坚硬煤层注水弱化实验装置及其使用方法与流程

本发明涉及煤矿开采的技术领域，尤其涉及适用于矿山地下工程中的一种坚硬煤层注水弱化实验装置及其使用方法。

背景技术：

煤层按硬度分为极硬煤层5.0>f>4.0、硬煤层4.0>f>3.0、中硬煤层3.0>f>1.5、软煤层1.5>f>0.8、极软煤层0.8>f>0.5五个类别，而割煤机一般适宜截煤层硬度f≤4的工作面。

在较坚硬的煤层生产中，使用机械化采煤因煤体较硬，采煤机在产生割煤时非常困难，通常发生割不动的现象，不仅造成截齿消耗量增加、而且还经常会造成采煤机的机械事故，在生产实践中通常采用对煤帮、煤壁开震动炮的方法使煤层松软后再通过采煤机割煤，还有采用煤体中浅孔注水的方法和深孔注水的方法，但注水效果均不理想、经常出现无法保压的问题，无法从根本上解决在较坚硬的煤层中使用机械化开采的问题。

为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，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，研究设计出一种坚硬煤层注水弱化实验装置及其使用方法，以克服上述缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种坚硬煤层注水弱化实验装置及其使用方法，结构简单、注水效果好，能够实现注水保压以确保低压浸润，进而从根本上解决在较坚硬的煤层中使用机械化开采的问题。

为解决上述问题，本发明公开了一种坚硬煤层注水弱化实验装置，其特征在于包括孔口管、双端封堵压裂器、高压注水管、高压注水泵、高压压力表、低压胶管、过滤器和吸水管；

所述孔口管固定套接安装在煤层钻孔的外端；

所述双端封堵压裂器设置在煤层钻孔内，双端封堵压裂器包括封隔器，封隔器包括沿其长度方向设有间隔分布的、柔性连接的外封隔器和内封隔器；外封隔器是环形空心囊结构，环形空心囊结构上设有可拆卸的、包括高压阀门的高压尼龙管；内封隔器是端盖形空心囊结构，端盖形空心囊结构上也设有可拆卸的、包括高压阀门的高压尼龙管；

所述高压注水管的一端穿入孔口管并伸入至煤层钻孔内与双端封堵压裂器外端的外封隔器环形中心密闭连通连接、另一端与高压注水泵的出口端连接，高压注水泵的出口端上还设有高压压力表；

所述的低压胶管的一端与高压注水泵的入口端连接、另一端与过滤器的出口端连接；

所述的过滤器的入口端与吸水管的一端连接，吸水管的另一端没入水池的液面以下。

其中，所述吸水管上设有低压压力表、流量计和截止阀。

还公开了如上所述的坚硬煤层注水弱化实验装置的使用方法，其特征在于包含如下步骤：

a)确定测试孔位置：钻取煤层钻孔并并进行标引，检查孔内情况，确定孔内无坍塌完好、畅通；

b)孔外封隔器加压试验：将封隔器、高压尼龙管和高压注水泵依次连接，在孔外进行加压试验，首先用套管套好封隔器，然后启动高压注水泵分别给外封隔器和内封隔器加压，加压过程中检查封隔器膨胀及管路密封是否良好，观察高压压力表达到最终试验压力时，确认封隔器和管路性能良好、无泄漏，否则进行检修或调换部件，重复此步骤，直至达到要求；

c)置入封隔器：用钻杆依次将内封隔器和外封隔器推至煤层钻孔中需测试的设定位置，推入封隔器过程中钻杆丝扣之间要求密封拧紧，同时要防止与封隔器连接的高压尼龙管被挤压损坏；

d)孔内封隔器加压：首先连接好压力表和连接部件确认密封良好，把与封隔器连接的高压尼龙管和高压注水泵进行连接，打开高压阀门，然后给封隔器加压，加压过程中注意高压压力表压力变化，达到封隔设定压力时，确认封隔器和管路性能良好、无泄漏后，关闭高压阀门并拆卸高压阀门使其与高压注水泵分离；

e)水压致裂：所要测试的孔段封隔后，连接好低压压力表和流量计，确认高压注水泵工作位置正确，记录流量计初始读数和时间，启动高压注水泵对测试段进行加压试验；试验结束时记录流量计读数和时间；

f)测试完毕，关闭电源，打开与高压尼龙管连接的高压阀门，待封隔器内的水完全流出后牵拉封隔器至煤层钻孔外部方向上的另一个需测试的位置，进行第二次测试；以此类推，直至完成该煤层钻孔的整段测试，关闭电源、拆卸管路和仪表，撤出双端封堵压裂器，继续进行其他孔的水压致裂工作。

其中，所述的步骤e)中测试过程中，高压注水泵以最大流量进行加压，第一次加压到压力升到最大值后压力值回落至设定值并保压至设定时间，然后停止加压至设定时间，最后卸压；第二次加压到压力升到最大值后保压至设定时间。

其中，当完成多个煤层钻孔的水压致裂工作后，用高压管将各个煤层钻孔孔口部进行连接并通过转换阀同时连接至高压注水泵上进行多孔注水压裂工作。

其中，超前注水距离为200m。

其中，自煤层钻孔底向外方向以30m为一封隔段。

通过上述结构可知，本发明的坚硬煤层注水弱化实验装置及其使用方法设有双端封堵压裂器，且双端封堵压裂器包括封隔器，封隔器包括沿其长度方向设有间隔分布的、柔性连接的外封隔器和内封隔器，因此将外封隔器和内封隔器充压后外封隔器和内封隔器之间的封隔段即形成密闭空间，通过高压注水泵注水致裂封隔段内的煤体，可解决深孔高压注水时经常出现的无法保压的技术难题，为后续煤层低压浸润创造了条件，结构简单、注水效果好，能够实现注水保压以确保低压浸润，从而有效弱化煤层、降低截齿消耗量、从根本上解决在较坚硬的煤层中使用机械化开采的问题。

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显示了本发明的坚硬煤层注水弱化实验装置的结构示意图；

图2显示了本发明的进行多孔注水压裂工作时的结构示意图。

附图标记：

1、封隔器，2、孔口管，3、高压注水管，4、高压注水泵，5、高压压力表，6、低压胶管，7、过滤器，8、低压压力表，9、流量计，10、截止阀，11、水池。

具体实施方式

参见图1和2，显示了本发明的坚硬煤层注水弱化实验装置及其使用方法。

如图1所示，所述坚硬煤层注水弱化实验装置包括孔口管2、双端封堵压裂器、高压注水管3、高压注水泵4、低压胶管6、过滤器7和吸水管。

所述的孔口管2固定套接安装在煤层钻孔的外端，用于支撑固定双端封堵压裂器和高压注水管3。

所述的双端封堵压裂器设置在煤层钻孔内，双端封堵压裂器包括封隔器1，所述封隔器1由沿其长度方向间隔分布的、柔性连接的外封隔器和内封隔器，其中，所述外封隔器采用的为环形空心囊结构，所述环形空心囊结构上设有可拆卸的包括高压阀门的高压尼龙管，所述内封隔器为端盖形空心囊结构，所述端盖形空心囊结构上也设有可拆卸的包括高压阀门的高压尼龙管。

所述高压注水管3的一端穿入孔口管并伸入至煤层钻孔内与双端封堵压裂器外端的外封隔器的环形中心密闭连通连接，另一端与高压注水泵4的出口端连接，优选的，所述高压注水泵4的出口端上还设有高压压力表5。

所述的低压胶管6的一端与高压注水泵4的入口端连接、另一端与过滤器7的出口端连接。

所述的过滤器7的入口端与吸水管的一端连接，吸水管的另一端没入水池11的液面以下，且吸水管上设有低压压力表8、流量计9和截止阀10。

本坚硬煤层注水弱化实验装置使用时，在钻孔成孔后，利用双端封堵压裂器从孔底以30m为一封隔段，通过高压泵注水，将封隔段内煤体压裂，为后续煤层注水效率提高创造条件，具体使用步骤如下：

a)确定测试孔位置：钻取煤层钻孔并进行标引，包括记录巷道名称、孔号)，检查孔内情况，确定孔内无坍塌完好、畅通方可进行测试。

b)孔外封隔器加压试验：将封隔器1、高压尼龙管和高压注水泵4依次连接，在孔外进行加压试验，首先用套管套好封隔器1，然后启动高压注水泵4分别给外封隔器和内封隔器加压，加压过程中检查封隔器膨胀及管路密封是否良好，观察高压压力表5达到最终试验压力(5.0mpa)时，确认封隔器(1)和管路性能良好、无泄漏后，方可进行下一步工作；否则进行检修或调换部件，重新试验，直到达到要求为止。

c)置入封隔器：用钻杆依次将内封隔器和外封隔器推至煤层钻孔中需测试的设定位置，推入封隔器1过程中钻杆丝扣之间要求密封拧紧，同时要防止与封隔器1连接的高压尼龙管被挤压损坏，做好设备安全工作。

d)孔内封隔器加压：首先连接好压力表和连接部件确认密封良好，把与封隔器1连接的高压尼龙管和高压注水泵4进行连接，打开高压阀门，然后给封隔器1加压，加压过程中注意高压压力表5压力变化，达到封隔压力(5.0mpa)时，确认封隔器1和管路性能良好、无泄漏后，关闭高压阀门并拆卸高压阀门使其与高压注水泵4分离。

e)水压致裂：所要测试的孔段封隔后，连接好低压压力表8和流量计9，确认高压注水泵4工作位置正确，记录流量计初始读数和时间，启动高压注水泵4对测试段进行加压试验；试验结束时记录流量计读数和时间(认真做好原始记录，以便资料分析和处理)；

测试过程中，高压注水泵4以最大流量进行加压，第一次加压到压力升到最大值后压力值回落到一定值(保持加压20分钟)，停止加压1分钟，然后卸压(大约1分钟)；第二次加压到压力升到最大值后(保持加压20分钟)。

f)测试完毕，关闭电源，打开与高压尼龙管连接的高压阀门，待封隔器1内的水完全流出后牵拉封隔器1至煤层钻孔外部方向上的另一个需测试的位置，进行第二次测试；以此类推，直至完成该煤层钻孔的整段测试，关闭电源、拆卸管路和仪表，撤出双端封堵压裂器，继续进行其他孔的水压致裂工作。

如图2所示，当完成多个煤层钻孔的水压致裂工作后，可用高压管将各个煤层钻孔孔口部进行连接并通过通转换阀连接至高压注水泵4上，便可进行多孔注水压裂工作，压裂液一般选用清水，开动注水压裂泵，将高压水注入煤体。

可以根据对注水压力、注水量的要求，以及注水压裂泵的技术性能和采煤速度与煤体浸润弱化时间的关系，可采用单泵、多泵串联或并联等方式，加快注水速度，提高注水效果。

根据煤体浸润性实验及水力偶和作用下煤岩力学特性实验确定超前注水距离选取在200m。

本坚硬煤层注水弱化实验装置及其使用方法由于设有双端封堵压裂器，且双端封堵压裂器包括封隔器1，封隔器1包括沿其长度方向设有间隔分布的、柔性连接的外封隔器和内封隔器，因此将外封隔器和内封隔器充压后外封隔器和内封隔器之间的封隔段即形成密闭空间，通过高压注水泵4注水致裂封隔段内的煤体，可解决深孔高压注水时经常出现的无法保压的技术难题，为后续煤层低压浸润创造了条件，结构简单、注水效果好，能够实现注水保压以确保低压浸润，从而有效弱化煤层、降低截齿消耗量、从根本上解决在较坚硬的煤层中使用机械化开采的问题。

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。