CN113049394A - 一种模拟煤矿坚硬顶板岩层水力压裂的实验装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟煤矿坚硬顶板岩层水力压裂的实验装置和方法，涉及煤矿井下水力压裂技术领域。实验装置包括式样、加压***和压裂***，其中，加压***包括胶管、接头，压裂***包括水箱、高精度流量计、高精度水压表、注水管以及压裂杆。该模拟煤矿坚硬顶板岩层水力压裂的实验装置和方法，本发明使用透明的明胶实验材料和透明的加压部件，能够对水力裂隙起裂、扩展的全过程在实验室环境下进行直接观测、记录，使用特制的切槽工具，能够对实验中对径向切槽进行有效模拟，对切槽的效果进行***研究，水力压裂实验中压裂孔的倾角可任意调整，模拟不同角度下径向切槽对水力裂隙起裂、扩展轨迹的影响。

Description

一种模拟煤矿坚硬顶板岩层水力压裂的实验装置和方法

技术领域

本发明涉及煤矿井下水力压裂领域，具体为一种模拟煤矿坚硬顶板岩层水力压裂的实验装置和方法。

背景技术

水力压裂技术起源于石油开采领域，通过在储层中注入高压水的方式制造出人造裂隙，提高储层的渗透性。随后，该技术被引入煤矿开采领域，用于改善高瓦斯煤层的渗透性和增强放顶煤工作面顶煤或一次采全高工作面坚硬顶板岩层的可冒落性。对水力压裂过程的实验室研究，有助于掌握水力压裂机理，提升现场的压裂效率，实现煤矿的安全高效生产，过往对水力压裂的大部分研究中，当以改善储层或高瓦斯煤层渗透性为应用目的时，主要关注压裂后水力裂隙的尺寸(例如水力裂隙的宽度、长度等)和压裂参数(例如所需水压)。但是，当水力压裂以提升煤体或岩体的可冒落性为应用目的时，掌握水力裂隙的起裂、扩展轨迹对致裂效果的评估至关重要。

现有技术中，绝大部分水力压裂实验装置所用的实验材料和对实验材料施加围压的实验部件均是不透明的，因此无法直接对水力裂隙的起裂、扩展轨迹进行观测、记录，其次，水力裂隙的扩展形态主要分为轴向和径向两种，当致裂坚硬煤岩体促进其冒落时，水力裂隙主要呈径向形态，且在压裂前通常对钻孔进行径向切槽处理，现有的水力压裂实验装置欠缺对压裂前的径向切槽进行有效模拟，因此难以对切槽效果进行实验室研究，专利公开号为CN102031954A、名称为“煤岩钻孔水力致裂装置”的专利公开了一种模拟煤岩钻孔水力压裂的实验装置，该实验装置采用声发射技术，对水力裂隙在不透明材料内的扩展形态进行间接观测，但是，声发射技术对材料内部破坏情况的反演必定存在误差，且反演的精准度难以有效的校准和验证，Deng等发表的名称为“Investigation of DirectionalHydraulic Fracturing Based on True Tri-axial Experiment and Finite ElementModeling”的论文提出了一种在实验室中模拟压裂前钻孔内径向切槽的实验部件，该部件本质上是一种铁质的槽状模具，在实验用混凝土材料成型前放置于材料内部，而非在钻孔内部进行真实的切槽处理，因此无法对当水压作用于切槽表面时对材料所形成的应力集中效应进行有效模拟。

明胶材料具备和岩石相似的弹性、脆性等力学属性，对明胶材料的实验室应用起源于弹道学，随后被国内外学者引入到岩石力学实验室相似模拟研究中，该材料透明，结合透明的加压***，能够对水力裂隙起裂、扩展的全过程进行直接观测和记录，通过因次分析建立了实验室尺寸水力压裂相似模拟结果和现场尺寸水力压裂结果之间的关联，因此，通过合理的确定水力压裂实验参数，能够对现场条件下水力裂隙的扩展轨迹进行模拟，对致裂效果进行评价，为此，我们提出了一种模拟煤矿坚硬顶板岩层水力压裂的实验装置和方法来解决上述问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种模拟煤矿坚硬顶板岩层水力压裂的实验装置和方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种模拟煤矿坚硬顶板岩层水力压裂的实验装置，包括式样、加压***和压裂***，其中，加压***包括胶管、接头，压裂***包括水箱、高精度流量计、高精度水压表、注水管以及压裂杆，所述的式样使用透明的明胶式样，所述的加压***由空气压缩机提供气压对所述的明胶式样进行加压，使用透明的亚克力管、硅胶、透明的热收缩膜、可拆卸底座组成放置所述的明胶式样的实验容器，所述的亚克力管的上下端与所述的热收缩膜的上下端之间的空隙分别使用所述的硅胶进行封堵，形成密闭的对所述的明胶式样施加围压的空间，所述的空气压缩机与所述的亚克力管之间通过所述的胶管和所述的接头连接，所述高精度气压表通过三通管件与所述的胶管连接，用于监测所述的空气压缩机对所述的明胶式样所施加围压的数值；

所述的压裂***由微量注射泵提供液压对所述的明胶式样进行压裂，所述的微量注射泵一端连接水箱，另一端通过两个三通管件分别与所述的高精度流量表和所述的高精度水压表连接，用于记录压裂过程中的流量和水压，所述的微量注射泵通过所述的注水管与所述的压裂杆连接，在所述的明胶式样中使用实心圆柱体塑料杆预制一个圆柱体形状空间，模拟水力压裂钻孔，使用固定支架中的可调角组件，调整所述的实心圆柱体塑料杆的倾角，使用特制切槽工具在所述的圆柱体形状空间预压裂段的孔壁位置切割出径向切槽，作为水力裂隙起裂的人造弱面，压裂前，将所述的压裂杆穿过所述的固定支架中的所述的可调角组件，旋转所述的可调角组件使所述的压裂杆的倾角与所述的圆柱体形状空间的倾角保持一致，并将所述的压裂杆放置于所述的圆柱体形状空间中，所述的压裂杆内嵌两组“O”型密封圈，所述的压裂杆的出水口位于所述的两组“O”型密封圈之间，调整所述的压裂杆在所述的圆柱体形状空间内的位置，使所述的压裂杆出水口所处位置与所述的径向切槽位置保持一致。

进一步优化本技术方案，所述热收缩膜可选用常见的POF热收缩膜、PVC热收缩膜以及PE膜等。

进一步优化本技术方案，所述微量注射泵、高精度流量表以及高精度水压表可整合为一套具备实时监测流量和水压功能的高精度微量注射***。

进一步优化本技术方案，所述特制切槽工具可由L型剔牙工具代替。

一种模拟煤矿坚硬顶板岩层水力压裂的实验方法，包括以下步骤：

S1、配置明胶式样：将明胶粉末按照一定比例放入热水中，搅拌均匀至明胶粉末充分融化后，将明胶溶液倒入由亚克力管、硅胶、热缩膜、可拆卸底座组成的模具中，液面与所述的亚克力管顶部和所述的热缩膜顶部持平；

S2、预制水力压裂钻孔：将实心圆柱体塑料杆穿过固定支架中的可调角组件，旋转所述的可调角组件使所述的实心圆柱体塑料杆达到实验预期的倾角后，将所述的实心圆柱体塑料杆放入明胶溶液中，最后将盛有明胶溶液的由亚克力管、硅胶、热缩膜、可拆卸底座组成的模具、所述的实心圆柱体塑料杆、所述的固定支架放置于冰箱中冷藏；

S3、预制径向切槽：从冰箱中取出盛有已凝固为明胶式样的由亚克力管、硅胶、热缩膜、可拆卸底座组成的模具、实心圆柱体塑料杆、固定支架，将所述的实心圆柱体塑料杆从所述的明胶式样和所述的固定支架中取出，得到圆柱体形状空间，使用特制切槽工具在所述的圆柱体形状空间预压裂段的孔壁位置切割出径向切槽，作为水力裂隙起裂的人造弱面；

S4、安装压裂杆：将压裂杆穿过固定支架中的可调角组件后，放入明胶式样内的圆柱体形状空间，调整所述的压裂杆在所述的圆柱体形状空间内的位置，使压裂杆出水口所处位置与所述的径向切槽位置保持一致；

S5、连接加压***对明胶式样施加围压：将空气压缩机通过胶管、接头与亚克力管连接，将高精度气压表通过三通管件与所述的胶管连接，启动所述的空气压缩机对明胶式样施加围压，观察所述的高精度气压表显示数值，调节所述的空气压缩机阀门使所施加围压达到实验预期数值；

S6、进行水力压裂实验并记录相关数据：将微量注射泵一端与水箱连接，另一端通过注水管与压裂杆连接，使用两个三通管件分别将高精度流量表和高精度水压表与所述的注水管连接，用于记录压裂过程中的流量和水压，启动所述的微量注射泵对明胶式样进行水力压裂，期间透过透明的亚克力管和透明的热收缩膜对水力裂隙起裂、扩展的全过程进行视频记录，压裂完成后打开可拆卸底座取出所述的明胶式样进行拍照记录。

进一步优化本技术方案，所述的步骤S1中明胶粉末与明胶溶液的重量比为4％-20％。

进一步优化本技术方案，所述的步骤S2中实心圆柱体塑料杆倾角为45-90°。

进一步优化本技术方案，所述的步骤S2中明胶溶液放置于冰箱中冷藏温度为2-5℃，冷藏时间约为24h。

进一步优化本技术方案，所述的步骤S3中将特制切槽工具与手电钻通过螺纹接头连接后，将所述的特制切槽工具放入明胶式样内的圆柱体形状空间，开启手电钻制作径向切槽。

进一步优化本技术方案，所述的步骤S5中空气压缩机所施加围压为1000-5000Pa。

与现有技术相比，本发明提供了一种模拟煤矿坚硬顶板岩层水力压裂的实验装置和方法，具备以下有益效果：

1、该模拟煤矿坚硬顶板岩层水力压裂的实验装置和方法，本发明使用透明的明胶实验材料和透明的加压部件，能够对水力裂隙起裂、扩展的全过程在实验室环境下进行直接观测、记录，使用特制的切槽工具，能够对实验中对径向切槽进行有效模拟，对切槽的效果进行***研究，水力压裂实验中压裂孔的倾角可任意调整，模拟不同角度下径向切槽对水力裂隙起裂、扩展轨迹的影响。

2、该模拟煤矿坚硬顶板岩层水力压裂的实验装置和方法，本发明所提出的模拟煤矿坚硬顶板岩层水力压裂的实验装置和方法，可以对不同实验条件下水力裂隙受径向切槽作用起裂、扩展的全过程进行直接观测、记录，且实验成本低廉，操作简便，具有很好的推广和应用价值。

附图说明

图1为本发明所述实验装置进行水力压裂时剖面示意图；

图2为本发明所述实验方法中使用实心圆柱体塑料杆预制圆柱体形状空间剖面示意图；

图3为本发明所述实验方法中在明胶式样预制出圆柱体形状空间剖面示意图；

图4为本发明所述实验方法中在使用特制切槽工具制造出径向切槽剖面示意图；

图5为本发明所述实验装置中压裂杆剖面示意图；

图6为本发明所述实验装置中特制切槽工具剖面示意图；

图7为本发明所述实验方法的流程示意图。

图中：1、空气压缩机；2、胶管；3、高精度气压表；4、接头；5、亚克力管；6、压裂杆；7、水箱；8、微量注射泵；9、高精度流量计；10、高精度水压表；11、注水管；12、固定支架；13、可调角组件；14、硅胶；15、热收缩；16、明胶式样；17、可拆卸底座；18、“O”型密封圈；19、压裂杆出水口；20、径向切槽；21、特制切槽工具；22、螺纹接头；23、实心圆柱体塑料杆；24、圆柱体形状空间。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：请参考图1至图7所示，本发明公开了一种模拟煤矿坚硬顶板岩层水力压裂的实验装置，包括式样、加压***和压裂***，其中，加压***包括胶管2、接头4，压裂***包括水箱7、高精度流量计9、高精度水压表10、注水管11、压裂杆6，式样使用透明的明胶式样16，加压***由空气压缩机1提供气压对明胶式样16进行加压，使用透明的亚克力管5、硅胶14、透明的热收缩膜15、可拆卸底座17组成放置明胶式样16的实验容器，亚克力管5的上下端与热收缩膜15的上下端之间的空隙分别使用硅胶14进行封堵，形成密闭的对明胶式样16施加围压的空间，空气压缩机1与亚克力管5之间通过胶管2和接头4连接，高精度气压表3通过三通管件与胶管2连接，用于监测空气压缩机1对明胶式样16所施加围压的数值，所述的热收缩膜15选用POF热收缩膜；

压裂***由微量注射泵8提供液压对明胶式样16进行压裂，微量注射泵8一端连接水箱7，另一端通过两个三通管件分别与高精度流量表9和高精度水压表10连接，用于记录压裂过程中的流量和水压，微量注射泵8通过注水管11与压裂杆6连接，如图2所示，在明胶式样16中使用实心圆柱体塑料杆23预制一个圆柱体形状空间24(见图3)，模拟水力压裂钻孔，使用固定支架12中的可调角组件13，调整实心圆柱体塑料杆23的倾角，如图4所示，使用特制切槽工具21(见图6)在圆柱体形状空间24预压裂段的孔壁位置切割出径向切槽20，作为水力裂隙起裂的人造弱面，压裂前，将压裂杆6(见图5)穿过固定支架12中的可调角组件13，旋转可调角组件13使压裂杆6的倾角与圆柱体形状空间24的倾角保持一致，并将压裂杆6放置于圆柱体形状空间24中，如图5所示，压裂杆6内嵌两组“O”型密封圈18，压裂杆6的出水口19位于两组“O”型密封圈18之间，调整压裂杆6在圆柱体形状空间24内的位置，使压裂杆出水口19所处位置与径向切槽20位置保持一致。

一种模拟煤矿坚硬顶板岩层水力压裂的实验方法，包括以下步骤：

S1、配置明胶式样：将明胶粉末按照15％的重量比放入热水中，搅拌均匀至明胶粉末充分融化，并倒入由亚克力管5、硅胶14、热收缩膜15、可拆卸底座17组成的模具中，液面与亚克力管5顶部和热收缩膜14顶部持平。

S2、预制水力压裂钻孔：将长度400mm，直径8mm的实心圆柱体塑料杆23穿过固定支架12中的可调角组件13，旋转可调角组件13使实心圆柱体塑料杆23保持50°倾角，实心圆柱体塑料杆23在明胶溶液中的垂直高度为明胶溶液高度的一半，将盛有明胶溶液的模具和固定支架12放置于冰箱，在3℃的环境中冷藏24h。

S3、预制径向切槽：打开可调角组件13，将实心圆柱体塑料杆23轻轻地从凝固的明胶式样16中轻轻拔出，确保预制圆柱体形状空间24的完整性，使用特制切槽工具21在圆柱体形状空间24预压裂段的孔壁位置距离孔底40mm的位置，切割出一个径向切槽20，切槽直径约为钻孔直径的2倍，作为水力裂隙起裂的人造弱面，所述的步骤S3中将特制切槽工具21与手电钻通过螺纹接头22连接后，将特制切槽工具21放入明胶式样16内的圆柱体形状空间24，开启手电钻制作径向切槽20。

S4、安装压裂杆：将直径为10mm的压裂杆6穿过固定支架12中的可调角组件13，旋转可调角组件13使压裂杆6的倾角与圆柱体形状空间24的倾角保持一致，调整压裂杆6在圆柱体形状空间24内的位置，使压裂杆出水口19所处的位置与径向切槽20位置保持一致并固定压裂杆6。

S5、连接加压***对明胶式样施加围压：将空气压缩机1通过胶管2、接头4与亚克力管5连接，将高精度气压表3通过三通管件与胶管2连接，启动空气压缩机1对明胶式样16施加围压，观察高精度气压表3显示数值，调节空气压缩机1的压力阀门将高精度气压表的示数升至1300Pa。

S6、进行水力压裂实验并记录相关数据：将微量注射泵8的一端与水箱7连接，另一端通过注水管11与压裂杆6连接，使用两个三通管件分别将高精度流量表9和高精度水压表10与注水管11连接，用于记录压裂过程中的流量和水压，启动微量注射泵8对明胶式样16进行水力压裂，期间透过透明的亚克力管5和透明的热收缩膜15对水力裂隙起裂、扩展的全过程进行视频记录，压裂完成后打开可拆卸底座17取出明胶式样16进行拍照记录。

实施例二：请参考图1至图7所示，本发明公开了一种模拟煤矿坚硬顶板岩层水力压裂的实验装置，包括式样、加压***和压裂***，其中，加压***包括胶管2、接头4，压裂***包括水箱7、高精度流量计9、高精度水压表10、注水管11、压裂杆6，式样使用透明的明胶式样16，加压***由空气压缩机1提供气压对明胶式样16进行加压，使用透明的亚克力管5、硅胶14、透明的热收缩膜15、可拆卸底座17组成放置明胶式样16的实验容器，亚克力管5的上下端与热收缩膜15的上下端之间的空隙分别使用硅胶14进行封堵，形成密闭的对明胶式样16施加围压的空间，空气压缩机1与亚克力管5之间通过胶管2和接头4连接，高精度气压表3通过三通管件与胶管2连接，用于监测空气压缩机1对明胶式样16所施加围压的数值，所述的热收缩膜15选用PVC热收缩膜。

压裂***由微量注射泵8提供液压对明胶式样16进行压裂，微量注射泵8一端连接水箱7，另一端通过两个三通管件分别与高精度流量表9和高精度水压表10连接，用于记录压裂过程中的流量和水压，微量注射泵8通过注水管11与压裂杆6连接，如图2所示，在明胶式样16中使用实心圆柱体塑料杆23预制一个圆柱体形状空间24(见图3)，模拟水力压裂钻孔，使用固定支架12中的可调角组件13，调整实心圆柱体塑料杆23的倾角，如图4所示，使用特制切槽工具21(见图6)在圆柱体形状空间24预压裂段的孔壁位置切割出径向切槽20，作为水力裂隙起裂的人造弱面，压裂前，将压裂杆6(见图5)穿过固定支架12中的可调角组件13，旋转可调角组件13使压裂杆6的倾角与圆柱体形状空间24的倾角保持一致，并将压裂杆6放置于圆柱体形状空间24中，如图5所示，压裂杆6内嵌两组“O”型密封圈18，压裂杆6的出水口19位于两组“O”型密封圈18之间，调整压裂杆6在圆柱体形状空间24内的位置，使压裂杆出水口19所处位置与径向切槽20位置保持一致。

一种模拟煤矿坚硬顶板岩层水力压裂的实验方法，包括以下步骤：

S1、配置明胶式样：将明胶粉末按照10％的重量比放入热水中，搅拌均匀至明胶粉末充分融化，并倒入由亚克力管5、硅胶14、热收缩膜15、可拆卸底座17组成的模具中，液面与亚克力管5顶部和热收缩膜14顶部持平。

S2、预制水力压裂钻孔：将长度400mm，直径8mm的实心圆柱体塑料杆23穿过固定支架12中的可调角组件13，旋转可调角组件13使实心圆柱体塑料杆23保持60°倾角，实心圆柱体塑料杆23在明胶溶液中的垂直高度为明胶溶液高度的一半，将盛有明胶溶液的模具和固定支架12放置于冰箱，在4℃的环境中冷藏24h。

S3、预制径向切槽：打开可调角组件13，将实心圆柱体塑料杆23轻轻地从凝固的明胶式样16中轻轻拔出，确保预制圆柱体形状空间24的完整性，使用特制切槽工具21在圆柱体形状空间24预压裂段的孔壁位置距离孔底40mm的位置，切割出一个径向切槽20，切槽直径约为钻孔直径的2倍，作为水力裂隙起裂的人造弱面，所述的步骤S3中将特制切槽工具21与手电钻通过螺纹接头22连接后，将特制切槽工具21放入明胶式样16内的圆柱体形状空间24，开启手电钻制作径向切槽20。

S4、安装压裂杆：将直径为10mm的压裂杆6穿过固定支架12中的可调角组件13，旋转可调角组件13使压裂杆6的倾角与圆柱体形状空间24的倾角保持一致，调整压裂杆6在圆柱体形状空间24内的位置，使压裂杆出水口19所处的位置与径向切槽20位置保持一致并固定压裂杆6。

S5、连接加压***对明胶式样施加围压：将空气压缩机1通过胶管2、接头4与亚克力管5连接，将高精度气压表3通过三通管件与胶管2连接，启动空气压缩机1对明胶式样16施加围压，观察高精度气压表3显示数值，调节空气压缩机1的压力阀门将高精度气压表的示数升至1500Pa。

S6、进行水力压裂实验并记录相关数据：将微量注射泵8的一端与水箱7连接，另一端通过注水管11与压裂杆6连接，使用两个三通管件分别将高精度流量表9和高精度水压表10与注水管11连接，用于记录压裂过程中的流量和水压，启动微量注射泵8对明胶式样16进行水力压裂，期间透过透明的亚克力管5和透明的热收缩膜15对水力裂隙起裂、扩展的全过程进行视频记录，压裂完成后打开可拆卸底座17取出明胶式样16进行拍照记录。

实施例三：请参考图1至图7所示，本发明公开了一种模拟煤矿坚硬顶板岩层水力压裂的实验装置，包括式样、加压***和压裂***，其中，加压***包括胶管2、接头4，压裂***包括水箱7、高精度流量计9、高精度水压表10、注水管11、压裂杆6，式样使用透明的明胶式样16，加压***由空气压缩机1提供气压对明胶式样16进行加压，使用透明的亚克力管5、硅胶14、透明的热收缩膜15、可拆卸底座17组成放置明胶式样16的实验容器，亚克力管5的上下端与热收缩膜15的上下端之间的空隙分别使用硅胶14进行封堵，形成密闭的对明胶式样16施加围压的空间，空气压缩机1与亚克力管5之间通过胶管2和接头4连接，高精度气压表3通过三通管件与胶管2连接，用于监测空气压缩机1对明胶式样16所施加围压的数值，所述的热收缩膜15选用PE膜。

压裂***由微量注射泵8提供液压对明胶式样16进行压裂，微量注射泵8一端连接水箱7，另一端通过两个三通管件分别与高精度流量表9和高精度水压表10连接，用于记录压裂过程中的流量和水压，微量注射泵8通过注水管11与压裂杆6连接，如图2所示，在明胶式样16中使用实心圆柱体塑料杆23预制一个圆柱体形状空间24(见图3)，模拟水力压裂钻孔，使用固定支架12中的可调角组件13，调整实心圆柱体塑料杆23的倾角，如图4所示，使用特制切槽工具21(见图6)在圆柱体形状空间24预压裂段的孔壁位置切割出径向切槽20，作为水力裂隙起裂的人造弱面，压裂前，将压裂杆6(见图5)穿过固定支架12中的可调角组件13，旋转可调角组件13使压裂杆6的倾角与圆柱体形状空间24的倾角保持一致，并将压裂杆6放置于圆柱体形状空间24中，如图5所示，压裂杆6内嵌两组“O”型密封圈18，压裂杆6的出水口19位于两组“O”型密封圈18之间，调整压裂杆6在圆柱体形状空间24内的位置，使压裂杆出水口19所处位置与径向切槽20位置保持一致。

一种模拟煤矿坚硬顶板岩层水力压裂的实验方法，包括以下步骤：

S1、配置明胶式样：将明胶粉末按照16％的重量比放入热水中，搅拌均匀至明胶粉末充分融化，并倒入由亚克力管5、硅胶14、热收缩膜15、可拆卸底座17组成的模具中，液面与亚克力管5顶部和热收缩膜14顶部持平。

S2、预制水力压裂钻孔：将长度400mm，直径8mm的实心圆柱体塑料杆23穿过固定支架12中的可调角组件13，旋转可调角组件13使实心圆柱体塑料杆23保持70°倾角，实心圆柱体塑料杆23在明胶溶液中的垂直高度为明胶溶液高度的一半，将盛有明胶溶液的模具和固定支架12放置于冰箱，在3℃的环境中冷藏24h。

S3、预制径向切槽：打开可调角组件13，将实心圆柱体塑料杆23轻轻地从凝固的明胶式样16中轻轻拔出，确保预制圆柱体形状空间24的完整性，使用特制切槽工具21在圆柱体形状空间24预压裂段的孔壁位置距离孔底40mm的位置，切割出一个径向切槽20，切槽直径约为钻孔直径的2倍，作为水力裂隙起裂的人造弱面，所述的步骤S3中将特制切槽工具21与手电钻通过螺纹接头22连接后，将特制切槽工具21放入明胶式样16内的圆柱体形状空间24，开启手电钻制作径向切槽20。

S4、安装压裂杆：将直径为10mm的压裂杆6穿过固定支架12中的可调角组件13，旋转可调角组件13使压裂杆6的倾角与圆柱体形状空间24的倾角保持一致，调整压裂杆6在圆柱体形状空间24内的位置，使压裂杆出水口19所处的位置与径向切槽20位置保持一致并固定压裂杆6。

S5、连接加压***对明胶式样施加围压：将空气压缩机1通过胶管2、接头4与亚克力管5连接，将高精度气压表3通过三通管件与胶管2连接，启动空气压缩机1对明胶式样16施加围压，观察高精度气压表3显示数值，调节空气压缩机1的压力阀门将高精度气压表的示数升至2000Pa。

S6、进行水力压裂实验并记录相关数据：将微量注射泵8的一端与水箱7连接，另一端通过注水管11与压裂杆6连接，使用两个三通管件分别将高精度流量表9和高精度水压表10与注水管11连接，用于记录压裂过程中的流量和水压，启动微量注射泵8对明胶式样16进行水力压裂，期间透过透明的亚克力管5和透明的热收缩膜15对水力裂隙起裂、扩展的全过程进行视频记录，压裂完成后打开可拆卸底座17取出明胶式样16进行拍照记录。

判断标准：通过三个实施例对比，效果最佳者为实施例二，因此，选择实施例二为最佳实施例，具体对量的改变，也属于本技术方案保护的范围。

本发明的有益效果：该模拟煤矿坚硬顶板岩层水力压裂的实验装置和方法，本发明使用透明的明胶实验材料和透明的加压部件，能够对水力裂隙起裂、扩展的全过程在实验室环境下进行直接观测、记录，使用特制的切槽工具，能够对实验中对径向切槽进行有效模拟，对切槽的效果进行***研究，水力压裂实验中压裂孔的倾角可任意调整，模拟不同角度下径向切槽对水力裂隙起裂、扩展轨迹的影响；本发明所提出的模拟煤矿坚硬顶板岩层水力压裂的实验装置和方法，可以对不同实验条件下水力裂隙受径向切槽作用起裂、扩展的全过程进行直接观测、记录，且实验成本低廉，操作简便，具有很好的推广和应用价值。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种模拟煤矿坚硬顶板岩层水力压裂的实验装置，包括式样、加压***和压裂***，其中，加压***包括胶管(2)、接头(4)，压裂***包括水箱(7)、高精度流量计(9)、高精度水压表(10)、注水管(11)以及压裂杆(6)，其特征在于：所述的式样使用透明的明胶式样(16)，所述的加压***由空气压缩机(1)提供气压对所述的明胶式样(16)进行加压，使用透明的亚克力管(5)、硅胶(14)、透明的热收缩膜(15)、可拆卸底座(17)组成放置所述的明胶式样(16)的实验容器，所述的亚克力管(5)的上下端与所述的热收缩膜(15)的上下端之间的空隙分别使用所述的硅胶(14)进行封堵，形成密闭的对所述的明胶式样(16)施加围压的空间，所述的空气压缩机(1)与所述的亚克力管(5)之间通过所述的胶管(2)和所述的接头(4)连接，所述高精度气压表(3)通过三通管件与所述的胶管(2)连接，用于监测所述的空气压缩机(1)对所述的明胶式样(16)所施加围压的数值；

所述的压裂***由微量注射泵(8)提供液压对所述的明胶式样(16)进行压裂，所述的微量注射泵(8)一端连接水箱(7)，另一端通过两个三通管件分别与所述的高精度流量表(9)和所述的高精度水压表(10)连接，用于记录压裂过程中的流量和水压，所述的微量注射泵(8)通过所述的注水管(11)与所述的压裂杆(6)连接，在所述的明胶式样(16)中使用实心圆柱体塑料杆(23)预制一个圆柱体形状空间(24)，模拟水力压裂钻孔，使用固定支架(12)中的可调角组件(13)，调整所述的实心圆柱体塑料杆(23)的倾角，使用特制切槽工具(21)在所述的圆柱体形状空间(24)预压裂段的孔壁位置切割出径向切槽(20)，作为水力裂隙起裂的人造弱面，压裂前，将所述的压裂杆(6)穿过所述的固定支架(12)中的所述的可调角组件(13)，旋转所述的可调角组件(13)使所述的压裂杆(6)的倾角与所述的圆柱体形状空间(24)的倾角保持一致，并将所述的压裂杆(6)放置于所述的圆柱体形状空间(24)中，所述的压裂杆(6)内嵌两组“O”型密封圈(18)，所述的压裂杆(6)的出水口(19)位于所述的两组“O”型密封圈(18)之间，调整所述的压裂杆(6)在所述的圆柱体形状空间(24)内的位置，使所述的压裂杆(6)出水口(19)所处位置与所述的径向切槽(20)位置保持一致。

2.根据权利要求1所述的一种模拟煤矿坚硬顶板岩层水力压裂的实验装置，其特征在于，所述热收缩膜(15)可选用常见的POF热收缩膜、PVC热收缩膜以及PE膜等。

3.根据权利要求1所述的一种模拟煤矿坚硬顶板岩层水力压裂的实验装置，其特征在于，所述微量注射泵(8)、高精度流量表(9)以及高精度水压表(10)可整合为一套具备实时监测流量和水压功能的高精度微量注射***。

4.根据权利要求1所述的一种模拟煤矿坚硬顶板岩层水力压裂的实验装置，其特征在于，所述特制切槽工具(21)可由L型剔牙工具代替。

5.一种模拟煤矿坚硬顶板岩层水力压裂的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、配置明胶式样：将明胶粉末按照一定比例放入热水中，搅拌均匀至明胶粉末充分融化后，将明胶溶液倒入由亚克力管(5)、硅胶(14)、热缩膜(15)、可拆卸底座(17)组成的模具中，液面与所述的亚克力管(5)顶部和所述的热缩膜(14)顶部持平；

S2、预制水力压裂钻孔：将实心圆柱体塑料杆(23)穿过固定支架(12)中的可调角组件(13)，旋转所述的可调角组件(13)使所述的实心圆柱体塑料杆(23)达到实验预期的倾角后，将所述的实心圆柱体塑料杆(23)放入明胶溶液中，最后将盛有明胶溶液的由亚克力管(5)、硅胶(14)、热缩膜(15)、可拆卸底座(17)组成的模具、所述的实心圆柱体塑料杆(23)、所述的固定支架(12)放置于冰箱中冷藏；

S3、预制径向切槽：从冰箱中取出盛有已凝固为明胶式样(16)的由亚克力管(5)、硅胶(14)、热缩膜(15)、可拆卸底座(17)组成的模具、实心圆柱体塑料杆(23)、固定支架(12)，将所述的实心圆柱体塑料杆(23)从所述的明胶式样(16)和所述的固定支架(12)中取出，得到圆柱体形状空间(24)，使用特制切槽工具(21)在所述的圆柱体形状空间(24)预压裂段的孔壁位置切割出径向切槽(20)，作为水力裂隙起裂的人造弱面；

S4、安装压裂杆：将压裂杆(6)穿过固定支架(12)中的可调角组件(13)后，放入明胶式样(16)内的圆柱体形状空间(24)，调整所述的压裂杆(6)在所述的圆柱体形状空间(24)内的位置，使压裂杆出水口(19)所处位置与所述的径向切槽(20)位置保持一致；

S5、连接加压***对明胶式样施加围压：将空气压缩机(1)通过胶管(2)、接头(4)与亚克力管(5)连接，将高精度气压表(3)通过三通管件与所述的胶管(2)连接，启动所述的空气压缩机(1)对明胶式样(16)施加围压，观察所述的高精度气压表(3)显示数值，调节所述的空气压缩机(1)阀门使所施加围压达到实验预期数值；

S6、进行水力压裂实验并记录相关数据：将微量注射泵(8)一端与水箱(7)连接，另一端通过注水管(11)与压裂杆(6)连接，使用两个三通管件分别将高精度流量表(9)和高精度水压表(10)与所述的注水管(11)连接，用于记录压裂过程中的流量和水压，启动所述的微量注射泵(8)对明胶式样(16)进行水力压裂，期间透过透明的亚克力管(5)和透明的热收缩膜(15)对水力裂隙起裂、扩展的全过程进行视频记录，压裂完成后打开可拆卸底座(17)取出所述的明胶式样(16)进行拍照记录。

6.根据权利要求5所述的一种模拟煤矿坚硬顶板岩层水力压裂的实验方法，其特征在于，所述的步骤S1中明胶粉末与明胶溶液的重量比为4％-20％。

7.根据权利要求5所述的一种模拟煤矿坚硬顶板岩层水力压裂的实验方法，其特征在于，所述的步骤S2中实心圆柱体塑料杆(21)倾角为45-90°。

8.根据权利要求5所述的一种模拟煤矿坚硬顶板岩层水力压裂的实验方法，其特征在于，所述的步骤S2中明胶溶液放置于冰箱中冷藏温度为2-5℃，冷藏时间约为24h。

9.根据权利要求5所述的一种模拟煤矿坚硬顶板岩层水力压裂的实验方法，其特征在于，所述的步骤S3中将特制切槽工具(21)与手电钻通过螺纹接头(22)连接后，将所述的特制切槽工具(21)放入明胶式样(16)内的圆柱体形状空间(24)，开启手电钻制作径向切槽(20)。

10.根据权利要求5所述的一种模拟煤矿坚硬顶板岩层水力压裂的实验方法，其特征在于，所述的步骤S5中空气压缩机(1)所施加围压为1000-5000Pa。

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