高速公路瓦斯突出隧道超厚煤层水力压裂增透系统.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010277052.9 (22)申请日 2020.04.08 (71)申请人 中国建筑第四工程局有限公司 地址 510665 广东省广州市天河区科韵路 16号自编B栋5楼 (72)发明人 康卫于海平刘闯孙文书 黄志良郝雪斌蒋蕤杨凯 (74)专利代理机构 成都熠邦鼎立专利代理有限 公司 51263 代理人 李晓英 (51)Int.Cl. E21F 7/00(2006.01) E21B 43/26(2006.01) E21B 33/13(2006.01) F04B 17/03(。

2、2006.01) F04B 49/06(2006.01) F04B 53/10(2006.01) F16H 41/30(2006.01) F16H 57/04(2010.01) (54)发明名称 高速公路瓦斯突出隧道超厚煤层水力压裂 增透系统 (57)摘要 本发明涉及高速公路瓦斯突出隧道超厚煤 层水力压裂增透系统， 属于煤层揭煤防突施工技 术领域， 它包括左洞、 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。

3、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。 本发明可远程操作， 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。 权利要求书1页 说明书5页 附图2页 CN 111350536 A 2020.06.30 CN 111350536 A 1.高速公路瓦斯突出隧道超厚煤层水力压裂增透系统， 其特征在于： 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。

4、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。 2.根据权利要求1所述的高速公路瓦斯突出隧道超厚煤层水力压裂增透系统， 其特征 在于： 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。 3.根据权利要求2所述。

5、的高速公路瓦斯突出隧道超厚煤层水力压裂增透系统， 其特征 在于： 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。 4.根据权利要求1所述的高速公路瓦斯突出隧道超厚煤层水力压裂增透系统， 其特征 在于： 所述压裂泵的进口接外来输水管， 所述压裂管路上设有单向阀， 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。 5.根据权利要求4所述的高速公路瓦斯突出隧道超厚煤层水力压裂增透系统， 其特征 在于： 所述电动泄压阀和止回阀安装在孔口阀组平车上。 6.根据权利要求1所述的高速公路瓦斯突出隧道超厚煤层水力压裂增透系。

6、统， 其特征 在于： 所述横通道的两端安装有防爆门构成避险硐室。 7.根据权利要求1所述的高速公路瓦斯突出隧道超厚煤层水力压裂增透系统， 其特征 在于： 它还包括润滑系统， 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。 8.根据权利要求1所述的高速公路瓦斯突出隧道超厚煤层水力压裂增透系统， 其特征 在于： 润滑油泵为润滑螺杆泵。 9.根据权利要求8所述的高速公路瓦斯突出隧道超厚煤层水力压裂增透系统， 其特征 在于： 所述冷却器为板式冷却器。 10.根据权利要求1-9中任一项所述的高速。

7、公路瓦斯突出隧道超厚煤层水力压裂增透 系统， 其特征在于： 所示高压软管连接孔内压裂管， 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。 权利要求书 1/1 页 2 CN 111350536 A 2 高速公路瓦斯突出隧道超厚煤层水力压裂增透系统 技术领域 0001 本发明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 0002 随着我国高速公路。

8、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。 发明内容 0003 本发明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。 0004 为达到上述目的， 本发明采用的技术方案如下： 0005 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。

9、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； 0006 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。 0007 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。 0008 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。

10、出口调节阀、 软 启动柜及PLC控制柜安装在另一台平板车上。 0009 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 有单向阀， 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。 0010 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。 0011 其中， 所述横通道的两端安装有防爆门构成避险硐室。 0012 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。 0013。

11、 优选地， 润滑油泵为润滑螺杆泵， 冷却器为板式冷却器。 0014 进一步的， 所示高压软管连接孔内压裂管， 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； 0015 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。 说明书 1/5 页 3 CN 111350536 A 3 0016 与现有技术相比， 本发明具有以下有益效果： 0017 本发明可远程操作， 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。

12、成伤害， 彻底消灭了带 压进人的安全隐患。 附图说明 0018 图1是压裂泵组及管路铺设示意图； 0019 图2是泵组布置示意图； 0020 图3是图2中A处的剖视图； 0021 图4是泵组的PID图； 0022 图5是压裂钻孔封孔示意图。 0023 图中： 0024 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； 0025 21-润滑油泵、 22-过滤器、 23-冷却器、 24-油箱； 0026 31-PLC控制箱、 32-计算机、 33-软启动柜； 0027 41-穿层钻孔、 。

13、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； 0028 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 0029 为了使本发明的目的、 技术方案及优点更加清楚明白， 以下结合 附图， 对本发明 进行进一步详细说明。 0030 如图1所示， 本发明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。

14、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， 所述高压软管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。 0031 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， 所述高压软管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。 0032 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。

15、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。 0033 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。 0034 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。 说明书 2/5 页 4 CN 111350536 A 4 0035 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个档位， 系统根据泵出口。

16、的压力系统压力变化切换档位， 通过检查液力变速器13的输出转速来确 定档位是否正确， 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。 0036 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。 0037 电气系统分为数据监控系统3和视频监视系统。

17、。 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档、 保存， 以 便查阅。 0038 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。 0039 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 。

18、记录进行归档保存， 以便查阅。 0040 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。 0041 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， 所述软 启动柜33与电动机12电连接。 0042 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， 所述液力变速器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，。

19、 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。 0043 所述压裂泵11的进口接外来输水管， 所述高压软管14上设有止 回阀18， 高压软管 14通过三通连接有泄压管路， 所述泄压管路上安 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。 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。 0044 如图1、 5所示， 施工时， 将高压软管14连接左洞101或右洞 102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， 所述孔内压裂管42与穿层钻孔41孔壁 间有封孔段44， 封 孔段44由。

20、孔口封孔至煤层顶板处。 0045 所述孔内压裂管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。 0046 孔内压裂管42管内径为40mm， 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。 0047 封孔注浆管43采用4分铁管加工， 长2m， 所述封孔注浆管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； 说明书 3/5 页 5。

21、 CN 111350536 A 5 0048 另加工一根一头带梯形笋子尖、 一头为丝扣的4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。 0049 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。

22、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。 0050 本发明的施工工艺： 0051 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； 0052 S2， 洞内穿层钻孔， 钻孔内安装孔内压裂管42并封孔； 0053 S3， 压裂泵组1就位， 连接好电气系统及高压管路； 0054 S4， 检查泵组管路连接状况， 回流阀全部打开； 0055 S5， 将压裂泵调整。

23、到空档位置空载启动压裂泵； 0056 S6， 检查电机运行正反； 0057 S7， 调整电源方向； 0058 S8， 逐步关闭回流阀； 0059 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。 0060 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。

24、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。 0061 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。 0062 S10， 结束压裂， 将泵组档位回到空档， 停泵并远程打开卸压阀 卸压。 0063 其中， 压裂参数计算方法如下： 0064 破裂压力的确定依据公式： 0065 pf 1+ 3-2( 1- 3)cos2 +Rt (1) 0066 其中： pf为。

25、破裂压力， MPa； 1， 3为最大最小水平主应力， MPa； 为目标方向角； Rt为煤岩体抗拉强度， MPa， 取2.6。 0067 0068 其中： H为埋深， 单位为m。 说明书 4/5 页 6 CN 111350536 A 6 0069 总注水量 0070 注水量的确定依据公式： 0071 水 体k 0072 体abh (3) 0073 其中： 体注水影响体体积， m3； k为影响体孔隙率； a为 影响体长度， m； b为 影响体宽度， m； h为影响体高度， m； 0074 在注水形成压力之前， 需充填压裂泵组至压裂孔的管道已经压裂 孔， 此处需要的 水量约为： 0075 c g+ 。

26、k 0076 g g2hg 0077 k k2hk 0078 其中：c为充填管道和压裂孔所需水量， m3； 0079 g、 g、 hg分别为充填管道所需水量、 管道半径和管道长度； 0080 k、 k、 hk分别为充填压裂孔所需水量、 压裂孔半径和压裂孔长 度。 0081 本发明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。 0082 当然， 本发明还可有其它多种实施方式， 在不背离本发明精神及 其实质的情况 下， 熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应 的改变和变形， 但这些相应的改变 和变形都应属于本发明所附的权利 要求的保护范围。 说明书 5/5 页 7 CN 111350536 A 7 图1 图2 图3 说明书附图 1/2 页 8 CN 111350536 A 8 图4 图5 说明书附图 2/2 页 9 CN 111350536 A 9 。