脉冲高压水力割缝-压裂装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种脉冲高压水力割缝‑压裂装置及方法，涉及煤矿瓦斯抽采领域。该装置包括中央控制台、输水器、水力割缝及压裂系统和脉冲水压发生系统；脉冲水压发生系统包括高压水子系统和脉冲高压水频率发生子系统；高压水子系统和输水器的进水口通过注水管连接，输水器的出水口与水力割缝及压裂系统连通；脉冲高压水频率发生子系统包括电动机和球形阀，球形阀设置在注水管上，电动机与球形阀连接；中央控制台分别与高压水子系统和电动机连接。该方法包括施工割缝‑压裂孔与抽放孔；通过脉冲高压水力割缝‑压裂装置对割缝‑压裂孔进行脉冲水力径向割缝以及水力压裂。本发明专利技术解决了现有技术中有效抽放半径小、裂纹扩展无序的技术问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及煤矿瓦斯抽采领域，尤其涉及一种脉冲高压水力割缝-压裂装置及方法。
技术介绍
近年来，我国煤矿随着开采年限的增加，每年以20-50m的速度向深部延伸，大量矿井已进入深部开采，由于地质构造与煤层赋存条件复杂，导致煤层瓦斯抽采效果差，无法消除煤层突出危险性，特别是单一低透气性煤层的瓦斯治理难题亟待解决。我国各大矿区单一低透气性煤层普遍存在，具有突出危险性的单一煤层占比约为35-49％，易导致煤与瓦斯突出事故的发生。现阶段，煤矿水力增透普遍采用单一恒定压力的水力割缝或压裂技术，包括供水系统和水力割缝及压裂系统，由供水系统给水力割缝及压裂系统供水实施水力割缝和压裂。所述水力割缝及压裂系统包括钻机，所述钻机的钻杆连接压控钻头，现有的钻机及压控钻头都是使用恒定压力水进行水力割缝及压裂。实际应用中割缝深度浅、有效抽放半径小、裂纹扩展无序、持续时间短，导致煤层增透效果较差、瓦斯抽采率较低，煤层开采过程中瓦斯频繁超限时有发生，严重威胁矿井的安全生产。基于此，本专利技术提供了一种脉冲高压水力割缝-压裂装置及方法以解决上述的技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种脉冲高压水力割缝-压裂装置，以解决现有的恒定压力水力割缝或压裂技术有效抽放半径小、裂纹扩展无序、持续时间短，导致煤层增透效果较差、瓦斯抽采率较低的技术问题，可有效提高单一低透气性煤层卸压效果、透气性系数与持续时间，明显提升低透气性煤层的瓦斯抽采效率。基于上述目的，本专利技术提供了一种脉冲高压水力割缝-压裂装置，包括中央控制台、输水器、水力割缝及压裂系统和脉冲水压发生系统；所述脉冲水压发生系统包括高压水子系统和脉冲高压水频率发生子系统；所述高压水子系统用于提供高压水；所述水力割缝及压裂系统用于煤层的水力割缝及压裂；所述高压水子系统和所述输水器的进水口通过注水管连接，所述输水器的出水口与所述水力割缝及压裂系统连通；所述脉冲高压水频率发生子系统包括电动机和球形阀，所述球形阀设置在所述注水管上，所述电动机与所述球形阀连接；所述中央控制台分别与所述高压水子系统和所述电动机连接，用于控制所述高压水子系统和所述电动机的转速。可选的，脉冲高压水频率发生子系统还包括减速器和变频器；所述中央控制台与所述变频器连接；所述变频器与所述电动机连接，所述电动机与所述减速器连接，所述减速器与所述球形阀连接。可选的，所述高压水子系统包括水箱，所述水箱的出水口通过输水管与注水泵连接；所述注水泵通过所述注水管与所述输水器连接；所述注水管上还设置有压力传感器，所述压力传感器位于所述球形阀以及所述注水泵之间；所述压力传感器和所述注水泵均与所述中央控制台相连接。可选的，所述注水管上还设置有截止阀，所述截止阀与所述中央控制台相连接；所述截止阀位于所述压力传感器和所述注水泵之间；所述注水管在所述截止阀和所述注水泵之间设置有回水支路，所述回水支路与所述水箱的回水口连通，所述回水支路上设置有溢流阀。可选的，所述水力割缝及压裂系统包括钻机，所述钻机的钻杆连接压控钻头；所述输水器的出水口与所述钻机的管路连通。可选的，所述中央控制台以PLC控制系统为中心控制系统。基于上述目的，本专利技术还提供了一种脉冲高压水力割缝-压裂方法,所述脉冲高压水力割缝-压裂方法包括步骤1、施工割缝-压裂孔与抽放孔；步骤2、通过所述脉冲高压水力割缝-压裂装置对所述割缝-压裂孔进行脉冲水力径向割缝；步骤3、通过所述脉冲高压水力割缝-压裂装置对所述割缝-压裂孔进行脉冲水力压裂。可选的，所述步骤1中，所述割缝-压裂孔与所述抽放孔的施工方法为，首先确定煤层中施工时的钻孔位置以及钻孔间距，然后施工两个抽放孔，两个抽放孔的间距为两倍钻孔间距，然后在两个所述抽放孔的中心施工割缝-压裂孔。可选的，所述步骤2中，脉冲径向割缝施工方法包括：步骤21，将孔口排渣装置通过封孔管路与所述割缝-压裂孔相连；步骤22，保持所述球形阀处于关闭状态，所述中央控制台启动所述高压水子系统向所述注水管内供水；步骤23，当所述注水管中的水压达到一定值时，所述中央控制台发出指令开启所述电动机，通过所述电动机控制所述球形阀的连续开闭，形成脉冲高压水；步骤24，所述脉冲高压水通过所述输水器输送至水力割缝及压裂系统对所述割缝-压裂孔实施水力割缝，产生的废水、煤渣与瓦斯通过所述割缝-压裂孔以及所述封孔管路排入所述孔口排渣装置；可选的，脉冲水力压裂施工方法为：脉冲径向割缝实施完毕后，退出所述水力割缝及压裂系统至设定位置、降低水压至设定值，并在压裂孔口装设封孔器，通过所述水力割缝及压裂系统对割缝-压裂孔实施脉冲水力压裂。本专利技术提供的脉冲高压水力割缝-压裂装置，在现有的水力割缝或压裂的基础上，设定水流压力与变化频率，由现有的单一恒定压力的水流，变成了脉冲高压水，通过脉冲高压水进行水力割缝。本装置包括中央控制台、输水器、水力割缝及压裂系统和脉冲水压发生系统；所述脉冲水压发生系统包括高压水子系统和脉冲高压水频率发生子系统。首先由高压水子系统供水，注入注水管中，由中央控制台控制电动机，再由电动机控制球形阀。初始状态球形阀关闭，当注水管中水压达到一定值时，中央控制台发出指令启动电动机，以控制所述球形阀持续的规律性的开闭，从而形成脉冲高压水。然后由所述输水器供给所述水力割缝及压裂系统，实现脉冲水力割缝和压裂。本专利技术提供的所述脉冲高压水力割缝-压裂装置，改变了现有的恒定压力水的水力割缝及压裂，改恒压水为脉冲水，使用脉冲水进行压裂和割缝，能够使煤体反复承受拉应力与压应力的作用，致使煤体发生拉伸破坏、拉剪破坏与压剪破坏。其有益效果为：(1)在脉冲水力割缝的基础上进行脉冲水力压裂，可使钻孔有效抽放半径比采用单一水力割缝或压裂技术明显增加，能有效减少钻孔施工的工程量；(2)脉冲高压水力割缝-压裂技术能使煤体充分卸压增透，可有效提升煤体透气性系数，且可明显增加高流量瓦斯抽放持续时间，可有效提升煤层的瓦斯抽采效率；(3)脉冲高压水力割缝-压裂技术可有效控制脉冲水力压裂中裂纹扩展方向，可有效防止煤层顶、底板次生灾害事故发生。附图说明为了更清楚地说明本专利技术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，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，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为本专利技术实施例中脉冲高压水力割缝-压裂装置示意图；图2为本专利技术实施例中孔口排渣装置主视图；图3为本专利技术实施例中孔口排渣装置俯视图；图4为本专利技术实施例中孔口排渣装置右视图；图5本专利技术实施例中脉冲高压水力割缝-压裂钻孔布置示意图。附图标记：1-中央控制台； 2-输水器； 3-水箱；4-输水管； 5-注水泵； 6-注水管；7-电动机； 8-球形阀； 9-压力传感器；10-截止阀； 11-溢流阀； 12-钻机；13-压控钻头； 14-减速器； 15-变频器；16-割缝-压裂孔； 17-抽放孔； 18-孔口排渣装置；181-箱体； 182-进渣口； 183-出水口；18本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种脉冲高压水力割缝‑压裂装置，其特征在于，包括中央控制台、输水器、水力割缝及压裂系统和脉冲水压发生系统；所述脉冲水压发生系统包括高压水子系统和脉冲高压水频率发生子系统；所述高压水子系统用于提供高压水；所述水力割缝及压裂系统用于煤层的水力割缝及压裂；所述高压水子系统和所述输水器的进水口通过注水管连接，所述输水器的出水口与所述水力割缝及压裂系统连通；所述脉冲高压水频率发生子系统包括电动机和球形阀，所述球形阀设置在所述注水管上，所述电动机与所述球形阀连接；所述中央控制台分别与所述高压水子系统和所述电动机连接，用于控制所述高压水子系统和所述电动机的转速。

【技术特征摘要】
1.一种脉冲高压水力割缝-压裂装置，其特征在于，包括中央控制台、输水器、水力割缝及压裂系统和脉冲水压发生系统；所述脉冲水压发生系统包括高压水子系统和脉冲高压水频率发生子系统；所述高压水子系统用于提供高压水；所述水力割缝及压裂系统用于煤层的水力割缝及压裂；所述高压水子系统和所述输水器的进水口通过注水管连接，所述输水器的出水口与所述水力割缝及压裂系统连通；所述脉冲高压水频率发生子系统包括电动机和球形阀，所述球形阀设置在所述注水管上，所述电动机与所述球形阀连接；所述中央控制台分别与所述高压水子系统和所述电动机连接，用于控制所述高压水子系统和所述电动机的转速。2.根据权利要求1所述的脉冲高压水力割缝-压裂装置，其特征在于，脉冲高压水频率发生子系统还包括减速器和变频器；所述中央控制台与所述变频器连接；所述变频器与所述电动机连接，所述电动机与所述减速器连接，所述减速器与所述球形阀连接。3.根据权利要求2所述的脉冲高压水力割缝-压裂装置，其特征在于，所述高压水子系统包括水箱，所述水箱的出水口通过输水管与注水泵连接；所述注水泵通过所述注水管与所述输水器连接；所述注水管上还设置有压力传感器，所述压力传感器位于所述球形阀以及所述注水泵之间；所述压力传感器和所述注水泵均与所述中央控制台相连接。4.根据权利要求3所述的脉冲高压水力割缝-压裂装置，其特征在于，所述注水管上还设置有截止阀，所述截止阀与所述中央控制台相连接；所述截止阀位于所述压力传感器和所述注水泵之间；所述注水管在所述截止阀和所述注水泵之间设置有回水支路，所述回水支路与所述水箱的回水口连通，所述回水支路上设置有溢流阀。5.根据权利要求3所述的脉冲高压水力割缝-压裂装置，其特征在于，所述水力割缝及压裂系统包括钻机，所述钻机的钻杆连接压控钻头；所述输水器的出水口与所述钻机的管...

【专利技术属性】
技术研发人员：李峰，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：北京;11