本發(fā)明涉及煤礦開采的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及適用于礦山地下工程中的一種堅硬煤層注水弱化實驗裝置及其使用方法。

背景技術(shù)：

煤層按硬度分為極硬煤層5.0>f>4.0、硬煤層4.0>f>3.0、中硬煤層3.0>f>1.5、軟煤層1.5>f>0.8、極軟煤層0.8>f>0.5五個類別，而割煤機一般適宜截煤層硬度f≤4的工作面。

在較堅硬的煤層生產(chǎn)中，使用機械化采煤因煤體較硬，采煤機在產(chǎn)生割煤時非常困難，通常發(fā)生割不動的現(xiàn)象，不僅造成截齒消耗量增加、而且還經(jīng)常會造成采煤機的機械事故，在生產(chǎn)實踐中通常采用對煤幫、煤壁開震動炮的方法使煤層松軟后再通過采煤機割煤，還有采用煤體中淺孔注水的方法和深孔注水的方法，但注水效果均不理想、經(jīng)常出現(xiàn)無法保壓的問題，無法從根本上解決在較堅硬的煤層中使用機械化開采的問題。

為此，本發(fā)明的設(shè)計者有鑒于上述缺陷，通過潛心研究和設(shè)計，綜合長期多年從事相關(guān)產(chǎn)業(yè)的經(jīng)驗和成果，研究設(shè)計出一種堅硬煤層注水弱化實驗裝置及其使用方法，以克服上述缺陷。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種堅硬煤層注水弱化實驗裝置及其使用方法，結(jié)構(gòu)簡單、注水效果好，能夠?qū)崿F(xiàn)注水保壓以確保低壓浸潤，進而從根本上解決在較堅硬的煤層中使用機械化開采的問題。

為解決上述問題，本發(fā)明公開了一種堅硬煤層注水弱化實驗裝置，其特征在于包括孔口管、雙端封堵壓裂器、高壓注水管、高壓注水泵、高壓壓力表、低壓膠管、過濾器和吸水管；

所述孔口管固定套接安裝在煤層鉆孔的外端；

所述雙端封堵壓裂器設(shè)置在煤層鉆孔內(nèi)，雙端封堵壓裂器包括封隔器，封隔器包括沿其長度方向設(shè)有間隔分布的、柔性連接的外封隔器和內(nèi)封隔器；外封隔器是環(huán)形空心囊結(jié)構(gòu)，環(huán)形空心囊結(jié)構(gòu)上設(shè)有可拆卸的、包括高壓閥門的高壓尼龍管；內(nèi)封隔器是端蓋形空心囊結(jié)構(gòu)，端蓋形空心囊結(jié)構(gòu)上也設(shè)有可拆卸的、包括高壓閥門的高壓尼龍管；

所述高壓注水管的一端穿入孔口管并伸入至煤層鉆孔內(nèi)與雙端封堵壓裂器外端的外封隔器環(huán)形中心密閉連通連接、另一端與高壓注水泵的出口端連接，高壓注水泵的出口端上還設(shè)有高壓壓力表；

所述的低壓膠管的一端與高壓注水泵的入口端連接、另一端與過濾器的出口端連接；

所述的過濾器的入口端與吸水管的一端連接，吸水管的另一端沒入水池的液面以下。

其中，所述吸水管上設(shè)有低壓壓力表、流量計和截止閥。

還公開了如上所述的堅硬煤層注水弱化實驗裝置的使用方法，其特征在于包含如下步驟：

a)確定測試孔位置：鉆取煤層鉆孔并并進行標(biāo)引，檢查孔內(nèi)情況，確定孔內(nèi)無坍塌完好、暢通；

b)孔外封隔器加壓試驗：將封隔器、高壓尼龍管和高壓注水泵依次連接，在孔外進行加壓試驗，首先用套管套好封隔器，然后啟動高壓注水泵分別給外封隔器和內(nèi)封隔器加壓，加壓過程中檢查封隔器膨脹及管路密封是否良好，觀察高壓壓力表達到最終試驗壓力時，確認封隔器和管路性能良好、無泄漏，否則進行檢修或調(diào)換部件，重復(fù)此步驟，直至達到要求；

c)置入封隔器：用鉆桿依次將內(nèi)封隔器和外封隔器推至煤層鉆孔中需測試的設(shè)定位置，推入封隔器過程中鉆桿絲扣之間要求密封擰緊，同時要防止與封隔器連接的高壓尼龍管被擠壓損壞；

d)孔內(nèi)封隔器加壓：首先連接好壓力表和連接部件確認密封良好，把與封隔器連接的高壓尼龍管和高壓注水泵進行連接，打開高壓閥門，然后給封隔器加壓，加壓過程中注意高壓壓力表壓力變化，達到封隔設(shè)定壓力時，確認封隔器和管路性能良好、無泄漏后，關(guān)閉高壓閥門并拆卸高壓閥門使其與高壓注水泵分離；

e)水壓致裂：所要測試的孔段封隔后，連接好低壓壓力表和流量計，確認高壓注水泵工作位置正確，記錄流量計初始讀數(shù)和時間，啟動高壓注水泵對測試段進行加壓試驗；試驗結(jié)束時記錄流量計讀數(shù)和時間；

f)測試完畢，關(guān)閉電源，打開與高壓尼龍管連接的高壓閥門，待封隔器內(nèi)的水完全流出后牽拉封隔器至煤層鉆孔外部方向上的另一個需測試的位置，進行第二次測試；以此類推，直至完成該煤層鉆孔的整段測試，關(guān)閉電源、拆卸管路和儀表，撤出雙端封堵壓裂器，繼續(xù)進行其他孔的水壓致裂工作。

其中，所述的步驟e)中測試過程中，高壓注水泵以最大流量進行加壓，第一次加壓到壓力升到最大值后壓力值回落至設(shè)定值并保壓至設(shè)定時間，然后停止加壓至設(shè)定時間，最后卸壓；第二次加壓到壓力升到最大值后保壓至設(shè)定時間。

其中，當(dāng)完成多個煤層鉆孔的水壓致裂工作后，用高壓管將各個煤層鉆孔孔口部進行連接并通過轉(zhuǎn)換閥同時連接至高壓注水泵上進行多孔注水壓裂工作。

其中，超前注水距離為200m。

其中，自煤層鉆孔底向外方向以30m為一封隔段。

通過上述結(jié)構(gòu)可知，本發(fā)明的堅硬煤層注水弱化實驗裝置及其使用方法設(shè)有雙端封堵壓裂器，且雙端封堵壓裂器包括封隔器，封隔器包括沿其長度方向設(shè)有間隔分布的、柔性連接的外封隔器和內(nèi)封隔器，因此將外封隔器和內(nèi)封隔器充壓后外封隔器和內(nèi)封隔器之間的封隔段即形成密閉空間，通過高壓注水泵注水致裂封隔段內(nèi)的煤體，可解決深孔高壓注水時經(jīng)常出現(xiàn)的無法保壓的技術(shù)難題，為后續(xù)煤層低壓浸潤創(chuàng)造了條件，結(jié)構(gòu)簡單、注水效果好，能夠?qū)崿F(xiàn)注水保壓以確保低壓浸潤，從而有效弱化煤層、降低截齒消耗量、從根本上解決在較堅硬的煤層中使用機械化開采的問題。

本發(fā)明的詳細內(nèi)容可通過后述的說明及所附圖而得到。

附圖說明

圖1顯示了本發(fā)明的堅硬煤層注水弱化實驗裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2顯示了本發(fā)明的進行多孔注水壓裂工作時的結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標(biāo)記：

1、封隔器，2、孔口管，3、高壓注水管，4、高壓注水泵，5、高壓壓力表，6、低壓膠管，7、過濾器，8、低壓壓力表，9、流量計，10、截止閥，11、水池。

具體實施方式

參見圖1和2，顯示了本發(fā)明的堅硬煤層注水弱化實驗裝置及其使用方法。

如圖1所示，所述堅硬煤層注水弱化實驗裝置包括孔口管2、雙端封堵壓裂器、高壓注水管3、高壓注水泵4、低壓膠管6、過濾器7和吸水管。

所述的孔口管2固定套接安裝在煤層鉆孔的外端，用于支撐固定雙端封堵壓裂器和高壓注水管3。

所述的雙端封堵壓裂器設(shè)置在煤層鉆孔內(nèi)，雙端封堵壓裂器包括封隔器1，所述封隔器1由沿其長度方向間隔分布的、柔性連接的外封隔器和內(nèi)封隔器，其中，所述外封隔器采用的為環(huán)形空心囊結(jié)構(gòu)，所述環(huán)形空心囊結(jié)構(gòu)上設(shè)有可拆卸的包括高壓閥門的高壓尼龍管，所述內(nèi)封隔器為端蓋形空心囊結(jié)構(gòu)，所述端蓋形空心囊結(jié)構(gòu)上也設(shè)有可拆卸的包括高壓閥門的高壓尼龍管。

所述高壓注水管3的一端穿入孔口管并伸入至煤層鉆孔內(nèi)與雙端封堵壓裂器外端的外封隔器的環(huán)形中心密閉連通連接，另一端與高壓注水泵4的出口端連接，優(yōu)選的，所述高壓注水泵4的出口端上還設(shè)有高壓壓力表5。

所述的低壓膠管6的一端與高壓注水泵4的入口端連接、另一端與過濾器7的出口端連接。

所述的過濾器7的入口端與吸水管的一端連接，吸水管的另一端沒入水池11的液面以下，且吸水管上設(shè)有低壓壓力表8、流量計9和截止閥10。

本堅硬煤層注水弱化實驗裝置使用時，在鉆孔成孔后，利用雙端封堵壓裂器從孔底以30m為一封隔段，通過高壓泵注水，將封隔段內(nèi)煤體壓裂，為后續(xù)煤層注水效率提高創(chuàng)造條件，具體使用步驟如下：

a)確定測試孔位置：鉆取煤層鉆孔并進行標(biāo)引，包括記錄巷道名稱、孔號)，檢查孔內(nèi)情況，確定孔內(nèi)無坍塌完好、暢通方可進行測試。

b)孔外封隔器加壓試驗：將封隔器1、高壓尼龍管和高壓注水泵4依次連接，在孔外進行加壓試驗，首先用套管套好封隔器1，然后啟動高壓注水泵4分別給外封隔器和內(nèi)封隔器加壓，加壓過程中檢查封隔器膨脹及管路密封是否良好，觀察高壓壓力表5達到最終試驗壓力(5.0mpa)時，確認封隔器(1)和管路性能良好、無泄漏后，方可進行下一步工作；否則進行檢修或調(diào)換部件，重新試驗，直到達到要求為止。

c)置入封隔器：用鉆桿依次將內(nèi)封隔器和外封隔器推至煤層鉆孔中需測試的設(shè)定位置，推入封隔器1過程中鉆桿絲扣之間要求密封擰緊，同時要防止與封隔器1連接的高壓尼龍管被擠壓損壞，做好設(shè)備安全工作。

d)孔內(nèi)封隔器加壓：首先連接好壓力表和連接部件確認密封良好，把與封隔器1連接的高壓尼龍管和高壓注水泵4進行連接，打開高壓閥門，然后給封隔器1加壓，加壓過程中注意高壓壓力表5壓力變化，達到封隔壓力(5.0mpa)時，確認封隔器1和管路性能良好、無泄漏后，關(guān)閉高壓閥門并拆卸高壓閥門使其與高壓注水泵4分離。

e)水壓致裂：所要測試的孔段封隔后，連接好低壓壓力表8和流量計9，確認高壓注水泵4工作位置正確，記錄流量計初始讀數(shù)和時間，啟動高壓注水泵4對測試段進行加壓試驗；試驗結(jié)束時記錄流量計讀數(shù)和時間(認真做好原始記錄，以便資料分析和處理)；

測試過程中，高壓注水泵4以最大流量進行加壓，第一次加壓到壓力升到最大值后壓力值回落到一定值(保持加壓20分鐘)，停止加壓1分鐘，然后卸壓(大約1分鐘)；第二次加壓到壓力升到最大值后(保持加壓20分鐘)。

f)測試完畢，關(guān)閉電源，打開與高壓尼龍管連接的高壓閥門，待封隔器1內(nèi)的水完全流出后牽拉封隔器1至煤層鉆孔外部方向上的另一個需測試的位置，進行第二次測試；以此類推，直至完成該煤層鉆孔的整段測試，關(guān)閉電源、拆卸管路和儀表，撤出雙端封堵壓裂器，繼續(xù)進行其他孔的水壓致裂工作。

如圖2所示，當(dāng)完成多個煤層鉆孔的水壓致裂工作后，可用高壓管將各個煤層鉆孔孔口部進行連接并通過通轉(zhuǎn)換閥連接至高壓注水泵4上，便可進行多孔注水壓裂工作，壓裂液一般選用清水，開動注水壓裂泵，將高壓水注入煤體。

可以根據(jù)對注水壓力、注水量的要求，以及注水壓裂泵的技術(shù)性能和采煤速度與煤體浸潤弱化時間的關(guān)系，可采用單泵、多泵串聯(lián)或并聯(lián)等方式，加快注水速度，提高注水效果。

根據(jù)煤體浸潤性實驗及水力偶和作用下煤巖力學(xué)特性實驗確定超前注水距離選取在200m。

本堅硬煤層注水弱化實驗裝置及其使用方法由于設(shè)有雙端封堵壓裂器，且雙端封堵壓裂器包括封隔器1，封隔器1包括沿其長度方向設(shè)有間隔分布的、柔性連接的外封隔器和內(nèi)封隔器，因此將外封隔器和內(nèi)封隔器充壓后外封隔器和內(nèi)封隔器之間的封隔段即形成密閉空間，通過高壓注水泵4注水致裂封隔段內(nèi)的煤體，可解決深孔高壓注水時經(jīng)常出現(xiàn)的無法保壓的技術(shù)難題，為后續(xù)煤層低壓浸潤創(chuàng)造了條件，結(jié)構(gòu)簡單、注水效果好，能夠?qū)崿F(xiàn)注水保壓以確保低壓浸潤，從而有效弱化煤層、降低截齒消耗量、從根本上解決在較堅硬的煤層中使用機械化開采的問題。

顯而易見的是，以上的描述和記載僅僅是舉例而不是為了限制本發(fā)明的公開內(nèi)容、應(yīng)用或使用。雖然已經(jīng)在實施例中描述過并且在附圖中描述了實施例，但本發(fā)明不限制由附圖示例和在實施例中描述的作為目前認為的最佳模式以實施本發(fā)明的教導(dǎo)的特定例子，本發(fā)明的范圍將包括落入前面的說明書和所附的權(quán)利要求的任何實施例。