本发明涉及煤矿瓦斯抽采技术领域，尤其涉及一种水力加砂压裂系统及压裂方法。
背景技术：
为保证安全生产，煤层开采前需进行瓦斯抽采，目前主要采用向煤层施工钻孔并通过水力压裂煤层使煤层中的瓦斯气体从钻孔中的管道被抽走，然而对于透气性不好的煤层，水力压裂后煤层裂隙会快速密合，导致抽采效果差，消突时间长，专利申请cn110005393a中公开了通过在水中加石英砂的方法提高压裂效果；但其提供的加砂系统较为复杂，需要进行大量的运算以确定工作参数和具体的工作方式，不满足矿井快速施工的需求。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于提供一种结构简单，工作方便的水力加砂压裂系统以及水力加砂压裂方法。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种水力加砂压裂系统，包括从巷道向待抽采煤层施工的钻孔，所述钻孔内设置有端部延伸至待抽采煤层的抽采管，所述抽采管处于待抽采煤层区域的部分表面具有通孔；所述抽采管处于巷道内的端部通过三通分别连接有排气管道和压裂管道，所述压裂管道的另一端连接有加砂装置，所述加砂装置包括腔体，所述腔体轴向的两端分别设有进口和出口，腔体上方设置有加砂口，下方设置有排砂口，所述加砂口和排砂口均设有阀门；进口与供水系统连通，出口与所述加砂管道连通。
在工作时，如果不需要加砂压裂，则不需要在加砂装置中放置石英砂，直接用外部供水系统将清水提供给抽采管作为压裂液即可，需要加砂时通过加砂口将石英砂加入加砂装置中，在确保加砂口和排砂口的阀门均处于封闭状态的情况下，给加砂装置供水，加砂后的压裂液提供给抽采管。压裂液沿抽采管前进并从通孔中喷出，在待抽采煤层内产生裂隙，压裂工作完成后关闭压裂管路，打开排气管路，通过负压抽采，将待抽采煤层内的瓦斯气体从通孔进入抽采管进行抽采消突，从而快速安全的实现消突抽采，确保生产安全，提高抽采效率；加砂压裂完成后可通过排砂口将残留石英砂排出。
优选的，所述三通与排气管路和压裂管路连通的两个支路分别设置有阀门，至少与加砂管道连通的支路上采用自动闸阀，所述自动闸阀包括沿直线运动开闭的闸板和驱动闸板动作的直线驱动单元。
优选的，所述钻孔内靠近巷道的一端设置有第一封孔段，第一封孔段到抽采管最下方的通孔处设置有第二封孔段；所述第一封孔段使用聚氨酯封孔，长度不小于2米；所述第二封孔段使用水泥砂浆封孔。
本发明还提供了一种水力加砂压裂方法，包括以下步骤：
步骤a：从低处的巷道向高处的待抽采煤层施工钻孔；
步骤b：在钻孔内分别布置抽采管、注浆管和返浆管，所述抽采管端部具有可封堵的通孔，使通孔大致处于待抽采煤层的中心高度位置，所述注浆管端部距离钻孔口部3m-4m；所述返浆管端部处于抽采管最下方的通孔下方1m-2m；
步骤c：将抽采管处于巷道内的端部通过三通接头分别连接排气管道和压裂管道，所述排气管道与瓦斯抽排系统连通，所述压裂管道的另一端连接有加砂装置；
步骤d：在钻孔处于巷道内的一端设置第一封孔段；
步骤e：第一封孔段施工完毕后，用注浆泵将水泥浆液通过注浆管注入孔内，直到返浆管返浆，用清水清洗返浆管；
步骤f：水泥浆液凝固后，从返浆管进行二次注浆，待抽采管返浆后将抽采管的通孔封闭，继续通过返浆管进行带压注浆，注浆完成后打开抽采管通孔并使用清水清洗抽采管，待二次注浆凝固后得到第二封孔段；
步骤g：通过抽采管向待抽采煤层压入清水形成裂隙；然后在加砂装置中放入石英砂进行加砂压裂。
优选的，所述加砂装置包括腔体，所述腔体轴向的两端分别设有进口和出口，腔体上方设置有加砂口，下方设置有排砂口，所述加砂口和排砂口均设有阀门；进口与供水系统连通，出口与所述加砂管道连通。
优选的，所述第一封孔段为长度不小于2m的聚氨酯封孔段；所述聚氨酯由a药和b药质量份数1:1的比例配制得到；所述a药为聚氨酯预聚体，b药为固化剂和助剂的混合物。
优选的，所述第二封孔段的水泥砂浆按水和水泥的质量份数0.8:1的比例配置得到。
优选的，第一次注浆12h后进行第二次注浆，返浆管带压注浆的压力不小于4mpa。
优选的，所述三通与排气管道和压裂管道连通的两个支路分别设置有阀门，至少与压裂管道连通的支路为自动闸阀，所述自动闸阀包括沿直线运动开闭的闸板和驱动闸板动作的直线驱动单元。
优选的，步骤g中至少先向抽采管内压入50t清水，然后以每10t水加砂9.6kg的比例进行加砂压裂。
本发明提供的一种水力加砂压裂系统及压裂方法的优点在于：通过引入加砂装置，方便的实现加砂压裂，使用方便，抽采效率高；通过自动闸阀实现了加砂压裂的自动控制，提高安全性。
附图说明
图1为本发明的实施例提供的水力加砂系统的示意图；
图2为本发明的实施例提供的水力加砂系统的自动闸阀的示意图；
图3为本发明的实施例提供的水力加砂系统的钻孔内部结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本实施例提供了一种水力加砂压裂系统，包括从巷道1向待抽采煤层2施工的钻孔3，所述钻孔3内设置有端部延伸至待抽采煤层2的抽采管4，所述抽采管4处于待抽采煤层2中的部分表面具有通孔41，所述抽采管4处于巷道内的端部通过三通42分别连接有排气管路43和压裂管路44，所述排气管路43连接有瓦斯抽排系统，所述压裂管路44的另一端连接有加砂装置5，所述加砂装置5包括筒状的腔体51，所述腔体51轴向的两端分别设有与供水系统连通的进口52和与压裂管道44连通的出口53，腔体51上方设置有加砂口54，腔体51下方设置有排砂口55，所述加砂口54和排砂口55均设置有阀门(图未示)。
在工作时，如果不需要加砂压裂，则不需要在加砂装置中放置石英砂，直接用外部供水系统将清水提供给抽采管4作为压裂液即可，需要加砂时通过加砂口将石英砂加入加砂装置5中，在确保加砂口54和排砂口55的阀门均处于封闭状态的情况下，给加砂装置供水，加砂后的压裂液提供给抽采管4。压裂液沿抽采管4前进并从通孔41中喷出，在待抽采煤层2内产生裂隙，压裂工作完成后关闭压裂管路44，打开排气管路43，通过负压抽采，将待抽采煤层2内的瓦斯气体从通孔41进入抽采管4进行抽采消突，从而快速安全的实现消突抽采，确保生产安全，提高抽采效率；加砂压裂完成后可通过排砂口55将残留石英砂排出。
所述三通42与排气管路43和压裂管路44连通的两个支路分别设置有阀门，其中至少与压裂管路44连通的支路采用自动闸阀6，从而实现压裂管路44的远程控制，以防止开闭压裂管路44时发生泄液伤害操作人员；结合图2，所述自动闸阀6包括沿直线运动的闸板61和驱动闸板61动作的直线驱动单元62，所述直线驱动单元62可选用油缸、气缸、丝杆螺母副等驱动机构，本实施例中选择气缸，并以0.3-0.6mpa压力空气作为动力，以电线将其控制开关设置在远处，从而方便的实现了远程控制。
在压裂和抽采前，还需要对钻孔进行封堵，参考图3，本实施例中在钻孔靠近巷道一端设置第一封孔段31，在第一封孔段31到抽采管4最下方的通孔41处设置第二封孔段32，其中所述第一封孔段31为长度不小于2米的聚氨酯材料，其主要目的是实现各部件的与钻孔岩壁的固定；所述第二封孔段32为水泥砂浆，通过注浆填充将钻孔过程中岩壁的裂隙进行封堵，防止瓦斯气体沿这些缝隙流到其他位置。
本实施提供的抽采管4采用多段拼合的无缝钢管，直径为25mm，从而可以在巷道内逐段向钻孔3内布置抽采管4；无缝钢管接头处采用专用接头连接并用生料带缠绕密封。
本实施例选用的加砂装置5的具体尺寸如下：所述腔体51直径为194mm，壁厚为22mm，腔体51两端为流线型圆弧结构，厚度为30mm；整个腔体51长度为1500mm，腔体耐压不小于60mpa，进口52和出口53直径均为19mm，加砂口54和排砂口55直径分别为31.5mm。
下面以淮南矿业集团某一工作面煤层为例说明水力加砂压裂方法，该煤层实测瓦斯压力为2.8mpa，瓦斯含量8.4m3/t，煤层原始含水率1.6％，煤层透气性系数0.022m2/(mpad)；在巷道内施工了多个抽采钻孔，具体方法如下：
步骤a：从低处的巷道1向高处的待抽采煤层2施工钻孔3；
步骤b：在钻孔3内分别布置抽采管4、注浆管7和返浆管8，所述抽采管4端部具有可封堵的通孔41，使通孔41大致处于待抽采煤层2的中心高度位置，所述注浆管7端部距离钻孔口部3m-4m；所述返浆管8端部处于抽采管4最下方的通孔41下方1m-2m；
步骤c：将抽采管4处于巷道内的端部通过三通接头42分别连接排气管道43和压裂管道44，所述排气管道43与瓦斯抽排系统连通，所述压裂管道44的另一端连接有加砂装置5；所述加砂装置可使用现有技术中的加砂装置
步骤d：在钻孔2处于巷道1内的一端设置第一封孔段31；所述第一封孔段31选用聚氨酯材料，长度不小于2m，通过聚氨酯药包发泡制作，所述聚氨酯由a药和b药质量份数1:1的比例配制得到；本实施例中所述a药为聚氨酯预聚体，b药为固化剂和助剂的混合物；通过第一封孔段31实现抽采管4、注浆管7、返浆管8与钻孔2的固定配合；
步骤e：第一封孔段31施工完毕后，用注浆泵将水泥浆液通过注浆管7注入钻孔2内，直到返浆管8返浆，即水泥浆液上升到返浆管8的上部端口为止，然后用清水清洗返浆管8，防止返浆管8被浆液封堵；
步骤f：水泥浆液凝固后，从返浆管8进行二次注浆，待抽采管4返浆后将抽采管的通孔41封闭，继续通过返浆管8进行带压注浆，本实施例中带压注浆的压力不小于4mpa，由于钻孔施工过程中对钻孔周围岩壁破坏形成大量裂隙，影响封孔严密程度，通过带压注浆能够对裂隙进行封堵，确保封孔效果。注浆完成后打开抽采管4的通孔41并使用清水清洗抽采管4，待二次注浆凝固后得到第二封孔段32，第二封孔段32实现了钻孔2内部空隙的填充封堵，防止瓦斯气体沿钻孔2流动到其他位置；所述水泥砂浆按水和水泥的质量份数0.8:1的比例配置得到。
步骤g：使用压裂泵向抽采管4内压入清水使待抽采煤层形成裂隙，以确保加砂通道畅通，然后在加砂装置5中加入石英砂进行加砂压裂，确保孔隙保持张开，然后进行抽采作业即可。
本实施提供的加砂装置5的结构包括筒状的腔体51，所述腔体51轴向的两端分别设有与供水系统连通的进口52和与压裂管道44连通的出口53，腔体51上方设置有加砂口54，腔体51下方设置有排砂口55，所述加砂口54和排砂口55均设置有阀门，具体尺寸如下：所述腔体51的外圈直径为194mm，壁厚为22mm，腔体51两端为流线型圆弧结构，厚度为30mm；整个腔体51长度为1500mm，腔体耐压不小于60mpa，进口52和出口53直径均为19mm，加砂口54和排砂口55直径分别为31.5mm。
使用的压裂泵为南京六合煤矿机械有限公司生产的brw/200-56型压裂泵，流量为200l/min，加砂装置5的内径约为150mm，腔体51内的流速约为0.19m/s，为保证加砂装置5不堵塞，高压水进入腔体51时能够冲散石英砂，每次加砂体积为腔体51体积的1/4，约为6.4l，重9.6kg，经长期生产观察调试，在具体压裂时，为确保石英砂压入孔内后顺利进入煤层，在加砂前要对煤体造缝形成裂隙，首先使用50t清水进行压裂形成裂隙，然后每次加9.6kg石英砂进行加砂压裂，30分钟内所有石英砂基本被压入煤层中，所需水量约为10t。
在水力压裂时，由于加砂需要，经常要在钻孔2的孔口以及高压管路高压闸阀进行操作，人员操作存在泄液伤人隐患，所述三通42与排气管路43和压裂管路44连通的两个支路分别设置有阀门，其中至少与压裂管路44连通的支路采用自动闸阀6，从而实现压裂管路44的远程控制，以防止开闭压裂管路44时发生泄液伤害操作人员；结合图2，所述自动闸阀6包括沿直线运动的闸板61和驱动闸板61动作的直线驱动单元62，所述直线驱动单元62可选用油缸、气缸、丝杆螺母副等驱动机构，本实施例中选择气缸，并以0.3-0.6mpa压力空气作为动力，通过电线将其控制开关设置在远处，从而方便的实现了远程控制。
通过上述方法进行压裂后，进行水力压裂段与未压裂段百孔抽采纯量考察，钻孔施工结1个月后内，未压裂段百孔纯量只有1m3/min，水力压裂段百孔纯量1.5～2.3m3/min，抽采效果提高了1.5～2.3倍，且水力压裂段钻孔百孔纯量稳定性较好。压裂抽采区的抽采率达标时间较未增透区减少26天。
1.一种水力加砂压裂系统，其特征在于：包括从巷道向待抽采煤层施工的钻孔，所述钻孔内设置有端部延伸至待抽采煤层的抽采管，所述抽采管处于待抽采煤层区域的部分表面具有通孔；所述抽采管处于巷道内的端部通过三通分别连接有排气管道和压裂管道，所述压裂管道的另一端连接有加砂装置，所述加砂装置包括腔体，所述腔体轴向的两端分别设有进口和出口，腔体上方设置有加砂口，下方设置有排砂口，所述加砂口和排砂口均设有阀门；进口与供水系统连通，出口与所述加砂管道连通。
2.根据权利要求1所述的一种水力加砂压裂系统，其特征在于：所述三通与排气管路和压裂管路连通的两个支路分别设置有阀门，至少与加砂管道连通的支路上采用自动闸阀，所述自动闸阀包括沿直线运动开闭的闸板和驱动闸板动作的直线驱动单元。
3.根据权利要求1所述的一种水力加砂压裂系统，其特征在于：所述钻孔内靠近巷道的一端设置有第一封孔段，第一封孔段到抽采管最下方的通孔处设置有第二封孔段；所述第一封孔段使用聚氨酯封孔，长度不小于2米；所述第二封孔段使用水泥砂浆封孔。
4.一种水力加砂压裂方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤a：从低处的巷道向高处的待抽采煤层施工钻孔；
步骤b：在钻孔内分别布置抽采管、注浆管和返浆管，所述抽采管端部具有可封堵的通孔，使通孔大致处于待抽采煤层的中心高度位置，所述注浆管端部距离钻孔口部3m-4m；所述返浆管端部处于抽采管最下方的通孔下方1m-2m；
步骤c：将抽采管处于巷道内的端部通过三通接头分别连接排气管道和压裂管道，所述排气管道与瓦斯抽排系统连通，所述压裂管道的另一端连接有加砂装置；
步骤d：在钻孔处于巷道内的一端设置第一封孔段；
步骤e：第一封孔段施工完毕后，用注浆泵将水泥浆液通过注浆管注入孔内，直到返浆管返浆，用清水清洗返浆管；
步骤f：水泥浆液凝固后，从返浆管进行二次注浆，待抽采管返浆后将抽采管的通孔封闭，继续通过返浆管进行带压注浆，注浆完成后打开抽采管通孔并使用清水清洗抽采管，待二次注浆凝固后得到第二封孔段；
步骤g：通过抽采管向待抽采煤层压入清水形成裂隙；然后在加砂装置中放入石英砂进行加砂压裂。
5.根据权利要求4所述的一种水力加砂压裂方法，其特征在于：所述加砂装置包括腔体，所述腔体轴向的两端分别设有进口和出口，腔体上方设置有加砂口，下方设置有排砂口，所述加砂口和排砂口均设有阀门；进口与供水系统连通，出口与所述加砂管道连通。
6.根据权利要求4所述的一种水力加砂压裂方法，其特征在于：所述第一封孔段为长度不小于2m的聚氨酯封孔段。
7.根据权利要求4所述的一种水力加砂压裂方法，其特征在于：所述第二封孔段的水泥砂浆按水和水泥的质量份数0.8:1的比例配置得到。
8.根据权利要求4所述的一种水力加砂压裂方法，其特征在于：第一次注浆12h后进行第二次注浆，返浆管带压注浆的压力不小于4mpa。
9.根据权利要求4所述的一种水力加砂压裂方法，其特征在于：所述三通与排气管道和压裂管道连通的两个支路分别设置有阀门，至少与压裂管道连通的支路为自动闸阀，所述自动闸阀包括沿直线运动开闭的闸板和驱动闸板动作的直线驱动单元。
10.根据权利要求4所述的一种水力加砂压裂方法，其特征在于：步骤g中至少先向抽采管内压入50t清水，然后以每10t水加砂9.6kg的比例进行加砂压裂。
技术总结