一种二氧化碳和水混合流体压裂石灰岩顶板的装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种二氧化碳和水混合流体压裂石灰岩顶板的装置，包括CO2/H2O混合流体生成装置、CO2气源供应系统、H2O供应系统、压裂装置、搅拌系统、控温系统和增压系统，所述CO2/H2O混合流体生成装置输入管线分别连接CO2气源供应系统和H2O供应系统，CO2/H2O混合流体生成装置输出管线连接所述压裂装置，所述CO2/H2O混合流体生成装置内设置有搅拌系统，所述CO2/H2O混合流体生成装置设置有所述控温系统可控制CO2/H2O混合流体生成装置内的温度，所述增压系统连接所述CO2/H2O混合流体生成装置可控制混合流体生成装置内的压力。根据本发明专利技术的装置对厚硬石灰岩顶板具有较好的压裂效果，具有防治矿井灾害发生与环境保护的双重意义。

A Device for Fracturing Limestone Roof with Mixed Fluid of Carbon Dioxide and Water

The invention relates to a device for fracturing limestone roof with carbon dioxide and water mixed fluids, including a CO2/H2O mixed fluid generating device, a CO2 gas source supplying system, a hydrogen dioxide supplying system, a fracturing device, a stirring system, a temperature control system and a pressurizing system. The input pipelines of the CO2/H2 mixed fluid generating device are respectively connected with a CO2 gas source supplying system and a hydrogen dioxide supplying system, and a CO2/H2 mixed fluid. The output pipeline of the generating device is connected with the fracturing device, and a stirring system is arranged in the CO 2/H 2 mixed fluid generating device. The CO 2/H 2 mixed fluid generating device is provided with the temperature controlling system to control the temperature in the CO 2/H 2 mixed fluid generating device. The pressurizing system is connected with the CO 2/H 2 mixed fluid generating device to control the pressure in the mixed fluid generating device. The device according to the invention has good fracturing effect on the thick hard limestone roof, and has dual significance of preventing and controlling mine disasters and environmental protection.

【技术实现步骤摘要】
一种二氧化碳和水混合流体压裂石灰岩顶板的装置
本专利技术涉及煤矿开采
，尤其是涉及一种二氧化碳和水混合流体压裂石灰岩顶板的装置。
技术介绍
山西省太原组煤层顶板多为石灰岩，具有厚度大、强度高的特点，采空区悬露的石灰岩顶板不易垮落。大面积悬露的采空区石灰岩顶板发生突然垮落时，可造成工作面暴风事故，破坏工作面内的机械设备和造成人员的伤亡，影响矿井的安全高效开采。为确保矿井安全高效开采，采空区悬露的厚硬石灰岩顶板需要及时放顶处理。目前常采用的坚硬顶板治理方法大致可以归为四类：支撑法、爆破法、注水软化法和水力压裂法。其中，支撑法是一种传统的被动的支撑坚硬顶板的方法，其不能从根本上治理坚硬顶板，只能从支撑坚硬顶板角度来避免坚硬顶板突然冒落；爆破法可使顶板破断垮落，消除应力集中，释放顶板聚积的弹性能，从而减少冲击地压发生的可能和避免坚硬顶板大面积悬空的危害，但爆破法施工工序复杂、成本高、污染井下空气，甚至可能引发瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出事故，故不安全；注水软化法较安全，可在井下平行作业，对生产影响小，但对于组成坚硬顶板的石灰岩单纯的注水软化效果并不明显。水力压裂治理坚硬顶板的方法是通过压裂钻孔向目标层注入高压水以破坏坚硬顶板岩石的完整性，其对坚硬顶板的作用主要表现为压裂，其次还有软化的作用。压力水注入注水孔后，水对岩体的作用首先是软化，软化降低了岩体的强度，是压裂岩体的前提，也是降低岩体强度的最终目的；压裂可进一步构通岩体的空隙，使岩体的软化范围更加扩大，同时压裂也是使岩体裂解的最终目的。软化和压裂的共同作用，使岩体的强度下降，完整性变差，最终使坚硬难冒的顶板变成稳定或中等稳定的可垮落顶板，确保了厚硬石灰岩顶板地质条件下长壁开采工作面安全高效开采。空气中二氧化碳含量过高所导致的温室效应对人类生存环境影响显著，温室效应就主要是由于现代化工业社会过多燃烧煤炭、石油和天然气等化石能源，这些化石能源燃烧后放出大量的二氧化碳气体进入大气造成大气环境温度变化，捕集与封存CO2是解决温室效应的重要方法。二氧化碳封存的方法主要分为地质封存和海洋封存两类，卤水层、不可采煤层、废弃油气田为CO2地质封存的常见地质体类型。考虑到厚硬石灰岩顶板压裂处理的必要性与石灰岩成分组成以碳酸钙CaCO3为主，将CO2/H2O混合流体应用于压裂石灰岩顶板。CO2压裂过程中，碳酸钙CaCO3在二氧化碳CO2和水H2O环境下反应生成碳酸氢钙Ca(HCO3)2，可使石灰岩顶板形成孔洞，降低石灰岩顶板的强度，提高石灰岩顶板的压裂效果。压裂所用的温室气体CO2取工厂化石燃料燃烧产生的废气，CO2/H2O混合流体与石灰岩反应产物可被地质封存于采空区内，实现温室气体CO2减排，CO2/H2O混合流体压裂石灰岩顶板具有防治矿井灾害发生与环境保护的双重意义。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种二氧化碳和水混合流体压裂石灰岩顶板的装置，对采空区厚硬石灰岩顶板具有较好的压裂效果，同时可吸收处理一部分化石燃料废气，且装置操作方便，容易控制。根据本专利技术的实施例，二氧化碳和水混合流体压裂石灰岩顶板的装置包括CO2/H2O混合流体生成装置、CO2气源供应系统、H2O供应系统、压裂装置、搅拌系统、控温系统和增压系统，所述CO2/H2O混合流体生成装置输入管线分别连接CO2气源供应系统和H2O供应系统，CO2/H2O混合流体生成装置输出管线连接所述压裂装置，所述CO2/H2O混合流体生成装置内设置有搅拌系统，用于可控制CO2/H2O混合流体生成装置内的温度，所述CO2/H2O混合流体生成装置连接有所述增压系统，用于控制所述混合流体生成装置内的压力。由此，将CO2/H2O混合流体应用于压裂石灰岩顶板。CO2压裂过程中，碳酸钙CaCO3在二氧化碳CO2和水H2O环境下反应生成碳酸氢钙Ca(HCO3)2，可使石灰岩顶板形成孔洞，降低石灰岩顶板的强度，提高石灰岩顶板的压裂效果，压裂所用的温室气体CO2取工厂化石燃料燃烧产生的废气，CO2/H2O混合流体压裂石灰岩顶板具有防治矿井灾害发生与环境保护的双重意义。具体的，所述CO2气源供应系统的CO2来源于工厂化石燃料(比如发电厂)燃烧产生的的废气。在上述技术方案的基础上，本专利技术还可以做如下改进：进一步，所述CO2/H2O混合流体生成装置包括反应容器、安装于所述反应容器内的活塞、分别与所述反应容器连通的气体供给管线、液体供给管线和液体排出管线，所述CO2气源供应系统连接气体供给管线，所述H2O供应系统连接所述液体供给管线，所述压裂装置连接所述液体排出管线，所述液体排出管线上设置有第六阀门，所述增压系统通过管线连接所述活塞。由此，增压系统可以通过活塞控制反应容器和压裂装置内混合流体的压力，实现较好的压裂效果。进一步，所述CO2/H2O混合流体生成装置还包括温度传感器、压力传感器，所述温度传感器和压力传感器设置于所述CO2/H2O混合流体生成装置内。由此，可以时刻监测CO2/H2O混合流体生成装置的温度和压强，从而根据需要对压强和温度进行控制。进一步，所述CO2气源供应系统包括CO2存储罐、第一阀门、第一单向阀和气体增压泵，所述CO2存储罐出气口和所述气体增压泵进气口连接且连接管线上设置有所述第一阀门，所述气体增压泵出气口连接所述第一单向阀的入口，所述第一单向阀的出口连接所述CO2/H2O混合流体生成装置。由此，气体增压泵与CO2存储罐连接可增加CO2压力，提高CO2在水中的溶解度，可以较好地调控CO2的供给情况。进一步，H2O供应系统包括储水箱、第二阀门、第三阀门、过滤器、第二单向阀和液体增压泵，所述第二阀门和第三阀门分别设置在所述储水箱的进水口和出水口，所述第三阀门和液体增压泵进口连接，所述液体增压泵的出口和第二单向阀的入口连接，所述第二单向阀的出口连接所述CO2/H2O混合流体生成装置，所述第三阀门和液体增压泵之间的连接管线上还设置有所述过滤器。由此，液体增压泵用于增加水的压力，所述过滤器用于过滤水中的杂质，减少水中杂质积垢堵塞管线。进一步，所述搅拌系统包括设置在所述反应容器顶部的电机，所述电机输出端设置有搅拌杆，所述搅拌杆下端穿过所述反应容器顶部深入到所述反应容器内部上方，所述搅拌杆上设置有搅拌叶片。由此，加速CO2在水中的溶解速度以及加速CO2和H2O混合形成混合流体。进一步，所述增压系统为液压油增压系统，包括液压油箱、进油口、第一出油口、液压油增压泵、第三单向阀，所述液压油箱上方的进油口和所述液压油箱下方的第一出油口分别安装有第四阀门和第五阀门，液压油增压泵进油口和所述第五阀门连接、液压油增压泵出油口和所述第三单向阀的入口连接，所述第三单向阀的出口通过管线连接所述CO2/H2O混合流体生成装置。由此，液压油增压泵可以提高液压油压力，推动CO2/H2O混合流体生成装置内的活塞运动，提高CO2/H2O混合流体生成装置内的压力，增加CO2在H2O中的溶解度。进一步，所述增压系统还包括安全阀和液压油卸载阀门，所述安全阀和液压油卸载阀门分别安装于所述液压油箱的第二出油口和第三出油口与所述活塞之间的管线上，所述第一出油口、第二出油口和第三出油口依次向上设置于所述液压油箱上。安全阀保证管线和CO2/H2O混合流体生成装置内活塞下本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种二氧化碳和水混合流体压裂石灰岩顶板的装置，其特征在于，包括CO2/H2O混合流体生成装置(3)、CO2气源供应系统(1)、H2O供应系统(4)、压裂装置(5)、搅拌系统(7)、控温系统(6)和增压系统(2)，所述CO2/H2O混合流体生成装置(3)输入管线分别连接CO2气源供应系统(1)和H2O供应系统(4)，CO2/H2O混合流体生成装置(3)输出管线连接所述压裂装置(5)，所述CO2/H2O混合流体生成装置(3)内设置有搅拌系统(7)，所述CO2/H2O混合流体生成装置(3)设置有所述控温系统(6),用于可控制CO2/H2O混合流体生成装置(3)内的温度，所述CO2/H2O混合流体生成装置(3)连接有所述增压系统(2)，用于控制所述混合流体生成装置(3)内的压力。

【技术特征摘要】
1.一种二氧化碳和水混合流体压裂石灰岩顶板的装置，其特征在于，包括CO2/H2O混合流体生成装置(3)、CO2气源供应系统(1)、H2O供应系统(4)、压裂装置(5)、搅拌系统(7)、控温系统(6)和增压系统(2)，所述CO2/H2O混合流体生成装置(3)输入管线分别连接CO2气源供应系统(1)和H2O供应系统(4)，CO2/H2O混合流体生成装置(3)输出管线连接所述压裂装置(5)，所述CO2/H2O混合流体生成装置(3)内设置有搅拌系统(7)，所述CO2/H2O混合流体生成装置(3)设置有所述控温系统(6),用于可控制CO2/H2O混合流体生成装置(3)内的温度，所述CO2/H2O混合流体生成装置(3)连接有所述增压系统(2)，用于控制所述混合流体生成装置(3)内的压力。2.根据权利要求1所述的二氧化碳和水混合流体压裂石灰岩顶板的装置，其特征在于，所述CO2/H2O混合流体生成装置包括反应容器(31)、安装于所述反应容器(31)内的活塞(32)、分别与所述反应容器(31)连通的气体供给管线(33)、液体供给管线(34)和液体排出管线(35)，所述CO2气源供应系统(1)连接气体供给管线(34)，所述H2O供应系统(4)连接所述液体供给管线(33)，所述压裂装置(5)与液体排出管线(35)连通，所述液体排出管线(35)上设置有第六阀门(38)，所述增压系统(2)通过管线连接所述活塞(32)。3.根据权利要求1或2任一权利要求所述的一种二氧化碳和水混合流体压裂石灰岩顶板的装置，其特征在于，所述CO2/H2O混合流体生成装置(3)还包括温度传感器(36)、压力传感器(37)，所述温度传感器(36)和压力传感器(37)设置于所述CO2/H2O混合流体生成装置(31)内。4.根据权利要求1所述的二氧化碳和水混合流体压裂石灰岩顶板的装置，其特征在于，所述CO2气源供应系统(1)包括CO2存储罐(11)、第一阀门(12)、第一单向阀(13)和气体增压泵(14)，所述CO2存储罐(11)出气口和所述气体增压泵(14)进气口连接且连接管线上设置有所述第一阀门(12)，所述气体增压泵(14)出气口和所述第一单向阀(13)的入口连接，所述第一单向阀(13)的出口连接所述CO2/H2O混合流体生成装置(3)。5.根据权利要求1所述的二氧化碳和水混合流体压裂石灰岩顶板的装置，其特征在于，所述H2O供应系统(4)包括储水箱(41)、第二阀门(42)、第三阀门(43)、过滤器(44)、第二单向阀(45)和液体增压泵...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾金龙，柴修伟，
申请(专利权)人：武汉工程大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42