本發(fā)明涉及煤礦開(kāi)采的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及適用于礦山地下工程中的一種堅(jiān)硬煤層注水弱化實(shí)驗(yàn)裝置及其使用方法。

背景技術(shù)：

煤層按硬度分為極硬煤層5.0>f>4.0、硬煤層4.0>f>3.0、中硬煤層3.0>f>1.5、軟煤層1.5>f>0.8、極軟煤層0.8>f>0.5五個(gè)類(lèi)別，而割煤機(jī)一般適宜截煤層硬度f(wàn)≤4的工作面。

在較堅(jiān)硬的煤層生產(chǎn)中，使用機(jī)械化采煤因煤體較硬，采煤機(jī)在產(chǎn)生割煤時(shí)非常困難，通常發(fā)生割不動(dòng)的現(xiàn)象，不僅造成截齒消耗量增加、而且還經(jīng)常會(huì)造成采煤機(jī)的機(jī)械事故，在生產(chǎn)實(shí)踐中通常采用對(duì)煤幫、煤壁開(kāi)震動(dòng)炮的方法使煤層松軟后再通過(guò)采煤機(jī)割煤，還有采用煤體中淺孔注水的方法和深孔注水的方法，但注水效果均不理想、經(jīng)常出現(xiàn)無(wú)法保壓的問(wèn)題，無(wú)法從根本上解決在較堅(jiān)硬的煤層中使用機(jī)械化開(kāi)采的問(wèn)題。

為此，本發(fā)明的設(shè)計(jì)者有鑒于上述缺陷，通過(guò)潛心研究和設(shè)計(jì)，綜合長(zhǎng)期多年從事相關(guān)產(chǎn)業(yè)的經(jīng)驗(yàn)和成果，研究設(shè)計(jì)出一種堅(jiān)硬煤層注水弱化實(shí)驗(yàn)裝置及其使用方法，以克服上述缺陷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種堅(jiān)硬煤層注水弱化實(shí)驗(yàn)裝置及其使用方法，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、注水效果好，能夠?qū)崿F(xiàn)注水保壓以確保低壓浸潤(rùn)，進(jìn)而從根本上解決在較堅(jiān)硬的煤層中使用機(jī)械化開(kāi)采的問(wèn)題。

為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明公開(kāi)了一種堅(jiān)硬煤層注水弱化實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于包括孔口管、雙端封堵壓裂器、高壓注水管、高壓注水泵、高壓壓力表、低壓膠管、過(guò)濾器和吸水管；

所述孔口管固定套接安裝在煤層鉆孔的外端；

所述雙端封堵壓裂器設(shè)置在煤層鉆孔內(nèi)，雙端封堵壓裂器包括封隔器，封隔器包括沿其長(zhǎng)度方向設(shè)有間隔分布的、柔性連接的外封隔器和內(nèi)封隔器；外封隔器是環(huán)形空心囊結(jié)構(gòu)，環(huán)形空心囊結(jié)構(gòu)上設(shè)有可拆卸的、包括高壓閥門(mén)的高壓尼龍管；內(nèi)封隔器是端蓋形空心囊結(jié)構(gòu)，端蓋形空心囊結(jié)構(gòu)上也設(shè)有可拆卸的、包括高壓閥門(mén)的高壓尼龍管；

所述高壓注水管的一端穿入孔口管并伸入至煤層鉆孔內(nèi)與雙端封堵壓裂器外端的外封隔器環(huán)形中心密閉連通連接、另一端與高壓注水泵的出口端連接，高壓注水泵的出口端上還設(shè)有高壓壓力表；

所述的低壓膠管的一端與高壓注水泵的入口端連接、另一端與過(guò)濾器的出口端連接；

所述的過(guò)濾器的入口端與吸水管的一端連接，吸水管的另一端沒(méi)入水池的液面以下。

其中，所述吸水管上設(shè)有低壓壓力表、流量計(jì)和截止閥。

還公開(kāi)了如上所述的堅(jiān)硬煤層注水弱化實(shí)驗(yàn)裝置的使用方法，其特征在于包含如下步驟：

a)確定測(cè)試孔位置：鉆取煤層鉆孔并并進(jìn)行標(biāo)引，檢查孔內(nèi)情況，確定孔內(nèi)無(wú)坍塌完好、暢通；

b)孔外封隔器加壓試驗(yàn)：將封隔器、高壓尼龍管和高壓注水泵依次連接，在孔外進(jìn)行加壓試驗(yàn)，首先用套管套好封隔器，然后啟動(dòng)高壓注水泵分別給外封隔器和內(nèi)封隔器加壓，加壓過(guò)程中檢查封隔器膨脹及管路密封是否良好，觀察高壓壓力表達(dá)到最終試驗(yàn)壓力時(shí)，確認(rèn)封隔器和管路性能良好、無(wú)泄漏，否則進(jìn)行檢修或調(diào)換部件，重復(fù)此步驟，直至達(dá)到要求；

c)置入封隔器：用鉆桿依次將內(nèi)封隔器和外封隔器推至煤層鉆孔中需測(cè)試的設(shè)定位置，推入封隔器過(guò)程中鉆桿絲扣之間要求密封擰緊，同時(shí)要防止與封隔器連接的高壓尼龍管被擠壓損壞；

d)孔內(nèi)封隔器加壓：首先連接好壓力表和連接部件確認(rèn)密封良好，把與封隔器連接的高壓尼龍管和高壓注水泵進(jìn)行連接，打開(kāi)高壓閥門(mén)，然后給封隔器加壓，加壓過(guò)程中注意高壓壓力表壓力變化，達(dá)到封隔設(shè)定壓力時(shí)，確認(rèn)封隔器和管路性能良好、無(wú)泄漏后，關(guān)閉高壓閥門(mén)并拆卸高壓閥門(mén)使其與高壓注水泵分離；

e)水壓致裂：所要測(cè)試的孔段封隔后，連接好低壓壓力表和流量計(jì)，確認(rèn)高壓注水泵工作位置正確，記錄流量計(jì)初始讀數(shù)和時(shí)間，啟動(dòng)高壓注水泵對(duì)測(cè)試段進(jìn)行加壓試驗(yàn)；試驗(yàn)結(jié)束時(shí)記錄流量計(jì)讀數(shù)和時(shí)間；

f)測(cè)試完畢，關(guān)閉電源，打開(kāi)與高壓尼龍管連接的高壓閥門(mén)，待封隔器內(nèi)的水完全流出后牽拉封隔器至煤層鉆孔外部方向上的另一個(gè)需測(cè)試的位置，進(jìn)行第二次測(cè)試；以此類(lèi)推，直至完成該煤層鉆孔的整段測(cè)試，關(guān)閉電源、拆卸管路和儀表，撤出雙端封堵壓裂器，繼續(xù)進(jìn)行其他孔的水壓致裂工作。

其中，所述的步驟e)中測(cè)試過(guò)程中，高壓注水泵以最大流量進(jìn)行加壓，第一次加壓到壓力升到最大值后壓力值回落至設(shè)定值并保壓至設(shè)定時(shí)間，然后停止加壓至設(shè)定時(shí)間，最后卸壓；第二次加壓到壓力升到最大值后保壓至設(shè)定時(shí)間。

其中，當(dāng)完成多個(gè)煤層鉆孔的水壓致裂工作后，用高壓管將各個(gè)煤層鉆孔孔口部進(jìn)行連接并通過(guò)轉(zhuǎn)換閥同時(shí)連接至高壓注水泵上進(jìn)行多孔注水壓裂工作。

其中，超前注水距離為200m。

其中，自煤層鉆孔底向外方向以30m為一封隔段。

通過(guò)上述結(jié)構(gòu)可知，本發(fā)明的堅(jiān)硬煤層注水弱化實(shí)驗(yàn)裝置及其使用方法設(shè)有雙端封堵壓裂器，且雙端封堵壓裂器包括封隔器，封隔器包括沿其長(zhǎng)度方向設(shè)有間隔分布的、柔性連接的外封隔器和內(nèi)封隔器，因此將外封隔器和內(nèi)封隔器充壓后外封隔器和內(nèi)封隔器之間的封隔段即形成密閉空間，通過(guò)高壓注水泵注水致裂封隔段內(nèi)的煤體，可解決深孔高壓注水時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)的無(wú)法保壓的技術(shù)難題，為后續(xù)煤層低壓浸潤(rùn)創(chuàng)造了條件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、注水效果好，能夠?qū)崿F(xiàn)注水保壓以確保低壓浸潤(rùn)，從而有效弱化煤層、降低截齒消耗量、從根本上解決在較堅(jiān)硬的煤層中使用機(jī)械化開(kāi)采的問(wèn)題。

本發(fā)明的詳細(xì)內(nèi)容可通過(guò)后述的說(shuō)明及所附圖而得到。

附圖說(shuō)明

圖1顯示了本發(fā)明的堅(jiān)硬煤層注水弱化實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2顯示了本發(fā)明的進(jìn)行多孔注水壓裂工作時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標(biāo)記：

1、封隔器，2、孔口管，3、高壓注水管，4、高壓注水泵，5、高壓壓力表，6、低壓膠管，7、過(guò)濾器，8、低壓壓力表，9、流量計(jì)，10、截止閥，11、水池。

具體實(shí)施方式

參見(jiàn)圖1和2，顯示了本發(fā)明的堅(jiān)硬煤層注水弱化實(shí)驗(yàn)裝置及其使用方法。

如圖1所示，所述堅(jiān)硬煤層注水弱化實(shí)驗(yàn)裝置包括孔口管2、雙端封堵壓裂器、高壓注水管3、高壓注水泵4、低壓膠管6、過(guò)濾器7和吸水管。

所述的孔口管2固定套接安裝在煤層鉆孔的外端，用于支撐固定雙端封堵壓裂器和高壓注水管3。

所述的雙端封堵壓裂器設(shè)置在煤層鉆孔內(nèi)，雙端封堵壓裂器包括封隔器1，所述封隔器1由沿其長(zhǎng)度方向間隔分布的、柔性連接的外封隔器和內(nèi)封隔器，其中，所述外封隔器采用的為環(huán)形空心囊結(jié)構(gòu)，所述環(huán)形空心囊結(jié)構(gòu)上設(shè)有可拆卸的包括高壓閥門(mén)的高壓尼龍管，所述內(nèi)封隔器為端蓋形空心囊結(jié)構(gòu)，所述端蓋形空心囊結(jié)構(gòu)上也設(shè)有可拆卸的包括高壓閥門(mén)的高壓尼龍管。

所述高壓注水管3的一端穿入孔口管并伸入至煤層鉆孔內(nèi)與雙端封堵壓裂器外端的外封隔器的環(huán)形中心密閉連通連接，另一端與高壓注水泵4的出口端連接，優(yōu)選的，所述高壓注水泵4的出口端上還設(shè)有高壓壓力表5。

所述的低壓膠管6的一端與高壓注水泵4的入口端連接、另一端與過(guò)濾器7的出口端連接。

所述的過(guò)濾器7的入口端與吸水管的一端連接，吸水管的另一端沒(méi)入水池11的液面以下，且吸水管上設(shè)有低壓壓力表8、流量計(jì)9和截止閥10。

本堅(jiān)硬煤層注水弱化實(shí)驗(yàn)裝置使用時(shí)，在鉆孔成孔后，利用雙端封堵壓裂器從孔底以30m為一封隔段，通過(guò)高壓泵注水，將封隔段內(nèi)煤體壓裂，為后續(xù)煤層注水效率提高創(chuàng)造條件，具體使用步驟如下：

a)確定測(cè)試孔位置：鉆取煤層鉆孔并進(jìn)行標(biāo)引，包括記錄巷道名稱(chēng)、孔號(hào))，檢查孔內(nèi)情況，確定孔內(nèi)無(wú)坍塌完好、暢通方可進(jìn)行測(cè)試。

b)孔外封隔器加壓試驗(yàn)：將封隔器1、高壓尼龍管和高壓注水泵4依次連接，在孔外進(jìn)行加壓試驗(yàn)，首先用套管套好封隔器1，然后啟動(dòng)高壓注水泵4分別給外封隔器和內(nèi)封隔器加壓，加壓過(guò)程中檢查封隔器膨脹及管路密封是否良好，觀察高壓壓力表5達(dá)到最終試驗(yàn)壓力(5.0mpa)時(shí)，確認(rèn)封隔器(1)和管路性能良好、無(wú)泄漏后，方可進(jìn)行下一步工作；否則進(jìn)行檢修或調(diào)換部件，重新試驗(yàn)，直到達(dá)到要求為止。

c)置入封隔器：用鉆桿依次將內(nèi)封隔器和外封隔器推至煤層鉆孔中需測(cè)試的設(shè)定位置，推入封隔器1過(guò)程中鉆桿絲扣之間要求密封擰緊，同時(shí)要防止與封隔器1連接的高壓尼龍管被擠壓損壞，做好設(shè)備安全工作。

d)孔內(nèi)封隔器加壓：首先連接好壓力表和連接部件確認(rèn)密封良好，把與封隔器1連接的高壓尼龍管和高壓注水泵4進(jìn)行連接，打開(kāi)高壓閥門(mén)，然后給封隔器1加壓，加壓過(guò)程中注意高壓壓力表5壓力變化，達(dá)到封隔壓力(5.0mpa)時(shí)，確認(rèn)封隔器1和管路性能良好、無(wú)泄漏后，關(guān)閉高壓閥門(mén)并拆卸高壓閥門(mén)使其與高壓注水泵4分離。

e)水壓致裂：所要測(cè)試的孔段封隔后，連接好低壓壓力表8和流量計(jì)9，確認(rèn)高壓注水泵4工作位置正確，記錄流量計(jì)初始讀數(shù)和時(shí)間，啟動(dòng)高壓注水泵4對(duì)測(cè)試段進(jìn)行加壓試驗(yàn)；試驗(yàn)結(jié)束時(shí)記錄流量計(jì)讀數(shù)和時(shí)間(認(rèn)真做好原始記錄，以便資料分析和處理)；

測(cè)試過(guò)程中，高壓注水泵4以最大流量進(jìn)行加壓，第一次加壓到壓力升到最大值后壓力值回落到一定值(保持加壓20分鐘)，停止加壓1分鐘，然后卸壓(大約1分鐘)；第二次加壓到壓力升到最大值后(保持加壓20分鐘)。

f)測(cè)試完畢，關(guān)閉電源，打開(kāi)與高壓尼龍管連接的高壓閥門(mén)，待封隔器1內(nèi)的水完全流出后牽拉封隔器1至煤層鉆孔外部方向上的另一個(gè)需測(cè)試的位置，進(jìn)行第二次測(cè)試；以此類(lèi)推，直至完成該煤層鉆孔的整段測(cè)試，關(guān)閉電源、拆卸管路和儀表，撤出雙端封堵壓裂器，繼續(xù)進(jìn)行其他孔的水壓致裂工作。

如圖2所示，當(dāng)完成多個(gè)煤層鉆孔的水壓致裂工作后，可用高壓管將各個(gè)煤層鉆孔孔口部進(jìn)行連接并通過(guò)通轉(zhuǎn)換閥連接至高壓注水泵4上，便可進(jìn)行多孔注水壓裂工作，壓裂液一般選用清水，開(kāi)動(dòng)注水壓裂泵，將高壓水注入煤體。

可以根據(jù)對(duì)注水壓力、注水量的要求，以及注水壓裂泵的技術(shù)性能和采煤速度與煤體浸潤(rùn)弱化時(shí)間的關(guān)系，可采用單泵、多泵串聯(lián)或并聯(lián)等方式，加快注水速度，提高注水效果。

根據(jù)煤體浸潤(rùn)性實(shí)驗(yàn)及水力偶和作用下煤巖力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)確定超前注水距離選取在200m。

本堅(jiān)硬煤層注水弱化實(shí)驗(yàn)裝置及其使用方法由于設(shè)有雙端封堵壓裂器，且雙端封堵壓裂器包括封隔器1，封隔器1包括沿其長(zhǎng)度方向設(shè)有間隔分布的、柔性連接的外封隔器和內(nèi)封隔器，因此將外封隔器和內(nèi)封隔器充壓后外封隔器和內(nèi)封隔器之間的封隔段即形成密閉空間，通過(guò)高壓注水泵4注水致裂封隔段內(nèi)的煤體，可解決深孔高壓注水時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)的無(wú)法保壓的技術(shù)難題，為后續(xù)煤層低壓浸潤(rùn)創(chuàng)造了條件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、注水效果好，能夠?qū)崿F(xiàn)注水保壓以確保低壓浸潤(rùn)，從而有效弱化煤層、降低截齒消耗量、從根本上解決在較堅(jiān)硬的煤層中使用機(jī)械化開(kāi)采的問(wèn)題。

顯而易見(jiàn)的是，以上的描述和記載僅僅是舉例而不是為了限制本發(fā)明的公開(kāi)內(nèi)容、應(yīng)用或使用。雖然已經(jīng)在實(shí)施例中描述過(guò)并且在附圖中描述了實(shí)施例，但本發(fā)明不限制由附圖示例和在實(shí)施例中描述的作為目前認(rèn)為的最佳模式以實(shí)施本發(fā)明的教導(dǎo)的特定例子，本發(fā)明的范圍將包括落入前面的說(shuō)明書(shū)和所附的權(quán)利要求的任何實(shí)施例。