《煤礦巷道卸壓水力壓裂方法及裝置》是天地科技股份有限公司於2012年4月1日申請的專利，該專利的申請號為2012100965778，公布號為CN102852522A，授權公布日為2013年1月2日，發明人是康紅普、馮彥軍、吳擁政。
《煤礦巷道卸壓水力壓裂方法及裝置》涉及煤礦開採技術領域，公開了一種煤礦巷道卸壓水力壓裂方法及裝置，該方法根據煤礦巷道內的應力分布規律，以護巷煤柱上方的頂板作為卸壓位置，在卸壓位置上採用水力壓裂法進行應力轉移；該水力壓裂法包括：步驟1、採用第一鑽頭在所述卸壓位置進行鑽孔，鑽出一壓裂段；步驟2、將帶有注水管和膨脹導管的封隔器推進壓裂段；步驟3、將手動泵與膨脹導管連線，為封隔器進行加壓對壓裂段進行封孔；步驟4、將高壓水泵與注水管連線，為封隔器進行加壓直到封隔器壓裂完成。該發明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，將殘餘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象。
2018年12月20日，《煤礦巷道卸壓水力壓裂方法及裝置》獲得第二十屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《煤礦巷道卸壓水力壓裂方法及裝置》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：煤礦巷道卸壓水力壓裂方法及裝置
- 公告號：CN102852522A
- 授權日：2013年1月2日
- 申請號：2012100965778
- 申請日：2012年4月1日
- 申請人：天地科技股份有限公司
- 地址：北京市朝陽區和平街青年溝路5號
- 發明人：康紅普、馮彥軍、吳擁政
- Int.Cl.：E21C37/12(2006.01)I
- 代理機構：北京路浩智慧財產權代理有限公司
- 代理人：韓國勝、王瑩
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
井下進行大面積回採以後，採空區5上方岩層重量將向周圍支承區轉移，在採空區5四周形成支承壓力帶，在回採工作面6前方形成移動性支承壓力，在工作面傾斜上下方及回採工作面後方形成殘餘支承壓力。圖1中，1為回採工作面6前方移動性支承壓力，該壓力較大；2、3為沿回採工作面6傾斜、仰斜方向殘餘支承壓力；4為回採工作面後方殘餘支承壓力，圖中的箭頭方向為回採方向。
在采動影響下，沿回採工作面6推進方向，回採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生很大變化，一般出現三個應力區。如圖2所示，遠離回採工作面的前方，未受采動影響的原始應力區（A）；在回採工作面6附近，受采動影響的應力增高區（B）；遠離工作面的後方，采動影響趨向穩定的應力穩定區（C）。應力增高區B由應力升高、應力強烈和應力減弱三部分組成。因此，由於受殘餘支承壓力的影響，護巷煤柱7載荷急劇增長，相鄰採區巷道的變形開始變大，巷道片幫、底鼓現象突出。
隨著回採工作面6的推進，殘餘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為殘餘支承壓力影響範圍），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定的過程，以及各個應力區的分布範圍和持續時間。圖3中的I區距離回採工作面6最近，所受應力最大，II區、III區逐漸遞減。
發明內容
專利目的
《煤礦巷道卸壓水力壓裂方法及裝置》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方法及裝置，以避免巷道片幫和底鼓現象。
技術方案
《煤礦巷道卸壓水力壓裂方法及裝置》提供一種煤礦巷道卸壓水力壓裂方法及裝置，根據煤礦巷道內的應力分布規律，以護巷煤柱上方的頂板作為卸壓位置，在所述卸壓位置上採用水力壓裂法進行應力轉移；所述水力壓裂法包括：
步驟1、採用第一鑽頭在所述卸壓位置進行鑽孔，鑽出一壓裂段；
步驟2、將帶有注水管和膨脹導管的封隔器推進壓裂段；
步驟3、將手動泵與膨脹導管連線，為封隔器進行加壓對壓裂段進行封孔；
步驟4、將高壓水泵與注水管連線，為封隔器進行加壓直到封隔器壓裂完成。
其中，所述卸壓位置位於回採工作面前方，並處於殘餘支承應力的範圍之外。
其中，所述卸壓位置設為多個，分布在所述頂板上並位於回採工作面前方的長度方向上。
其中，所述水力壓裂法的鑽孔及壓裂作業均在回採巷道中或者在相鄰採區巷道中進行。
其中，所述封隔器採用跨式膨脹型鑽孔封隔器，所述步驟3中手動泵為封隔器加壓使得彈性膜膨脹，以對壓裂段進行封孔。
其中，所述步驟1還包括：採用第二鑽頭在所述壓裂段上預製橫向切槽；並採用第一鑽頭進行進一步鑽孔，為壓裂段的封孔提供空間。
《煤礦巷道卸壓水力壓裂方法及裝置》還提供一種煤礦巷道卸壓水力壓裂裝置，包括鑽機、第一鑽頭、封隔器、高壓水泵和手動泵；所述第一鑽頭與鑽機連線，用於在煤礦巷道內的卸壓位置進行鑽孔並鑽出一壓裂段；所述手動泵通過膨脹導管與封隔器連線，用於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線，用於為封隔器進行加壓直到封隔器壓裂完成。
其中，還包括數據採集儀和與所述數據採集儀相連線的數據處理器，所述數據採集儀安裝在所述高壓水泵的高壓出水口，用於採集和記錄高壓出水口的出水壓力，並將所採集到的數據信號傳送給數據處理器進行數據處理。
其中，還包括第二鑽頭，所述第二鑽頭與鑽機連線，用於在所述壓裂段上預製橫向切槽，所述第二鑽頭為橫向切槽鑽頭。
其中，所述封隔器採用跨式膨脹型鑽孔封隔器。
改善效果
《煤礦巷道卸壓水力壓裂方法及裝置》技術方案提供的一種煤礦巷道卸壓水力壓裂方法及裝置，採用水力壓裂裝置在護巷煤柱上方進行水力壓裂法鑽孔，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，將殘餘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象。進一步地，所選的卸壓位置位於回採工作面前方，並處於殘餘支承應力的範圍之外，保證了鑽孔質量，以防止由於殘餘支承壓力而導致鑽孔變形；更進一步地，在相鄰採區巷道中進行水力壓裂法的鑽孔及壓裂作業，以防止對回採工作面的回採工作造成影響；更進一步地，採用跨式膨脹型鑽孔封隔器，保持較高的外壓和自平衡式封孔，並且能夠對鑽孔目的段（如岩層堅硬段）進行封孔。
附圖說明
圖1是煤礦巷道採空區周邊的應力分布圖；
圖2是護巷煤柱位於回採工作面前後方的應力分布圖；
圖3是殘餘支承應力隨回採工作面推進過程；
圖4是《煤礦巷道卸壓水力壓裂方法及裝置》水力壓裂卸壓位置分布圖；
圖5是《煤礦巷道卸壓水力壓裂方法及裝置》水力壓裂裝置系統布置示意圖；
圖6是《煤礦巷道卸壓水力壓裂方法及裝置》鑽壓裂段時的結構示意圖；
圖7是《煤礦巷道卸壓水力壓裂方法及裝置》鑽橫向切槽時的結構示意圖；
圖8是《煤礦巷道卸壓水力壓裂方法及裝置》橫向切槽鑽頭的結構示意圖；
圖9是《煤礦巷道卸壓水力壓裂方法及裝置》跨式膨脹型封隔器封孔和壓裂時的結構示意圖。
其中，1、回採工作面前方移動性支承壓力；2、沿回採工作面傾斜殘餘支承壓力；3、沿回採工作面仰斜方向殘餘支承壓力；4、回採工作面後方殘餘支承壓力；5、採空區；6、回採工作面；7、護巷煤柱；8、採區巷道；9、備采工作面；10、頂板；11、相鄰採區巷道；12、卸壓位置；13、第一鑽頭；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、第二鑽頭；20、鑽機；21、彈性膜；22、鋼套；23、出水孔；24、鑽頭頂尖；25、切刀組；26、主軸；27、彈簧；28、鑽頭套；29、平鍵；24a、鑽頭頂尖座；a、壓裂段；b、橫向切槽；c、分隔段。
技術領域
《煤礦巷道卸壓水力壓裂方法及裝置》涉及煤礦開採技術領域，特別是涉及一種煤礦巷道卸壓水力壓裂方法及裝置。
權利要求
1.一種煤礦巷道卸壓水力壓裂方法，其特徵在於，根據煤礦巷道內的應力分布規律，以護巷煤柱上方的頂板作為卸壓位置，所述卸壓位置位於回採工作面前方，並處於殘餘支承應力的範圍之外，在所述卸壓位置上採用水力壓裂法進行應力轉移；所述水力壓裂法包括：步驟1、採用第一鑽頭在所述卸壓位置進行鑽孔，鑽出一壓裂段；步驟2、將帶有注水管和膨脹導管的封隔器推進壓裂段；步驟3、將手動泵與膨脹導管連線，為封隔器進行加壓對壓裂段進行封孔；步驟4、將高壓水泵與注水管連線，為封隔器進行加壓直到封隔器壓裂完成。
2.如權利要求1所述的煤礦巷道卸壓水力壓裂方法，其特徵在於，所述卸壓位置設為多個，分布在所述頂板上並位於回採工作面前方的長度方向上。
3.如權利要求1所述的煤礦巷道卸壓水力壓裂方法，其特徵在於，所述水力壓裂法的鑽孔及壓裂作業均在回採巷道中或者在相鄰採區巷道中進行。
4.如權利要求1所述的煤礦巷道卸壓水力壓裂方法，其特徵在於，所述封隔器採用跨式膨脹型鑽孔封隔器，所述步驟3中手動泵為封隔器加壓使得彈性膜膨脹，以對壓裂段進行封孔。
5.如權利要求1所述的煤礦巷道卸壓水力壓裂方法，其特徵在於，所述步驟1還包括：採用第二鑽頭在所述壓裂段上預製橫向切槽；並採用第一鑽頭進行進一步鑽孔，為壓裂段的封孔提供空間。
實施方式
如圖1，《煤礦巷道卸壓水力壓裂方法及裝置》一種煤礦巷道卸壓水力壓裂方法，根據煤礦巷道內的應力分布規律（該應力分布規律如背景技術所述），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上採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1、採用第一鑽頭13在卸壓位置進行鑽孔，鑽出一壓裂段a，如圖6；具體為：第一鑽頭13可採用普通鑽頭，與鑽機連線，在卸壓位置12的堅硬岩層進行鑽孔，鑽進至堅硬岩層所需的壓裂段後停止鑽進，其中，鑽孔的孔徑可為56毫米，鑽孔角度及長度可根據堅硬岩層的厚度和回採工作面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；
步驟3、將手動泵17與膨脹導管15連線，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10兆帕；
步驟4、將高壓水泵18與注水管14連線，為封隔器16進行加壓直到封隔器16壓裂完成。
《煤礦巷道卸壓水力壓裂方法及裝置》採用水力壓裂裝置在護巷煤柱上方進行水力壓裂法鑽孔，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，將殘餘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象。
為了保證鑽孔質量，以防止由於殘餘支承壓力而導致鑽孔變形，同時由於位於回採工作面6附近的殘餘支承應力較大，優選地，該實施例的卸壓位置12位於回採工作面6前方，並處於殘餘支承應力的範圍之外。為了進一步地提高對煤礦巷道的卸壓能力，該實施例的卸壓位置12可設定為多個，分布在頂板10上並位於回採工作面6前方的長度方向上。如圖4所示，第一個卸壓位置12與回採工作面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。
該實施例的水力壓裂法的鑽孔及壓裂作業可以在回採巷道8中進行，該水力壓裂法的鑽孔及壓裂作業同時也可以在相鄰採區巷道11中進行。優選地，採用在相鄰採區巷道11中進行，如圖4所示，其作用是在相鄰採區巷道11中進行水力壓裂法的鑽孔及壓裂作業不會對回採工作面6的回採工作造成影響。
為了保持較高的外壓和自平衡式封孔，並能夠對鑽孔目的段（如岩層堅硬段）進行封孔，該實施例的封隔器16採用跨式膨脹型鑽孔封隔器，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。
由於堅硬頂板岩石強度較高，為了降低壓裂成本，並實現快速作業，該實施例的步驟1還包括：採用第二鑽頭19在壓裂段a上預製橫向切槽b；並採用第一鑽頭13進行進一步鑽孔，為壓裂段a的封孔提供空間。第二鑽頭19優先採用小孔徑的橫向切槽鑽頭，如圖7、圖8所示，該切槽半徑約為鑽孔半徑的兩倍，並能夠在單軸抗壓強度為50～150兆帕的堅硬岩石中形成橫向切槽b，在切槽尖端形成應力集中，從而降低壓裂成本。
如圖5，《煤礦巷道卸壓水力壓裂方法及裝置》的一種煤礦巷道卸壓水力壓裂裝置，包括鑽機20、第一鑽頭13、封隔器16、高壓水泵18和手動泵17；第一鑽頭13與鑽機20連線，用於在煤礦巷道內的卸壓位置12進行鑽孔並鑽出一壓裂段a；手動泵17通過膨脹導管15與封隔器16連線，用於為封隔器16加壓對壓裂段a進行封孔；高壓水泵18通過注水管14與封隔器連線16，用於為封隔器16進行加壓直到封隔器16壓裂完成。
由於堅硬頂板岩石強度較高，為了降低壓裂成本，並實現快速作業，該實施例的水力壓裂裝置還包括第二鑽頭19，該第二鑽頭19與鑽機20連線，用於在壓裂段a上預製橫向切槽b。該第二鑽頭19優先採用小孔徑的橫向切槽鑽頭，該切槽半徑約為鑽孔半徑的兩倍，並能夠在單軸抗壓強度為50～150兆帕的堅硬岩石中形成橫向切槽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，該橫向切槽鑽頭包括依次組裝的鑽頭頂尖24、切刀組25和主軸26，在主軸後部的外設有彈簧27，在切刀組25和主軸前部的外部設有鑽頭套28，彈簧27抵在該鑽頭套28的端部，在主軸26上設有平鍵29。其中，鑽頭頂尖24通過鑽頭頂尖座24a安裝在切刀組25的前端，鑽頭頂尖座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與鑽頭套28和主軸26的連線處設有彈簧座。
為了保持較高的外壓和自平衡式封孔，並且能夠對鑽孔目的段（如岩層堅硬段）進行封孔，該實施例的封隔器16採用跨式膨脹型鑽孔封隔器。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、位於彈性膜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，位於兩個彈性膜21之間的注水管段為分隔段c，該分隔段c位於橫向切槽b處，其開有出水孔23，注水管14貫穿該兩個彈性膜21並與高壓水泵18連線，膨脹導管15貫穿該兩個彈性膜21並與手動泵17連線，注水管14的管壁與彈性膜21的管壁之間預留有空隙，該空隙用於封閉鑽孔（簡稱封孔）。其中，注水管14採用鋼合金等具有高剛度和高強度的材料製成。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，取決於工作壓力以及套用目的和環境。由於未經加強的橡膠彈性膜只能承受較低的壓力等級（一般為0.2～0.3兆帕）；而以薄金屬外套為彈性膜的封隔器只適用於有限的專業領域，如超高溫封孔系統以及套管內壁的修補等；由於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，優選地，該實施例的彈性膜21採用由纖維或金屬絲加強的橡膠材料製成。
由於封隔器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鑽孔表麵條件等有關。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，取決於壓裂作業的性質以及封隔器對外壓的回響。對於深孔、孔內溫度較高或較低時，往往採用氣體作為膨脹介質；當採用液體作為膨脹介質時，由於液體不可壓縮，可有效保持外壓，常用於注漿或壓裂作業。該實施例根據井下及鑽孔條件，優先選擇水作為膨脹介質，以保持較高外壓以保證膨脹作業的有效進行。
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，該實施例的水力壓裂裝置還包括數據採集儀和與該數據採集儀相連線的數據處理器，數據採集儀安裝在高壓水泵18的高壓出水口，用於採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，並將所採集到的數據信號傳送給數據處理器進行數據處理。
數據採集儀包括單片機、壓力感測器、電源、液晶顯示器、感測器電纜和通訊電纜；壓力感測器為矽應變片式感測器，該壓力感測器通過感測器電纜與單片機連線，將壓力的變化轉換為電壓的變化，經放大，利用電流環信號，經電流電壓變換器、電壓偏置器、電壓跟隨器、濾波器，變為0-4V的電壓信號給12位A/D轉換器，變成0-4096的數位訊號，並通過單片機進行採集、處理、存儲，同時通過與單片機連線的液晶顯示器顯示，並將採集結果通過通訊電纜傳給數據處理器。該數據採集儀採用矽應變片式的壓力感測器作為測量信號源，監測使用高壓水泵的出口壓力，實時記錄壓力變化曲線，並採用大螢幕液晶顯示器顯示，將採集結果傳送給數據處理器進行數據處理計算。該數據採集儀使用安全，具有防水、防潮、結構簡單，操作方便，性能可靠，後處理功能強大等特點，適用於煤礦井下條件。
數據處理器包括：通訊模組、數據處理模組和圖形處理模組。通訊模組用於將單片機的串列通訊口與電腦的串列通訊口相連線，將單片機記憶體中保存的原始數據傳送到串列通訊口，通過電腦中數據處理軟體的通訊功能接收串列口的數據。數據處理模組用於將串列通訊口接收到的原始數據轉換為以兆帕為單位的壓力值，並將壓力數據保存到一個資料庫系統中，以供數據處理器的調用和處理。圖形處理模組用於調用保存在資料庫系統中的數據，將數據繪製成隨時間變化的曲線，在圖形顯示區可以對圖形進行整體放大，局部放大。
榮譽表彰
2018年12月20日，《煤礦巷道卸壓水力壓裂方法及裝置》獲得第二十屆中國專利優秀獎。
