡胶材料制成。

由于封隔器16的封孔功能除了与其额定压力有关外，还与膨胀介质类型和钻孔表面条件等有关。膨胀介质的选择可以是液体或是气体，如，油、水、氮气及空气等，取决于压裂作业的性质以及封隔器对外压的响应。对于深孔、孔内温度较高或较低时，往往采用气体作为膨胀介质；当采用液体作为膨胀介质时，由于液体不可压缩，可有效保持外压，常用于注浆或压裂作业。本实施例根据井下及钻孔条件，优先选择水作为膨胀介质，以保持较高外压以保证膨胀作业的有效进行。

为了实时观察、记录和分析高压水泵的高压出水口处的出水压力，本实施例的水力压裂装置还包括数据采集仪和与该数据采集仪相连接的数据处理器，数据采集仪安装在高压水泵18的高压出水口，用于采集和记录高压出水口的出水压力，实时记录该出水压力的变化曲线，并将所采集到的数据信号传送给数据处理器进行数据处理。

数据采集仪包括单片机、压力传感器、电源、液晶显示器、传感器电缆和通讯电缆；压力传感器为硅应变片式传感器，该压力传感器通过传感器电缆与单片机连接，将压力的变化转换为电压的变化，经放大，利用电流环信号，经电流电压变换器、电压偏置器、电压跟随器、滤波器，变为0-4V的电压信号给12位A/D转换器，变成0-4096的数字信号，并通过单片机进行采集、处理、存储，同时通过与单片机连接的液晶显示器显示，并将采集结果通过通讯电缆传给数据处理器。该数据采集仪采用硅应变片式的压力传感器作为测量信号源，监测使用高压水泵的出口压力，实时记录压力变化曲线，并采用大屏幕液晶显示器显示，将采集结果传送给数据处理器进行数据处理计算。该数据采集仪使用安全，具有防水、防潮、结构简单，操作方便，性能可靠，后处理功能强大等特点，适用于煤矿井下条件。

数据处理器包括：通讯模块、数据处理模块和图形处理模块。通讯模块用于将单片机的串行通讯口与电脑的串行通讯口相连接，将单片机内存中保存的原始数据发送到串行通讯口，通过电脑中数据处理软件的通讯功能接收串行口的数据。数据处理模块用于将串行通讯口接收到的原始数据转换为以兆帕为单位的压力值，并将压力数据保存到一个数据库系统中，以供数据处理器的调用和处理。图形处理模块用于调用保存在数据库系统中的数据，将数据绘制成随时间变化的曲线，在图形显示区可以对图形进行整体放大，局部放大。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种煤矿巷道卸压水力压裂装置，其特征在于，包括钻机、第一钻头、封隔器、高压水泵和手动泵；所述第一钻头与钻机连接，用于在煤矿巷道内的卸压位置进行钻孔并钻出一压裂段；所述手动泵通过膨胀导管与封隔器连接，用于为封隔器加压对压裂段进行封孔；所述高压水泵通过注水管与封隔器连接，用于为封隔器进行加压直到封隔器压裂完成。

2.如权利要求1所述的煤矿巷道卸压水力压裂装置，其特征在于，还包括数据采集仪和与所述数据采集仪相连接的数据处理器，所述数据采集仪安装在所述高压水泵的高压出水口，用于采集和记录高压出水口的出水压力，并将所采集到的数据信号传送给数据处理器进行数据处理。

3.如权利要求1所述的煤矿巷道卸压水力压裂装置，其特征在于，还包括第二钻头，所述第二钻头与钻机连接，用于在所述压裂段上预制横向切槽，所述第二钻头为横向切槽钻头。

4.如权利要求1所述的煤矿巷道卸压水力压裂装置，其特征在于，所述封隔器采用跨式膨胀型钻孔封隔器。

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