CN204200222U - 一种煤岩定向预裂装置 - Google Patents

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邓广哲
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Abstract

本实用新型公开了一种煤岩定向预裂装置,包括水力预裂设备和高压水动力设备;高压水动力设备包括储水器、高压泵和调压阀,储水器的出水口与高压泵的进水口之间通过动力管道连接;水力预裂设备为工作面预裂设备或孔内预裂设备;工作面预裂设备包括第一喷嘴,第一喷嘴安装在采煤机上且其通过第一高压输水管与高压泵的高压泵送出口连接;孔内预裂设备包括装入孔隙底部的第二喷嘴,第二喷嘴通过第二高压输水管与高压泵送出口连接;动力管道上安装有第一流量检测单元,第一高压输水管和第二高压输水管上均装有水压检测单元。本实用新型结构简单、设计合理、使用操作简便且使用效果好,采用高压水射流进行煤岩预裂,且预裂过程液压全自动控制。

Description

一种煤岩定向预裂装置
技术领域
本实用新型属于煤层开采技术领域,尤其是涉及一种煤岩定向预裂装置。
背景技术
煤层开采时,一般综放工作面的顶煤破坏过程需经历四个阶段:裂隙发育阶段、裂隙扩展阶段、顶煤松动破坏阶段和顶煤垮落冒放阶段。其中,在顶煤破碎过程中,上述第一和第二阶段中矿山压力的作用是关键,矿山压力对顶煤的破碎程度起主导作用。矿山压力是一般放顶煤工作面顶煤破碎的主要动力。上述第一和第二阶段中中产生的各种细微、宏观裂隙,与煤体原有节理裂隙一起,在很大程度上决定着顶煤的最终破碎程度。
现如今,主要采用水力致裂技术和爆破软化方法进行顶煤松动软化。其中,水力致裂技术的特点是煤体中的裂隙沿着煤层厚度垂直方向发生,即向煤体最大主应力方向扩展。在工作面支承压力影响区外,水力致裂裂隙增加了顶煤破坏发育过程中的第一和第二阶段的作用效果,并作为顶煤破坏的一个外加的预先处理过程和最终能够充分破碎的诱导因素,降低顶煤的整体强度(软化作用),改善顶煤的冒放性,为充分发挥矿山压力的作用,将顶煤进一步破碎到能顺利放出要求的程度创造了必要的条件。因此,对顶煤进行预先综合弱化必须根据工作面顶煤破碎过程的基本规律,系统分析顶煤软化性能、控制参数、矿压大小、裂隙规律和支架反复支撑破煤的关系特点,以充分利用矿山压力作用为中心,使水力致裂、矿压(地应力主轴)、支架反复支撑破煤作用等相互配合和协调,从控制顶煤破碎程度和顶煤垮落角两个方面,使它们的破煤作用效果最佳,满足顶煤顺利放出的需求。水力致裂在顶煤中超前形成压裂带和破坏区,并在破坏区形成饱水压力集中。随着顶煤逐渐靠近工作面,超前形成的松动区和压裂带为顶煤在矿山压力作用下的进一步破坏提供了一定的位移补偿空间,水力致裂一次应力集中与采场引起的大范围二次应力集中(支承压力)发生叠加,使煤体产生更大的变形和破坏,使上位顶煤中较早的出现拉应力区,造成上位顶煤比下位顶煤破坏程度大。这样,顶煤进入工作面控顶区后,下位顶煤稳定,即工作面端面顶板的控制非常有利。同时,由于下位顶煤进入支架上方后,支架的反复支撑对下位顶煤破碎作用比上位顶煤大而使顶煤能够沿全厚得到较均匀的破碎,减小了对顶煤放出块度和特大煤块破断冲击压力的产生。
煤层水力致裂软化技术是充分利用地应力条件,以增加顶煤致裂裂缝数目,并且严格控制其致裂裂缝发展形态为主要特征的新型煤层压裂工艺。同时,煤层水力致裂软化技术是解决高瓦斯坚硬特厚煤层综放开采中的关键技术,有分段水力致裂法和全长水力致裂法,其技术原理是根据大放高坚硬顶煤破坏全过程中地压变化基本规律和煤体地应力与节理分布特征,以压力水源为诱导,充分利用煤体地应力场分布及其裂隙扩展作用为条件,通过位于压力升高区以外的按不同间排距布孔动压与静压注水形成煤体裂隙扩展和渗流传压作用,在顶煤中预先形成符合一定要求和平行于工作面的(节理组)破裂带,以破坏弱化煤体,改变顶煤(板)的整体结构和力学特性;之后,通过静压注水方式,依靠矿山压力破煤区和支架的反复支撑对顶煤不同部位的破碎作用,实现整个煤体及时跨落,并符合要求的破碎块度,避免顶板(煤)冲击压力倾向,释放瓦斯、降低煤尘浓度,延缓煤层自燃。
与水压致裂技术相比,采用高压水射流割煤的方式进行超前欲裂,具有较大优势,可大大降低起裂压力,具体体现在以下几个方面:第一、高压水射流钻进时,通过射流切割煤岩,喷嘴与煤体没有直接接触,不会出现机械钻头的发热、磨损、寿命短等缺陷;第二、采用高压水射流钻孔技术施工钻孔,成孔直径大,可有效避免机械钻孔时出现的卡钻、夹钻等现象,同时可提高钻孔周围煤层的透气性;第三、高压水射流钻孔钻进速度快、能耗低;第四、高压水射流钻进时孔底处于淹没状态,温度低,没有火花产生,可用于具有自燃煤层中的钻孔。
但现如今,市场上缺少一种结构简单、设计合理、使用操作简便且使用效果好的煤岩定向预裂装置,采用高压水射流进行煤岩预裂,且预裂过程易于控制。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足,提供一种煤岩定向预裂装置,其结构简单、设计合理、使用操作简便且使用效果好,采用高压水射流进行煤岩预裂,且预裂过程易于控制。
为解决上述技术问题,本实用新型采用的技术方案是:一种煤岩定向预裂装置,其特征在于:包括对待处理煤岩进行超前预裂的水力预裂设备和与所述水力预裂设备相接的高压水动力设备;所述高压水动力设备包括储水器、高压泵和对高压泵所泵送高压水的水压进行调节的调压阀,所述储水器的出水口与高压泵的进水口之间通过动力管道连接;所述水力预裂设备为对所述待处理煤岩的采煤工作面进行定向预裂的工作面预裂设备或对所述待处理煤岩内的孔隙进行定向预裂的孔内预裂设备;所述工作面预裂设备包括第一喷嘴,所述第一喷嘴安装在采煤机上且其通过第一高压输水管与高压泵的高压泵送出口连接;所述孔内预裂设备包括装入孔隙底部的第二喷嘴,所述第二喷嘴通过第二高压输水管与高压泵的所述高压泵送出口连接;所述动力管道上安装有第一流量检测单元,所述第一高压输水管和所述第二高压输水管上均装有水压检测单元,所述第一流量检测单元和水压检测单元均与数据采集单元相接,所述数据采集单元与控制器相接。
上述一种煤岩定向预裂装置,其特征是:所述调压阀为高压泵自带的调压阀门。
上述一种煤岩定向预裂装置,其特征是:所述第一喷嘴固定安装在采煤机的机身上或安装在采煤机的滚筒驱动轴上。
上述一种煤岩定向预裂装置,其特征是:所述第一喷嘴固定安装在采煤机的机身上部或同轴安装在所述滚筒驱动轴上,所述采煤机的机身上部安装有对第一喷嘴的位置进行平移的喷嘴平移机构,所述第一喷嘴安装在喷嘴平移机构上。
上述一种煤岩定向预裂装置,其特征是:所述第一高压输水管经采煤机后方所设置的电缆槽后与第一喷嘴连接。
上述一种煤岩定向预裂装置,其特征是:所述工作面预裂设备还包括分流阀,所述分流阀上设置有一个进液口和两个出液口;所述分流阀安装在第一高压输水管上,且第一高压输水管以分流阀为界分为水泵侧输水管和喷嘴侧输水管;所述水泵侧输水管连接于所述高压泵送出口与分流阀的进液口之间,所述喷嘴侧输水管连接于第一喷嘴与分流阀的一个出液口之间,所述分流阀的另一个出液口与所述储水器之间通过分流管连接。
上述一种煤岩定向预裂装置,其特征是:所述第二高压输水管包括位于孔隙外侧的孔外输水管和伸入至孔隙内的孔内输水管,所述孔外输水管的进水端与所述高压泵送出口连接且其出水端与孔内输水管的进水端连接,所述第二喷嘴安装在孔内输水管的出水端上;所述孔内输水管为金属管、硬质塑料管或硬质橡胶管。
上述一种煤岩定向预裂装置,其特征是:所述孔内预裂设备还包括液压卷管器,所述孔外输水管的出水端缠绕在液压卷管器上。
上述一种煤岩定向预裂装置,其特征是:所述液压卷管器上设置有带动孔内输水管平移的输水管平移机构,所述孔内输水管的进水端安装在所述输水管平移机构上。
上述一种煤岩定向预裂装置,其特征是:还包括控制面板,所述控制面板上设置有显示单元,所述显示单元与控制器相接;所述高压泵为电动泵;所述高压泵上设置有回流口,所述高压泵的回流口通过回流管与所述储水器上所设置的回水口相接;所述回流管上安装有第二流量检测单元,所述第二流量检测单元与数据采集单元相接。
本实用新型与现有技术相比具有以下优点:
1、结构简单、设计合理且安装布设方便,投入成本较低。
2、使用操作简便且预裂过程控制简单,通过调压阀对高压泵所提供高压水的流量与水压进行控制,能对预裂速度进行简便控制。
3、设置有对高压泵所提供高压水的流量与水压进行检测的流量检测单元和水压检测单元,并通过显示单元对流量检测单元和水压检测单元所检测参数进行同步直观显示,因而操控人员能简便、准确了解预裂过程。
4、所设置的喷嘴平移机构和输水管平移机构结构简单、设计合理且操控简便、使用效果好,能对水力预裂设备的预裂位置、预裂方向和预裂深度进行简便调整。
5、所采用的高压水动力设备结构简单、设计合理且操作简便、使用效果好,能为水力预裂设备提供高压力、大流量的高压水射流。
6、使用效果好,实用价值高,并且运行稳定,安全环保,性价比高,应用前景好,主要以下几方面作用:第一、能对煤层进行超前定向水平割煤,这样可降低水压致裂的起步压力,特别适用于煤层无裂隙发育的致密硬煤;第二、能改变煤层原始垂直煤层主应力的方向为一定范围的水平主应力,避免压裂时切顶和切底,造成顶板和底板的破坏;第三、能实现孔内定向预裂,不但能够使原始裂隙扩展发育,还能形成无裂隙发育煤层的裂隙,并控制裂隙扩展方向;压裂时,采用本实用新型可以扩展煤层中的原始裂隙,也可以形成煤层的裂隙;同时还可以在一定范围内控制裂隙的形成方向,从而控制煤层中裂隙的发育;第四、采用本实用新型能对煤层瓦斯抽采进行有效控制;第五、高压注水困难的坚硬煤层首先形成一定方向的裂隙,然后对形成的裂隙进行水压致裂,对煤体进行预裂,形成块度。形成的裂隙可使附着在煤的瓦斯变成游离状态,从而降低瓦斯的吸附,有利于瓦斯的抽采;而且,通过形成裂隙,在煤层中形成块度,使得原本具有弹性能的煤体改变成塑性区,对动力冲击灾害的防治也有效控制;在形成裂隙进行水压致裂时,可在水中加入防灭火材料,对煤层自燃和防尘问题也有效解决;第六、能对煤层表面进行预裂,具体是在煤壁表面割槽,对煤壁进行卸压,防尘,提高块煤率。
综上所述,本实用新型结构简单、设计合理、使用操作简便且使用效果好、采用高压水射流进行煤岩预裂,能对煤层进行超前定向预裂,预裂全过程液压全自动控制,且预裂过程易于控制。
下面通过附图和实施例,对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本实用新型实施例1的使用状态参考图。
图2为本实用新型实施例1的电路原理框图。
图3为本实用新型实施例2的使用状态参考图。
附图标记说明:
1—高压泵;          2—动力管道;           3—调压阀;
4—孔隙;            5—第一喷嘴;           6-1—第一高压输水管;
6-2—孔外输水管;    6-3—孔内输水管;       7—采煤机;
8—第二喷嘴;        9—第一流量检测单元;   10—水压检测单元;
11—数据采集单元;   12—控制器;            13—第二流量检测单元;
14—电缆槽;         15—分流阀;            16—分流管;
17—液压卷管器;     18—显示单元;          19—煤层;
20—喷嘴平移机构;   21—输水管平移机构;    22—水箱。
具体实施方式
实施例1
如图1、图2所示,本实用新型包括对待处理煤岩进行超前预裂的水力预裂设备和与所述水力预裂设备相接的高压水动力设备;所述高压水动力设备包括储水器、高压泵1和对高压泵1所泵送高压水的水压进行调节的调压阀3,所述储水器的出水口与高压泵1的进水口之间通过动力管道2连接。所述水力预裂设备为对所述待处理煤岩的采煤工作面进行定向预裂的工作面预裂设备或对所述待处理煤岩内的孔隙4进行定向预裂的孔内预裂设备。
本实施例中,所述水力预裂设备为所述孔内预裂设备。并且,所述待处理煤层为煤层19。所述动力管道2为高压水供给管道。
所述孔内预裂设备包括装入孔隙4底部的第二喷嘴8,所述第二喷嘴8通过第二高压输水管与高压泵1的所述高压泵送出口连接。所述动力管道2上安装有第一流量检测单元9,所述第二高压输水管上装有水压检测单元10,所述第一流量检测单元9和水压检测单元10均与数据采集单元11相接,所述数据采集单元11与控制器12相接。
本实施例中,所述调压阀3为高压泵1自带的调压阀门。
同时,本实用新型还包括控制面板,所述控制面板上设置有显示单元18,所述显示单元18与控制器12相接,
实际使用时,通过数据采集单元11对第一流量检测单元9和水压检测单元10所检测参数进行采集,并将所采集信息同步上传至控制器12,且通过显示单元18对第一流量检测单元9和水压检测单元10所检测参数同步进行直观显示。
本实施例中,所述高压泵1为电动泵。
本实施例中,所述高压泵1上设置有回流口,所述高压泵1的回流口通过回流管与所述储水器上所设置的回水口相接。所述回流管上安装有第二流量检测单元13,所述第二流量检测单元13与数据采集单元11相接。
因而,预裂完成后,能将所述第二高压输水管内的多余高压水回流,确保本实用新型安全、可靠使用,并具有节流效果。
本实施例中,所述第二高压输水管包括位于孔隙4外侧的孔外输水管6-2和伸入至孔隙4内的孔内输水管6-3,所述孔外输水管6-2的进水端与所述高压泵送出口连接且其出水端与孔内输水管6-3的进水端连接,所述第二喷嘴8安装在孔内输水管6-3的出水端上;所述孔内输水管6-3为金属管、硬质塑料管或硬质橡胶管。
同时,所述孔内预裂设备还包括液压卷管器17,所述孔外输水管6-2的出水端缠绕在液压卷管器17上。
本实施例中,所述液压卷管器17上设置有带动孔内输水管6-3平移的输水管平移机构21,所述孔内输水管6-3的进水端安装在输水管平移机构21上。
实际使用时,通过输水管平移机构21进行能对孔内输水管6-3进行前后、左右移动,也能对孔内输水管6-3进行旋转,因而能对孔内输水管6-3上所装第二喷嘴8的朝向和位置进行调整,从而达到对预裂方向和预裂深度进行调节的位置。
本实施例中,所述输水管平移机构21包括长度和宽度均能调节的调节架和安装在所述调节架上的旋转架,所述调节架安装在液压卷管器17上,所述孔内输水管6-3的进水端安装在所述旋转架上。
实际使用时,所述高压泵1为本实用新型的动力设备,通过高压泵1为所述水力预裂设备提供高压水,同时本实用新型能对高压泵1所提供高压水的流量和水压进行检测,因而具有超流量和超压检测功能,并且通过调压阀3能高压泵1所提供高压水的水压和流量进行调节,因而能对预裂过程进行简便、有效控制,这样便能对预裂速度和预裂程度进行调整,并相应达到煤层预裂改造的作用。
本实施例中,所选用高压泵1的出口压力达66MPa且其出口流量为7.1m3/h。
本实施例中,所述储水器为内部装有预裂用活性水的水箱22,所述水箱22上部设置有入水口和溢流口。
实施例2
本实施例中,与实施例1不同的是:所述水力预裂设备为工作面预裂设备;所述工作面预裂设备包括第一喷嘴5,所述第一喷嘴5安装在采煤机7上且其通过第一高压输水管6-1与高压泵1的高压泵送出口连接。
本实施例中,所述第一高压输水管6-1装有水压检测单元10,且第一高压输水管6-1上所装的水压检测单元10与数据采集单元11相接。
实际安装时,所述第一喷嘴5固定安装在采煤机7的机身上或安装在采煤机7的滚筒驱动轴上。其中,当第一喷嘴5安装在采煤机7的滚筒驱动轴上时,第一喷嘴5同轴安装在所述滚筒驱动轴上。
本实施例中,所述第一喷嘴5固定安装在采煤机7的机身上部。
并且,所述第一喷嘴5固定安装在采煤机7的机身上部中央
本实施例中,所述采煤机7的机身上部安装有对第一喷嘴5的位置进行平移的喷嘴平移机构20,所述第一喷嘴5安装在喷嘴平移机构20上。
实际使用时,通过喷嘴平移机构20进行能对第一喷嘴5进行前后、左右移动,也能对第一喷嘴5进行旋转,从而达到对预裂方向和预裂深度进行调节的位置。
本实施例中,所述喷嘴平移机构20的结构与输水管平移机构21的结构相同,所述喷嘴平移机构20包括长度和宽度均能调节的调节架和安装在所述调节架上的旋转架,所述喷嘴平移机构20的调节架安装在采煤机7的机身上部,所述第一喷嘴5安装在喷嘴平移机构20的旋转架上。
本实施例中,所述第一高压输水管6-1经采煤机7后方所设置的电缆槽14后与第一喷嘴5连接。
本实施例中,所述工作面预裂设备还包括分流阀15,所述分流阀15上设置有一个进液口和两个出液口。所述分流阀15安装在第一高压输水管6-1上,且第一高压输水管6-1以分流阀15为界分为水泵侧输水管和喷嘴侧输水管;所述水泵侧输水管连接于所述高压泵送出口与分流阀15的进液口之间,所述喷嘴侧输水管连接于第一喷嘴5与分流阀15的一个出液口之间,所述分流阀15的另一个出液口与所述储水器之间通过分流管16连接。
本实施例中,所述的喷水口与所述采煤工作面正对。
本实施例中,其余部分的结构和连接关系均与实施例1相同。
以上所述,仅是本实用新型的较佳实施例,并非对本实用新型作任何限制,凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化,均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种煤岩定向预裂装置,其特征在于:包括对待处理煤岩进行超前预裂的水力预裂设备和与所述水力预裂设备相接的高压水动力设备;所述高压水动力设备包括储水器、高压泵(1)和对高压泵(1)所泵送高压水的水压进行调节的调压阀(3),所述储水器的出水口与高压泵(1)的进水口之间通过动力管道(2)连接;所述水力预裂设备为对所述待处理煤岩的采煤工作面进行定向预裂的工作面预裂设备或对所述待处理煤岩内的孔隙(4)进行定向预裂的孔内预裂设备;所述工作面预裂设备包括第一喷嘴(5),所述第一喷嘴(5)安装在采煤机(7)上且其通过第一高压输水管(6-1)与高压泵(1)的高压泵送出口连接;所述孔内预裂设备包括装入孔隙(4)底部的第二喷嘴(8),所述第二喷嘴(8)通过第二高压输水管与高压泵(1)的所述高压泵送出口连接;所述动力管道(2)上安装有第一流量检测单元(9),所述第一高压输水管(6-1)和所述第二高压输水管上均装有水压检测单元(10),所述第一流量检测单元(9)和水压检测单元(10)均与数据采集单元(11)相接,所述数据采集单元(11)与控制器(12)相接。
2.按照权利要求1所述的一种煤岩定向预裂装置,其特征在于:所述调压阀(3)为高压泵(1)自带的调压阀门。
3.按照权利要求1或2所述的一种煤岩定向预裂装置,其特征在于:所述第一喷嘴(5)固定安装在采煤机(7)的机身上或安装在采煤机(7)的滚筒驱动轴上。
4.按照权利要求3所述的一种煤岩定向预裂装置,其特征在于:所述第一喷嘴(5)固定安装在采煤机(7)的机身上部或同轴安装在所述滚筒驱动轴上,所述采煤机(7)的机身上部安装有对第一喷嘴(5)的位置进行平移的喷嘴平移机构(20),所述第一喷嘴(5)安装在喷嘴平移机构(20)上。
5.按照权利要求1或2所述的一种煤岩定向预裂装置,其特征在于:所述第一高压输水管(6-1)经采煤机(7)后方所设置的电缆槽(14)后与第一喷嘴(5)连接。
6.按照权利要求1或2所述的一种煤岩定向预裂装置,其特征在于:所述工作面预裂设备还包括分流阀(15),所述分流阀(15)上设置有一个进液口和两个出液口;所述分流阀(15)安装在第一高压输水管(6-1)上,且第一高压输水管(6-1)以分流阀(15)为界分为水泵侧输水管和喷嘴侧输水管;所述水泵侧输水管连接于所述高压泵送出口与分流阀(15)的进液口之间,所述喷嘴侧输水管连接于第一喷嘴(5)与分流阀(15)的一个出液口之间,所述分流阀(15)的另一个出液口与所述储水器之间通过分流管(16)连接。
7.按照权利要求1或2所述的一种煤岩定向预裂装置,其特征在于:所述第二高压输水管包括位于孔隙(4)外侧的孔外输水管(6-2)和伸入至孔隙(4)内的孔内输水管(6-3),所述孔外输水管(6-2)的进水端与所述高压泵送出口连接且其出水端与孔内输水管(6-3)的进水端连接,所述第二喷嘴(8)安装在孔内输水管(6-3)的出水端上;所述孔内输水管(6-3)为金属管、硬质塑料管或硬质橡胶管。
8.按照权利要求7所述的一种煤岩定向预裂装置,其特征在于:所述孔内预裂设备还包括液压卷管器(17),所述孔外输水管(6-2)的出水端缠绕在液压卷管器(17)上。
9.按照权利要求8所述的一种煤岩定向预裂装置,其特征在于:所述液压卷管器(17)上设置有带动孔内输水管(6-3)平移的输水管平移机构(21),所述孔内输水管(6-3)的进水端安装在输水管平移机构(21)上。
10.按照权利要求1或2所述的一种煤岩定向预裂装置,其特征在于:还包括控制面板,所述控制面板上设置有显示单元(18),所述显示单元(18)与控制器(12)相接;所述高压泵(1)为电动泵;所述高压泵(1)上设置有回流口,所述高压泵(1)的回流口通过回流管与所述储水器上所设置的回水口相接;所述回流管上安装有第二流量检测单元(13),所述第二流量检测单元(13)与数据采集单元(11)相接。
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