本发明涉及煤矿井下水力压裂强化抽采的技术领域，尤其涉及一种煤矿井下水力压裂高压密封连续加骨料系统及方法，该装置及方法在施工过程中通过前端井下大排量、高压力压裂泵组供给高压力压裂液体，利用耐高压管汇分两路输送，一路提供骨料与压裂液混合动力；另一路进入混骨料室，与骨料进行混合，即保证了压裂液和骨料均匀混合动力，又确保了骨料与压裂混合配比。
背景技术：
我国是世界上煤矿瓦斯灾害最为严重的国家之一，随着煤矿开采深度的不断增加，煤层碎软、低透气性、高瓦斯含量、高瓦斯压力、高突出危险性的特征日益突出，开采条件更加恶化。煤层渗透率整体较低，小于1md的占72％，大于1.0md的占近27％，大于10md的极少，造成井下瓦斯抽采浓度低、衰减快、达标期长，煤层开采时瓦斯超限，导致矿井采掘接替失衡，瓦斯安全隐患严重、事故仍时有发生。目前国内外都在大力研发煤层气抽采增透技术，通过各种技术手段强制沟通煤层内的原有裂隙或产生新的裂隙网络，使煤层透气性增加，进而提高瓦斯抽采效果。
大量的应用实践证明，水力压裂是一种增加单一低透煤层渗透性，提高瓦斯抽采效果的有效技术。现有煤矿井下水力压裂增透技术应用主要集中于清水压裂，无裂缝支撑剂应用，压裂形成的瓦斯运移裂隙通道在地层闭合压力作用下减小甚至完全密闭，影响煤层增透效果。部分学者和研究人员开展了井下加砂压裂装置和增透技术探索，但限于装置功能限制，整体存在一次加砂量少、混砂不均匀、加砂间断时间长、携砂颗粒小等问题，造成压裂钻孔内压力降低明显，压裂液携砂流速减低，钻孔压裂支撑半径小，增透效果不明显等现象。
为此，本发明的设计者鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种煤矿井水力压裂高压密封连续加骨料装置及加注工艺，以克服上述缺陷。
技术实现要素：
本发明的目的在于解决现有技术所存在的技术问题，提供一种煤矿井下水力压裂高压密封连续加骨料系统及方法，其骨料储集量大、加注连续性强、混骨料均匀性好，装置操作安全、方便，煤层增透效果更加，适用更为广泛。
为解决上述问题，本发明公开了一种煤矿井下水力压裂高压密封连续加骨料系统，包括至少一加骨料装置，其特征在于所述加骨料装置包括：
混骨料室12，设置于动力叶轮仓24上方，其内被骨料筛网9分为上下两个腔体，其中下腔体内设置骨料搅拌大叶轮10和骨料搅拌小叶轮11并连接第一高压压裂液出口16；其上腔体连接第一高压压裂液入口7并连通加骨料管2；
动力叶轮仓24，其内设置动力叶轮13，并连接有第二高压压裂液入口19和第二高压压裂液出口22；
所述动力叶轮13与所述搅拌叶轮10，11共轴并为其提供动力。
其中，包括风动供骨料罐，所述风动供骨料罐的出口连接所述加骨料管2，并用井下供风系统向混骨料室12供给骨料。
其中，第一高压压裂液出口16、第一高压压裂液入口7、第二高压压裂液入口19、第二高压压裂液出口22和加骨料管2上均设置有用于开度控制的高压电磁阀。
其中，所述混骨料室12在骨料筛网9的上方内设置有圆环状的防骨料挡板6，以防止骨料在搅拌过程和筛网过滤过程中的迸溅及混骨料室内壁的碰撞和磨损。
其中，所述加骨料装置为两个或两个以上，各加骨料装置的第一高压压裂液入口7和第二高压压裂液入口19连接至高压压裂泵组，所述第一高压压裂液出口16和第二高压压裂液出口22连接至压裂对象煤层，所述加骨料管2连接至风动供骨料罐。
还公开了一种如上所述的煤矿井下水力压裂高压密封连续加骨料系统的方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：根据压裂钻孔的孔径、长度及压裂对象煤层的储层特征，完成压裂液注入量及骨料加注比例设计；
步骤二：将两个加骨料装置并联于压裂泵组、风动供骨料罐、压裂钻孔之间；
步骤三：利用风动供骨料罐向两个加骨料装置加注骨料，骨料装满混骨料室，通过各加骨料装置的第一高压压裂液入口和第二高压压裂液入口分别向动力叶轮仓和混骨料室供给高压压裂液，混合并搅拌均匀骨料与压裂液；
步骤四：开启其中一加骨料装置的第一高压压裂液入口和第一高压压裂液出口，开始进行加骨料水力施工；
步骤五：当其中一加骨料装置的骨料及压裂液注入完成后，打开另一加骨料装置的第一高压压裂液入口和第一高压压裂液出口，使用另一加骨料装置进行加骨料水力施工，同时关闭其中一加骨料装置的第一高压压裂液出口，对其进行骨料加注和，直至其内压裂液与骨料混合均匀加满；
步骤六：当另一加骨料装置骨料及压裂液注入完成后，使用加骨料装置进行加骨料水力施工，同时关闭另一加骨料装置，实现循环操作。
还公开了一种如上所述的煤矿井下水力压裂高压密封连续加骨料系统的方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：根据压裂钻孔的孔径、长度及压裂对象煤层的储层特征，完成压裂液注入量及骨料加注比例设计；
步骤二：连接好压裂泵组、两加骨料装置及风动供骨料罐，根据压裂泵组流量及加骨料设计，设定风动供骨料罐及各高压电磁阀开度；
步骤三：关闭两加混骨料装置的第一高压压裂液出口16、第二高压压裂液出口22的高压电磁阀组，打开第一高压压裂液入口7的高压电磁阀组，并启动风动供骨料罐，进行两台加混骨料装置内骨料与压裂液的加注；
步骤四：完成骨料与压裂液加注后，关闭骨料加注管，开启两加混骨料装置的第二高压压裂液入口和第二高压压裂液出口的高压电磁阀组，实施搅拌，搅拌均匀后，开启其中一台加骨料装置的第一高压压裂液入口和第一高压压裂液出口的高压电磁阀组，开始进行加骨料水力施工；
步骤五：当该其中一台加骨料装置的骨料及压裂液注入完成后，打开另一台加骨料装置的第一高压压裂液入口和第一高压压裂液出口的高压电磁阀组，实现水力施工加骨料装置的切换，同时关闭已施工完成的加骨料装置的第一高压压裂液入口和第一高压压裂液出口的高压电磁阀组，并对该加混骨料装置进行压裂液与骨料混合均匀并加满后关闭该加骨料装置的加骨料管；
步骤六：循环重复，直至压裂液和骨料加注量达到设计值。
通过上述内容可知，本发明的煤矿井下水力压裂高压密封连续加骨料系统及方法具有如下效果：
1.本发明的煤矿井下水力压裂高压密封连续加骨料装置，设计了可远程操控的高压电磁阀组，可通过“一键”开关直接控制加骨料及压裂液注入的时间，并可调整电磁阀组开度，准确控制骨料及压裂液配比，提高了压裂施工精度及安全性；
2.本发明的煤矿井下水力压裂高压密封连续加骨料装置，在施工过程中通过前端井下大排量、高压力压裂泵组供给高压力压裂液体，利用耐高压管汇分两路输送，一路提供骨料与压裂液混合动力；另一路进入混骨料室，与骨料进行混合，即保证了压裂液和骨料均匀混合动力，又确保了骨料与压裂混合配比。
3加骨料装置设置了动力叶轮和骨料搅拌大、小叶轮，其在传动轴承作用下可同步旋转，进行骨料与压裂液的搅拌，保证了压裂液和骨料的混合均匀性；
4.本发明中加注工艺设置了2台加骨料装置交替使用，当1台加骨料装置在进行压裂施工时，通过远程风动阀门组操作，控制另1台加骨料装置进行卸压加骨料。
5.本发明的煤矿井下水力压裂高压密封连续加骨料装置，利用风动储砂罐向加骨料装置供给骨料，并设置了高压电磁阀组控制，实现了装置自动、可控、连续、定量的骨料加注，加入过程人员远离高压作业现场，提高了施工的安全性。
本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。
附图说明
图1为本发明的煤矿井下水力压裂高压密封连续加骨料系统的示意图；
图2为本发明的煤矿井下水力压裂高压密封连续加骨料装置的剖面示意图；
附图标记：
1.第一高压电磁阀组，2.加骨料管，3.第二高压电磁阀组，4.上端密封盖，5.传动轴，6.防骨料挡板，7.第一高压压裂液入口，8.压裂管路，9.骨料筛网，10.骨料搅拌大叶轮，11.骨料搅拌小叶轮，12.混骨料室，13.动力叶轮，14.第三高压电磁阀组，15.压裂管路，16.第一高压压裂液出口，17.第四高压电磁阀组，18.压裂管路，19.第二高压压裂液入口，20.底座，21.第五高压电磁阀组，22.第二高压压裂液出口，23.压裂管路，24.动力叶轮仓；a第一加骨料装置；b第二加骨料装置；c高压压裂泵组；d风动供骨料罐；d1第一出骨料口；d2第二出骨料口2；d3井下风动管路连接口；e压裂对象煤层；f压裂钻孔。
具体实施方式
参见图1，显示了本发明的煤矿井下水力压裂高压密封连续加骨料系统，其可包括至少一个加骨料装置、高压压裂泵组c和风动供骨料罐d，所述风动供骨料罐d连接至加骨料装置以进行骨料提供，所述风动供骨料罐d还设有井下风动管路连接口d3，通过井下供风系统，将供骨料罐骨料定量、定速向混砂系统提供骨料，所述高压压裂泵组c连接至加骨料装置，所述加骨料装置连接至压裂对象煤层e内的压裂钻孔f，交替接力实现加砂压裂的连续工作。
其中，本发明可包含两个或两个以上的加骨料装置，在图示优选实施例中，可包含第一加骨料装置a和第二加骨料装置b，所述第一加骨料装置a和第二加骨料装置b并联设置，所述风动供骨料罐d设有分别连接至第一加骨料装置a和第二加骨料装置b的第一出骨料口d1和第二出骨料口d2，可同时对骨料加注系统中a、b装置进行骨料提供，所述风动供骨料罐d还设有井下风动管路连接口d3，通过井下供风系统，将供骨料罐骨料定量、定速向混砂系统提供骨料，所述高压压裂泵组c连接至第一加骨料装置a和第二加骨料装置b以提供压力，所述第一加骨料装置a和第二加骨料装置b连接至压裂对象煤层e内的压裂钻孔f，交替接力实现加砂压裂的连续工作。
参见图1所示，所述第一加骨料装置a和第二加骨料装置b的结构相同，均为图2所示的加骨料装置，所述加骨料装置可包括动力叶轮仓24和混骨料室12，所述动力叶轮仓24可设置于一底座20上，所述混骨料室12位于动力叶轮仓24上并设有加骨料管2以将压裂骨料通过加骨料管2进入混骨料室12，可通过一上端密封盖4盖设于混骨料室12，所述上端密封盖4可供加骨料管2穿置以将压裂骨料通过加骨料管2进入混骨料室12，所述混骨料室12内设置有骨料筛网9、骨料搅拌大叶片10和骨料搅拌小叶片11，所述骨料筛网9将混骨料室12分为上腔体和下腔体，其中下腔体内设置骨料搅拌大叶轮10和骨料搅拌小叶轮11并连接第一高压压裂液出口16，上腔体连接第一高压压裂液入口7，所述筛网9能够筛分骨料及井下供水中杂质，其孔径可根据筛分需要进行调整，所述骨料搅拌大叶片10和骨料搅拌小叶片11通过传动轴5可旋转的上下设置以便进行骨料和压裂液的均匀搅拌，所述第一高压压裂液入口7通过压裂管路8连通至高压压裂泵组，所述第一高压压裂液出口16通过压裂管路15提供均匀搅拌后骨料的排出，所述动力叶轮仓24内设有动力叶轮13，两侧分别设有第二高压压裂液入口19和第二高压压裂液出口22，所述第二高压压裂液入口19通过压裂管路18连通至高压压裂泵组，所述第二高压压裂液出口22通过压裂管路23提供液体的排出，且所述动力轴5伸入动力叶轮仓24内并固接至动力叶轮13，所述动力轴与动力叶轮仓24之间设有密封装置，由此，所述高压压裂液共分两路，其中一路进入动力叶轮仓24，带动动力叶轮13旋转，为骨料和压裂液均匀混合提供动力，一路进入混骨料室12进行骨料与压裂液混合配比，压裂液和混骨料液体最终通过动力室24和混骨料室12的第一高压压裂液出口和第二高压压裂液出口汇总于高压管内，高压注入钻孔内进行加骨料水力压裂增透施工。
其中，所述加骨料管2上设有第一高压电磁阀组1，优选还可设有流量检测器，以可通过远程自动控制骨料加注时间和规模，所述第一高压压裂液入口7上设有第二高压电磁阀组3，所述第一高压压裂液出口16上设有第三高压电磁阀组14，所述第二高压压裂液入口19上设有第四高压电磁阀组17，所述第二高压压裂液出口22上设有第五高压电磁阀组21，从而实现各出入口的远程控制。
其中，所述骨料搅拌大叶片10和骨料搅拌小叶片11上下设置，且骨料搅拌大叶片10的直径优选为骨料搅拌小叶片11直径的1.5-2.5倍，所述骨料搅拌大叶片10和骨料搅拌小叶片11之间的距离优选为骨料搅拌大叶片10直径的一半，由此，通过双层设置的搅拌叶片，以及叶片之间距离和直径的相关设计，能提供更好的搅拌效果。
优选的是，所述混骨料室12在骨料筛网9的上方内设置有圆环状的防骨料挡板6，所述防骨料挡板6位于加骨料管2的出口下方以防止骨料在搅拌过程和筛网过滤过程中，骨料的迸溅造成传动轴5及混骨料室内壁的碰撞和磨损。
本发明的加骨料装置中在进行加骨料压裂前，首先关闭第三高压电磁阀组14和第五高压电磁阀组21，打开第二高压电磁阀组3，向混骨料室12供水，打开第一高压电磁阀组1，利用风动供骨料罐d在井下原有风管动力作用下，通过加骨料管2向混骨料室12加注骨料。加注骨料完成后关闭第一高压电磁阀组1，打开第四高压电磁阀组17和第五高压电磁阀组21，通过两个压裂液入口向动力叶轮仓24供给高压压裂液搅拌混骨料室12并混合骨料压裂液，然后打开第三高压电磁阀组14进行加骨料水力压裂施工。
本发明的加骨料装置在多个高压电磁阀、上端密封盖及底座的作用下，实现了高压、密封条件下骨料与压裂液的均匀搅拌。
所述加骨料装置在远程位置通过电磁阀开关“一键”式控制加骨料压裂施工，并可利用开关控制电磁阀组开度，定时、定量的进行压裂液与骨料配比，实现了定量、可控、安全的骨料与压裂液的均匀配比及加骨料压裂施工。
其中，本发明还公开了一种煤矿井下水力压裂高压密封连续加骨料方法，其采用了如上所述的煤矿井下水力压裂高压密封连续加骨料系统，其中的一个实施例的步骤如下：
步骤一：根据压裂钻孔f的孔径、长度及压裂对象煤层e的储层特征，完成压裂液注入量及骨料加注比例设计。
步骤二：连接好第一加骨料装置a、第二加骨料装置b、高压压裂泵组c和风动供骨料罐d；
步骤三：关闭第一加骨料装置a、第二加骨料装置b的第三高压电磁阀组14、第四高压电磁阀组17和第五高压电磁阀组21，打开第一高压电磁阀组1和第二高压电磁阀组3，利用风动供骨料罐d同时为第一加骨料装置a、第二加骨料装置b加注骨料，其中，风动供骨料罐预先装满设计压裂所需加注的骨料。
步骤四：第一加骨料装置a、第二加骨料装置b中加注骨料与压裂液达到要求后，关闭第一加骨料装置a、第二加骨料装置b的第一高压电磁阀组1，开启第一加骨料装置a和第二加骨料装置b的第四高压电磁阀组17和第五高压电磁阀组21实施搅拌，然后开启第一加骨料装置a的第二电磁阀组3和第三高压电磁阀组14，开始进行加骨料水力施工。
步骤五：当第一加骨料装置a混合骨料的压裂液注入完后，打开第二加骨料装置b的第二高压电磁阀组3和第三高压电磁阀组14，采用第二加骨料装置b开始压裂作业。同时关闭第一加骨料装置a的第二高压电磁阀组3和第三高压电磁阀组14，卸压后打开第一加骨料装置a的第一高压电磁阀组1，并开启进入第一加混骨料装置的风动供骨料罐d的阀门控制开关，直至第一混骨料装置a的压裂液与骨料混合加满后，关闭第一加骨料装置a的第一高压电磁阀组1。
步骤六：循环交替使用两台加混骨料装置，直至压裂液和骨料加注量达到设计值，停泵及风动动力。
在另外的实施例中，本发明的方法还可包含如下步骤：
步骤一：根据压裂钻孔的孔径、长度及压裂对象煤层的储层特征，完成压裂液注入量及骨料加注比例设计；
步骤二：将两个或两个以上的加骨料装置并联于压裂泵组、风动供骨料罐、压裂钻孔之间；
步骤三：利用风动供骨料罐向两个或两个以上的加骨料装置加注骨料，骨料装满混骨料室，通过各加骨料装置的第一高压压裂液入口和第二高压压裂液入口分别向动力叶轮仓和混骨料室供给高压压裂液，混合并搅拌均匀骨料与压裂液；
步骤四：开启其中一加骨料装置的第一高压压裂液入口和第一高压压裂液出口，开始进行加骨料水力施工；
步骤五：当其中一加骨料装置的骨料及压裂液注入完成后，打开另一加骨料装置的第一高压压裂液入口和第一高压压裂液出口，使用另一加骨料装置进行加骨料水力施工，同时关闭其中一加骨料装置的第一高压压裂液出口，对其进行骨料加注和混合，直至其内压裂液与骨料混合均匀加满；
步骤六：当另一加骨料装置骨料及压裂液注入完成后，使用加骨料装置进行加骨料水力施工，同时关闭另一加骨料装置，实现循环操作。
另一优选实施例中可包括如下步骤：
步骤一：根据压裂钻孔的孔径、长度及压裂对象煤层的储层特征，完成压裂液注入量及骨料加注比例设计；
步骤二：连接好压裂泵组、两加骨料装置及风动供骨料罐，根据压裂泵组流量及加骨料设计，设定风动供骨料罐及各高压电磁阀开度；
步骤三：关闭两加混骨料装置的第一高压压裂液出口16、第二高压压裂液出口22的高压电磁阀组，打开第一高压压裂液入口7的高压电磁阀组，并启动风动供骨料罐，进行两台加混骨料装置内骨料与压裂液的加注；
步骤四：完成骨料与压裂液加注后，关闭骨料加注管，开启两加混骨料装置的第二高压压裂液入口和第二高压压裂液出口的高压电磁阀组，实施搅拌，搅拌均匀后，开启其中一台加骨料装置的第一高压压裂液入口和第一高压压裂液出口的高压电磁阀组，开始进行加骨料水力施工；
步骤五：当该其中一台加骨料装置的骨料及压裂液注入完成后，打开另一台加骨料装置的第一高压压裂液入口和第一高压压裂液出口的高压电磁阀组，实现水力施工加骨料装置的切换，同时关闭已施工完成的加骨料装置的第一高压压裂液入口和第一高压压裂液出口的高压电磁阀组，并对该加混骨料装置进行压裂液与骨料混合均匀并加满后关闭该加骨料装置的加骨料管；
步骤六：循环重复，直至压裂液和骨料加注量达到设计值。
本发明的优点在于：
1.本发明的加骨料装置，设计了可远程操控的高压电磁阀组，可通过“一键”开关直接控制加混骨料及压裂液注入的时间，并可调整电磁阀组开度，准确控制骨料及压裂液配比，提高了压裂施工精度及安全性；
2.本发明的加骨料装置，在施工过程中通过前端井下大排量、高压力压裂泵组供给高压力压裂液体，利用耐高压管汇分两路输送，一路提供骨料与压裂液混合动力；另一路进入混骨料室，与骨料进行混合，即保证了压裂液和骨料均匀混合动力，又确保了骨料与压裂混合配比。
3加骨料装置设置了动力叶轮和骨料搅拌大、小叶轮，其在传动轴作用下可同步旋转运动，其旋转运动在涡轮原理指导下，提高了搅拌能力，保证了压裂液和骨料的混合均匀性；
4.本发明中加注工艺设置了2台加骨料装置交替使用，当1台加骨料装置在进行压裂施工时，通过远程风动阀门组操作另1台加混骨料装置进行卸压加骨料，确保了压裂施工的连续性、安全性。
5.本发明的煤矿井下水力压裂高压密封连续加骨料装置，利用风动储砂罐向加混骨料装置供给骨料，并设置了高压电磁阀组控制，实现了装置自动、可控、连续、定量的骨料加注，加入过程人员远离高压作业现场，提高了施工的安全性。
显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。