煤礦井下壓裂或割縫用加砂裝置及加砂控制方法

2023-08-11 00:28:06

專利名稱：煤礦井下壓裂或割縫用加砂裝置及加砂控制方法
技術領域：
本發明涉及煤礦井下煤層瓦斯抽採技術領域，特別是用於煤礦井下水力壓裂或割縫工藝中的加砂裝置及加砂控制方法。
背景技術：
煤層瓦斯是一種潔淨能源，但對煤礦生產而言更是一種災害源。我國的煤炭賦存地質條件複雜，主要依靠地下開採，隨著開採深度的增加，煤層瓦斯含量逐漸增加，煤層瓦斯壓力增大，突出的危險性增高，防突難度越來越大。隨著開採深度的增加、資源需求的日益強烈、國家一系列關於煤礦瓦斯災害治理強制措施和煤層氣開發利用鼓勵政策的出臺，都迫切要求有一套系統的、完整的、地面與井下相結合的瓦斯抽採工藝技術。特別是重慶地區所屬煤礦煤層大多為鬆軟煤層，具有煤層硬度低、瓦斯含量高、透氣性差的特點；突出危險性大，瓦斯災害是制約煤礦安全、高效生產的第一因素，現行的瓦斯治理措施已難以滿足 高效生產的需求，迫切需要一種新型區域和局部治理工藝，以徹底改變目前消突困難、採掘接替緊張的局面。水力壓裂及水力割縫技術作為煤礦井下瓦斯治理的重要手段廣泛的應用於國內大多數煤與瓦斯突出礦井的局域瓦斯治理和局部瓦斯治理措施中，水力壓裂技術還是煤層氣開採中層位改造的重要措施。但由於受基礎工業和安全管理方面的限制，為壓裂和割縫提供動力的壓力泵組其系統壓力具有一定的局限性，不能無限度提高，因此，其壓裂割縫能力受到一定局限，目前，尚無辦法能顯著改善。於是，本領域的技術人員從壓裂割縫介質方面尋找改善改善的途徑。經實踐發現，水力割縫技術中，以前採用純清水作為割縫介質，但其往往對硬度係數較大的煤體和煤層頂底板的巖石無法達到預期的割縫效果，其割縫能力有限，而在水中加入少量的砂石後，採用較低的割縫壓力就能夠割穿硬度係數較大的煤巖體；煤巖體水力壓裂技術對煤巖體的增透具有較好效果，但採用清水壓裂完成後，壓裂所產生的裂隙容易閉合，降低了壓裂後增透應有的效果，當在壓裂水中添加少量沙石，利用進入裂縫的砂石作為支撐體對煤巖體的支撐作用，以阻止已壓裂的裂縫閉合，確保壓裂後的增透效果。然而，現有技術中尚無成套的加砂設備或裝置可以利用，更缺乏科學的加砂控制方法，只能通過簡易的加砂料鬥依靠人工調整料閘開合度控制加砂量，其不僅勞動強度大、安全性差、砂水混合比例不理想，而且還嚴重製約水力壓裂及割縫的效率和增透效果O

發明內容
本發明的第一目的就是針對現有技術的不足，提供一種用於煤礦井下壓裂或割縫的加砂裝置，以取代簡易加砂料鬥，實現降低勞動強度、減少煤礦井下用工量、減少安全隱患、提高水力壓裂及割縫的效率和增透效果的目標。本發明的第二目的就是提供一種加砂控制方法，通過單位流量的加砂量，控制壓裂或割縫介質中的含砂量與設定量相同，以提高煤層割縫效率，確保壓裂後煤巖體的增透效果。為實現第一目的，本發明採用如下技術方案。
一種煤礦井下壓裂或割縫用加砂裝置，包括由依次連接的進水管、混合管、出水管，進水管的進口端用於與水源連接，進水管的管路上設有第一電動閥、第一數字壓力表、第一電磁流量計；出水管的出口端用於與介質加壓泵組的壓裂或割縫介質接入口連接，出水管的管路上設有止回閥、第二數字壓力表、第二電磁流量計；所述混合管通過給砂管連通有用於盛裝砂料的料鬥，料鬥位於混合管上方，給砂管的管路上設有電動卸料閥和電動閘板閥，電動卸料閥位於電動閘板閥上方；所述第一電動閥、電動卸料閥和電動閘板閥均採用防爆型；所述進水管、混合管和出水管分別通過固定支架固定在平板礦車上。採用上述技術方案後的本發明，可利用現有技術中成熟的PLC或PC的工業自動控制系統，通過對第一數字壓力表、第一電磁流量計、第二數字壓力表和第二電磁流量計進水和出水的壓力和流量檢測的數位訊號採集，並將壓力和流量的檢測信號通過自動控制系統顯示，以確定壓力及流量與設定值的差異；同時，利用自動控制系統的控制功能實現對第一電動閥、電動卸料閥和電動閘板閥的關閉和開啟度的控制，根據進水的實際流量調整控制加砂量，從而自動實現壓裂或割縫介質中的砂水混合比例，以取代現有技術中的人工加砂工作、降低勞動強度、減少煤礦井下用工量和減少安全隱患，確保砂水混合比例滿足設定要求，且結構簡單、製造和使用成本低，方便上下井運輸。本發明由於第一電動閥、電動卸料閥 和電動閘板閥均採用防爆型，以確保煤礦井下使用安全；另外，該裝置由進水管、混合管和出水管分別通過固定支架固定在平板礦車上，可方便該裝置移動，轉移使用場地，還加強了進水管、混合管和出水管相互連接的牢固性。其中，電動閘板閥用於確保電動卸料閥的密閉性，在需要及時停止供砂時，可迅速關斷電動閘板閥。本發明在介質加壓泵組工作前或工作中，料鬥中應備有足夠砂料。優選的，所述混合管由依次連接的射流噴嘴、混料倉和混流管組成，射流噴嘴的進口端與所述進水管的出口端連接，射流噴嘴呈縮徑管結構，射流噴嘴的小直徑管段構成其射流段，射流噴嘴的出口端伸入混料倉內；混料倉由直管段和錐管段構成，錐管段的口徑沿介質流動方向逐漸收縮；混流管包括擴口段，擴口段的口徑沿介質流動方向逐漸擴張，擴口段的小埠徑與混料倉的錐管段小埠徑相同，擴口段的小端與混料倉的錐管段小端通過一直管段連通；所述給砂管的出口端與混料倉的直管段連通，給砂管的出口位於射流噴嘴的出口端的後方。利用介質加壓泵組進口的負壓以及射流噴嘴的噴射作用將砂料混合在清水中，混料倉由直管段用於貯存足夠的砂料，錐管段利於砂料集中被混合；混流管的擴口段便於介質擴散，以實現砂水混合均勻的效果。當然混料倉整體可呈橄欖狀，或其直管段可呈鼓形或球形的一部分。進一步優選的，所述射流噴嘴包括其前端設有的噴孔，噴孔直徑小於射流噴嘴的小直徑管直徑，噴孔後端設有錐度集流段。進一步提高清水的噴射效果，實現砂水順利混
口 ο優選的，所述第一電動閥、電動卸料閥和電動閘板閥外部分別設有防爆罩，防爆罩固定連接在所述平板礦車上。優選的，所述進水管的進口端和所述出水管的出口端具有與U形卡接方式的快速接頭相適應的結構。U形卡接方式的快速接頭是現有技術中管路連接的常用管件，適用於管路的快速連接，因此，本發明在與水源和介質加壓泵組連接時方便、快速，通過縮短準備時間提高壓裂或割縫工作效率。
為實現第二目的，本發明採用如下技術方案。一種煤礦井下壓裂或割縫的加砂控制方法，設置一用於控制本發明第一目的技術方案所述加砂裝置的自動控制系統，該自動控制系統按以下步驟執行加砂控制
a、順序開啟第一電動閥、介質加壓泵組，第一電動閥開啟至設定開度；
b、開啟電動閘板閥；
C、採集第一電磁流量計的流量數位訊號並與進水流量設定值比較，當第一電磁流量計的流量值小於設定值時，執行步驟d ;當第一電磁流量計的流量值大於設定值時，執行步驟e ;當第一電磁流量計的流量值等於設定值時，執行步驟f ；
d、按設定增量調增第一電動閥的開度，返回步驟b;
e、按設定增量調減第一電動閥的開度，返回步驟b;
f、保持第一電動閥的開度，並延時數秒，啟動電動卸料閥至設定開度；
g、採集第二電磁流量計的流量數位訊號，並比較第二電磁流量計與第一電磁流量計的流量差值，計算介質中的含砂比值；當含砂比值小於設定值時，執行步驟h ；當含砂比值大於設定值時，執行步驟i ;當含砂比值等於設定值時，執行步驟j ;
h、按設定量調增電動卸料閥的開度，返回步驟g;
i、按設定量調減電動卸料閥的開度，返回步驟g; j、保持電動卸料閥的開度；
k、循環執行步驟g h，至設定時間或壓裂或割縫完成；
I、順序關閉電動卸料閥、電動閘板閥；
m、動態採集第二電磁流量計的流量數位訊號，並比較第二電磁流量計與第一電磁流量計的流量差值，判斷介質中的是否含砂；
η、介質中的無砂時，順序關閉第一電動閥、介質加壓泵組。本發明的加砂控制方法，通過進水量的檢測和控制，並根據實際進水量和設定的加砂比例實現加砂量的動態控制，保持砂水比例恆定的目的；同時，在介質加壓泵組的啟動階段不供砂，以利用清水作壓裂或割縫的先期引導作用，在介質加壓泵組的啟動階段不供砂，可確保泵組內無殘留砂料，利於延長介質加壓泵組的使用壽命。本發明可通過設定不同的砂水混合比，以滿足煤礦井下壓裂或割縫時，不同巖層的需要。優選的，所述步驟f中的延時時間為10秒。確保清水作壓裂或割縫的先期引導作用效果充分.
本發明的有益效果是，加砂裝置結構簡單、體積下，且便於上下井的運輸和使用場地的轉移，且降低了加砂勞動強度、減少煤礦井下用工量、減少安全隱患；加砂控制方法通過單位流量的加砂量的控制實現壓裂或割縫介質中的含砂量控制，可提高煤層割縫效率，確保壓裂後煤巖體的增透效果，同時，介質加壓泵組使用壽命長。


圖I是本發明中加砂裝置的結構示意圖。圖2是本發明中加砂控制方法的控制流程框圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作進一步的說明，但並不因此將本發明限制在所述的實施範圍之中。實施例I參見圖1，一種煤礦井下壓裂或割縫用加砂裝置，包括由依次連接的進水管I、混合管2、出水管3，進水管I的進口端用於與水源連接，進水管I的管路上設有第一電動閥4、第一數字壓力表5、第一電磁流量計6 ;出水管3的出口端用於與介質加壓泵組的壓裂或割縫介質接入口連接，出水管3的管路上設有止回閥7、第二數字壓力表8、第二電磁流量計9 ;所述混合管2通過給砂管10連通有用於盛裝砂料的料鬥11，料鬥11位於混合管2上方，給砂管10的管路上設有電動卸料閥12和電動閘板閥13，電動卸料閥12位於電動閘板閥13上方；所述第一電動閥4、電動卸料閥12和電動閘板閥13均採用防爆型；所述進水管I、混合管2和出水管3分別通過固定支架15固定在平板礦車16上。所述混合管2由依次連接的射流噴嘴21、混料倉22和混流管23組成，射流噴嘴21的進口端與所述進水管I的出口端連接，射流噴嘴21呈縮徑管結構，射流噴嘴21的小直 徑管段構成其射流段，射流噴嘴21的出口端伸入混料倉22內；混料倉22由直管段221和錐管段222構成，錐管段222的口徑沿介質流動方向逐漸收縮；混流管23包括擴口段231，擴口段231的口徑沿介質流動方向逐漸擴張，擴口段231的小埠徑與混料倉22的錐管段222小埠徑相同，擴口段231的小端與混料倉22的錐管段222小端通過一直管段連通；所述給砂管10的出口端與混料倉22的直管段221連通，給砂管10的出口位於射流噴嘴21的出口端的後方。所述射流噴嘴21包括其前端設有的噴孔211，噴孔211直徑小於射流噴嘴21的小直徑管直徑，噴孔211後端設有錐度集流段。所述第一電動閥4、電動卸料閥12和電動閘板閥13外部分別設有防爆罩14，防爆罩14固定連接在所述平板礦車16上。所述進水管I的進口端和所述出水管3的出口端具有與U形卡接方式的快速接頭相適應的結構。實施例2參見圖I、圖2，一種煤礦井下壓裂或割縫的加砂控制方法，設置一用於控制本發明實施例I所述加砂裝置的自動控制系統，該自動控制系統按以下步驟執行加砂控制
a、順序開啟第一電動閥4、介質加壓泵組，第一電動閥4開啟至設定開度；
b、開啟電動閘板閥13；
C、採集第一電磁流量計6的流量數位訊號並與進水流量設定值比較，當第一電磁流量計6的流量值小於設定值時，執行步驟d ;當第一電磁流量計6的流量值大於設定值時，執行步驟e ;當第一電磁流量計6的流量值等於設定值時，執行步驟f ；
d、按設定增量調增第一電動閥4的開度，返回步驟b;
e、按設定增量調減第一電動閥4的開度，返回步驟b;
f、保持第一電動閥4的開度，並延時數秒，啟動電動卸料閥12至設定開度；
g、採集第二電磁流量計9的流量數位訊號，並比較第二電磁流量計9與第一電磁流量計6的流量差值，計算介質中的含砂比值；當含砂比值小於設定值時，執行步驟h ;當含砂比值大於設定值時，執行步驟i ;當含砂比值等於設定值時，執行步驟j ;
h、按設定量調增電動卸料閥12的開度，返回步驟g；i、按設定量調減電動卸料閥12的開度，返回步驟g ；
j、保持電動卸料閥12的開度；
k、循環執行步驟g h，至設定時間或壓裂或割縫完成；
I、順序關閉電動卸料閥12、電動閘板閥13 ；
m、動態採集第二電磁流量計9的流量數位訊號，並比較第二電磁流量計9與第一電磁流量計6的流量差值，判斷介質中的是否含砂；
η、介質中的無砂時，順序關閉第一電動閥4、介質加壓泵組。所述步驟f中的延時時間為10秒。以上雖然結合了附圖描述了本發明的實施方式，但本領域的普通技術人員也可以 意識到對所附權利要求的範圍內作出各種變化或修改，這些修改和變化應理解為是在本發明的範圍和意圖之內的。
權利要求
1.一種煤礦井下壓裂或割縫用加砂裝置，其特徵在於，包括由依次連接的進水管(I)、混合管(2)、出水管(3)，進水管(I)的進口端用於與水源連接，進水管(I)的管路上設有第一電動閥(4)、第一數字壓力表(5)、第一電磁流量計(6);出水管(3)的出口端用於與介質加壓泵組的壓裂或割縫介質接入口連接，出水管(3)的管路上設有止回閥(7)、第二數字壓力表(8)、第二電磁流量計(9);所述混合管(2)通過給砂管(10)連通有用於盛裝砂料的料鬥(11)，料鬥(11)位於混合管(2 )上方，給砂管(10 )的管路上設有電動卸料閥(12 )和電動閘板閥(13)，電動卸料閥(12)位於電動閘板閥(13)上方；所述第一電動閥(4)、電動卸料閥(12)和電動閘板閥(13)均採用防爆型；所述進水管(I)、混合管(2)和出水管(3)分別通過固定支架(15)固定在平板礦車(16)上。
2.根據權利要求I所述的煤礦井下壓裂或割縫用加砂裝置，其特徵在於所述混合管(2 )由依次連接的射流噴嘴(21)、混料倉(22 )和混流管(23 )組成，射流噴嘴(21)的進口端與所述進水管(I)的出口端連接，射流噴嘴(21)呈縮徑管結構，射流噴嘴(21)的小直徑管段構成其射流段，射流噴嘴(21)的出口端伸入混料倉(22)內；混料倉(22)由直管段(221)和錐管段(222)構成，錐管段(222)的口徑沿介質流動方向逐漸收縮；混流管(23)包括擴口 段(231 )，擴口段(231)的口徑沿介質流動方向逐漸擴張，擴口段(231)的小埠徑與混料倉(22)的錐管段(222)小埠徑相同，擴口段(231)的小端與混料倉(22)的錐管段(222)小端通過一直管段連通；所述給砂管(10)的出口端與混料倉(22)的直管段(221)連通，給砂管(10)的出口位於射流噴嘴(21)的出口端的後方。
3.根據權利要求2所述的煤礦井下壓裂或割縫用加砂裝置，其特徵在於所述射流噴嘴(21)包括其前端設有的噴孔(211)，噴孔(211)直徑小於射流噴嘴(21)的小直徑管直徑，噴孔(211)後端設有錐度集流段。
4.根據權利要求I所述的煤礦井下壓裂或割縫用加砂裝置，其特徵在於所述第一電動閥(4)、電動卸料閥(12 )和電動閘板閥(13 )外部分別設有防爆罩(14)，防爆罩(14 )固定連接在所述平板礦車(16 )上。
5.根據權利要求I所述的煤礦井下壓裂或割縫用加砂裝置，其特徵在於所述進水管(I)的進口端和所述出水管(3)的出口端具有與U形卡接方式的快速接頭相適應的結構。
6.一種煤礦井下壓裂或割縫的加砂控制方法，其特徵在於，設置一權利要求I 5任一項權利要求所述的加砂裝置的自動控制系統，該自動控制系統按以下步驟執行加砂控制 a、順序開啟第一電動閥(4)、介質加壓泵組，第一電動閥(4)開啟至設定開度； b、開啟電動閘板閥(13); C、採集第一電磁流量計(6)的流量數位訊號並與進水流量設定值比較，當第一電磁流量計(6)的流量值小於設定值時，執行步驟d ;當第一電磁流量計(6)的流量值大於設定值時，執行步驟e ;當第一電磁流量計(6)的流量值等於設定值時，執行步驟f ; d、按設定增量調增第一電動閥(4)的開度，返回步驟b; e、按設定增量調減第一電動閥(4)的開度，返回步驟b; f、保持第一電動閥(4)的開度，並延時數秒，啟動電動卸料閥(12)至設定開度； g、採集第二電磁流量計(9)的流量數位訊號，並比較第二電磁流量計(9)與第一電磁流量計(6)的流量差值，計算介質中的含砂比值；當含砂比值小於設定值時，執行步驟h ;當含砂比值大於設定值時，執行步驟i ;當含砂比值等於設定值時，執行步驟j ；h、按設定量調增電動卸料閥(12)的開度，返回步驟g； i、按設定量調減電動卸料閥(12)的開度，返回步驟g； j、保持電動卸料閥(12)的開度； k、循環執行步驟g h，至設定時間或壓裂或割縫完成； I、順序關閉電動卸料閥(12)、電動閘板閥(13); m、動態採集第二電磁流量計(9)的流量數位訊號，並比較第二電磁流量計(9)與第一電磁流量計(6)的流量差值，判斷介質中的是否含砂； η、介質中的無砂時，順序關閉第一電動閥(4)、介質加壓泵組。
7.根據權利要求6所述的煤礦井下壓裂或割縫的加砂控制方法，其特徵在於所述步驟f中的延時時間為10秒。
全文摘要
本發明公開了一種煤礦井下壓裂或割縫用加砂裝置及加砂控制方法，該裝置包括由依次連接的進水管、混合管、出水管，進水管的管路上設有第一電動閥、第一數字壓力表、第一電磁流量計；出水管的出口端用於與介質加壓泵組的介質接入口連接，出水管的管路上設有止回閥、第二數字壓力表、第二電磁流量計；混合管上方通過給砂管連通有用於盛裝砂料的料鬥，給砂管的管路上設有電動卸料閥和電動閘板閥；第一電動閥、電動卸料閥和電動閘板閥均採用防爆型；進水管、混合管和出水管分別固定在平板礦車上。該方法利用現有控制技術控制本裝置的加砂時機及加砂量。本發明的有益效果是，加砂裝置結構簡單、體積下、使用安全，該方法可提高煤層割縫效率，確保壓裂後煤巖體的增透效果。
文檔編號E21F7/00GK102900417SQ20121042801
公開日2013年1月30日 申請日期2012年11月1日 優先權日2012年11月1日
發明者周聲才, 周東平, 沈大富, 覃樂, 餘模華, 何興玲, 郭臣業, 王文春, 龍官波, 李棟, 張正輝, 何苗, 周俊傑, 張迪, 徐濤, 張翠蘭 申請人:重慶市能源投資集團科技有限責任公司