[发明专利]一种煤层长钻孔注水分段启裂装置及方法

说明书

本发明提供了一种煤层长钻孔注水分段启裂装置及方法，涉及钻孔注水技术领域，包括管体、固定卡扣、膨胀密封圈、固定弹簧、挡板、密封扇片、弧形金属片、转轴、轴限位弹簧、扇片限位卡扣、轴限位卡扣和扇片限位弹簧，管体外侧设置有固定卡扣和膨胀密封圈，管体内侧设置有挡板，管体内壁还设置有对称的限位槽，转轴和密封扇片通过限位槽固定。该装置在注水过程中，膨胀密封圈遇水膨胀封堵钻孔，当孔底压力达到启裂压力时，裂缝使孔内流量增大，第一管段流速增幅最大，动压推动转轴和密封扇片旋转实现第一管段密封；随后依次启裂剩余管段。本装置及方法实现了煤层钻孔内分段注水自动密封启裂，简化施工步骤，提升了煤层注水效果。

技术领域

本发明涉及钻孔注水技术领域，尤其是一种用于煤层的下行长钻孔注水分段启裂装置，以及利用该装置进行煤层注水的方法。

背景技术

随着煤矿开采深度增加，煤层地应力逐渐增大，煤与瓦斯突出、冲击地压等动力灾害日益严重，由此引发的重特大灾害事故时有发生；同时，煤矿生产过程中产生的粉尘一直威胁着矿工的身体健康，导致严重的职业危害。煤层注水技术作为一项综合性防灾技术，在不同注水工艺下可实现对煤与瓦斯突出、冲击地压、粉尘灾害的综合治理。高压注水可压裂煤体，增加煤体孔隙度，降低煤层地应力，改善煤体结构，提高煤层渗透性，达到防治煤与瓦斯突出和冲击地压灾害的目的；在注水压裂初期，通过注水钻孔分段压裂可获得较多的初始裂缝，避免孔内憋压启开主裂缝后造成泄水现象，进而无法实现长钻孔均匀压裂。目前针对井下煤层注水分段压裂技术往往工艺复杂、设备成本昂贵、费力，且分段封孔耗时长等问题，需要提供一种针对煤层高压注水启裂特征的自动化分段密封装置，实现煤层注水分段启裂，减少分段封孔工艺的复杂性，提高煤层注水效果。

发明内容

为实现下行煤层钻孔内分段注水自动密封启裂，减少分段封孔工艺的复杂性，提高煤层注水效果，本发明提供了一种煤层长钻孔注水分段启裂装置及方法，具体技术方案如下。

一种煤层长钻孔注水分段启裂装置，包括管体、固定卡扣、膨胀密封圈、挡板、密封扇片、转轴和轴限位卡扣；管体包括多个管段；管体外侧设置有固定卡扣和膨胀密封圈，管体内侧设置有挡板，管体内壁还设置有对称的限位槽，限位槽内设置有轴限位卡扣，转轴和密封扇片通过限位槽固定。

优选的是，管体的每个管段外侧设置有一个以上的膨胀密封圈，所述膨胀密封圈紧密包裹在管体上，膨胀密封圈具体为遇水膨胀止水橡胶条。

优选的是，管体内侧还设置有扇片限位弹簧和扇片限位卡扣，密封扇片移动旋转密封管体后，密封扇片固定在挡板和扇片限位卡扣之间。

进一步优选的是，管体的每个管段上在管体内侧至少设置有一对扇片限位卡扣，相对布置的扇片限位卡扣设置方向相反；扇片限位卡扣和管体内壁上的卡槽铰接，扇片限位弹簧连接卡槽底部和扇片限位卡扣；密封扇片的端部还设置有弧形金属片。

还优选的是，管体外侧设置有多个凹槽，固定卡扣和凹槽的底部铰接，固定弹簧连接凹槽的底部和固定卡扣；固定卡扣的长度大于凹槽的长度，固定卡扣外露段的朝向和管段进入钻孔的方向相反。

还优选的是，管段的外直径均小于钻孔孔径，钻孔从煤层上方向下钻设；管段的直径由钻孔内至外依次增大。

还优选的是，管体的每个管段端部为弧形，或管体的端部设置有斜坡状边缘，并且每个管段的后端设置有螺纹。

还优选的是，转轴呈柱状，转轴的两端设置有滑片和固定圆柱，滑片和限位槽的滑动段卡合；限位槽的滑动段内还设置有轴限位卡扣和轴限位弹簧。

一种煤层长钻孔注水分段启裂方法，利用上述的一种煤层长钻孔注水分段启裂装置，步骤包括：

步骤A.利用钻机沿煤层向下钻孔，根据钻孔长度确定煤层长钻孔注水分段启裂装置管体的管段数量，其中管段的间隔距离为10～15m；

步骤B.组装并检查煤层长钻孔注水分段启裂装置的密封性和活动性能，铰接和滑动部位涂抹润滑油；