CN209115148U - 一种煤矿水力压裂用割缝装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种煤矿水力压裂用割缝装置，包括控制设备、钻杆、高压水泵以及若干旋转钻头，旋转钻头设置在钻杆上，旋转钻头上设置有若干水流喷孔；钻杆内设置有线路管和供水管，供水管与水流喷孔连通；线路管中设置旋转钻头的动力线缆和控制线缆；旋转钻头的动力装置通过控制线缆连接控制设备，高压水泵的入水口连接供水管道，高压水泵的出水口连通钻杆内的供水管实现了计算机统一控制，能将钻孔周围应力、煤内裂隙发育等情况综合起来，有效地实现煤层均匀卸压而不留空白带，既增多煤内裂隙数量增加煤层透气性，又能避免应力集中，其控制范围大，影响半径能够达到几十米，后续的瓦斯抽采效果更好。
Description
技术领域
本实用新型属于煤矿水力压裂技术和高压水射流割缝技术领域，具体涉及一种煤矿水力压裂用割缝装置。
背景技术
煤炭是地球上蕴藏最丰富的资源，同时也是煤炭是我国重要的基础能源，约占我国发电量的60％，进入21世纪以来，我国煤炭取得了巨大的发展，煤炭开发在开采规模、采煤方法、技术装备水平上在朝着大型综合技术化开采，但随着煤矿开采深度的不断增加，瓦斯灾害越来越严重。瓦斯灾害是煤矿主要灾害之一，是制约我国矿井安全生产的重大威胁，如何预防和治理瓦斯灾害是我国煤矿安全发展的重大课题。在我国，通过打钻孔抽采瓦斯的常规措施是治理矿井瓦斯***事故和煤与瓦斯突出事故的重要方法，但我国大部分煤层透气性差，煤层瓦斯含量高，地质条件比较复杂具有严重的突出危险，瓦斯抽采难度大，常规技术难以达到预抽效果，如何增加煤层渗透性成为制约瓦斯抽采的瓶颈。在此背景下我国应用水力压裂技术，通过高压泵向煤层注入压裂液，当液体压入速度超过煤层自然吸收速度时，液体压力使煤层内的裂隙扩大，然后将带有支撑剂的携砂液注入压裂液继续充填裂隙，压注结束后压力液返排，携砂支撑剂则留在裂缝内，形成气体导流通道。水力压裂技术控制范围大，影响半径能够达到几十米，但难以实现煤体均匀卸压、增透而不留空白带。随着瓦斯抽采的进行，钻孔周围的裂隙会在地应力的作用下逐渐闭合，因此要对钻孔周围煤层进行充分卸压，防止裂隙闭合，而高压水水射流割缝技术可以很好解决这一问题。
实用新型内容
为解决上述问题，本实用新型提供一种煤矿水力压裂用割缝装置，结合水力压裂技术和高压水割缝技术优缺点，提供了一种操作简单、效果明显的水力压裂割缝装置能够使煤层均匀卸压，增加煤层内裂隙发育，提高瓦斯抽采效率。
为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种煤矿水力压裂用割缝装置，包括控制设备、钻杆、高压水泵以及若干可旋转钻头，可旋转钻头设置在钻杆上，可旋转钻头上设置有若干水流喷孔；钻杆内设置有线路管和供水管，供水管与水流喷孔连通；线路管中设置可旋转钻头的动力线缆和控制线缆；可旋转钻头的动力装置通过控制线缆连接控制设备，高压水泵的入水口连接供水管道，高压水泵的出水口连通钻杆内的供水管。
水流喷孔沿可旋转钻头一周均匀设置，水流喷孔的轴线沿可旋转钻头的径向分布。
每个可旋转钻头单独通过控制线缆连接控制设备。
可旋转钻头沿钻杆的轴线间隔安装，可旋转钻头与钻杆转动连接；可旋转钻头连接动力装置的输出端，动力装置的固定端与钻杆固定连接。钻杆内供水管的数量与可旋转钻头的数量一致，每个可旋转钻头单独连接一条供水管。
钻杆的尾端设线路管接口和供水管接口，外部线路管与钻杆内部线路管通过线路管接口连接，供水管通过供水管接口与钻杆内部的四根供水管连接，并向四根供水管供水。线路管接口和供水管接口均采用标准接口。
高压水泵的出水口与供水管接口之间设置卸压阀，供水管道上设置有水阀和流量计。
可旋转钻头的动力装置以及线路管与供水管之间设有由防水耐火材料制成的防水隔层。
高压水泵上还设置有压力表。
可旋转钻头包括第一旋转钻头、第二旋转钻头、第三旋转钻头以及第四旋转钻头，钻杆内设置四根供水管分别与第一旋转钻头、第二旋转钻头、第三旋转钻头以及第四旋转钻头连通。
与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益效果：本新型煤矿水力压裂用割缝装置结构设计合理，使用方法简单，实现了计算机统一控制，能将钻孔周围应力、煤内裂隙发育等情况综合起来，灵活的调整所要启动的钻头数量、切割水压和钻头旋转角度等；能够将水力压裂技术和水射流割缝技术综合起来，有效地实现煤层均匀卸压而不留空白带，既增多煤内裂隙数量增加煤层透气性，又能避免应力集中，其控制范围大，影响半径能够达到几十米，后续的瓦斯抽采效果更好。
附图说明
图1为本实用新型的工作示意图；
图2为钻杆结构示意图；
图3为本实用新型图1中可旋转钻头的局部结构示意图；
附图中：1-控制设备，2-线路管，3-第一旋转钻头，4-第二旋转钻头，5-第三旋转钻头，6-第四旋转钻头，7-煤层，8-钻杆，9-卸压阀，10-高压水泵，11-水阀，12-供水管道，13-流量计，14-压力表，15-水流喷孔，16-切割面，17-线路管接口，18-供水管接口，19-防水隔层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。
高压水射流割缝技术是通过高压水泵增压后注入煤层，在井下由自动切换的切缝器的喷嘴喷出，形成具有较强穿透能力的高压射流，对煤层进行切割和破碎。水射流割缝技术能够很好的实现煤层均匀卸压而不留空白带，但影响半径仅有几米。
如图1所示，一种煤矿水力压裂用割缝设备，包括控制设备1，钻杆8，第一旋转钻头3、第二旋转钻头4、第三旋转钻头5、第四旋转钻头6，控制设备1通过线路管2与钻杆8上的线路管接口17相连，控制钻杆8上的可旋转钻头的旋转，控制设备1通过线路管2还连接高压水泵10，控制着高压水泵10的出水压力；高压水泵10的入水口与设置有水阀11和流量计13的供水管道12相连，高压水泵10的出水口与带有卸压阀9的管路与钻杆的供水管接口相连；线路管接口17和供水管接口18均为标准接口，方便连接和拆卸；可旋转钻头的动力装置采用旋转电机。
如图2所示，钻杆8上安装有第一旋转钻头3、第二旋转钻头4、第三旋转钻头5以及第四旋转钻头6，第一旋转钻头3、第二旋转钻头4、第三旋转钻头5以及第四旋转钻头6沿着钻杆8的轴线间隔设置；如图3所示，钻杆8内部有一条线路管和四条供水管，钻杆8的尾部设有线路管接口17和供水管接口18，钻杆8通过线路管接口17和供水管接口18与外部管线相连；可旋转钻头上均匀分布一圈水流喷孔15，水流喷孔15的轴线沿可旋转钻头的径向分布，可旋转钻头内设置有动力装置带动可旋转钻头旋转，动力装置及相应线路与供水管之间设有防水耐火的防水隔层19，用以保证安全。
线路管2中设置动力线缆和控制线缆，线路管2与线路管接口17连通。
控制设备采用计算机，控制设备通过控制线缆连接高压水泵10与可旋转钻头的动力装置；根据煤层内实际情况，第一旋转钻头3、第二旋转钻头4、第三旋转钻头5、第四旋转钻头6能同时或者分别启动，可旋转钻头的旋转角度能灵活改变，其角度改变通过控制设备1控制；控制设备1实时控制高压水泵10的输出压力。
钻杆8上设置有旋转电机，因钻杆8尺寸有限，故电动机选择结构简单且运行可靠的笼型三相异步电动机；旋转电机的定子置于钻杆8内，与钻杆8固定连接，转子设置在可钻转钻头内，钻杆8与可旋转钻头旋转连接，钻杆内供电线路负责为旋转电机提供电力，旋转钻头之间的旋转互不影响。在接通电力后，旋转的定子磁场切割转子导条，在转子绕组中感应出一个转子磁场，引起转子旋转，其旋转角度通过内部的控制线路受计算机控制。
作为一个具体的实施方式，钻杆8与旋转钻头之间设置轴承，轴承内圈与钻杆8固定连接，轴承外圈与可旋转钻头固定连接；可旋转钻头连接旋转电机的输出端，旋转电机的固定端与钻杆8固定连接。
另外，压力表14和流量计13通过线缆与控制设备实现通信连接。
工作人员通过数值模拟分析软件，计算分析煤体内部的应力状况，进而预测煤体内的可能变形区域和钻孔周围的应力集中范围；根据计算和模拟出的结果，掌握煤体内裂隙的起裂、发育情况，预先设置好应该启动的可旋转钻头数量和高压水泵水压大小。
使用时本装置时，首先采用常规方法使用钻杆8垂直于巷道帮壁向煤岩层内钻进，计算机控制设备1按照预先设置好的启动可旋转钻头数量和高压水泵出水压力控制可旋转钻头和高压水泵；打开供水管路12的水阀11向高压水泵10内持续供水，实时监测压力表14读数。当高压水泵达到预先设定的压力后，打开卸压阀9，水流喷孔15开始喷出高压水流。计算机控制设备1设置好第一旋转钻头3、第二旋转钻头4、第三旋转钻头5、第四旋转钻头6的旋转角度。当一切设置完毕后，计算机启动可旋转钻头开始工作。一段时候后切割完毕，通过计算机控制设备1关闭可旋转钻头的旋转，水阀11停止供水，关闭高压水泵10，拿出钻杆并对其进行冲洗防止内部管路堵塞影响下次使用。后续，计算机控制设备1模拟整个切割过程，评价切割效果，及时对下一步方案做出改进。
本实用新型能够将水力压裂技术和水射流割缝技术综合起来，能够很好的实现煤层均匀卸压而不留空白带，既增多煤内裂隙数量增加煤层透气性又避免应力集中，其控制范围大，影响半径能够达到十几米。
Claims (10)
1.一种煤矿水力压裂用割缝装置，其特征在于，包括控制设备(1)、钻杆(8)、高压水泵以及若干可旋转钻头，可旋转钻头设置在钻杆(8)上，可旋转钻头上设置有若干水流喷孔(15)；钻杆(8)内设置有线路管(2)和供水管，供水管与水流喷孔(15)连通；线路管(2)中设置可旋转钻头的动力线缆和控制线缆；可旋转钻头的动力装置通过控制线缆连接控制设备(1)，高压水泵(10)的入水口连接供水管道(12)，高压水泵(10)的出水口连通钻杆(8)内的供水管。
2.根据权利要求1所述的煤矿水力压裂用割缝装置，其特征在于，水流喷孔(15)沿可旋转钻头一周均匀设置，水流喷孔(15)的轴线沿可旋转钻头的径向分布。
3.根据权利要求1所述的煤矿水力压裂用割缝装置，其特征在于，每个可旋转钻头单独通过控制线缆连接控制设备(1)。
4.根据权利要求1所述的煤矿水力压裂用割缝装置，其特征在于，可旋转钻头沿钻杆(8)的轴线间隔安装，可旋转钻头与钻杆(8)转动连接；可旋转钻头连接动力装置的输出端，动力装置的固定端与钻杆(8)固定连接。
5.根据权利要求1所述的煤矿水力压裂用割缝装置，其特征在于，钻杆(8)内供水管的数量与可旋转钻头的数量一致，每个可旋转钻头单独连接一条供水管。
6.根据权利要求1所述的煤矿水力压裂用割缝装置，其特征在于，钻杆(8)的尾端设线路管接口(17)和供水管接口(18)，外部线路管与钻杆(8)内部线路管通过线路管接口(17)连接，供水管通过供水管接口(18)与钻杆(8)内部的四根供水管连接，并向四根供水管供水，线路管接口(17)和供水管接口(18)均采用标准接口。
7.根据权利要求6所述的煤矿水力压裂用割缝装置，其特征在于，高压水泵(10)的出水口与供水管接口(18)之间设置卸压阀(9)，供水管道(12)上设置有水阀(11)和流量计(13)。
8.根据权利要求1所述的煤矿水力压裂用割缝装置，其特征在于，可旋转钻头的动力装置以及线路管(2)与供水管之间设有由防水耐火材料制成的防水隔层(19)。
9.根据权利要求1所述的煤矿水力压裂用割缝装置，其特征在于，高压水泵(10)上还设置有压力表(14)。
10.根据权利要求1所述的煤矿水力压裂用割缝装置，其特征在于，可旋转钻头包括第一旋转钻头(3)、第二旋转钻头(4)、第三旋转钻头(5)以及第四旋转钻头(6)，钻杆(8)内设置四根供水管分别与第一旋转钻头(3)、第二旋转钻头(4)、第三旋转钻头(5)以及第四旋转钻头(6)连通。
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| CN201822000990.5U CN209115148U (zh) | 2018-11-30 | 2018-11-30 | 一种煤矿水力压裂用割缝装置 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111088993A (zh) * | 2020-02-11 | 2020-05-01 | 山东科技大学 | 一种深部低渗透高瓦斯煤层钻-割-封-压钻孔设备及方法 |
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2018
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| CN111088993B (zh) * | 2020-02-11 | 2020-12-08 | 山东科技大学 | 一种深部低渗透高瓦斯煤层钻-割-封-压钻孔设备及方法 |
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