[发明专利]一种坚硬煤层顶板致裂装置及方法

权利要求书

1.一种坚硬煤层顶板致裂装置，包括致裂钻孔（1），其特征在于：还包括伸入致裂钻孔（1）内的注水管（5），注水管（5）上间隔设有多个定点致裂装置（4），注水管（5）的内外两侧分别设有超耐压封孔器（3），所述致裂钻孔（1）外部设有动态脉动压裂装置（A）和温度监测装置（B）；

所述的动态脉动压裂装置（A）包括电子压力表（7）、注水软管（8）、溢流阀（9）、胶管（10）、变频器（11）、脉动注水泵（12）和贮水箱（13），电子压力表（7）安设在注水管（5）相连接的端口位置，注水软管（8）一端与注水管（5）外露端相连，另一端通过溢流阀（9）将胶管（10）连接起来，胶管（10）分别连通至贮水箱（13）及脉动注水泵（12），脉动注水泵（12）通过电缆与变频器（11）连接；

所述的温度监测装置（B）包括导线（14）、信号集成器（15）和温度收集控制台（16），导线（14）的一端与致裂钻孔（1）内热电偶引出的导线相连，另一端与信号集成器（15）相连，信号集成器（15）与温度收集控制台（16）相连。

2.根据权利要求1所述的一种坚硬煤层顶板致裂装置，其特征在于：所述的注水软管（8）上设有单向阀门（6）。

3.根据权利要求1所述的一种坚硬煤层顶板致裂装置，其特征在于：所述的定点致裂装置（4）包括带有缝槽（4-4）的花管（4-5）、将花管（4-5）与注水管（5）连为一体的管箍（4-1）、花管（4-5）的中间设装有静态破碎剂粉末的纱布袋（4-3），纱布袋（4-3）的外侧设有热电偶的卡盘（4-2）。

4.一种使用权利要求1、2或3所述装置的坚硬煤层顶板致裂方法，其特征在于：包括如下步骤：

a. 利用钻机分别在坚硬顶板（17）内施工致裂钻孔（1）和监测钻孔（2）至设定深度；

b. 向致裂钻孔（1）内输送定点致裂装置（4），先将一端封闭的注水管（5）穿过超耐压封孔器（3），然后在注水管（5）上间隔距离连通多个定点致裂装置（4）一并送入致裂钻孔（1）内，分别将多个定点致裂装置（4）上的热电偶用导线（14）沿注水管（5）引至钻孔外，在距离致裂钻孔（1）3m位置处，利用超耐压封孔器（3）对致裂钻孔（1）进行密封；

c. 在致裂钻孔（1）的孔口设置动态脉动压裂装置（A）和温度监测装置（B），记录定点致裂装置（4）中卡盘（4-2）区域的孔壁温度为T₀；

d. 启动脉动注水泵（12），调节变频器（11）将频率为6Hz的压力水经溢流阀（9）→注水软管（8）→单向阀门（6）→注水管（5）→定点致裂装置（4），流动到致裂装置（4）中装有静态破碎剂的纱布袋（4-3）内，在脉动压力水的往复冲击作用下，水与纱布袋（4-3）内的静态破碎剂充分混合成浆液，浆液渗流至卡盘（4-2）与致裂钻孔孔壁之间的区域；

e. 利用温度收集控制台（16）记录浆液反应放热过程中卡盘（4-2）区域的放热孔壁温度T，若T>T₀并持续上升时，关闭脉动注水泵（12）；

f. 当T持续降低并趋近于T₀时，启动脉动注水泵（12），持续脉动注水至电子压力表（7）的压力值上升后，调节变频器（11），注水频率在6Hz~20Hz之间交替变化；继续注水至电子压力表（7）数值出现大幅度降低，关闭变频器（11），保持压力进行注水，当监测钻孔（2）流出带有白色晶粒的水时，耦合致裂结束。

5.根据权利要求4所述的一种坚硬煤层顶板致裂方法，其特征在于：所述致裂钻孔（1）和监测钻孔（2）相距5-10 m。

6.根据权利要求4所述的一种坚硬煤层顶板致裂方法，其特征在于：所述致裂装置（4）中纱布袋（4-3）内的静态破碎剂粉末中添加有不溶水的惰性白色砂粒，粒径范围为40~60目，耐压强度为50~60MPa。

7.根据权利要求4所述的一种坚硬煤层顶板致裂方法，其特征在于：所述的卡盘（4-2）内选用的热电偶型号为K型，灵敏度为0.5℃，温度检测范围为10~150℃，可承受最大压力为5MPa。