一种煤矿井下车载串式双路加砂压裂成套装备

技术领域

本发涉及一种双路加砂压裂成套装备，属于煤矿设备技术领域，具体是涉及一种煤矿井下车载串式双路加砂压裂成套装备。

背景技术

水力压裂可以在脆性煤岩层中形成立体缝网，在煤岩层中建立了新的煤层瓦斯渗流通道，大大提高煤层瓦斯的抽采效率，但是压裂完成后煤岩层裂隙会在地层应力作用下自动闭合，影响最终的压裂抽采效果，急需在压裂过程中添加支撑剂进行裂隙支撑，提高压裂裂隙的留存时间，延长压裂增抽的抽采时效。另一方面，携砂高速流体也可以极大的提高煤岩层中的切割和造穴效率和效果，所以便于煤矿井下使用的加砂压裂泵组是煤矿井下水力化措施发展的必备基础装备。

但是煤矿井下作业空间以狭长巷道为主，对施工加砂压裂的装备布置和运输都提出了特殊的要求。不仅要实现加砂泵组和加混砂装置等多个部件的合理部署，同时为了应对加砂压裂过程中可能发生的砂堵等异常情况，还需要在受空间内设置泵组清水备用管路，并且实现清水管路和携砂管路的方便切换。

针对以上问题，本发明的设计者通过深入调研，研究设计出一种适用于煤矿井下的集成于平板矿车上的车载串式双路加砂压裂成套装备，由压裂泵、动力电机、供电控制、储供水和加混砂等集成于定制平板矿车上的功能模块及辅助管线等组成，装备整体融合了清水和携砂双水路系统、自动加混砂系统、供电保护系统和远程监控系统，实现了煤矿井下狭长巷道为主的受限空间环境下的多矿车多系统协同作业的携砂压裂施工，为煤炭行业提供了一种新型的煤矿井下加砂压裂装备及施工工艺技术方式。

发明内容

本发明提供了一种煤矿井下车载串式双路加砂压裂成套装备，本装备适用于煤矿井下水力加砂压裂、携砂水力切割和携砂水力造穴等方面的工程施工。

为解决上述问题，本发明的方案是：

一种煤矿井下车载串式双路加砂压裂成套装备，包括若干个依次连接的模块化矿车以及加砂压裂泵低压供液管路(21)，所述模块化矿石车至少包括：

一加砂压裂泵模块化矿车，所述加砂压裂泵模块化矿车设置一可转向的加砂压裂泵(1)；加砂压裂泵(1)被配置为能在施工时通过动力轴经万向轴连器(2)与一加砂压裂泵变频电机(4)传动轴连接；

一动力电机模块化矿车，与所述加砂压裂泵模块化矿车邻接，用于安置所述加砂压裂泵变频电机(4)；

一供电控制模块化矿车，其上设置有加砂压裂泵变频电机启动柜(5)和动力控制柜(7)；

一供水模块化矿车，其上设置压裂泵清水水路供液泵(10)以及加混砂装置清水供液泵(11)；所述压裂泵清水水路供液泵(10)连接加砂压裂泵清水供液管路(24)；

一加混砂模块化矿车，其上设置与所述供水模块化矿车水中相连的加混砂装置，所述加混砂装置连接加砂压裂泵携砂液供液管路(27)；

其中，所述加砂压裂泵低压供液管路(21)通过加砂压裂泵低压供液管路汇接(31)连接加砂压裂泵清水供液管路(24)和加砂压裂泵携砂液供液管路(27)以及加砂压裂泵(1)的低压进液口(2-12)。

优选的，上述的一种煤矿井下车载串式双路加砂压裂成套装备，所述加砂压裂泵模块化矿车包括：

加砂压裂泵，与矿车通过底座轴承连接，所述加砂压裂泵被配置为在运输时与矿车同向，利用泵头支撑(2-2)和泵体支撑(2-5)与矿车(2-1)固定；并在施工时，旋转90度后通过运行稳固台(2-11)与矿车(2-1)固定。

优选的，上述的一种煤矿井下车载串式双路加砂压裂成套装备，所述供电控制模块化矿车包括：

加砂压裂泵变频电机启动柜接线盒(6)、压裂泵变频电机启动柜(5)、动力控制柜(7)；

其中，高压外部供电(6-1)通过加砂压裂泵变频电机启动柜接线盒(6)接入加砂压裂泵变频电机启动柜(5)；由加砂压裂泵变频电机启动柜接线盒(6)引出后通过内部高压供电(6-3)连接加砂压裂泵变频电机高压接线盒(3)；

低压外部供电(6-2)接入动力控制柜(7)引出内部低压供电(6-4)用于连接远控防爆电脑(15)，并引出控制动力供电(6-5)分别连接储供水模块变频电机(3-3)和加混砂模块的渣浆泵变频电机(4-2)、搅拌变频电机(4-8)及输砂绞龙变频电机(4-9)；

所述远控防爆电脑(15)通过双向信号光纤(6-6)连接监控控制柜(8)；监控控制柜(8)通过双向监控线(6-7)连接加砂压裂泵变频电机启动柜(5)、动力控制柜(7)和管路电磁阀(13、23、26)；监控控制柜(8)通过监测信号线(6-8)连接加砂压裂泵(1)、管路流量监测仪(19)、加砂压裂泵变频电机(4)和加混砂装置混砂罐(29)的混砂罐液位器(4-10)。

优选的，上述的一种煤矿井下车载串式双路加砂压裂成套装备，所述供水模块化矿车包括：

远控防爆电脑(15)将操作命令通过双向信号光纤(6-6)传输给监控控制柜(8)，由监控控制柜(8)转换为各单元的执行指令，通过双向监控线(6-7)操作管路电磁阀(13、23、26)动作，或通过双向监控线(6-7)传递给加砂压裂泵变频电机启动柜(5)启动加砂压裂泵变频电机(4)，或通过双向监控线(6-7)传递给动力控制柜(7)，再由动力控制柜(7)通过动力供电(6-5)分别控制储供水模块变频电机(3-3)和加混砂模块的渣浆泵变频电机(4-2)、搅拌变频电机(4-8)及输砂绞龙变频电机(4-9)的动作；同时通过双向监控线(6-7)将管路电磁阀(13、23、26)、加砂压裂泵变频电机启动柜(5)和动力控制柜(7)动作执行反馈信号收集回监控控制柜(8)，再通过双向信号光纤(6-6)反馈回远控防爆电脑(15)。

优选的，上述的一种煤矿井下车载串式双路加砂压裂成套装备，所述供水模块化矿车包括：

过滤水箱(3-2)、加混砂装置清水供液泵(3-5)、压裂泵清水水路供液泵(3-6)和2台供水变频电机(3-4)；所述过滤水箱(3-2)内部设置水箱滤网(3-3)，过滤水箱(3-2)滤清侧分别与加混砂装置清水供液泵(3-5)和压裂泵清水水路供液泵(3-6)进液口采用管路相连，加混砂装置清水供液泵(3-5)和压裂泵清水水路供液泵(3-6)的动力轴分别与2台供水变频电机(3-4)的传动轴连接。

优选的，上述的一种煤矿井下车载串式双路加砂压裂成套装备，压裂泵清水水路供液泵(10)进液口通过管路与过滤水箱(9)相连，出液口(3-8)通过加混砂装置供水管路(12)与加混砂装置混砂罐(29)的清水进液口(4-5)连接，加混砂装置供水管路(12)上设置加混砂装置供水电磁阀(13)。

优选的，上述的一种煤矿井下车载串式双路加砂压裂成套装备，所述过滤水箱(9)与外部供水装置(7-1)相连；

外部供水进入过滤水箱(9)通过水箱滤网(3-3)后分为两路，一路由压裂泵清水水路供液泵(10)辅助增压后通过加砂压裂泵清水供液管路(24)和加砂压裂泵清水供液管路电磁阀(23)进入加砂压裂泵低压供液管路汇接(31)，然后进入加砂压裂泵低压供液管路(21)，形成加砂压裂泵清水供水水路(7-6)；另一路由加混砂装置清水供液泵(11)辅助增压后通过加混砂装置供水管路(12)和加混砂装置供水电磁阀(13)，由混砂罐清水进液口(4-5)进入加混砂装置混砂罐(29)，形成加混砂装备供水水路(7-2)。

优选的，上述的一种煤矿井下车载串式双路加砂压裂成套装备，所述混砂模块化矿车包括：

渣浆泵变频电机(4-2)、渣浆泵(4-3)、混砂罐(4-4)、输砂绞龙(4-6)和储砂斗(4-7)；渣浆泵变频电机(4-2)传动轴与渣浆泵(4-3)动力轴连接，渣浆泵(4-3)进液口通过管路与混砂罐(4-4)底部出液口连接；所述混砂罐(4-4)上部设置搅拌变频电机(4-8)，搅拌变频电机(4-8)与混砂罐(4-4)内部混砂罐搅拌浆(4-12)连接，所述输砂绞龙(4-6)上部出砂口与混砂罐(4-4)进砂口相对，输砂绞龙(4-6)下部与储砂斗(4-7)连接，输砂绞龙(4-6)上部安装输砂绞龙变频电机(4-9)以驱动输砂绞龙(4-6)将储砂斗(4-7)中的砂传送入混砂罐(4-4)内。

优选的，上述的一种煤矿井下车载串式双路加砂压裂成套装备，所述加砂压裂泵清水供液管路(24)上设置加砂压裂泵清水供液管路电磁阀(23)，加砂压裂泵携砂液供液管路(27)上设置加砂压裂泵携砂液供液管路电磁阀(26)。

优选的，上述的一种煤矿井下车载串式双路加砂压裂成套装备，加混砂装置混砂罐(29)通过混砂罐搅拌浆(4-12)将由加混砂装备供水水路(7-2)进入的清洁压裂液与由装备内加砂路径(7-4)加入的支撑剂搅拌混合形成携砂压裂液，由加混砂装置渣浆泵(14)辅助增压后，通过加砂压裂泵携砂液供液管路(27)和加砂压裂泵携砂液供液管路电磁阀(26)进入加砂压裂泵低压供液管路汇接(31)，然后进入加砂压裂泵低压供液管路(21)，形成加砂压裂泵携砂液供水水路(7-5)。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：将加砂压裂泵、压裂泵电机、系统控制柜、过滤水箱和供水管路、加混砂装置等设备采用串式结构按次序分装到了定制矿车上，既满足了井下加砂压裂的各项功能需求，又极大程度上完成了系统的集成，适应了煤矿井下条巷式工作空间为主的施工环境，同时采用了系统内携砂、清水双水路布置和系统自监测监控，不仅提高了井下单加砂压裂泵组的安全稳定运行保障能力，而且大大提高了应急清水和携砂管路切换的效率，提升了在井下受限环境下进行加砂压裂工程施工的能力。

附图及说明

图1为定制平板矿车结构示意图，其中，a为正视图，b为俯视图；其中：1-1、前同心固结锁定装置；1-2、平板矿车体；1-3、后同心固结锁定装置；1-4、轨道轮；1-5、轮轴减震；1-6、可拆卸调高撑腿；1-7、平板矿车拖拉挂钩；

图2位1号车压裂泵模块布置示意图；其中，a.运输位正视图，b.施工位正视图，c.俯视图；其中：2-1、1号平板矿车；2-2、泵头支撑；2-3、运输位加砂压裂泵；2-4、底座轴承；2-5、泵体支撑；2-6、施工位加砂压裂泵；2-7、加砂压裂泵高压出液口；2-8、加砂压裂泵高压压力表；2-9、加砂压裂泵高压安全阀；2-10加砂泵预留高压回水口；2-11、运行稳固台；2-12、加砂压裂泵低压进液口；

图3为4号车储供水模块布置示意图，其中，a为正视图，b为俯视图；其中：3-1、4号平板矿车；3-2、过滤水箱；3-3、水箱滤网；3-4、变频电机；3-5、加混砂装置清水供液泵；3-6、压裂泵清水水路供液泵；3-7、压裂泵清水水路供液泵出液口；3-8、加混砂装置清水供液泵出液口；

图4为5号车加混砂模块布置示意图；其中，a.为正视图，b.为俯视图，其中：4-1、5号平板矿车；4-2、渣浆泵变频电机；4-3、渣浆泵；4-4、混砂罐；4-5、混砂罐清水进液口；4-6、输砂绞龙；4-7、储砂斗；4-8、搅拌变频电机；4-9、输砂绞龙变频电机；4-10、混砂罐液位器；4-11、渣浆泵出液口；4-12、混砂罐搅拌浆；

图5为煤矿井下车载串式双路加砂压裂成套装备连接布置示意图；其中，a.顶视图，b.正视图；其中，1、加砂压裂泵；2、万向轴连器；3、加砂压裂泵变频电机高压接线盒；4、加砂压裂泵变频电机；5、加砂压裂泵变频电机启动柜；6、加砂压裂泵变频电机启动柜接线盒；7、动力控制柜；8、监控控制柜；9、过滤水箱；10、压裂泵清水水路供液泵；11、加混砂装置清水供液泵；12、加混砂装置供水管路；13、加混砂装置供水电磁阀；14、加混砂装置渣浆泵；15、远控防爆电脑；16、加混砂装置储砂斗；17、1号平板矿车；18、加砂压裂泵高压出液口；19、管路流量监测仪；20、2号平板矿车；21、加砂压裂泵低压供液管路；22、3号平板矿车；23、加砂压裂泵清水供液管路电磁阀；24、加砂压裂泵清水供液管路；25、4号平板矿车；26、加砂压裂泵携砂液供液管路电磁阀；27、加砂压裂泵携砂液供液管路；28、5号平板矿车；29、加混砂装置混砂罐；30、加混砂装置输砂绞龙；31、加砂压裂泵低压供液管路汇接；32、装备冷却取水口；

图6为煤矿井下车载串式双路加砂压裂成套装备电力及监控系统示意图；其中，6-1、高压外部供电；6-2、低压外部供电；6-3、内部高压供电；6-4、内部低压供电；6-5、控制动力供电；6-6、双向信号光纤；6-7、双向监控线；6-8、监测信号线；

图7为煤矿井下车载串式双路加砂压裂成套装备加混砂及水路系统示意图；其中，7-1、外部供水；7-2、加混砂装备供水水路；7-3、外部加砂；7-4、装备内加砂路径；7-5、加砂压裂泵携砂液供水水路；7-6、加砂压裂泵清水供水水路；7-7、高压输出水路。

具体实施方式

该装备整体由压裂泵、动力电机、供电控制、储供水和加混砂等集成于五个定制平板矿车上的功能模块组成，装备整体融合了清水和携砂双水路系统、加混砂系统、供电保护系统和远程监控系统，形成了一套便于煤矿井下运输和施工的远控一体化加混砂携砂压裂装备。

上述装备的5个定制平板矿车依次编号，按功能划分集成相应的设备仪器。定制平板矿车结构如图1所示，定制平板矿车头部前端两侧设置有前同心固结锁定装置1-1，矿车尾部后端两侧设置有后同心固结锁定装置1-3，可与前后车首位相连固结锁定为一体。矿车头尾中间设置有拖拉挂钩1-7，运输时挂接拖拉。矿车底设置有2对轨道轮1-4，轨道轮1-4与车体1-2之间由轮轴减震1-5连接。车身两侧设置2对可拆卸调高撑腿1-6，矿车运输时拆除，到达施工位置后安装并调节高度，使5个平板矿车处于同一平面并稳固保持车体水平。

所述装备的1号车为压裂泵模块，如图2所示，运输位加砂压裂泵2-3、2-6与矿车2-1利用底座轴承2-4连接，运输位加砂压裂泵2-3与矿车2-1同向，利用泵头支撑2-2和泵体支撑2-5与矿车2-1固定。施工时，卸除泵头支撑2-2和泵体支撑2-5，加砂压裂泵旋转90度，转换为施工位加砂压裂泵2-6，利用运行稳固台2-11与矿车2-1固定。

所述装备的4号车为储供水模块，如图3所示，矿车3-1上固定有过滤水箱3-2、加混砂装置清水供液泵3-5、压裂泵清水水路供液泵3-6和2台供水变频电机3-4。过滤水箱3-2内部设置水箱滤网3-3，过滤水箱3-2滤清侧分别与加混砂装置清水供液泵3-5和压裂泵清水水路供液泵3-6进液口采用管路相连，加混砂装置清水供液泵3-5和压裂泵清水水路供液泵3-6的动力轴分别与2台供水变频电机3-4的传动轴连接。

所述装备的5号车为加混砂模块，如图4所示，矿车4-1上固定有渣浆泵渣浆泵变频电机4-2、渣浆泵4-3、混砂罐4-4、输砂绞龙4-6和储砂斗4-7等。渣浆泵渣浆泵变频电机4-2传动轴与渣浆泵4-3动力轴连接，渣浆泵4-3进液口通过管路与混砂罐4-4底部出液口连接。混砂罐4-4上部设置搅拌变频电机4-8，搅拌变频电机4-8与混砂罐4-4内部混砂罐搅拌浆4-12连接，可带动混砂罐搅拌浆4-12旋转对混砂罐4-4内液体进行搅拌。输砂绞龙4-6上部出砂口正对混砂罐4-4进砂口，输砂绞龙4-6下部与储砂斗4-7连接，输砂绞龙4-6上部安装输砂绞龙变频电机4-9，电机传动，输砂绞龙4-6可将储砂斗4-7中的砂传送入混砂罐4-4内。

所述装备，在施工时，5个模块矿车依次连接固结锁定，如图5所示，压裂泵模块1号车17尾部连接动力电机模块2号车20头部，2号车20尾部连接供电控制模块3号车22头部，3号车22尾部连接储供水模块4号车25头部、4号车25尾部连接加混砂模块5号车28头部。加砂压裂泵1动力轴通过万向轴连器2与加砂压裂泵变频电机4传动轴连接。加砂压裂泵1低压进液口2-12连接加砂压裂泵低压供液管路21，加砂压裂泵低压供液管路21上安装管路流量监测仪19，加砂压裂泵低压供液管路21通过加砂压裂泵低压供液管路汇接31连接加砂压裂泵清水供液管路24和加砂压裂泵携砂液供液管路27；加砂压裂泵清水供液管路24上设置加砂压裂泵清水供液管路电磁阀23，并连接压裂泵清水水路供液泵10出液口3-7；加砂压裂泵携砂液供液管路27上设置加砂压裂泵携砂液供液管路电磁阀26，并连接加混砂装置渣浆泵14出液口4-11。压裂泵清水水路供液泵10进液口通过管路与过滤水箱9相连，出液口3-8通过加混砂装置供水管路12与加混砂装置混砂罐29的清水进液口4-5连接，加混砂装置供水管路12上设置加混砂装置供水电磁阀13。

所述装备电力及监控系统，如图6所示，高压外部供电6-1通过加砂压裂泵变频电机启动柜接线盒6接入加砂压裂泵变频电机启动柜5；由加砂压裂泵变频电机启动柜接线盒6引出，通过内部高压供电6-3连接加砂压裂泵变频电机高压接线盒3，接入加砂压裂泵变频电机4。低压外部供电6-2接入动力控制柜7，引出内部低压供电6-4连接远控防爆电脑15，引出控制动力供电6-5分别连接储供水模块变频电机3-3和加混砂模块的渣浆泵变频电机4-2、搅拌变频电机4-8及输砂绞龙变频电机4-9；远控防爆电脑15通过双向信号光纤6-6连接监控控制柜8；监控控制柜8通过双向监控线6-7连接加砂压裂泵变频电机启动柜5、动力控制柜7和管路电磁阀13、23、26；监控控制柜8通过监测信号线6-8连接加砂压裂泵1、管路流量监测仪19、加砂压裂泵变频电机4和加混砂装置混砂罐29的混砂罐液位器4-10。

所述装备电力及监控系统中，远控防爆电脑15将操作命令通过双向信号光纤6-6传输给监控控制柜8，由监控控制柜8转换为各单元的执行指令，通过双向监控线6-7操作管路电磁阀13、23、26动作，或通过双向监控线6-7传递给加砂压裂泵变频电机启动柜5启动加砂压裂泵变频电机4，或通过双向监控线6-7传递给动力控制柜7，再由动力控制柜7通过动力供电6-5分别控制储供水模块变频电机3-3和加混砂模块的渣浆泵变频电机4-2、搅拌变频电机4-8及输砂绞龙变频电机4-9的动作；同时通过双向监控线6-7将管路电磁阀13、23、26、加砂压裂泵变频电机启动柜5和动力控制柜7动作执行反馈信号收集回监控控制柜8，再通过双向信号光纤6-6反馈回远控防爆电脑15。

所述装备电力及监控系统中，各功能部件状态由传感器采集转换成监控信号通过监控信号线6-8汇总传输到监控控制柜8，转换后通过双向信号光纤6-6传输给远控防爆电脑15。

所述装备加混砂及水路系统，如图7所示，外部供水装置7-1进入过滤水箱9通过水箱滤网3-3后分为两路，一路由压裂泵清水水路供液泵10辅助增压后通过加砂压裂泵清水供液管路24和加砂压裂泵清水供液管路电磁阀23进入加砂压裂泵低压供液管路汇接31，然后进入加砂压裂泵低压供液管路21，形成加砂压裂泵清水供水水路7-6；另一路由加混砂装置清水供液泵11辅助增压后通过加混砂装置供水管路12和加混砂装置供水电磁阀13，由混砂罐清水进液口4-5进入加混砂装置混砂罐29，形成加混砂装备供水水路7-2。

所述装备加混砂及水路系统中，外部加砂7-3临时储于加混砂装置储砂斗16，再由加混砂装置输砂绞龙30运至加混砂装置混砂罐29，整体构成装备内加砂路径7-4。

所述装备加混砂及水路系统中，加混砂装置混砂罐29通过混砂罐搅拌浆4-12将由加混砂装备供水水路7-2进入的清洁压裂液与由装备内加砂路径7-4加入的支撑剂搅拌混合形成携砂压裂液，由加混砂装置渣浆泵14辅助增压后，通过加砂压裂泵携砂液供液管路27和加砂压裂泵携砂液供液管路电磁阀26进入加砂压裂泵低压供液管路汇接31，然后进入加砂压裂泵低压供液管路21，形成加砂压裂泵携砂液供水水路7-5。

所述装备加混砂及水路系统中，加砂压裂泵清水供水水路7-6提供的清洁压裂液或加砂压裂泵携砂液供水水路7-5提供的携砂压裂液，经加砂压裂泵低压进液口2-12进入加砂压裂泵1，由加砂压裂泵1增压赋能后由加砂压裂泵高压出液口18输出，形成高压输出水路7-7。

所述装备，通过加砂压裂泵清水和携砂液供液管路电磁阀23、26开闭的组合控制，实现加砂压裂泵清洁压裂液和携砂液的供给的切换。通过加混砂装置清水供液泵11的供水变频电机3-4、输砂绞龙变频电机4-9及混砂罐液位器4-10协同调节实现控制砂比的携砂压裂液制备。通过压裂泵清水水路供液泵10的供水变频电机3-4或加混砂装置渣浆泵14的渣浆泵变频电机4-2与加砂压裂泵变频电机4协同，实现不同排量的压裂注水作业。

通过以上描述可知，本实施例将加砂压裂泵、压裂泵电机、系统控制柜、过滤水箱和供水管路、加混砂装置等设备采用串式结构按次序分装到了定制矿车上，既满足了井下加砂压裂的各项功能需求，又极大程度上完成了系统的集成，适应了煤矿井下条巷式工作空间为主的施工环境，同时采用了系统内携砂、清水双水路布置和系统自监测监控，不仅提高了井下单加砂压裂泵组的安全稳定运行保障能力，而且大大提高了应急清水和携砂管路切换的效率，提升了在井下受限环境下进行加砂压裂工程施工的能力。

注意到，说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”、“一些实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但是每个实施例可以不必包括所述特定特征、结构或特性。而且，这样的短语不必指代同一实施例。此外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，无论是否明确描述，结合其他实施例来实现这样的特征、结构或特性将在所属领域的技术人员的知识范围内。

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