高速公路瓦斯突出隧道超厚煤层水力压裂增透系统的制作方法

本实用新型涉及煤层揭煤防突施工技术领域，尤其涉及高速公路瓦斯突出隧道超厚煤层水力压裂增透系统。

背景技术：

随着我国高速公路网的飞速发展，特别是我国西南地区，山峦众多，地质复杂。公路隧道逐年增多，瓦斯突出、煤层等越来越多的地质问题逐渐显出。煤层瓦斯是一种洁净能源，但对工程建设而言是一种灾害源。现有的煤层揭煤防突施工工法安全性有待提高。

技术实现要素：

本实用新型旨在提供高速公路瓦斯突出隧道超厚煤层水力压裂增透系统，可远程操作，能提高安全性，避免可能事故对操作人员造成伤害。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

高速公路瓦斯突出隧道超厚煤层水力压裂增透系统，包括左洞、右洞、压裂泵组和数据监控系统，所述压裂泵组包括压裂泵、电动机、传动装置和控制阀组，电动机通过传动装置与压裂泵连接，所述数据监控系统包括plc控制柜、计算机和软启动柜，所述软启动柜、控制阀组和计算机均与plc控制柜电连接，所述软启动柜与电动机电连接；

在左洞与右洞之间设有横通道，所述压裂泵组置于其中一个洞中，压裂泵的出口连接压裂管路，所述压裂管路穿过横通道通向另一个洞。

进一步的，所述传动装置包括液力变速器、电机用万向联轴器和泵用联轴器，电动机通过电机用万向联轴器与液力变速器连接，所述液力变速器通过泵用联轴器与压裂泵连接。

进一步的，压裂泵、液力变速器安装在一台平板车上，电动机、泵出口调节阀、软启动柜及plc控制柜安装在另一台平板车上。

进一步的，所述压裂泵的进口接外来输水管，所述压裂管路上设有止回阀，压裂管路通过三通连接有泄压管路，所述泄压管路上安装有电动泄压阀。

进一步的，所述电动泄压阀和止回阀安装在孔口阀组平车上。

其中，所述横通道的两端安装有防爆门构成避险硐室。

进一步的，高速公路瓦斯突出隧道超厚煤层水力压裂增透系统还包括润滑系统，所述润滑系统包括润滑油泵、过滤器和冷却器，润滑油泵入口连接油箱，润滑油泵出口设过滤器，冷却器从压裂泵的进口取水，润滑油泵与plc控制柜连接。

优选地，润滑油泵为润滑螺杆泵，冷却器为板式冷却器。

进一步的，所述压裂管路连接孔内压裂管，孔内压裂管和封孔注浆管伸进穿层钻孔内，所述孔内压裂管与穿层钻孔孔壁间有封孔段，封孔段由孔口封孔至煤层顶板处；

所述孔内压裂管前端有花管段，花管段前端越过煤层区，在花管段外壁绑结马尾巴实现封孔段内端的封堵，在封孔段外端采用聚氨酯封堵。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型可远程操作，压裂完成后可远方操作先将其卸压，再安排人员进入检查，避免了可能事故对操作人员造成伤害，彻底消灭了带压进人的安全隐患。

附图说明

图1是压裂泵组及管路铺设示意图；

图2是泵组布置示意图；

图3是图2中a处的剖视图；

图4是泵组的pid图；

图5是压裂钻孔封孔示意图。

图中：

1-压裂泵组、11-压裂泵、12-电动机、13-液力变速器、14-高压软管、15-平板车、16-电动泄压阀、17-孔口阀组平车、18-止回阀；

21-润滑油泵、22-过滤器、23-冷却器、24-油箱；

31-plc控制箱、32-计算机、33-软启动柜；

41-穿层钻孔、42-孔内压裂管、43-封孔注浆管、44-封孔段、45-花管段、46-马尾巴、47-聚氨酯、48-纱布；

101-左洞、102-右洞、103-横通道、104-防爆门、111-泵用联轴器、121-电机用万向联轴器。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本实用新型进行进一步详细说明。

如图1所示，本实用新型公开的高速公路瓦斯突出隧道超厚煤层水力压裂增透系统，包括左洞101、右洞102、压裂泵组1和电气系统。在左洞101与右洞102之间设有横通道103，当对左洞101进行水力压裂操作时，将压裂泵组1置于右洞102中，压裂泵11的出口连接高压软管14，高压软管14穿过横通道103通向左洞101的施工区域。可在横通道103的两端安装防爆门104构成避险硐室。

当对右洞102进行水力压裂操作时，则将压裂泵组1置于左洞101中，压裂泵11的出口连接高压软管14，高压软管14穿过横通道103通向右洞102的施工区域。如此布置，进行远程操作，可提高施工的安全性。

泵组可选择byw78/400煤矿井下压裂泵组。如图2、3、4所示，本实施方式中压裂泵组1包括压裂泵11、电动机12、液力变速器13、控制阀组和润滑系统2。电动机12通过液力变速器13与压裂泵11连接。

本实施方式中压裂泵11选用卧式电动往复泵，压裂泵减速箱的齿轮、轴承，传动箱的曲轴、连杆、十字头、轴承、导向套等重要部件都采用强制润滑，泵组配有1套独立完善的润滑系统，为各个部件供油。

泵组的动力端柱塞填料、润滑系统都需要冷却，冷却采用开式冷却，从压裂泵11泵的进口流量计前取水，到各个冷却点，然后直接排放。

本系统采用液力变速器13调速的换挡方式来实现调速。液力变速器有5个挡位，系统根据泵出口的压力系统压力变化切换挡位，通过检查液力变速器13的输出转速来确定挡位是否正确，确保泵处于最佳的工作状态。液力变速器13的泵轮、涡轮动力传递采用润滑油，齿轮、轴承需要润滑油润滑、冷却，因此液力变速器13的内部传递部分设置1台机械油泵，给各个点供油，对外有润滑油输出、回流的冷却接口，泵组为其配上1台冷却器对润滑油冷却。

润滑系统2包括润滑油泵21、过滤器22和冷却器23，润滑油泵21入口连接油箱24，润滑油泵21出口设过滤器22。润滑油泵21选择润滑螺杆泵，冷却器23选择板式冷却器。

电气系统分为数据监控系统3和视频监视系统。数据监控系统3包括plc控制柜31、计算机32、仪表和软启动柜33，可对润滑油泵21、电动阀、液力变速器13和主泵进行就地、远程操作，能实时显示系统内所有检测元件的参数，并能对这些参数进行归挡、保存，以便查阅。检测元件包括压裂泵进口压力表、压裂泵出口压力表、压裂泵进口流量计、压裂泵旁路流量计、液力变速器输出速度传感器、液力变速器油压表、润滑油温度计、孔口压力表等。

plc控制柜31是整个数据监控系统的核心，它负责采集监测仪表的参数，经计算、比较等各种处理后，对控制对象发出相应指令。

计算机32通过通讯电缆与plc连接，可对各控制对象进行远程操作；对不同的泵头进行配方设置；能显示设备的实时状态和参数的实时值；形成温度、流量、压力的历史曲线；并能对重要数据及报警记录进行归挡保存，以便查阅。

视频监视系统由防爆高清摄像头、硬盘录像机、硬盘及液晶显示器组成。

软启动柜33、润滑油泵21、控制阀组和计算机32均与plc控制柜31电连接，软启动柜33与电动机12电连接。

如图2、3所示，压裂泵11、液力变速器13安装在1台平板车15上，电动机12、泵出口调节阀、软启动柜33及plc控制柜12安装在另一台平板车15上。电动机12通过电机用万向联轴器121与液力变速器13连接，液力变速器13通过泵用联轴器111与压裂泵11连接，可以完全消除2台平板车在使用现场安装的位置误差，使泵组具有高压力、大排量、小体积的特点，有利于洞内运输、安装及压裂施工。

两台平板车15置于右洞102中。压裂泵11的进口接外来输水管，高压软管14上设有止回阀18，高压软管14通过三通连接有泄压管路，泄压管路上安装有电动泄压阀16。电动泄压阀16和止回阀18安装在孔口阀组平车17上，孔口阀组平车17置于左洞101的孔口。可以远程操作井口泄压，同时防止输出管路管路时泄压高压。

如图1、5所示，施工时，将高压软管14连接左洞101内的孔内压裂管42，孔内压裂管42和封孔注浆管43伸进穿层钻孔41内，孔内压裂管42与穿层钻孔41孔壁间有封孔段44，封孔段44由孔口封孔至煤层顶板处。

孔内压裂管42前端有花管段45，花管段45前端越过煤层区，在花管段45外壁绑结马尾巴46实现封孔段44内端的封堵，在封孔段44外端采用聚氨酯47封堵。

孔内压裂管42管内径为φ40mm，壁厚8mm的无缝钢管，每根长2m，用相应接头进行连接，孔内压裂管42前端为2m-4mm的花管段45。花管段45上注水孔的直径为8mm。相邻注水孔的轴向中心距为200mm。

封孔注浆管43采用φ4分铁管加工，长2m，封孔注浆管43前端止于封孔段44内，封孔注浆管43后端伸出孔外并连接球阀；

另加工一根一头带梯形笋子尖、一头为丝扣的φ4分铁管，用来连接注浆泵与封孔注浆管43，注浆时开启球阀，注浆结束后及时关闭球阀。

封孔段4内端采用马尾巴46封堵，其方法是将马尾巴46绑结实在孔内压裂管42上，当花管段45穿过煤层时停止送管，向孔外方向拉动孔内压裂管42，马尾巴46收缩，起到封堵水泥砂浆及过滤水的作用。马尾巴46长度不小于1m，条数以与孔壁较紧密接触为准，为与孔内压裂管2绑捆结实。可在孔内压裂管42外壁绑结马尾巴46的区域焊接小齿。马尾巴46后方留50cm左右的花管，用纱布48缠绕。封孔段4外端采用注入聚氨酯47封堵的办法，聚氨酯47的封堵段长度不小于1.5m。封孔段44通过封孔注浆管43注入水泥砂浆填充封孔，注浆液要求抗压强度不小于40mpa，抗收缩能力强，主料为标号不小于425#水泥，配料为膨胀水泥。

本实用新型的施工工艺：

s1，于施工路段，开挖左洞101和右洞102，开挖至距煤层一定距离后停止；

s2，洞内穿层钻孔，钻孔内安装孔内压裂管42并封孔；

s3，压裂泵组1就位，连接好电气系统及高压管路；

s4，检查泵组管路连接状况，回流阀全部打开；

s5，将压裂泵11调整到空挡位置空载启动压裂泵；

s6，检查电机运行正反；

s7，调整电源方向；

s8，逐步关闭回流阀；

s9，开始压裂：外接来水通过压裂泵11加压后对煤层气进行压裂；液体压入的速度远远超过储层的自然吸水能力时，由于流动阻力的增加，进入储层的液体压力就会逐渐上升，当超过储层的破裂压力时，储层内原来的闭合裂隙就会被贯通，煤层渗透性就会增加，为瓦斯的流动创造条件，从而达到增加煤层透气性、提高瓦斯抽采效果的目的。

在压裂的过程中，压裂泵不断向煤层注水，克服煤岩体的破裂压力，随着压裂的进行，煤层裂缝的间歇不断减小，岩体的破裂压力不断增加，因而此过程中不断增泵的出口压力，以确保压裂过程顺利进行。

本实施方式中压裂泵为容积式泵，泵的输出流量是恒定的，泵的压力增加，就造成柱塞泵的柱塞的推力增加，电机的输出功率增加，当泵柱塞推力，电机的功率增加到设计值时，通过降低泵转速来减小泵的流量，满足泵的压力增加。

s10，结束压裂，将泵组挡位回到空挡，停泵并打开卸压阀卸压。

本实用新型可远程操作孔口泄压，压裂完成后可远方操作先将其卸压，再安排人员进入检查，避免了可能事故对操作人员造成伤害，彻底消灭了带压进人的安全隐患。

当然，本实用新型还可有其它多种实施方式，在不背离本实用新型精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本实用新型作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。