一种改善硬岩矿崩落特性的水压致裂试验系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种改善硬岩矿崩落特性的水压致裂试验系统，包括塔架、卷扬机、封隔器、钻杆和耐高压管，其特征在于，该试验系统还包括压裂钻孔、封隔器组、与封隔器组连接的高压水泵系统Ⅰ、与钻杆连接的高压水泵系统Ⅱ、位于压裂钻孔周围的若干个观测钻孔、设在观测钻孔内的传感器和与之连接的在线监测显示系统；所述的封隔器和钻杆设在压裂钻孔内，所述的传感器包括水位监测计和微震检波器；所述的高压水泵系统包括蓄水池、高压水泵、耐高压管、泄压阀、水压力计和流量计；本发明专利技术的优点是：1）直观确定裂缝的扩展范围和压裂参数的关系；2）为研究矿岩的水压致裂作用机理提供依据和参考；3）为水压致裂矿岩预处理技术在矿山的应用奠定基础。

【技术实现步骤摘要】
一种改善硬岩矿崩落特性的水压致裂试验系统及方法
本专利技术属于采矿工程
，具体涉及一种适用于金属矿山改善硬岩矿崩落特性的水压致裂试验系统及方法。
技术介绍
自然崩落法是一种适用于厚大矿体的高效采矿方法，因其采场结构简单、开采成本低、易于实现自动化等特点受到了国际采矿界越来越多的关注，是未来地下深部矿床大规模智能开采的首选方法。随着越来越多的硬岩矿山如铁矿山开始探索采用自然崩落法开采，因硬岩矿山矿岩可崩性差、崩落块度大，必然造成自然崩落过程中止以及开采成本增高，因此在崩落开采前对矿岩预处理的需求将更加普遍。当前开展矿岩预处理的方法主要有水压致裂、钻孔爆破以及两者结合，水压致裂技术因其对矿岩处理范围更广受到了更多的关注。在进行水压致裂矿岩预处理作业前开展现场试验确定合理的作业参数，对于硬岩矿山改善矿岩可崩性、降低大块率意义重大。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种适用于金属矿山改善硬岩矿崩落特性的水压致裂试验系统及方法，对于研究坚硬矿岩中的水压致裂作用机理、水力裂缝扩展范围以及压裂参数合理确定等具有指导作用，为水压致裂技术拓展应用到采矿工业奠定基础，为采矿技术人员开展类似研究提供参考。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的：本专利技术的一种改善硬岩矿崩落特性的水压致裂试验系统，其特征在于：包括在十字形巷道中心的压裂钻孔，设置在压裂钻孔上方的塔架及卷扬机，设置在压裂钻孔内的钻杆和封隔器组，通过耐高压管Ⅰ与封隔器组连接的向橡胶膨胀管注水的高压水泵系统Ⅰ，通过耐高压管Ⅱ与钻杆连接的向压裂钻孔压裂段注水的高压水泵系统Ⅱ，在压裂钻孔周围设置的若干个观测钻孔，在每个观测钻孔内设置的监测传感器和在压裂钻孔前侧巷道监测站内设置的在线监测系统；所述的封隔器组由封隔器Ⅰ、封隔器连接管、耐高压管Ⅲ、封隔器Ⅱ和底封套筒组成；所述的封隔器Ⅰ包括中心钢管Ⅰ、橡胶膨胀管Ⅰ和密封钢圈Ⅰ；所述的封隔器Ⅱ包括中心钢管Ⅱ、橡胶膨胀管Ⅱ和密封钢圈Ⅱ；所述的封隔器连接管上均布开有出水孔，封隔器连接管一端与封隔器Ⅰ的中心钢管Ⅰ下端连接，另一端与封隔器Ⅱ的中心钢管Ⅱ上端连接，封隔器Ⅱ的中心钢管Ⅱ下端与底封套筒连接；所述的耐高压管Ⅲ一端与封隔器Ⅰ的密封钢圈Ⅰ注水口连通，另一端与封隔器Ⅱ的密封钢圈Ⅱ注水口连通；封隔器Ⅰ的橡胶膨胀管Ⅰ套装在中心钢管Ⅰ上，且其两端分别与封隔器Ⅰ两端的密封钢圈Ⅰ的注水口连通；封隔器Ⅱ的橡胶膨胀管Ⅱ亦套装在中心钢管Ⅱ上，且其两端亦分别与封隔器Ⅱ两端的密封钢圈Ⅱ的注水口连通；在压裂钻孔左侧巷道中设有水泵站，所述的高压水泵系统Ⅰ设置在水泵站中，所述的高压水泵系统Ⅰ包括水箱、与水箱连接的高压水泵Ⅰ和耐高压管Ⅰ，所述的耐高压管Ⅰ一端与高压水泵Ⅰ的出水口连接，另一端与封隔器Ⅰ上端的密封钢圈Ⅰ的注水口连接，在耐高压管Ⅰ上沿水流流动方向依次设有阀门Ⅰ、水压力计Ⅰ和泄压阀Ⅰ，所述的水压力计Ⅰ通过数据线与数据采集仪连接；所述高压水泵系统Ⅱ包括设置在压裂钻孔另一侧巷道中的蓄水池，与蓄水池连接的高压水泵组Ⅱ和对应的耐高压管Ⅱ，高压水泵组Ⅱ也设置在水泵站中，所述的耐高压管Ⅱ一端与高压水泵Ⅱ的出水口连接，另一端与钻杆的注水孔连接，在耐高压管Ⅱ上沿水流流动方向依次设有泄压阀Ⅱ、水压力计Ⅱ和流量计；所述的水压力计Ⅱ和流量计通过数据线与数据采集仪连接；所述的监测传感器包括水位监测计和微震检波器，水位监测计和微震检波器通过数据线与数据采集仪连接；所述的在线监测系统包括数据采集仪和与数据采集仪通过数据线连接的计算机。所述的若干个观测钻孔为6～8个观测钻孔。压裂钻孔的深度大于270m。观测钻孔的深度为100m～200m。所述的高压水泵Ⅰ为许用压力为50MPa、最大流量为30L/min的高压水泵Ⅰ。所述的高压水泵Ⅱ为许用压力为50MPa、最大流量为50L/min的高压水泵Ⅱ。多台高压水泵Ⅱ可并联使用，注水管路中总流量应不小于150L/min。压裂钻孔孔口以下20m～100m作为坚硬矿岩水压致裂作用机理研究试验段，压裂钻孔孔口以下100m～200m作为压裂流量与水力裂缝扩展范围研究试验段，压裂钻孔孔口以下200m～270m作为压裂间距对压裂效果影响研究试验段。本专利技术的一种改善硬岩矿崩落特性的水压致裂试验方法，包括以下步骤：步骤1、组装封隔器组对封隔器组进行组装，并进行试压检验，保证封隔器组密封性；步骤2、下放封隔器组及钻杆首先通过塔架及卷扬机将封隔器组下放到压裂钻孔内，随后将钻杆出水孔与封隔器Ⅰ的中心钢管连接，再将耐高压管Ⅰ与封隔器Ⅰ上端密封钢圈Ⅰ注水口连接，之后随着封隔器组的下放，不断逐根连接钻杆和逐根连接耐高压管Ⅰ，直至封隔器组到达压裂钻孔1的待压裂位置；步骤3、连接管路通过耐高压管Ⅱ将高压水泵Ⅱ与钻杆注水孔连接，通过耐高压管Ⅰ将高压水泵Ⅰ与与封隔器Ⅰ上端密封钢圈Ⅰ注水口连接；步骤4、橡胶膨胀管注水开启高压水泵Ⅰ，向封隔器Ⅰ的橡胶膨胀管Ⅰ和封隔器Ⅱ的橡胶膨胀管Ⅱ中注水，使耐高压管Ⅰ管路中水压恒定在10MPa；步骤5、压裂段注水开启高压水泵Ⅱ，向钻杆中注水，高压水通过钻杆-封隔器中心钢管-封隔器连接管上的射流孔进入压裂钻孔的压裂段，并保持持续注水过程30min；步骤6、微震监测与步骤5同步开启微震监测系统对压裂过程中的水力裂缝起裂及扩展情况进行监测；步骤7、泄压并提升封隔器组至下一待压裂位置该段水压致裂试验完成后，关闭高压水泵Ⅰ和高压水泵Ⅱ，并开启泄压阀Ⅰ和泄压阀Ⅱ，随后通过卷扬机提升钻杆使封隔器组移动至下一待压裂段位置，提升高度为1～2m；步骤8、重复步骤5～步骤7，直至压裂钻孔的全部压裂段水压致裂试验完成。与现有技术相比，本专利技术的优点是：1）本专利技术直观、有效地确定水压致裂矿岩预处理试验过程中裂缝的扩展范围和压裂参数的关系，为研究坚硬矿岩中的水压致裂作用机理提供基础试验数据，可供矿山研究机构开展类似研究提供依据和借鉴作用，减少不必要的试错；2）本专利技术对于促进水压致裂矿岩预处理技术的成熟，推动自然崩落采矿法在坚硬矿岩条件矿山的广泛应用起到积极推动作用；3）本专利技术的水压致裂试验系统及方法不仅适用于坚硬矿岩条件矿山，也适用于一般矿岩条件矿山。附图说明图1为本专利技术的水压致裂试验系统平面布置示意图。图2为本专利技术的水压致裂试验系统连接布置示意图。图3为本专利技术组装后的封隔器组结构示意图。具体实施方式以下结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。如图1～图3所示，本专利技术的一种改善硬岩矿崩落特性的水压致裂试验系统，其特征在于：包括在十字形巷道中心的压裂钻孔1，设置在压裂钻孔1上方的塔架及卷扬机12，设置在压裂钻孔1内的钻杆19和封隔器组，通过耐高压管Ⅰ18与封隔器组连接的向橡胶膨胀管注水的高压水泵系统Ⅰ，通过耐高压管Ⅱ8与钻杆19连接的向压裂钻孔1压裂段注水的高本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种改善硬岩矿崩落特性的水压致裂试验系统，其特征在于：包括在十字形巷道中心的压裂钻孔，设置在压裂钻孔上方的塔架及卷扬机，设置在压裂钻孔内的钻杆和封隔器组，通过耐高压管Ⅰ与封隔器组连接的向橡胶膨胀管注水的高压水泵系统Ⅰ，通过耐高压管Ⅱ与钻杆连接的向压裂钻孔压裂段注水的高压水泵系统Ⅱ，在压裂钻孔周围设置的若干个观测钻孔，在每个观测钻孔内设置的监测传感器和在压裂钻孔前侧巷道监测站内设置的在线监测系统；/n所述的封隔器组由封隔器Ⅰ、封隔器连接管、耐高压管Ⅲ、封隔器Ⅱ和底封套筒24组成；/n所述的封隔器Ⅰ包括中心钢管Ⅰ、橡胶膨胀管Ⅰ和密封钢圈Ⅰ；/n所述的封隔器Ⅱ包括中心钢管Ⅱ、橡胶膨胀管Ⅱ和密封钢圈Ⅱ；/n所述的封隔器连接管上均布开有出水孔，封隔器连接管一端与封隔器Ⅰ的中心钢管Ⅰ下端连接，另一端与封隔器Ⅱ的中心钢管Ⅱ上端连接，封隔器Ⅱ的中心钢管Ⅱ下端与底封套筒连接；所述的耐高压管Ⅲ一端与封隔器Ⅰ的密封钢圈Ⅰ注水口连通，另一端与封隔器Ⅱ的密封钢圈Ⅱ注水口连通；封隔器Ⅰ的橡胶膨胀管Ⅰ套装在中心钢管Ⅰ上，且其两端分别与封隔器Ⅰ两端的密封钢圈Ⅰ的注水口连通；封隔器Ⅱ的橡胶膨胀管Ⅱ亦套装在中心钢管Ⅱ上，且其两端亦分别与封隔器Ⅱ两端的密封钢圈Ⅱ的注水口连通；/n在压裂钻孔左侧巷道中设有水泵站，所述的高压水泵系统Ⅰ设置在水泵站中，所述的高压水泵系统Ⅰ包括水箱、与水箱连接的高压水泵Ⅰ和耐高压管Ⅰ，所述的耐高压管Ⅰ一端与高压水泵Ⅰ的出水口连接，另一端与封隔器Ⅰ上端的密封钢圈Ⅰ的注水口连接，在耐高压管Ⅰ上沿水流流动方向依次设有阀门Ⅰ、水压力计Ⅰ和泄压阀Ⅰ，所述的水压力计Ⅰ通过数据线与数据采集仪连接；/n所述高压水泵系统Ⅱ包括设置在压裂钻孔另一侧巷道中的蓄水池，与蓄水池连接的高压水泵组Ⅱ7和对应的耐高压管Ⅱ，高压水泵组Ⅱ也设置在水泵站3中，所述的耐高压管Ⅱ一端与高压水泵Ⅱ的出水口连接，另一端与钻杆的注水孔连接，在耐高压管Ⅱ上沿水流流动方向依次设有泄压阀Ⅱ、水压力计Ⅱ和流量计；所述的水压力计Ⅱ和流量计通过数据线与数据采集仪连接；/n所述的监测传感器包括水位监测计和微震检波器，水位监测计和微震检波器通过数据线与数据采集仪连接。/n...

【技术特征摘要】
1.一种改善硬岩矿崩落特性的水压致裂试验系统，其特征在于：包括在十字形巷道中心的压裂钻孔，设置在压裂钻孔上方的塔架及卷扬机，设置在压裂钻孔内的钻杆和封隔器组，通过耐高压管Ⅰ与封隔器组连接的向橡胶膨胀管注水的高压水泵系统Ⅰ，通过耐高压管Ⅱ与钻杆连接的向压裂钻孔压裂段注水的高压水泵系统Ⅱ，在压裂钻孔周围设置的若干个观测钻孔，在每个观测钻孔内设置的监测传感器和在压裂钻孔前侧巷道监测站内设置的在线监测系统；
所述的封隔器组由封隔器Ⅰ、封隔器连接管、耐高压管Ⅲ、封隔器Ⅱ和底封套筒24组成；
所述的封隔器Ⅰ包括中心钢管Ⅰ、橡胶膨胀管Ⅰ和密封钢圈Ⅰ；
所述的封隔器Ⅱ包括中心钢管Ⅱ、橡胶膨胀管Ⅱ和密封钢圈Ⅱ；
所述的封隔器连接管上均布开有出水孔，封隔器连接管一端与封隔器Ⅰ的中心钢管Ⅰ下端连接，另一端与封隔器Ⅱ的中心钢管Ⅱ上端连接，封隔器Ⅱ的中心钢管Ⅱ下端与底封套筒连接；所述的耐高压管Ⅲ一端与封隔器Ⅰ的密封钢圈Ⅰ注水口连通，另一端与封隔器Ⅱ的密封钢圈Ⅱ注水口连通；封隔器Ⅰ的橡胶膨胀管Ⅰ套装在中心钢管Ⅰ上，且其两端分别与封隔器Ⅰ两端的密封钢圈Ⅰ的注水口连通；封隔器Ⅱ的橡胶膨胀管Ⅱ亦套装在中心钢管Ⅱ上，且其两端亦分别与封隔器Ⅱ两端的密封钢圈Ⅱ的注水口连通；
在压裂钻孔左侧巷道中设有水泵站，所述的高压水泵系统Ⅰ设置在水泵站中，所述的高压水泵系统Ⅰ包括水箱、与水箱连接的高压水泵Ⅰ和耐高压管Ⅰ，所述的耐高压管Ⅰ一端与高压水泵Ⅰ的出水口连接，另一端与封隔器Ⅰ上端的密封钢圈Ⅰ的注水口连接，在耐高压管Ⅰ上沿水流流动方向依次设有阀门Ⅰ、水压力计Ⅰ和泄压阀Ⅰ，所述的水压力计Ⅰ通过数据线与数据采集仪连接；
所述高压水泵系统Ⅱ包括设置在压裂钻孔另一侧巷道中的蓄水池，与蓄水池连接的高压水泵组Ⅱ7和对应的耐高压管Ⅱ，高压水泵组Ⅱ也设置在水泵站3中，所述的耐高压管Ⅱ一端与高压水泵Ⅱ的出水口连接，另一端与钻杆的注水孔连接，在耐高压管Ⅱ上沿水流流动方向依次设有泄压阀Ⅱ、水压力计Ⅱ和流量计；所述的水压力计Ⅱ和流量计通过数据线与数据采集仪连接；
所述的监测传感器包括水位监测计和微震检波器，水位监测计和微震检波器通过数据线与数据采集仪连接。


2.根据权利要求1所述的一种改善硬岩矿崩落特性的水压致裂试验系统，其特征在于，所述的在线监测系统包括数据采集仪和与数据采集仪通过数据线连接的计算机。


3.根据权利要求1所述的一种改善硬岩矿崩落特性的水压致裂试验系统，其特征在于，所述的若干个观测钻孔为6～8个观测钻孔。


4.根据权利要求1所述的一种改善硬岩矿崩落特性的水压致裂试验系统，其特征在于，压裂钻孔的深度大于2...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈晓云，刘显锋，李光，高英勇，任海龙，陈小伟，李文，
申请(专利权)人：鞍钢集团矿业有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁;21