基于频率监测的振动式水力压裂增透煤体的装置及方法

1.本发明属于煤矿钻孔瓦斯抽采强化技术领域，尤其涉及基于频率监测的振动式水力压裂增透煤体的装置和方法。


背景技术：

2.我国煤岩赋存情况复杂，有很多矿井都是高瓦斯矿井，随着煤层开采越来越深，冲击地压、煤与瓦斯突出情况出现的越来越多，影响越来越大。为了治理煤与瓦斯突出现状，矿山都会对煤层中的瓦斯进行预抽采，一方面降低了煤与瓦斯突出的风险，另一方面也收集了瓦斯这样的绿色能源加以利用。
3.矿井瓦斯抽采主要分为井上抽采和井下抽采，目前我国大部分的矿井都是采用的井下抽采瓦斯，井下瓦斯抽采存在着成本高且瓦斯抽采效率不高的现象。为了提升煤体透气性能，提高瓦斯的抽采效率，提出了众多的煤体增透手段，目前普遍应用的是水力压裂。水力压裂是在煤体中提前打上增透孔，通过注入高压水使得煤体破碎，从而增大煤体的透气性能，但是目前的水力压裂主要产生的裂缝是宏观上的裂缝，遗留在煤体裂隙中的瓦斯会缓慢向外逸散，这样不仅降低了瓦斯抽采的效率也会影响瓦斯抽采的效果，迫切的需要一种兼顾宏观和微观方面的煤层增透方式。煤体的自振频率较低，可以以较简单的方法强迫煤体自振，其自振促进了煤体中的微小裂缝的发育，同时也可以使煤体中的小孔洞变形或者破坏。因此提出基于频率监测的振动式水力压裂增透煤体的装置及方法，其利用注液泵将压裂液从水箱中抽出，经过增压泵增压后的高压压裂液从特制喷水口中旋转喷出，首先对压裂孔周围的煤体产生一次宏观裂缝，待压裂孔中压裂液体达到一定压力后，压裂液对周围煤体的压力促进第一次产生的宏观裂缝发育，同时由于特制喷水口的结构，高速旋转的喷水口在压裂液中产生涡流，一方面通过涡流带动压裂产生的煤屑与煤壁碰撞产生裂隙，另一方面涡流也会对煤壁产生强大冲击力，促进煤体共振，通过煤体共振破坏煤体内部微小孔洞结构并且促进了煤体微裂隙的发育，通过两次宏观压裂和一次微观压裂的过程促进煤层中的瓦斯解析，提高瓦斯抽采效率。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供基于频率监测的振动式水力压裂增透煤体的装置和方法，该装置利用注液泵将压裂液从水箱中抽出，经过增压泵增压后的高压压裂液从特制喷水口中旋转喷出，首先对压裂孔周围的煤体产生一次宏观裂缝，待压裂孔中压裂液体达到一定压力后，压裂液对周围煤体的压力促进第一次产生的宏观裂缝发育，同时由于特制喷水口的结构，高速旋转的喷水口在压裂液中产生涡流，一方面通过涡流带动压裂产生的煤屑与煤壁碰撞产生裂隙，另一方面涡流也会对煤壁产生强大冲击力，促进煤体共振，通过煤体共振破坏煤体内部微小孔洞结构并且促进了煤体微裂隙的发育，通过两次宏观压裂和一次微观压裂的过程促进煤层中的瓦斯解析，提高瓦斯抽采效率。
5.为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于频率监测的振动式水力压裂增透煤体的装置，包括水箱，水箱用来装压裂液，为向压裂孔中注射压裂水做准备，随时添加后备压裂水，保证压裂过程顺利完成，与水箱出口相连的注液泵，与注液泵出口相连的增压泵，所述水箱、注液泵和增压泵之间通过高压胶管相连，所述增压泵的出水管上设有电磁动能转换器，高压胶管末端与喷水管固定连接，喷水管头部外端设有外支撑管，外支撑与喷水管之间还设有密封垫，外支撑管外部通过封孔器与钻孔密封连接，喷水管与高压胶管之间通过轴承旋转连接，外支撑管位于钻孔入口处，喷水管端部设有管状喷头，所述管状喷头管外壁沿长度方向设有多个螺旋形隆起，每个螺旋形隆起在对称的切向位置分别设有一个出水口，所述管状喷头位于钻孔底部，出水口形状设置为螺旋结构，在电磁动能转化器的带动下可以高速旋转，旋转带动水流冲击压裂孔周边煤壁，强迫煤壁共振，达到破坏煤体中微小孔洞结构和促进煤体中微裂隙的发育的目的。
6.进一步的，还包括设置于钻孔进口处岩层内的振动传感器，岩层内挖设容纳腔，容纳腔内注入密封液，振动传感器位于密封液内，所述振动传感器与数据处理控制器通过数据线电连接，所述电磁动能转换器与数据处理控制器电连接。
7.进一步的，还包括一个设置于管状喷头内的自爆袋，所述自爆袋进口与高压胶管出口联通，自爆袋上设有均匀分布的压裂导向缝，自爆袋与特制出水口内部紧密贴合，在出水口处设置压裂导向缝，当自爆袋内部的压力达到设定压力时，自动从压裂导向缝处裂开，保证初次出水压力。
8.进一步的，所述水箱出口的高压胶管上设有1#阀门和流量计，注液泵出口的高压胶管上设有2#阀门，增压泵出口的高压胶管上设有3#阀门、泄压阀和压力表。
9.一种基于频率监测的振动式水力压裂增透煤体的装置的增透方法，包括以下步骤：s1.关闭所有阀门，检查所有部件是否连接完毕，检查各个零件连接的密封性能；s2.打开1#阀门、2#阀门和3#阀门，开启注液泵，将管道内部所有的空气排出；s3.待喷水管内充满压裂液后，通过增压泵增加喷水管内部压力至承压自爆袋沿着预设的压裂导向缝裂开；s4.打开增压泵电磁动能转换器，水箱中的水通过注液泵输入涡轮增压泵加压进入喷水管，当喷水管内部压力达到13mpa时，自锁装置打开，喷出高压压裂液，进行第一次压裂；s5.经过第一次压裂后，压裂孔中填满压裂液，观察流量计和压力计，当充水量达到计算要求用量时，关闭1#阀门，继续增压，使压裂孔内的压裂液压强保持在13mpa~15mpa；s6.压裂孔中被压裂液填满后，开启传感器、数据处理控制器接收处理煤岩体的振动信号，分析振动信号的频域；s7.通过控制电磁动能转换器的动能输出功率，调控煤屑与煤壁撞击而产生的振动频率；s8.观察压力表及时补充压裂液，保持压裂孔中的压裂液压力；s9.重复步骤s3-5，单孔压裂时间保持在2h以上，收回装备，煤层增透完毕，准备抽采。
10.本发明在排空系统内空气后，首先在特制出水口内部加压至13mpa左右，打开自锁
装置，高压力水在电磁动能转换器的带动下高速旋转喷出，对压裂孔周边煤体进行第一次裂切，当水注满在压裂孔时，继续增压，通过观察压力表与控制增压泵使压裂孔内水的压力保持在13mpa~15mpa，通过高压强对煤体进行二次压裂，通过高压水裂切和高压力水压裂对压裂孔周边煤体进行两次压裂，起到让煤体产生宏观裂隙的效果。待压裂液填满压裂孔后，启动传感器和数据处理控制器，传感器接收煤岩体由于特制喷水口旋转产生的涡流对煤壁冲击和涡流带动煤屑对煤壁冲击所产生的煤岩体振动信号，并由数据处理系统分析振动信号的频域，通过调整电磁动能转换器的动能输出功率使煤岩体的振动始终保持在煤岩体的振动频率区间中，对煤岩体进行振动频率区间扫频，强迫煤岩体共振，以达到煤岩体内的微小孔洞被破坏和促进煤体中的微小裂隙发育的效果。在操作之前首先对要进行压裂的煤体打压裂孔，然后准备封堵器封堵压裂孔口，可以采用膨胀式封孔器，其外部设置有膨胀袋，可以通过内部材料的量来控制封孔的压力，方便拆卸，压裂完成后可以拆出高压胶管和刚性出气管，同时布置瓦斯抽采管。通过各个部分的协同作用，通过对煤体的裂切、压裂和强迫煤体共振既能使煤体产生宏观裂缝，促进流动的瓦斯被抽出又能促进微观裂缝的发育和破坏微小孔洞促使吸附的瓦斯解析，提高了瓦斯抽采效率同时降低抽采周期，为瓦斯增透提供了一个全新的思路，成本低操作简单，利于推广。
11.本发明具有的优点是：本发明利用注液泵将压裂液从水箱中抽出，经过增压泵增压后的高压压裂液从特制出水口中旋转喷出，首先对压裂孔周围的煤体产生一次宏观裂缝，待压裂孔中压裂液体达到一定压力后，压裂液对周围煤体的压力促进第一次产生的宏观裂缝发育，同时由于特制出水口的结构，高速旋转的出水口在压裂液中产生涡流，一方面通过涡流带动压裂产生的煤屑与煤壁碰撞产生裂隙，另一方面涡流也会对煤壁产生强大冲击力，促进煤体共振，通过煤体共振破坏煤体内部微小孔洞结构并且促进了煤体微裂隙的发育，通过两次宏观压裂和一次微观压裂的过程促进煤层中的瓦斯解析，提高了瓦斯抽采效率和降低了瓦斯抽采工期，为瓦斯增透提供了全新的思路，成本低，操作简单。
附图说明
12.图1基于频率监测的振动式水力压裂增透煤体的装置的示意图；图2是本发明电磁动能转换器和外支撑结构图；图3是本发明中承压自爆袋结构图；图4是本发明出水口结构图。
具体实施方式
13.如图所示，一种基于频率监测的振动式水力压裂增透煤体的装置，包括水箱14，水箱用来装压裂液，为向压裂孔中注射压裂水做准备，随时添加后备压裂水，保证压裂过程顺利完成，与水箱出口相连的注液泵5，与注液泵出口相连的增压泵6，所述水箱、注液泵和增压泵之间通过高压胶管8相连，所述增压泵的出水管上设有电磁动能转换器20，高压胶管末端与喷水管13固定连接，喷水管头部外端设有外支撑管9，外支撑与喷水管之间还设有密封垫16，外支撑管外部通过封孔器7与钻孔密封连接，喷水管与高压胶管之间通过轴承旋转连接，外支撑管位于钻孔入口处，喷水管端部设有管状喷头，所述管状喷头管外壁沿长度方向设有多个螺旋形隆起，每个螺旋形隆起在对称的切向位置分别设有一个出水口17，所述管
状喷头位于钻孔底部，出水口形状设置为螺旋结构，在电磁动能转化器的带动下可以高速旋转，旋转带动水流冲击压裂孔周边煤壁，强迫煤壁共振，达到破坏煤体中微小孔洞结构和促进煤体中微裂隙的发育的目的；还包括设置于钻孔进口处岩层内的振动传感器10，岩层内挖设容纳腔，容纳腔内注入密封液12，振动传感器位于密封液内，所述振动传感器与数据处理控制器11通过数据线15电连接，所述电磁动能转换器20与数据处理控制器电连接；还包括一个设置于管状喷头内的自爆袋18，所述自爆袋进口与高压胶管出口联通，自爆袋上设有均匀分布的压裂导向缝19，自爆袋与特制出水口内部紧密贴合，在出水口处设置压裂导向缝，当自爆袋内部的压力达到设定压力时，自动从压裂导向缝处裂开，保证初次出水压力；所述水箱出口的高压胶管上设有1#阀门1-1和流量计2，注液泵出口的高压胶管上设有2#阀门1-2，增压泵出口的高压胶管上设有3#阀门1-3、泄压阀4和压力表3。
14.一种基于频率监测的振动式水力压裂增透煤体的装置的增透方法，包括以下步骤：第一步，首先关闭所有阀门，检查所有部件是否连接完毕。检查各个零件连接的密封性能。
15.第二步，打开1#阀门、2#阀门和3#阀门，开启注液泵，将管道内部所有的空气排出。
16.第三步，等喷水管内充满压裂液后，通过加压泵缓慢增加喷水管内部压力，待喷水管内部承压自爆袋内部达到开裂压力之前，增大加压泵的输出功率，使自爆袋沿着预设的压裂导向缝裂开。
17.第四步，打开涡轮增压器电磁动能转换器，电磁动能转换器输出动能中等，保持特制出水口的旋转速度，水箱中的水由通过注液泵输入涡轮增压泵加压进入特制出水口，特制出水口设计有自锁装置，当出水口内部压力达到13mpa时，自锁装置打开，喷出高压压裂液，进行第一次压裂。
18.第五步，经过第一次压裂后，压裂孔中将迅速填满压裂液，此时注意观察流量计和压力计，当充水量达到计算要求用量时，关闭1#阀门，继续增压，使压裂孔内的压裂液压强保持在13mpa~15mpa。
19.第六步，压裂孔中被压裂液填满后，开启传感器、数据处理控制器，接收处理煤岩体的振动信号，分析振动信号的频域。
20.第七步，通过控制频率系统对控制电磁动能转换器的动能输出功率，调控由于涡流冲击和涡流带动的煤屑与煤壁撞击而产生的振动频率。
21.第八步，随时观察压力表，当无法维持压裂液压强时，及时补充压裂液，保持压裂孔中的压裂液压力。
22.第九步，不断的重复步骤三、四、五，单孔压裂时间保持在2h以上。
23.第十步，收回装备，煤层增透完毕，准备抽采。由于宏观裂缝的产生和微观裂缝的发育及微小孔洞的破坏，加快了游离和吸附的瓦斯解析，提高了煤的透气性，增加了瓦斯抽采。