CN213510412U - 一种煤矿井下高压注热水力割缝增透装置 - Google Patents

Abstract

一种煤矿井下高压注热水力割缝增透装置，包括金刚石复合片钻头、高低压转换割缝器、水力割缝浅螺旋整体钻杆、第一高压橡胶软管、高压清水泵、第二高压橡胶软管、微波加热水箱、第三高压橡胶软管、防水锁效应水箱和控制柜，金刚石复合片钻头、高低压转换割缝器、水力割缝浅螺旋整体钻杆、第一高压橡胶软管、高压清水泵、第二高压橡胶软管和微波加热水箱依次首尾可拆卸连接，防水锁效应水箱的出水口通过第三高压橡胶软管连接在第二高压橡胶软管上。本实用新型设计科学，通过注热水提高钻孔周围煤体的透气性，更有利于瓦斯抽采，再注入混合有防水锁剂的常温水降低煤岩心的自吸水量，有效降低水锁伤害的程度。

Description

一种煤矿井下高压注热水力割缝增透装置

技术领域

本实用新型属于煤矿井下瓦斯抽采领域，具体的说，涉及一种煤矿井下高压注热水力割缝增透装置。

背景技术

瓦斯抽采是我国煤矿瓦斯治理的主要技术手段，由于我国高瓦斯、低透气性煤层占60%，煤层开采前抽采瓦斯难度大，很难取得理想的效果，使得瓦斯灾害成为制约煤矿安全的重要因素，因此，如何提高预抽率和缩短预抽期成为亟待解决的难题。

从20世纪60年代开始，我国先后实验研究了多种提高煤层透气性的方法。如保护层开采卸压，煤层注水，水力压裂，水力割缝，松动***等。高压水力割缝卸压增透技术，是以水为介质，对钻孔周围的煤体进行冲刷、剥离，增加煤体中的裂隙，能够大大改善煤层中的瓦斯流动状态，为瓦斯排放创造有利条件，改变了煤体的原始应力和裂隙状况，缓和煤体和围岩中的应力紧张状态，可大大改变煤层的物理力学性质，起到卸压作用，并提高透气性和瓦斯释放能力，提高了瓦斯抽采率，节约瓦斯抽采达标时间。

但常温高压水力割缝方法，采用常温水对煤层进行水力压裂，只是从力学方面考虑，提高煤层透气性，瓦斯释放速率虽有提高，但仍需将其继续完善。现有的文献研究表明：随着煤层温度的升高，煤层瓦斯解吸速率加快，而温度降低则抑制瓦斯解吸。而常温高压水力割缝方法未考虑煤层温度对瓦斯解吸速率的影响。

高压水力割缝方法采用水化作用进行煤层增透，而煤层特殊的基质孔隙和割理组成的孔隙结构特征以及微裂缝分布广的特点使得煤层气储层极易因外来水侵入而发生水锁损害, 严重影响瓦斯的解吸、扩散、渗流。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种煤矿井下高压注热水力割缝增透装置，本实用新型设计科学，通过注热水提高钻孔周围煤体的透气性，更有利于瓦斯抽采，再注入混合有防水锁剂的常温水降低煤岩心的自吸水量，有效降低水锁伤害的程度。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种煤矿井下高压注热水力割缝增透装置，包括金刚石复合片钻头、高低压转换割缝器、水力割缝浅螺旋整体钻杆、第一高压橡胶软管、高压清水泵、第二高压橡胶软管、微波加热水箱、第三高压橡胶软管、防水锁效应水箱和控制柜，金刚石复合片钻头、高低压转换割缝器和水力割缝浅螺旋整体钻杆依次首尾可拆卸固定连接，水力割缝浅螺旋整体钻杆由若干根高压钻杆首尾连接而成，水力割缝浅螺旋整体钻杆的尾端通过高压旋转水尾与第一高压橡胶软管的出水端可拆卸连接，第一高压橡胶软管的进水端与高压清水泵的出水端连接，高压清水泵的进水端与微波加热水箱的出水口通过第二高压橡胶软管连接，防水锁效应水箱的出水口与第三高压橡胶软管的进水端连接，第三高压橡胶软管的出水端连接在第二高压橡胶软管上，第二高压橡胶软管上设置有第一电动阀，第三高压橡胶软管上设置有第二电动阀，第一电动阀设置在第三高压橡胶软管的出水端和微波加热水箱出水口之间，微波加热水箱和防水锁效应水箱内均盛有一定量的水，控制柜内安装有控制器，控制器分别与微波加热水箱、第一电动阀和第二电动阀通过信号电缆信号连接。

防水锁效应水箱内安装有搅拌器，控制器与搅拌器通过信号电缆信号连接。

微波加热水箱内壁上部和底部均沿微波加热水箱的长度方向间隔设有若干块折流板，折流板所在平面与微波加热水箱的长度方向垂直，上部的相应一块折流板设置在底部的相应两块折流板之间，底部的相应一块折流板设置在上部的相应两块折流板之间，上部的折流板与底部的折流板交错布置，微波加热水箱沿长度方向的一侧与第二高压橡胶软管连接，微波加热水箱沿长度方向的另一侧通过进水管连接有储水箱。

微波加热水箱内设置有温度传感器，控制器与温度传感器通过信号电缆信号连接。

本实用新型相对现有技术具有实质性特点和进步，具体地说，本实用新型的工作过程为：

（1）依次连接金刚石复合片钻头、高低压转换割缝器、水力割缝浅螺旋整体钻杆、第一高压橡胶软管、高压清水泵、第二高压橡胶软管、微波加热水箱、第三高压橡胶软管和防水锁效应水箱，水力割缝浅螺旋整体钻杆与钻机装配连接，启动钻机，按割缝钻孔设计参数对岩层和煤层进行钻进施工至设计深度；水力割缝浅螺旋整体钻杆由若干根高压钻杆首尾连接而成，各根高压钻杆连接前，需要对所有高压钻杆进行内外冲洗并确保高压钻杆内无煤屑等残留物；

（2）根据煤孔段长度，穿层按0.5m～2.5m割一刀；

（3）通过控制器启动微波加热水箱的微波加热器，根据温度传感器的检测，将微波加热水箱内的水加热至70℃，打开第一电动阀，第二电动阀处于关闭状态；

（4）将高低压转换割缝器停在指定割缝位置，不相关人员撤离至警戒线外，再次检查确认施工环境及设备安全后，先开启钻机带动水力割缝浅螺旋整体钻杆以适当速度旋转，然后再开启高压清水泵，首次启动空载2～3min以上，待钻孔的孔口返水后，通过控制器调调节高压清水泵的泵压，使泵压由低到高缓慢、匀速增压：10MPa→15MPa →20MPa →30MPa→50MPa→70MPa，微波加热水箱中的热水经过第二高压橡胶软管、高压清水泵和第一高压橡胶软管进入水力割缝浅螺旋整体钻杆内，最后从高低压转换割缝器上的喷嘴径向射出，对高低压转换割缝器外周煤层周边的煤体进行水力切割，每刀割缝时间为15～25min；

（5）割缝过程中钻孔若遇到堵孔、憋孔现象，先快速将高压清水泵的压力降低至10～15MPa，低压对钻孔内部冲洗2～3min，待钻孔的孔口返水正常后再缓慢调压至70MPa，继续割缝作业；若低压冲洗5min以上仍未疏通，则关闭高压清水泵，采用钻机直接带动水力割缝浅螺旋整体钻杆旋转、缓慢前后拉动，直至钻孔疏通、钻孔内的煤渣排出；割缝过程若遇喷孔或瓦斯超限现象，立即停止作业，分析喷孔或瓦斯超限原因，处理完成并恢复正常后，方可继续割缝作业；

（6）向防水锁效应水箱中注入1%的防水锁剂，防水锁剂的主要成分为氟碳型表面活性剂，通过控制器启动搅拌器，将防水锁剂与防水锁效应水箱中的常温水搅拌混合均匀，打开第二电动阀，同时关闭第一电动阀，高压清水泵将混合有防水锁剂的常温水从防水锁效应水箱中抽出，并经第三高压橡胶软管、第二高压橡胶软管、高压清水泵和第一高压橡胶软管进入水力割缝浅螺旋整体钻杆内，从高低压转换割缝器上的喷嘴径向射出，使混合有防水锁剂的常温水注入煤层，使煤岩心的自吸水量大幅下降，使煤层气的解吸时间大幅缩短，显著提高煤岩心的渗透率恢复值，有效降低水锁伤害的程度；

（7）切割一刀结束后，根据钻机后退行程，若行程足够大，将高压清水泵的泵压回零，利用钻机将钻杆由内向外退出0.5～2.5m的距离，继续进行割缝作业；若钻机后退行程不足，先将高压清水泵的泵压回零，再关闭高压清水泵，将高压旋转水尾和第一高压橡胶软管拆卸下来，开启钻机，撤卸1～3根高压钻杆，重新在水力割缝浅螺旋整体钻杆的尾端连接高压旋转水尾和第一高压橡胶软管，继续进行割缝作业；

（8）重复上述3～6步骤，完成预计割缝刀数；

（9）钻孔割缝完成后，钻孔内返水正常且无憋孔、堵孔等异常现象，先将高压清水泵的泵压缓慢回零，再关闭高压清水泵，切断电源，撤卸各根高压钻杆并堆放整齐，将高低压转换割缝器、金刚石复合片钻头、高压旋转水尾拆卸下来并妥善保管。

本实用新型在原有的高压水力割缝下，对钻孔周围的煤体进行冲刷、剥离，增加煤体中的裂隙，能够大大改善煤层中的瓦斯流动状态，为瓦斯排放创造有利条件，改变了煤体的原始应力和裂隙状况，缓和煤体和围岩中的应力紧张状态，可大大改变煤层的物理力学性质，起到卸压作用，并提高透气性和瓦斯释放能力，提高了瓦斯抽采率，节约瓦斯抽采达标时间，而且通过注热水，使钻孔周围煤体温度升高，透气性进一步提高，更加有利于瓦斯抽采工作；再注入混合有防水锁剂的常温水能使煤岩心的自吸水量大幅下降，使煤层气的解吸时间大幅缩短，并能显著提高煤岩心的渗透率恢复值，有效降低了水锁伤害的程度。

综上所述，本实用新型设计科学，通过注热水提高钻孔周围煤体的透气性，更有利于瓦斯抽采，再注入混合有防水锁剂的常温水降低煤岩心的自吸水量，有效降低水锁伤害的程度。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本实用新型的实施例。

如图1所示，一种煤矿井下高压注热水力割缝增透装置，包括金刚石复合片钻头1、高低压转换割缝器2、水力割缝浅螺旋整体钻杆3、第一高压橡胶软管4、高压清水泵5、第二高压橡胶软管6、微波加热水箱7、第三高压橡胶软管8、防水锁效应水箱9和控制柜10，金刚石复合片钻头1、高低压转换割缝器2和水力割缝浅螺旋整体钻杆3依次首尾可拆卸固定连接，水力割缝浅螺旋整体钻杆3由若干根高压钻杆首尾连接而成，水力割缝浅螺旋整体钻杆3的尾端通过高压旋转水尾11与第一高压橡胶软管4的出水端可拆卸连接，第一高压橡胶软管4的进水端与高压清水泵5的出水端连接，高压清水泵5的进水端与微波加热水箱7的出水口通过第二高压橡胶软管6连接，防水锁效应水箱9的出水口与第三高压橡胶软管8的进水端连接，第三高压橡胶软管8的出水端连接在第二高压橡胶软管6上，第二高压橡胶软管6上设置有第一电动阀12，第三高压橡胶软管8上设置有第二电动阀13，第一电动阀12设置在第三高压橡胶软管8的出水端和微波加热水箱7出水口之间，微波加热水箱7和防水锁效应水箱9内均盛有一定量的水，控制柜10内安装有控制器，控制器分别与微波加热水箱7、第一电动阀12和第二电动阀13通过信号电缆14信号连接。

防水锁效应水箱9内安装有搅拌器15，控制器与搅拌器15通过信号电缆14信号连接。

微波加热水箱7内壁上部和底部均沿微波加热水箱7的长度方向间隔设有若干块折流板16，折流板所在平面与微波加热水箱7的长度方向垂直，上部的相应一块折流板设置在底部的相应两块折流板之间，底部的相应一块折流板设置在上部的相应两块折流板之间，上部的折流板与底部的折流板交错布置，微波加热水箱7沿长度方向的一侧与第二高压橡胶软管6连接，微波加热水箱7沿长度方向的另一侧通过进水管18连接有储水箱19。折流板起到折流作用，延长水在微波加热水箱7内的流动时间，增大微波加热水箱7中水的扰动，提高微波加热水箱7中水的加热效率。

微波加热水箱7内设置有温度传感器17，控制器与温度传感器17通过信号电缆14信号连接。温度传感器17用于检测微波加热水箱7内的水的实时温度。

金刚石复合片钻头1、高低压转换割缝器2、水力割缝浅螺旋整体钻杆3、高压清水泵5、微波加热水箱7、高压旋转水尾11、第一电动阀12、第二电动阀13、控制器、搅拌器15和温度传感器17均是现有常规技术，具体构造和工作原理不再赘述，本实用新型的控制不涉及新的计算机程序。

本实用新型的工作过程为：

（1）依次连接金刚石复合片钻头1、高低压转换割缝器2、水力割缝浅螺旋整体钻杆3、第一高压橡胶软管4、高压清水泵5、第二高压橡胶软管6、微波加热水箱7、第三高压橡胶软管8和防水锁效应水箱9，水力割缝浅螺旋整体钻杆3与钻机装配连接，启动钻机，按割缝钻孔设计参数对岩层20和煤层21进行钻进施工至设计深度；水力割缝浅螺旋整体钻杆3由若干根高压钻杆首尾连接而成，各根高压钻杆连接前，需要对所有高压钻杆进行内外冲洗并确保高压钻杆内无煤屑等残留物；

（2）根据煤孔段长度，穿层按0.5m～2.5m割一刀；

（3）通过控制器启动微波加热水箱7的微波加热器，根据温度传感器17的检测，将微波加热水箱7内的水加热至70℃，打开第一电动阀12，第二电动阀13处于关闭状态；

（4）将高低压转换割缝器2停在指定割缝位置，不相关人员撤离至警戒线外，再次检查确认施工环境及设备安全后，先开启钻机带动水力割缝浅螺旋整体钻杆3以适当速度旋转，然后再开启高压清水泵5，首次启动空载2～3min以上，待钻孔的孔口返水后，通过控制器调调节高压清水泵5的泵压，使泵压由低到高缓慢、匀速增压：10MPa→15MPa →20MPa→30MPa→50MPa→70MPa，微波加热水箱7中的热水经过第二高压橡胶软管6、高压清水泵5和第一高压橡胶软管4进入水力割缝浅螺旋整体钻杆3内，最后从高低压转换割缝器2上的喷嘴径向射出，对高低压转换割缝器2外周煤层21周边的煤体进行水力切割，每刀割缝时间为15～25min；

（5）割缝过程中钻孔若遇到堵孔、憋孔现象，先快速将高压清水泵5的压力降低至10～15MPa，低压对钻孔内部冲洗2～3min，待钻孔的孔口返水正常后再缓慢调压至70MPa，继续割缝作业；若低压冲洗5min以上仍未疏通，则关闭高压清水泵5，采用钻机直接带动水力割缝浅螺旋整体钻杆3旋转、缓慢前后拉动，直至钻孔疏通、钻孔内的煤渣排出；割缝过程若遇喷孔或瓦斯超限现象，立即停止作业，分析喷孔或瓦斯超限原因，处理完成并恢复正常后，方可继续割缝作业；

（6）向防水锁效应水箱9中注入1%的防水锁剂，防水锁剂的主要成分为氟碳型表面活性剂，通过控制器启动搅拌器15，将防水锁剂与防水锁效应水箱9中的常温水搅拌混合均匀，打开第二电动阀13，同时关闭第一电动阀12，高压清水泵5将混合有防水锁剂的常温水从防水锁效应水箱9中抽出，并经第三高压橡胶软管8、第二高压橡胶软管6、高压清水泵5和第一高压橡胶软管4进入水力割缝浅螺旋整体钻杆3内，从高低压转换割缝器2上的喷嘴径向射出，使混合有防水锁剂的常温水注入煤层21，使煤岩心的自吸水量大幅下降，使煤层气的解吸时间大幅缩短，显著提高煤岩心的渗透率恢复值，有效降低水锁伤害的程度；

（7）切割一刀结束后，根据钻机后退行程，若行程足够大，将高压清水泵5的泵压回零，利用钻机将钻杆由内向外退出0.5～2.5m的距离，继续进行割缝作业；若钻机后退行程不足，先将高压清水泵5的泵压回零，再关闭高压清水泵5，将高压旋转水尾11和第一高压橡胶软管4拆卸下来，开启钻机，撤卸1～3根高压钻杆，重新在水力割缝浅螺旋整体钻杆3的尾端连接高压旋转水尾11和第一高压橡胶软管4，继续进行割缝作业；

（8）重复上述3～6步骤，完成预计割缝刀数；

（9）钻孔割缝完成后，钻孔内返水正常且无憋孔、堵孔等异常现象，先将高压清水泵5的泵压缓慢回零，再关闭高压清水泵5，切断电源，撤卸各根高压钻杆并堆放整齐，将高低压转换割缝器2、金刚石复合片钻头1、高压旋转水尾11拆卸下来并妥善保管。

本实用新型在原有的高压水力割缝下，对钻孔周围的煤体进行冲刷、剥离，增加煤体中的裂隙，能够大大改善煤层21中的瓦斯流动状态，为瓦斯排放创造有利条件，改变了煤体的原始应力和裂隙状况，缓和煤体和围岩中的应力紧张状态，可大大改变煤层21的物理力学性质，起到卸压作用，并提高透气性和瓦斯释放能力，提高了瓦斯抽采率，节约瓦斯抽采达标时间，而且通过注热水，使钻孔周围煤体温度升高，透气性进一步提高，更加有利于瓦斯抽采工作；再注入混合有防水锁剂的常温水能使煤岩心的自吸水量大幅下降，使煤层气的解吸时间大幅缩短，并能显著提高煤岩心的渗透率恢复值，有效降低了水锁伤害的程度。

以上实施例仅用以说明而非限制本实用新型的技术方案，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本实用新型进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种煤矿井下高压注热水力割缝增透装置，其特征在于：包括金刚石复合片钻头、高低压转换割缝器、水力割缝浅螺旋整体钻杆、第一高压橡胶软管、高压清水泵、第二高压橡胶软管、微波加热水箱、第三高压橡胶软管、防水锁效应水箱和控制柜，金刚石复合片钻头、高低压转换割缝器和水力割缝浅螺旋整体钻杆依次首尾可拆卸固定连接，水力割缝浅螺旋整体钻杆由若干根高压钻杆首尾连接而成，水力割缝浅螺旋整体钻杆的尾端通过高压旋转水尾与第一高压橡胶软管的出水端可拆卸连接，第一高压橡胶软管的进水端与高压清水泵的出水端连接，高压清水泵的进水端与微波加热水箱的出水口通过第二高压橡胶软管连接，防水锁效应水箱的出水口与第三高压橡胶软管的进水端连接，第三高压橡胶软管的出水端连接在第二高压橡胶软管上，第二高压橡胶软管上设置有第一电动阀，第三高压橡胶软管上设置有第二电动阀，第一电动阀设置在第三高压橡胶软管的出水端和微波加热水箱出水口之间，微波加热水箱和防水锁效应水箱内均盛有一定量的水，控制柜内安装有控制器，控制器分别与微波加热水箱、第一电动阀和第二电动阀通过信号电缆信号连接。

2.根据权利要求1所述的煤矿井下高压注热水力割缝增透装置，其特征在于：防水锁效应水箱内安装有搅拌器，控制器与搅拌器通过信号电缆信号连接。

3.根据权利要求1所述的煤矿井下高压注热水力割缝增透装置，其特征在于：微波加热水箱内壁上部和底部均沿微波加热水箱的长度方向间隔设有若干块折流板，折流板所在平面与微波加热水箱的长度方向垂直，上部的相应一块折流板设置在底部的相应两块折流板之间，底部的相应一块折流板设置在上部的相应两块折流板之间，上部的折流板与底部的折流板交错布置，微波加热水箱沿长度方向的一侧与第二高压橡胶软管连接，微波加热水箱沿长度方向的另一侧通过进水管连接有储水箱。

4.根据权利要求1-3任一项所述的煤矿井下高压注热水力割缝增透装置，其特征在于：微波加热水箱内设置有温度传感器，控制器与温度传感器通过信号电缆信号连接。

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