專利名稱：煤礦巷道卸壓水力壓裂裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及煤礦開采技術領域，特別是涉及一種煤礦巷道卸壓水力壓裂裝置。
背景技術：
井下進行大面積回采以后，采空區(qū)5上方巖層重量將向周圍支承區(qū)轉移，在采空區(qū)5四周形成支承壓力帶，在回采工作面6前方形成移動性支承壓力，在工作面傾斜上下方及回采工作面后方形成殘余支承壓力。圖I中，I為回采工作面6前方移動性支承壓力，該 壓力較大；2、3為沿回采工作面6傾斜、仰斜方向殘余支承壓力；4為回采工作面后方殘余支承壓力，圖中的箭頭方向為回采方向。在采動影響下，沿回采工作面6推進方向，回采空間兩側的護巷煤柱7的應力隨著與工作面距離和時間的不同而發(fā)生很大變化，一般出現(xiàn)三個應力區(qū)。如圖2所示，遠離回采工作面的前方，未受采動影響的原始應力區(qū)(A);在回采工作面6附近，受采動影響的應力增高區(qū)⑶；遠離工作面的后方，采動影響趨向穩(wěn)定的應力穩(wěn)定區(qū)(C)。應力增高區(qū)B由應力升高、應力強烈和應力減弱三部分組成。因此，由于受殘余支承壓力的影響，護巷煤柱7載荷急劇增長，相鄰采區(qū)巷道的變形開始變大，巷道片幫、底鼓現(xiàn)象突出。隨著回采工作面6的推進，殘余支承壓力沿傾斜方向的變化過程如圖3所示，(圖中的曲線E為殘余支承壓力影響范圍)，該應力重新分布引起護巷煤柱7載荷急劇增長，再逐漸下降和趨向穩(wěn)定的過程，以及各個應力區(qū)的分布范圍和持續(xù)時間。圖3中的I區(qū)距離回采工作面6最近，所受應力最大，II區(qū)、III區(qū)逐漸遞減。

實用新型內容(一 )要解決的技術問題本實用新型要解決的技術問題是如何提供一種對煤礦巷道進行卸壓的水力壓裂裝置，以避免巷道片幫和底鼓現(xiàn)象。( 二 )技術方案為了解決上述技術問題，本實用新型一種煤礦巷道卸壓水力壓裂裝置，包括鉆機、第一鉆頭、封隔器、高壓水泵和手動泵；所述第一鉆頭與鉆機連接，用于在煤礦巷道內的卸壓位置進行鉆孔并鉆出一壓裂段；所述手動泵通過膨脹導管與封隔器連接，用于為封隔器加壓對壓裂段進行封孔；所述高壓水泵通過注水管與封隔器連接，用于為封隔器進行加壓直到封隔器壓裂完成。其中，還包括數(shù)據(jù)采集儀和與所述數(shù)據(jù)采集儀相連接的數(shù)據(jù)處理器，所述數(shù)據(jù)采集儀安裝在所述高壓水泵的高壓出水口，用于采集和記錄高壓出水口的出水壓力，并將所采集到的數(shù)據(jù)信號傳送給數(shù)據(jù)處理器進行數(shù)據(jù)處理。其中，還包括第二鉆頭，所述第二鉆頭與鉆機連接，用于在所述壓裂段上預制橫向切槽，所述第二鉆頭為橫向切槽鉆頭。[0011]其中，所述封隔器采用跨式膨脹型鉆孔封隔器。(三)有益效果上述技術方案提供的一種煤礦巷道卸壓水力壓裂裝置，該裝置包括鉆機、第一鉆頭、封隔器、高壓水泵和手動泵，采用該裝置在護巷煤柱上方進行水力壓裂法鉆孔，削弱了護巷煤柱頂板的整體性，在護巷煤柱頂板上形成一個弱化帶，將殘余支承應力轉移到相鄰的備采工作面，從而為護巷煤柱卸壓，避免了巷道片幫和底鼓現(xiàn)象。進一步地，采用跨式膨脹型鉆孔封隔器，保持較高的外壓和自平衡式封孔，并且能夠對鉆孔目的段(如巖層堅硬段)進行封孔；進一步地，第二鉆頭采用橫向切槽鉆頭進行橫向切槽，在切槽尖端形成應力集中，顯著提高鉆孔鉆進速度，并降低壓裂成本。

圖I是煤礦巷道采空區(qū)周邊的應力分布圖；圖2是護巷煤柱位于回采工作面前后方的應力分布圖；圖3是殘余支承應力隨回采工作面推進過程；圖4是本實用新型水力壓裂卸壓位置分布圖；圖5是本實用新型水力壓裂裝置系統(tǒng)布置示意圖；圖6是本實用新型鉆壓裂段時的結構示意圖；圖7是本實用新型鉆橫向切槽時的結構示意圖；圖8是本實用新型橫向切槽鉆頭的結構示意圖；圖9是本實用新型跨式膨脹型封隔器封孔和壓裂時的結構示意圖。其中，I、回采工作面前方移動性支承壓力；2、沿回采工作面傾斜殘余支承壓力；
3、沿回采工作面仰斜方向殘余支承壓力；4、回采工作面后方殘余支承壓力；5、采空區(qū)；6、回采工作面；7、護巷煤柱；8、采區(qū)巷道；9、備采工作面；10、頂板；11、相鄰采區(qū)巷道；12、卸壓位置；13、第一鉆頭；14、注水管；15、膨脹導管；16、封隔器；16a、彈性膜；17、手動泵；18、高壓水泵；19、第二鉆頭；20、鉆機；21、彈性膜；22、鋼套；23、出水孔；24、鉆頭頂尖；25、切刀組；26、主軸；27、彈簧；28、鉆頭套；29、平鍵；24a、鉆頭頂尖座；a、壓裂段；b、橫向切槽；C、分隔段。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例，對本實用新型的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本實用新型，但不用來限制本實用新型的范圍。如圖1，一種煤礦巷道卸壓水力壓裂方法，根據(jù)煤礦巷道內的應力分布規(guī)律(該應力分布規(guī)律如背景技術所述)，選擇以護巷煤柱7上方的頂板10作為卸壓位置12，如圖4，在該卸壓位置12上采用水力壓裂法進行應力轉移；如圖5，該水力壓裂法包括步驟I、采用第一鉆頭13在卸壓位置進行鉆孔，鉆出一壓裂段a，如圖6 ;具體為第一鉆頭13可采用普通鉆頭，與鉆機連接，在卸壓位置12的堅硬巖層進行鉆孔，鉆進至堅硬巖層所需的壓裂段后停止鉆進，其中，鉆孔的孔徑可為56_，鉆孔角度及長度可根據(jù)堅硬巖層的厚度和回采工作面6的長度而定；步驟2、將帶有注水管14和膨脹導管15的封隔器16推進壓裂段；[0028]步驟3、將手動泵17與膨脹導管15連接，為封隔器16進行加壓對壓裂段a進行封孔；其中手動泵17封孔所需的壓力一般為IOMpa ；步驟4、將高壓水泵18與注水管14連接，為封隔器16進行加壓直到封隔器16壓裂完成。本實用新型采用水力壓裂裝置在護巷煤柱上方進行水力壓裂法鉆孔，削弱了護巷煤柱頂板的整體性，在護巷煤柱頂板上形成一個弱化帶，將殘余支承應力轉移到相鄰的備采工作面9，從而為護巷煤柱卸壓，避免了巷道片幫和底鼓現(xiàn)象。為了保證鉆孔質量，防止由于殘余支承壓力而導致鉆孔變形，同時由于位于回采工作面6附近的殘余支承應力較大，優(yōu)選地，本實施例的卸壓位置12位于回采工作面6前 方，并處于殘余支承應力的范圍之外。為了進一步地提高對煤礦巷道的卸壓能力，本實施例的卸壓位置12可設置為多個，分布在頂板10上并位于回采工作面6前方的長度方向上。如圖4所示，第一個卸壓位置12與回采工作面6的距離設為L，其它的卸壓位置12以等間距d的方式排布。本實施例的水力壓裂法的鉆孔及壓裂作業(yè)可以在回采巷道8中進行，該水力壓裂法的鉆孔及壓裂作業(yè)同時也可以在相鄰采區(qū)巷道11中進行。優(yōu)選地，采用在相鄰采區(qū)巷道11中進行，如圖4所示，其原因是在相鄰采區(qū)巷道11中進行水力壓裂法的鉆孔及壓裂作業(yè)不會對回采工作面6的回采工作造成影響。為了保持較高的外壓和自平衡式封孔，并能夠對鉆孔目的段(如巖層堅硬段)進行封孔，本實施例的封隔器16采用跨式膨脹型鉆孔封隔器，如圖9，則步驟3中手動泵17為封隔器16加壓使得彈性膜21膨脹，以對壓裂段a進行封孔。由于堅硬頂板巖石強度較高，為了降低壓裂成本，并實現(xiàn)快速作業(yè)，本實施例的步驟I還包括采用第二鉆頭19在壓裂段a上預制橫向切槽b ;并采用第一鉆頭13進行進一步鉆孔，為壓裂段a的封孔提供空間。第二鉆頭19優(yōu)先采用小孔徑的橫向切槽鉆頭，如圖7、圖8所示，該切槽半徑約為鉆孔半徑的兩倍，并能夠在單軸抗壓強度為50 150Mpa的堅硬巖石中形成橫向切槽b，在切槽尖端形成應力集中，從而降低壓裂成本。如圖5，本實用新型的一種煤礦巷道卸壓水力壓裂裝置，包括鉆機20、第一鉆頭13、封隔器16、高壓水泵18和手動泵17 ;第一鉆頭13與鉆機20連接，用于在煤礦巷道內的卸壓位置12進行鉆孔并鉆出一壓裂段a ;手動泵17通過膨脹導管15與封隔器16連接，用于為封隔器16加壓對壓裂段a進行封孔；高壓水泵18通過注水管14與封隔器16連接，用于為封隔器16進行加壓直到封隔器16壓裂完成。由于堅硬頂板巖石強度較高，為了降低壓裂成本，并實現(xiàn)快速作業(yè)，本實施例的水力壓裂裝置還包括第二鉆頭19，該第二鉆頭19與鉆機20連接，用于在壓裂段a上預制橫向切槽b。該第二鉆頭19優(yōu)先采用小孔徑的橫向切槽鉆頭，該切槽半徑約為鉆孔半徑的兩倍，并能夠在單軸抗壓強度為50 150Mpa的堅硬巖石中形成橫向切槽b,在切槽尖端形成應力集中，從而降低壓裂成本。如圖7、圖8所示，該橫向切槽鉆頭包括依次組裝的鉆頭頂尖24、切刀組25和主軸26，在主軸后部的外設有彈簧27，在切刀組25和主軸前部的外部設有鉆頭套28，彈簧27抵在該鉆頭套28的端部，在主軸26上設有平鍵29。其中，鉆頭頂尖24通過鉆頭頂尖座24a安裝在切刀組25的前端，鉆頭頂尖座24a與切刀組25通過彈性圓柱銷進行固定，切刀組25與主軸26通過銷軸固定，且在該銷軸的兩端設有軸用彈性擋圈，彈簧27與鉆頭套28和主軸26的連接處設有彈簧座。為了保持較高的外壓和自平衡式封孔，并且能夠對鉆孔目的段(如巖層堅硬段)進行封孔，本實施例的封隔器16采用跨式膨脹型鉆孔封隔器。如圖9，該跨式膨脹型封隔器包括受內壓可膨脹的彈性膜21、位于彈性膜21兩端的鋼套22、注水管14以及彈性膜膨脹介質通道(即膨脹導管15)組成，彈性膜21具有兩個，位于兩個彈性膜21之間的注水管段為分隔段c，該分隔段c位于橫向切槽b處，其 開有出水孔23，注水管14貫穿該兩個彈性膜21并與高壓水泵18連接，膨脹導管15貫穿該兩個彈性膜21并與與手動泵17連接，注水管14的管壁與彈性膜21的管壁之間預留有空隙，該空隙用于封閉鉆孔(簡稱封孔)。其中，注水管14采用鋼合金等具有高剛度和高強度的材料制成。當膨脹介質經膨脹導管15進入注水管14與彈性膜21之間的空隙，從而使彈性膜21膨脹以達到封孔的目的；彈性膜21可以是橡膠材料或是由纖維、金屬絲加強的橡膠材料，也可以是薄的金屬外套，取決于工作壓力以及應用目的和環(huán)境。由于未經加強的橡膠彈性膜只能承受較低的壓力等級(一般為O. 2 O. 3MPa);而以薄金屬外套為彈性膜的封隔器只適用于有限的專業(yè)領域，如超高溫封孔系統(tǒng)以及套管內壁的修補等；由于纖維或金屬絲加強的橡膠材料為彈性膜21的封隔器16具有廣泛的適應性，優(yōu)選地，本實施例的彈性膜21采用由纖維或金屬絲加強的橡膠材料制成。由于封隔器16的封孔功能除了與其額定壓力有關外，還與膨脹介質類型和鉆孔表面條件等有關。膨脹介質的選擇可以是液體或是氣體，如，油、水、氮氣及空氣等，取決于壓裂作業(yè)的性質以及封隔器對外壓的響應。對于深孔、孔內溫度較高或較低時，往往采用氣體作為膨脹介質；當采用液體作為膨脹介質時，由于液體不可壓縮，可有效保持外壓，常用于注漿或壓裂作業(yè)。本實施例根據(jù)井下及鉆孔條件，優(yōu)先選擇水作為膨脹介質，以保持較高外壓以保證膨脹作業(yè)的有效進行。為了實時觀察、記錄和分析高壓水泵的高壓出水口處的出水壓力，本實施例的水力壓裂裝置還包括數(shù)據(jù)采集儀和與該數(shù)據(jù)采集儀相連接的數(shù)據(jù)處理器，數(shù)據(jù)采集儀安裝在高壓水泵18的高壓出水口，用于采集和記錄高壓出水口的出水壓力，實時記錄該出水壓力的變化曲線，并將所采集到的數(shù)據(jù)信號傳送給數(shù)據(jù)處理器進行數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)采集儀包括單片機、壓力傳感器、電源、液晶顯示器、傳感器電纜和通訊電纜；壓力傳感器為硅應變片式傳感器，該壓力傳感器通過傳感器電纜與單片機連接，將壓力的變化轉換為電壓的變化，經放大，利用電流環(huán)信號，經電流電壓變換器、電壓偏置器、電壓跟隨器、濾波器，變?yōu)?-4V的電壓信號給12位A/D轉換器，變成0-4096的數(shù)字信號，并通過單片機進行采集、處理、存儲，同時通過與單片機連接的液晶顯示器顯示，并將采集結果通過通訊電纜傳給數(shù)據(jù)處理器。該數(shù)據(jù)采集儀采用硅應變片式的壓力傳感器作為測量信號源，監(jiān)測使用高壓水泵的出口壓力，實時記錄壓力變化曲線，并采用大屏幕液晶顯示器顯示，將采集結果傳送給數(shù)據(jù)處理器進行數(shù)據(jù)處理計算。該數(shù)據(jù)采集儀使用安全，具有防水、防潮、結構簡單，操作方便，性能可靠，后處理功能強大等特點，適用于煤礦井下條件。數(shù)據(jù)處理器包括通訊模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和圖形處理模塊。通訊模塊用于將單片機的串行通訊口與電腦的串行通訊口相連接，將單片機內存中保存的原始數(shù)據(jù)發(fā)送到串行通訊口，通過電腦中數(shù)據(jù)處理軟件的通訊功能接收串行口的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理模塊用于將串行通訊口接收到的原始數(shù)據(jù)轉換為以兆帕為單位的壓力值，并將壓力數(shù)據(jù)保存到一個數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，以供數(shù)據(jù)處理器的調用和處理。圖形處理模塊用于調用保存在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)繪制成隨時間變化的曲線，在圖形顯示區(qū)可以對圖形進行整體放大，局部放大。以上所述僅是本實用新型的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技 術人員來說，在不脫離本實用新型技術原理的前提下，還可以做出若干改進和替換，這些改進和替換也應視為本實用新型的保護范圍。
權利要求1.一種煤礦巷道卸壓水力壓裂裝置，其特征在于，包括鉆機、第一鉆頭、封隔器、高壓水泵和手動泵；所述第一鉆頭與鉆機連接，用于在煤礦巷道內的卸壓位置進行鉆孔并鉆出一壓裂段；所述手動泵通過膨脹導管與封隔器連接，用于為封隔器加壓對壓裂段進行封孔；所述高壓水泵通過注水管與封隔器連接，用于為封隔器進行加壓直到封隔器壓裂完成。
2.如權利要求I所述的煤礦巷道卸壓水力壓裂裝置，其特征在于，還包括數(shù)據(jù)采集儀和與所述數(shù)據(jù)采集儀相連接的數(shù)據(jù)處理器，所述數(shù)據(jù)采集儀安裝在所述高壓水泵的高壓出水口，用于采集和記錄高壓出水口的出水壓力，并將所采集到的數(shù)據(jù)信號傳送給數(shù)據(jù)處理器進行數(shù)據(jù)處理。
3.如權利要求I所述的煤礦巷道卸壓水力壓裂裝置，其特征在于，還包括第二鉆頭，所述第二鉆頭與鉆機連接，用于在所述壓裂段上預制橫向切槽，所述第二鉆頭為橫向切槽鉆頭。
4.如權利要求I所述的煤礦巷道卸壓水力壓裂裝置，其特征在于，所述封隔器采用跨式膨脹型鉆孔封隔器。
專利摘要本實用新型涉及煤礦開采技術領域，公開了一種煤礦巷道卸壓水力壓裂裝置，該裝置包括鉆機、第一鉆頭、封隔器、高壓水泵和手動泵；所述第一鉆頭與鉆機連接，用于在煤礦巷道內的卸壓位置進行鉆孔并鉆出一壓裂段；所述手動泵通過膨脹導管與封隔器連接，用于為封隔器加壓對壓裂段進行封孔；所述高壓水泵通過注水管與封隔器連接，用于為封隔器進行加壓直到封隔器壓裂完成。本實用新型削弱了護巷煤柱頂板的整體性，在護巷煤柱頂板上形成一個弱化帶，將殘余支承應力轉移到相鄰的備采工作面，從而為護巷煤柱卸壓，避免了巷道片幫和底鼓現(xiàn)象；進一步地，第二鉆頭采用橫向切槽鉆頭進行橫向切槽，顯著提高鉆孔鉆進速度，并降低壓裂成本。
文檔編號E21B43/26GK202531151SQ20122013844
公開日2012年11月14日 申請日期2012年4月1日 優(yōu)先權日2012年4月1日
發(fā)明者馮彥軍, 吳擁政, 康紅普 申請人:天地科技股份有限公司