一种脉冲水力裂切煤层卸压增透装置及卸压增透方法

摘要

本发明属于煤矿煤层卸压增透及瓦斯抽采技术领域，具体公开一种脉冲水力裂切煤层卸压增透装置及卸压增透方法，该装置主要由水箱、高压水泵、压力表、高压储水罐、气动阀、电磁阀组、控制柜等组成，该装置将高压水泵形成的高压水注入高压储水罐中，通过控制柜控制电磁阀、气动阀、引射泵的开闭形成高压脉冲流体，高压脉冲流体经输送杆到达胀裂器中，在高压脉冲流体作用下胀裂器产生周期性膨胀，从而对煤壁产生压缩‑膨胀‑压缩的周期性张压应力，使煤层中裂隙不断发育形成致密贯通的裂隙网络，从而达到煤层卸压、强化瓦斯抽采的目的。

说明书

技术领域

本发明属于煤矿煤层卸压增透及瓦斯抽采技术领域，尤其涉及一种脉冲水力裂切煤层卸压增透装置及卸压增透方法。

背景技术

近年来随着我国经济的发展、人民生活水平的提高，我国电煤的需求量不断提高；目前随着我国煤矿采深的不断增加，矿井中的瓦斯以高应力、高瓦斯压力和低渗透率的特征赋存于煤层之中，伴随而生的以煤与瓦斯突出为代表的煤岩动力灾害问题日益突出，其严重影响着我国煤炭的正常开采，进而影响我国的各项工业产业及民生保障，故而需要强化原有的煤层卸压增透及瓦斯抽采技术。

目前常用的煤层卸压增透技术主要有深孔爆破、高能气体压裂、水力压裂、水力冲孔等，这些措施均通过释放煤层应力、增加煤层裂隙达到改善煤层透气性强化瓦斯抽采的目的。由于煤矿现场技术条件、环境因素的限制，以水力压裂为代表的水力化措施在井下广泛使用；该技术主要通过高压泵组向煤层中持续注入以水为溶剂的高粘度压裂液，当注入压力高于储层的破裂压力时，煤层会被压开并产生裂隙；持续注入压裂液及支撑剂，使煤层中的裂隙得到支持并不断扩展，压裂结束后会在煤层中形成多条瓦斯运移通道，瓦斯抽采量显著提升，达到煤层卸压强化瓦斯抽采的目的。然而通过大量的现场实验发现水力压裂技术在实施过程中压裂液压力上升慢，煤层中的裂纹扩展呈现准静态过程，其扩展方向受主应力影响会发生偏转，一般只会形成一条双翼型主裂缝，离主裂缝较远的煤层中难以形成压裂裂缝，难以达到施工构想的有效贯通裂隙网络。相应的相关学者提出了脉动水力压裂技术，该技术通过调节地面压裂泵实现压裂压力的周期性变化从而实现脉冲的效果，进而对煤层进行压裂，在高压水的脉动压力下形成的水锤作用使岩石更容易破坏，能够在煤层中形成较为复杂的裂隙网络，增加复杂裂纹沟通煤层中的面积，提高压裂效果影响的煤层体积，从而达到更好的煤层增透卸压效果。然而从目前脉动水力压裂技术的使用情况来看，其采用调节地面压裂泵形成脉冲压力过多的损耗于井筒及压裂液，真正用于压裂储层的脉冲能量很少，无法实现采用高压水体脉冲压力强化煤层裂缝扩展的预期目的。此外无论是采用水力压裂技术还是脉动水力压裂技术在松软煤层中的使用都有较大的困境，压裂过程在松软煤层中形成的压裂裂缝随施工时间的增加会逐渐闭合，影响瓦斯抽采效果；此外压裂过程中使用的支撑剂、压裂液中的化学药剂会产生水锁效应影响瓦斯解吸、对煤层造成损伤，压裂过程中使用并污染大量的水会对环境造成极大损害。基于此，本发明拟提出一种能够循环使用水体、提高脉动压力的能量使用效率并能控制脉动频率的一种脉冲水力裂切煤层卸压增透的装置及方法，克服相关技术难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种脉冲水力裂切煤层卸压增透装置及卸压增透方法，在对需要卸压抽采的煤层钻孔施工完毕后，利用该装置的脉冲流体发生装置形成脉冲频率、压力可调的高压脉冲水流，高压脉冲水流通过输送杆将高压脉冲流体输入胀裂器对煤壁形成周期性张压应力，对煤壁产生破坏形成新的裂隙，在煤层内产生贯通复杂的裂隙网络为瓦斯运移提供通道。裂切结束后，胀裂器膨胀变形产生的支撑应力能够支撑新生成的裂隙不重新闭合，进而强化煤层增透卸压及瓦斯抽采效果。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种脉冲水力裂切煤层卸压增透装置，包括水箱，水箱为高压水泵提供水源，高压水泵能将水箱中的水加压形成100MPa的高压水，与水箱出口通过第一管道相连的高压储水罐，高压储水罐出口通过第二管道和高压软管相连通，所述高压软管末端设有输送杆，输送杆端部设有胀裂器，所述胀裂器位于煤层内，所述第一管道上从左至右依次设有高压水泵和第一压力表，所述第二管道上从左至右依次设有第一气动阀、第二压力表以及位于第二管路末端的三通，所述三通右侧出口与高压软管相连通，三通上部出口与第三管路相连通，第三管路出口与水箱上部相连通，所述第三管路从右至左依次设有第二气动阀和引射泵，所述第一气动阀和第二气动阀通过控制电路与电磁阀组连接，所述高压水泵、引射泵和电磁阀组均由控制柜控制开合，这样设置的目的是施工人员可通过含PLC控制器的控制柜对电磁阀组的控制按钮开闭两条管路上的气动阀，形成脉冲压力、频率可调的脉冲水流并实现各个节点处高压水的压力监控与胀裂器排出水体的循环利用，所述控制柜含有PLC控制器、控制按钮及仪表盘，第一压力表和第二压力表通过传感器将电信号传输给控制器的仪表盘，所述高压储水罐进口和出口处均设有高压针阀，高压针阀用以保证高压储水罐的安全，在设备启用时两端高压针阀处于打开状态，高压储水罐出口处针阀通过第二管道依次与第二气动阀及第二压力表连接。

进一步的，所述胀裂器包括裂切软体，所述裂切软体充满液体时呈纺锤体状，且纺锤体的宽度大于钻孔的直径，裂切软体顶部设有上部壳体，裂切软体底部设有下部壳体，裂切软体中心贯穿有注液管，注液管顶部与上部壳体固定连接，注液管上位于裂切软体内的部分圆周上设有筛孔，这样设置的目的是，脉冲水流经过注液管上的筛孔进入裂切软体，裂切软体在脉冲水流以及上、下壳体的作用下产生周期性膨胀，从而对煤壁产生压缩-膨胀-压缩的周期性张压应力，使煤层中裂隙不断发育形成致密贯通的裂隙网络，从而达到煤层卸压强化瓦斯抽采的目的。

进一步的，所述上部壳体、下部壳体、注液管均由硬质合金制作，不仅便于胀裂器在钻孔中的推进、减小裂切软体在钻孔内的磨损，还能限制裂切软体注水过程中的轴向膨胀，进而增大胀裂器的径向膨胀及其对煤壁的径向压力进而提高装置裂切效果。

进一步的，所述输送杆由多段杆体首尾相接组成，钻孔中的输送杆通过快速接头的方式连接，每段杆体上均设有刻度，每个杆体一端设有母接头，另一端设有公接头，公接头端部呈锥状且公接头上车有一个环形凹槽，环形凹槽内设有O型密封圈，环形凹槽左侧还设有一个环形凸起，所述母接头为与公接头相互匹配的U型卡槽，杆体中心还设有通道。

进一步的，位于输送杆前端的杆体一端设有公接头，另一端外表面车有锥形螺纹，该杆体通过其端部的锥形螺纹与高压软管固定连接，该种形式的连接便于快速操作。

一种脉冲水力裂切煤层卸压增透装置的卸压增透方法，包括以下步骤：

（1）使用钻机钻孔至设计孔深处停钻，采用高压气体洗孔；

（2）将胀裂器推进至煤层中，将系统连接好，并检查各个部分的气密性；

（3）打开高压储水罐两端的针阀，在控制柜面板上启动高压水泵，直至高压储水罐中的压力达到预定值后关闭水泵；

（4）依靠控制面板上的PLC控制器和操作按钮，系统通过电磁阀组按照设置的顺序依次打开及关闭第一气动阀、第二气动阀，实现脉冲水流的形成及裂切液的循环，达到胀裂器的周期性膨胀-收缩进而对煤层形成周期性张压应力，在煤层中形成连续贯通的裂隙网络；

（5）根据煤层的地质情况调节高压水泵的注水压力及开闭气动阀的频率从而实现脉冲压力及脉冲频率的调节，强化煤层卸压增透效果；

（6）该钻孔裂切结束后，对下一个裂切钻孔重复步骤（1）-（4），对煤层进行脉冲裂切，煤层卸压增透工作结束后，打开第二气动阀，对胀裂器进行排水卸压，拆除钻孔中的裂切装置，而后将裂切钻孔连接矿井瓦斯抽采系统进行抽采。

本发明具有的优点是：

1.本装置采用高压水泵产生高压水配合采用电磁阀组控制的气动阀组，通过控制柜实现脉冲水流的形成，配合胀裂器对煤层产生周期性张压应力进而破坏煤层形成致密贯通的裂纹网络，在施工后期延缓新生裂隙闭合，装置整个裂切过程中实现裂切液循环使用，能够达到环保、高效且强化瓦斯抽采的目的；

2.在井下采用气动阀、电磁阀、高压水储罐、控制柜形成的脉冲流体的方式能减弱以往工程中在井上地面形成脉冲流体时井筒、管路、压裂液中能量的损耗，提高脉冲流体能量利用效率；

3.采用含PLC控制单元的控制柜调节电磁阀开闭使高压水储罐形成脉冲流体的方式相较于以往调节地面压裂泵的方式能方便快捷的对脉冲流体的脉冲频率、脉冲压力进行调节，并能准确检测与控制形成的脉冲流体各项参数，提高形成脉冲流体的稳定性；

4.本装置采用气动阀、引射泵能对脉冲形成的返回流引导至水箱中加以利用，使裂切流体能够循环使用，克服了水力压裂等水力化措施对水资源的大量浪费，便于在缺水地区使用；

5.本装置虽然使用高压脉冲水流对煤层进行裂切，但是在实施过程中水体并不直接与煤层接触，故而能避免采用水力化措施时产生水锁效应影响瓦斯解吸，也不存在化学药剂污染储层及环境的问题；

6.本装置采用脉冲频率及脉冲压力可调的脉冲裂切方法能够减弱地应力对裂纹扩展的影响，克服了水力压裂过程中形成的单一双翼型主裂缝，能形成复杂连续且贯通的裂隙网络，增加复杂裂纹沟通煤层中的面积，提高压裂效果影响的煤层体积，强化瓦斯抽采效果；

7.本装置使用的胀裂器在裂切结束后可以通过关闭气动阀的方式封闭胀裂器，使其在煤层中形成一个高压流体单元，在煤层中起到支撑新生裂隙网络、延缓新生裂隙重新闭合的作用，克服了水力压裂、脉动水力压裂措施实施后煤层裂隙闭合的负面影响，从而提高煤层瓦斯抽采效率。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2为本发明的输送杆剖面图。

图3为本发明与高压软管连接的杆体的剖面图。

图4为本发明的胀裂器剖面图。

具体实施方式

本申请中的上、下、左、右等方位词均是以说明书附图1中的位置关系为参考。

如图所示，一种脉冲水力裂切煤层卸压增透装置，包括水箱1，水箱为高压水泵提供水源，高压水泵能将水箱中的水加压形成100MPa的高压水，与水箱出口通过第一管道相连的高压储水罐6，高压储水罐6出口通过第二管道和高压软管相连通，所述高压软管末端设有输送杆11，输送杆11端部设有胀裂器14，所述胀裂器14位于煤层13内，煤层13顶部有顶板15，煤层底部有底板12，所述第一管道上从左至右依次设有高压水泵2和第一压力表3，所述第二管道上从左至右依次设有第一气动阀7、第二压力表9以及位于第二管路末端的三通，所述三通右侧出口与高压软管相连通，三通上部出口与第三管路相连通，第三管路出口与水箱1上部相连通，所述第三管路从右至左依次设有第二气动阀10和引射泵5，所述第一气动阀7和第二气动阀10通过控制电路与电磁阀组8连接，所述高压水泵2、引射泵5和电磁阀组8均由控制柜4控制启动，这样设置的目的是施工人员可通过含PLC控制器的控制柜对电磁阀组的控制按钮开闭两条管路上的气动阀，形成脉冲压力、频率可调的脉冲水流并实现各个节点处高压水的压力监控与胀裂器排出水体的循环利用，所述控制柜4含有PLC控制器、控制按钮及仪表盘，第一压力表3和第二压力表9通过传感器将电信号传输给控制器的仪表盘，所述高压储水罐进口和出口处均设有高压针阀，高压针阀用以保证高压储水罐的安全，在设备启用时两端高压针阀处于打开状态，高压储水罐出口处针阀通过第二管道依次与第二气动阀及第二压力表连接；进一步的，所述胀裂器14包括裂切软体14.2，所述裂切软体14.2充满液体时呈纺锤体状，且纺锤体的直径大于钻孔的直径，裂切软体14.2顶部设有上部壳体14.1，裂切软体底部设有下部壳体14.5，所述上部壳体14.1、下部壳体14.5、注液管14.4均由硬质合金制作，不仅便于胀裂器在钻孔中的推进、减小裂切软体在钻孔内的磨损，还能限制裂切软体注水过程中的轴向膨胀，进而增大胀裂器的径向膨胀及其对煤壁的径向压力进而提高装置裂切效果，裂切软体中心贯穿有注液管14.4，注液管顶部与上部壳体固定连接，注液管上位于裂切软体内的部分圆周上设有筛孔14.3，这样设置的目的是，脉冲水流经过注液管上的筛孔进入裂切软体，裂切软体在脉冲水流以及上、下壳体的作用下产生周期性膨胀，从而对煤壁产生压缩-膨胀-压缩的周期性张压应力，使煤层中裂隙不断发育形成致密贯通的裂隙网络，从而达到煤层卸压强化瓦斯抽采的目的；进一步的，所述输送杆11由多段杆体11.3首尾相接组成，钻孔中的输送杆通过快速接头的方式连接，每段杆体11.3上均设有刻度，每个杆体一端设有母接头11.2，另一端设有公接头11.7，公接头端部呈锥状且公接头上车有一个环形凹槽11.6，环形凹槽11.6内设有O型密封圈，环形凹槽左侧还设有一个环形凸起11.5，所述母接头11.2为与公接头相互匹配的U型卡槽11.1，杆体中心还设有通道11.4，位于输送杆前端的杆体一端设有公接头，另一端外表面车有锥形螺纹，该杆体通过其端部的锥形螺纹11.8与高压软管固定连接，该种形式的连接便于快速操作。

具体使用时，水箱1中的水通过高压水泵2加压形成高压水储存于高压储水罐6中，通过第一压力表3可以实时观测高压储水罐6中的压力，高压储水罐6另一端通过第一气动阀7实现开启及闭合，第一气动阀7通过电磁阀组8启动，高压水泵2、第一压力表3、第一气动阀7、电磁阀组8均连接至控制柜4，控制柜4中含有PLC控制器、控制按钮、仪表盘，通过控制柜4仪表盘可以监测高压储罐6的中的压力，在水压不足时可通过操作相关控制按钮启动高压水泵2对高压储水罐6进行注水补压。实施裂切时，通过控制柜4的控制按键启动电磁阀组8进而开启气动阀7释放高压水流进入管路流至输送杆11，在此过程中第二气动阀10一直处于闭合状态，输送杆左侧通过锥形螺纹11.8与高压软管连接，输送杆间母接头11.2与公接头11.7采用快速接头方式连接，杆间连接处采用U型卡配合卡槽11.1与环形凸起11.5保证连接的稳定性。高压水经输送杆内部通道11.4最终至胀裂器14。水流通过注液管14.4上布置的筛孔14.3进入裂切软体14.2中，裂切软体14.2受高压水作用产生膨胀变形，在上部壳体14.1及下部壳体14.5的轴向限制作用下，裂切软体14.2径向变形量达到最大从而对煤体产生径向应力，此时可通过第二压力表9观察胀裂器14内部压力。第二压力表9、第二气动阀10、引射泵也连接在控制柜4上。当胀裂器14压力达到最大时，通过控制柜4中的PLC控制器控制电磁阀组8先关闭第一气动阀7，与此同时开启第二气动阀10与引射泵5，快速将胀裂器14中的水引射至水箱1中，在此过程中煤壁受到的压应力逐渐减小；而后控制柜4中的PLC控制器再打开第一气动阀7，关闭第二气动阀10、引射泵5，再对胀裂器14中冲入高压水流进而对煤层产生强大的径向应力。依此循环操作，在高压脉冲水流的作用下胀裂器产生周期性膨胀-收缩进而对煤层形成周期性张压应力，煤层中形成致密的贯通裂纹网络，从而达到煤层增透、强化瓦斯抽采的目的。在操作过程中通过调节控制柜4中的PLC控制器可调整开闭第一气动阀7、第二气动阀10的时间及频率，从而实现脉冲流体频率的调整，通过调节高压水泵2的注入压力及时间可实现脉冲压力的控制。在脉冲裂切操作结束后，关闭第一气动阀7、第二气动阀10，胀裂器14中依旧能维持较高压力，此时胀裂器在煤层中能够起到支撑剂的作用，延缓新生裂隙网络再次闭合，从而提高瓦斯抽采效果。

利用该装置对煤层进行脉冲裂切达到卸压增透时包含以下步骤：

1.使用钻机钻孔，施工至设计孔深处停钻，采用高压气体洗孔，洗孔的目的一方面方便胀裂器在钻孔内推进，另一方面清除钻孔内杂物，防止胀裂器破损；

2.将胀裂器与输送杆连接，使用输送杆将胀裂器推进至煤层中，而后按照图1所示将系统连接好，并检查各个部分的气密性；

3.打开高压储水罐两端的针阀，在控制柜面板上启动高压水泵，直至高压储水罐中的压力达到预定值后关闭水泵；

4.依靠控制面板上的PLC控制器，按下操作按钮，系统通过电磁阀组按照设置的顺序依次打开及关闭第一气动阀、第二气动阀，实现脉冲水流的形成及裂切液的循环，达到胀裂器的周期性膨胀-收缩进而对煤层形成周期性张压应力，在煤层中形成连续贯通的裂隙网络；

5.根据煤层的地质情况调节高压水泵的注水压力及开闭气动阀的频率从而实现脉冲压力及脉冲频率的调节，强化煤层卸压增透效果；

6.该钻孔裂切结束后，对下一个裂切钻孔重复1-4中的步骤，对煤层进行脉冲裂切；煤层卸压增透工作结束后，打开第二气动阀，对胀裂器进行排水卸压，拆除钻孔中的裂切装置，而后将裂切钻孔连接矿井瓦斯抽采系统进行抽采。