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水力压裂技术在煤炭绿色安全开发方面具有广泛的应用，如煤层水力压裂增透技术，通过注入的高压水作用下，使煤层产生裂隙并发发育成长，增多瓦斯运移通道，提高煤层气抽采效率；坚硬难垮落顶板弱化、动压巷道卸压、巷道定向切顶、冲击地压解危等安全开采需求的煤岩体压裂技术，用以解决煤矿生产中产生的严重安全威胁[1]。高压大流量压裂泵是将压裂介质注入煤层转化为高压裂隙的动力源，是水力压裂的核心装备之一。
目前，煤矿井下压裂泵系统面临的技术难题主要体现在以下2个方面：①由于煤矿井下水力压裂技术的发展，对流量或压力的需求不断提升，但煤矿井下对作业空间有严格限制，因此对压裂泵系统的功率密度提出了更高的要求；②煤矿井下水力压裂工艺参数经常需要实际工况进行实时调整，因此对压裂泵控制系统智能化精准控制需求越来越强烈，实现压力、流量等参数的实时监控、自动调节和智能匹配是压裂泵系统的核心技术难题之一。
针对以上问题，煤炭科学研究总院智能控制技术研究分院依靠单位多年综采智能供液技术方面的积累，以高压大流量乳化液泵站的系列研究成果为依托[2-4]，攻克了泄液回收大流量压裂压力控制技术、变频压裂系统的压力调节技术、智能控制和监测技术等核心技术难题，总结产品研发的成功经验，根据煤矿井下水力压裂的工况需求，成功研制出BYW40/500B(R)型煤矿井下智能压裂泵系统，并在陕西省榆林市大梁湾煤矿进行了工业性试验，实现了超长距离坚硬难垮落顶板的弱化及治理的原理性验证。
水力压裂技术的研究与应用主要集中在油气行业，但美国、澳大利亚、波兰等研究者对水力压裂技术在煤矿的应用进行了研究和讨论。宾夕法尼亚州立大学的Blunschi等[5]综述了水力压裂在煤层应用的机理研究，并分析得出常规煤层水力压裂处理压力大于22.6 kPa/m的结果；澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)Jeffrey及其合作者对水力压裂技术在煤层气开采的试验及工程应用进行了长期系统的研究[6-8]。美国、波兰及澳大利亚的研究人员将水力压裂技术在对采矿行业和煤矿顶板治理进行了探索[9-14]。
国内的研究者结合我国的地质及开采条件，在技术原理、工程实践及装备方面进行了更为广泛的研究。康红普院士团队[1,15]对定向水力压裂技术在煤矿坚硬难垮顶板控制方面的机理、装备、试验及效果评价标准进行了深入研究；袁亮等[16]综述了水力压裂技术治理瓦斯的研究现状及发展方向，并明确提出了压裂装备的系统化、安全化、便捷化和智能化的要求。在装备研发方面，中国煤炭科工集团西安研究院和重庆研究院分别研制了井下定向长钻孔分段水力压裂技术及装备[17]和长钻孔超高压水力割缝增透技术及装备[18]，用以解决矿震、瓦斯抽采增透等安全问题。重庆市能源投资集团开发了较大功率的三缸压裂泵组并进行了工程应用[19]。
BYW40/500B(R)型煤矿井下智能压裂泵系统主要包括清水过滤站、多功能水箱、BYW40/500B(R)型压裂泵、流量传感器、液位传感器、电控流量阀、变频器、监控主机、高压管路、动力电缆、控制线缆及管路线路附件等，其组成如图1所示。其中，BYW40/500B(R)型压裂泵为五缸卧式柱塞泵，功率500 kW，最大工作压力40 MPa时，能够实现38 m3/h大流量下的全功率输出。整套系统具有结构紧凑，集成度高，使用环境灵活的特点。
图1 BYW40/500B(R)型井下智能压裂系统三维示意
Fig.1 3D schematic for BYW40/500B(R) type underground intelligent fracturing pump system
矿井水在经过清水过滤站的过滤后进入多功能水箱存储，液位传感器对水箱液位进行检测并将数据传输至控制器，通过控制器发出信号来调整电控截止阀的开闭，以实现水箱的自动补水。变频器根据压裂工作面的工况，控制变频电机的转速配合电控流量阀来调整泵站的输出流量，以满足压裂过程中各阶段对系统压力增速的不同要求。监控主机能够监测系统运行过程中所有传感器的信号，并通过系统控制软件在显示器中实时显示系统压力、流量、水箱液位及设备运行状态等数据。
系统可以通过2个环节对输出流量进行控制：①通过变频器的输出频率的变化，控制电机转速进而调整泵站输出流量。当变频器输出频率为50 Hz时，泵站输出流量为38 m3/h，当变频器输出频率在10～50 Hz内变化时，泵站输出流量也会随之等比例调整。②通过电控流量阀通道开启量的变化，控制系统短路流量大小进而调整泵站输出流量。在系统主管路中并联一路电控流量阀，当流量阀关闭时，泵站输出流量全部到达压裂工作面，系统压力持续升高，升高速度与泵站输出流量大小有关；当系统需要在某一压力状态下保持时，流量阀按照系统需求调整至某一开启状态，变频器在定压控制的模式下，可以根据流量阀的开启状态自动调整输出频率，使系统管路形成短路状态，泵站输出流量均通过流量阀返回水箱，从而使系统压力可以维持在某一设定值(图2)。
图2 BYW40/500B(R)型井下智能压裂系统液压原理
Fig.2 Hydraulic for BYW40/500B(R) type underground intelligent fracturing pump system
适应现场工况及操作工艺要求的液压阀类控制元件是压裂泵系统实现压力流量精确可调的必要条件。研制了最大流量1 000 L/min、额定压力40 MPa的大流量泄液回收压力控制阀，能实现大流量工况下压力精确控制和泄液回收功能，如图3所示。
图3 FYL(1000/40)型压力控制阀三维模型
Fig.3 3D model for FYL(1000/40) type relief valve
关键技术具体如下：①阀芯硬密封副技术，通过高硬度金属热处理及精密加工工艺探索，运用“金属-金属”线密封副实现阀芯关键动作密封，解决原有软密封副(金属-橡胶、金属-PEEK)抗污染能力差，寿命差等问题，完成高耐久性的安全阀硬密封结构型式开发，提升了环境适应性及整体寿命；②阀芯可靠性开启技术，通过大刚度弹簧与平衡弹簧座配合设计和直动式压力敏感式轴向配合方案，实现阀芯瞬态高频响应，保证工况高压大流量状态下的安全卸载；③瞬态大流量流道和容腔设计及泄液回收技术，通过改进阀孔和容腔体积及形状，满足1 000 L/min流量下压力控制阀泄液过流，减少流体对阀套和阀体冲击；④压力检测及泄压技术，适应多种集成供液系统使用工况，增加压力实时检测和系统泄压组件，实现压力可视化管理和非工作时段系统泄压保护。
根据压裂的施工工艺，压裂过程的压力控制可以分为3个阶段，分别为坐封、起裂及压裂，现场工况对变频水力压裂系统的压力控制主要有3个要求：①坐封阶段需要系统可以缓慢增压至某一较低压力状态，阈值为3～5 MPa，并且可以进行一段时间的保压；②起裂阶段系统需要可以实现窄幅压力区间内的调节，且控制方便且可视化；③压裂阶段系统需要能够迅速调至满载工作状态，即变频泵站能够全流量输出。
为满足压裂施工工艺需求，研制了一种变频水力压裂压力调节系统及方法[20]，如图4所示。该系统包括智能控制器、主通路和旁通路。控制器通过采集压力传感器的信号，按照变频器的定压反馈，控制电控流量阀的打开程度。电控流量阀作为系统旁通路的控制单元，一端接入系统主管通路，另一端接回水箱。当流量阀关闭时，系统旁通路处于截止状态，系统输出流量全部到达压裂工作面；当流量阀开启时，通过变频器调节后的系统输出流量全部或部分经过流量阀返回水箱，形成旁路短路，实现对输出流量的控制，进而实现对压力变化的调节。
图4 压裂过程变频压力实时调节系统结构
Fig.4 Structural of frequency conversion pressure real-time adjustment system in fracturing process
煤矿井下智能压裂泵系统具备智能化电气控制功能，在实现压裂泵、水箱、调压阀等主要部件自动控制功能的基础上，还实现了整套系统输出流量智能监测、压裂压力实时跟踪、压力流量匹配关系分析等关键技术。
煤矿水力压裂的施工工艺可分为：坐封、起裂、压裂、卸压4个阶段。每个阶段需求的液体流量和系统维持压力存在阶段差异化、实时快速突变性等特点。依靠人工观察和手动操作难以满足实时性要求，也无法达到良好压裂效果。
坐封阶段要求在较低流量和压力状态下，使得封孔器膨胀，在孔洞内部形成封闭腔体。起裂阶段需快速加大输出流量，保持系统压力快速均匀上升。压裂阶段需要准确判断出系统压力瞬间突降变化状态。卸压阶段则要平稳降低输出流量和系统压力。针对上述过程，电控系统配备了系统输出流量传感器、系统输出压力传感器、压裂泵控制系统、监控主机等设备。实现了系统输出流量、输出压力的实时监测，集成了智能监测、控制和分析功能，系统界面如图5所示。
图5 压裂泵智能监测与分析技术
Fig.5 Intelligent monitoring and analysis technique of fracturing pump
关键技术具体如下：①低压自动坐封技术，坐封阶段通过监控主机向变频器给定低频参数，保证系统以低流量输出，解决了坐封压力过高导致封孔器易损的难题，结合实时系统压力监测，给定变频参数逐渐递增，使得封孔器逐渐膨胀，实现良好的封孔效果；②压力自动跟随起裂技术，攻克压力曲线自动识别技术研制压力自动跟随算法，实现起裂过程自动增加压力基准值，输出流量自动匹配系统压力；③压裂自动识别技术，研究压力曲线陡降识别技术，实现压裂完成后自动保压、卸压功能。
煤矿井下压裂泵系统在榆林大梁湾煤矿、陕煤集团孟村煤矿和华晋集团沙曲一矿完成了井下工业性试验。其中榆林大梁湾煤矿试验为天地科技股份有限公司开采设计事业部牵头的井下千米超长孔复合压裂关键技术型式试验中的关键测试内容之一，旨在对压裂流程及智能控制方法进行原理性验证。压裂对象为煤层顶板，试验钻孔深度约为800 m，压裂过程由内向外共分为14段。压裂过程中监控主机显示并记录了系统压力和流量的实时变化数据与曲线，如图6和图7所示。压力流量数据分析内容如下。
图6 系统总压力分析
Fig.6 Analysis of system pressure
图7 注水流量分析
Fig.7 Analysis of water injection flow rate
压力尖峰凸起一共14次，对应实际压裂次数14次，经数据分析，合计压裂次数14次，岩层起裂时间范围在4～15 min，起裂压力范围在15～21 MPa，压裂后维持压力在12～16 MPa。
实时注水流量最大值范围在37.5～38.5 m3/h。经数据分析，实时注水流量突变14次，注水峰值约38 m3/h,如图8所示。
图8 注水总量分析
Fig.8 Analysis of total water injection
注水总量整体图形呈阶梯状递增，表示注水量是累加值，每次压裂中注水量都会递增，每次压裂完成后注水停止，此时注水量为横向平稳台阶状。经数据分析，最终注水总量为50.0 m3。单次注水总量范围在1.3～5.5 m3，与压裂位置的地质条件有关。
1)开发设计适用于坚硬难垮落顶板治理、瓦斯抽采增透的煤矿井下智能压裂泵系统，压裂泵能够满足最大压力40 MPa，有效输出流量38 m3/h。
2)重点攻克泄液回收大流量压力控制技术，实现大流量下压力精确控制及泄液回收；解决坐封、起裂及压裂过程中由3 MPa到40 MPa大范围内变频压力精确控制的技术难题；研究了基于低压自动坐封、压力自动跟随起裂和压裂自动识别等核心技术的智能控制和监测技术。
3)研制的BYW40/500B(R)型煤矿井下智能压裂泵系统在于陕西省榆林市大梁湾煤矿、陕煤集团孟村煤矿和华晋集团沙曲一矿进行了工业性试验，实践证明：系统能够满足超长距离坚硬难垮落顶板的弱化及治理对水力压裂装备要求。
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