一種高地壓低孔隙率低滲透率煤層注水裝置及其使用工藝的製作方法
2023-11-11 07:18:27 1
專利名稱：一種高地壓低孔隙率低滲透率煤層注水裝置及其使用工藝的製作方法
技術領域：
本發明涉及煤礦採煤工作面災害防治領域，尤其涉及一種高地壓低孔隙率低滲透率煤層的注水裝置及其使用工藝。
背景技術：
隨著我國煤礦開採深度的增加及機械化開採程度的提高，煤塵、衝擊地壓和地溫等自然災害的危害程度不斷升級，災害事故頻繁發生，嚴重威脅著我國煤礦的安全高效開採及井下工人的身心健康。煤層注水是防治礦井多種災害的重要技術手段。通過煤層注水可有效地降低煤體破碎時的產塵量，防止衝擊礦壓、煤與瓦斯突出災害的發生，並通過增大煤體的導熱係數，降低煤體溫度，預防煤層自然發火。另外，煤層注水可以軟化堅硬煤體，使回採速度加快，提高產煤量和效率。但是，我國較多礦區的煤層為高地壓低孔隙率低滲透率煤層，煤體節理裂隙不發育且較為堅硬，煤層注水困難，而現有的注水工藝又存在較多的不足和局限性，致使工作面的注水量有限，不能達到預期的災害防治效果。為此，本領域急需一種高地壓低孔隙率低滲透率煤層注水工藝及裝置，提高注水效果，以有效緩解高地壓低孔隙率低滲透率煤層開採過程中煤塵、衝擊地壓和高溫等災害的防治難題。在現有技術中，CN101539028A公開了一種脈動注水方法及裝備，使用設備使注水壓力變化產生脈動衝擊煤層，但其注水壓力變化較快，不利於水浸潤煤礦，且其裝備結構複雜，因而故障率較高，同時也無法用於靜壓注水；CN101161992A公開了一種煤層注水方法， 其主要採用的是靜壓注水，沒有動壓注水的衝擊功能，且其並沒有公開具體的注水裝置和注水工藝步驟。
發明內容
為了有效解決高地壓低孔隙率煤層注水困難的問題，本發明提出一種高地壓低孔隙率煤層波動式注水工藝及實施該工藝的裝置。該工藝方法及裝置結構簡單，易於操作，注水量大，可以有效防治煤層開採過程中煤塵、衝擊地壓和高溫等災害事故的發生。本發明所採用的技術方案如下
一種高地壓低孔隙率低滲透率煤層注水裝置，用於向一個或多個注水孔中注水，包括靜壓注水裝置、動壓注水裝置，
所述靜壓注水裝置包括靜壓注水供水管、靜壓總管路截止閥、第一壓差式滲透劑連續定量添加泵、靜壓分流器、靜壓分管路、靜壓分管路截止閥和靜壓流量表，所述靜壓總管路截止閥串聯在靜壓注水供水管上，所述第一壓差式滲透劑連續定量添加泵並聯連接在靜壓注水供水管上且位於所述靜壓總管路截止閥和所述靜壓分流器之間，所述靜壓分流器的數量與注水孔的數量相同，串聯在所述靜壓注水供水管上且位於所述靜壓總管路截止閥的下遊，每個靜壓分流器連接一個靜壓分管路，每個靜壓分管路串聯有一個靜壓流量計和一個靜壓分管路截止閥；
所述動壓注水裝置包括動壓注水供水管、儲水箱、第二壓差式滲透劑連續定量添加泵、回水管、注水泵、水質過濾器、壓力表、動壓總管路截止閥、動壓分流器、動壓分管路、動壓分管路截止閥和動壓流量表，所述第二壓差式滲透劑連續定量添加泵並聯連接在所述動壓注水供水管上，所述儲水箱、所述所述水質過濾器、所述注水泵、所述壓力表、所述動壓總管路截止閥依次串聯連接在動壓注水供水管上，所述回水管連接在所述注水泵和所述儲水箱之間，所述動壓分流器的數量與注水孔的數量相同，串聯在所述動壓注水供水管上且位於所述動壓總管路截止閥的下遊，每個動壓分流器連接一個動壓分管路，每個動壓分管路串聯有一個動壓流量計和一個動壓分管路截止閥。使用上述裝置的煤層注水工藝為以1 6個注水孔為一組，注水孔採用封孔器與瑪麗散聯合封孔，根據煤層壓力情況，在採煤工作面煤層靜壓區採用動壓注水工藝、動壓區採用靜壓注水工藝，動壓注水工藝使用動壓注水裝置、靜壓注水工藝使用靜壓注水裝置，將各注水孔中的注水管分別連接對應注水裝置中的各分管路，使水注入煤層中。所述動壓注水工藝為高壓逾裂波動式動壓注水工藝，包括以下步驟
①將所述一組1 6個注水孔連接至動壓注水裝置；
②在水中添加滲透劑提高水滲透進煤體的能力，在水壓為煤層垂直應力0.8 1倍的狀態下向煤層注入1 池的水，在煤層內部形成水力衝擊現象，迫使煤層內部原有的封閉裂隙相互溝通或直接在煤層內形成新的裂隙網，在煤層內部逾裂、擴展使水滲透到煤體內部相互關聯的孔隙一裂隙網；
③當注水壓力有明顯降低時，逐步降低注水壓至一最小壓力值，所述最小壓力值為靜壓注水壓力的1 3倍，當在所述最小壓力值壓力下，注水量明顯降低或煤層注不進水時， 再將注水壓力逐步上調，注入煤層內部，以形成新的水力衝擊現象；
④重複步驟②一③，直到注水區煤層滿足採掘要求或注水孔進入煤層動壓區。所述靜壓注水工藝包括下述步驟
將動壓區的所述一組1 6個注水孔連接靜壓注水裝置；
靜壓注水開始後，打開靜壓總管路截止閥和靜壓分管路截止閥，靜壓注水供水管中的一部分水經過第一壓差式滲透劑連續定量添加泵，將滲透劑壓入靜壓注水供水管中，並與另一部分水混合後流入注水管，進入煤層中。在注水孔改為靜壓注水的同時，再選取工作面煤層靜壓區1 6個相鄰注水孔連接動壓注水裝置，進行動壓注水，進行動壓注水的注水孔進入工作面動壓區後，再改為靜壓注水，依次反覆，從而形成採煤工作面煤層靜壓區動壓注水、動壓區靜壓注水同時進行的模式。本發明的有益效果是
本發明提供的一種高地壓低孔隙率低滲透率煤層注水工藝及裝置在煤層內部有效逾裂、擴展了可使水滲透到煤體內部相互關聯的孔隙一裂隙網，並通過滲透劑大大提高了水滲透進煤體的能力，明顯提高了注水量。經過現場試用證明，該方法及裝置結構簡單，易於操作，維護工作量較小，注水量提高了 2 4倍，有效降低了工作面的溫度和衝擊地壓發生的可能性，減小了開採中的產塵量，並延長了煤層的自然發火期，有效緩解了高地壓低孔隙率低滲透率煤層開採過程中煤塵、衝擊地壓和高溫等災害的防治難題。
圖1是一種高地壓低孔隙率低滲透率煤層注水工藝及裝置的動壓注水結構示意圖。圖2是一種高地壓低孔隙率低滲透率煤層注水工藝及裝置的靜壓注水與動壓注水同時進行的結構示意圖。圖中1 一動壓注水供水管；2—第二壓差式滲透劑連續定量添加泵；3—儲水箱； 4一水質過濾器；5—注水泵；6—回水管；7—壓力表；8—動壓總管路截止閥；9一動壓分流器；10—動壓分管路截止閥；11 一動壓流量表；12—瑪麗散；13—封孔器；14一注水管； 15—工作注水孔；16—備用注水孔；17—靜壓注水供水管；18—第一壓差式滲透劑連續定量添加泵；19一靜壓總管路截止閥；20—煤層；21 —靜壓分管路截止閥；22 —靜壓流量計； 23 一靜壓分流器。
具體實施例方式參見附圖1，其顯示了對煤層靜壓區進行動壓注水的工作示意圖。根據採煤工作面煤層的礦壓測定結果確定出採煤工作面煤層的動壓區和靜壓區 (也稱為原始應力區)，在工作面煤層原始應力區每隔10 25m設置1個注水孔，注水孔的長度為工作面長度的1/2 2/3，孔徑為40 80mm，角度與煤層角度基本一致。將注水管)插入注水孔中，注水管的末端1 3節為花管，在距注水孔入口 6 15m處安設1個封孔器， 封孔器與注水孔入口之間注入按一定比例配製的瑪麗散，以防止注入的水從注水孔外溢。在採煤工作面煤層靜壓區已形成的注水孔中，選取1 6個注水孔為一組，形成工作注水孔組，本發明以4個注水孔為例，連接動壓注水裝置，已打好的其餘注水孔為備用注水孔。動壓注水開始後，打開動壓總管路截止閥和動壓分管路截止閥，並調節注水泵的壓力，使注水壓力達到煤層垂直應力的0. 8 1倍，動壓注水供水管中的水一部分經過與動壓注水供水管相併聯的第二壓差式滲透劑連續定量添加泵，將一定量的滲透劑壓入動壓注水供水管中，與另一部分水按一定比例混合後進入儲水箱，並經過水質過濾器後被吸入注水泵。吸入注水泵的水，加壓後依次經過壓力表、動壓總管路截止閥、動壓分流器、動壓分管路截止閥和動壓流量表流入注水管，進入煤層中，若進入注水管中的水量小於注水泵的排水額定流量，多餘的水將通過回水管返回到儲水箱中。調節注水泵的壓力，使水壓在為煤層垂直應力0. 8 1倍的狀態下向煤層注入 1 : 的水，在煤層內部形成新的「水擊」現象，迫使煤層內部原有的封閉裂隙相互溝通或直接在煤層內形成新的裂隙網，即在煤層內部逾裂、擴展可使水滲透到煤體內部相互關聯的孔隙一裂隙網，水中添加的滲透劑將大大提高水滲透進煤體的能力。當注水壓力有明顯降低(如降低到正常注水壓力的50%以下)時，可認為波動高壓水己在相當程度上強制溝通了煤層原有裂隙網或在一定範圍的煤層內部形成新的裂隙網，此時，逐步降低注水壓至一最小壓力值，一般此最小壓力值為靜壓注水壓力(靜壓注水壓力可根據工作面煤層的參數確定，其確定方式是本領域的公知常識)的1 3倍，當在最小壓力下，注水量明顯降低(如降低到正常注水量的35%以下時)或煤層注不進水時，再將注水壓力逐步上調，注入煤層內部，以形成新的「水擊」現象，而後再次逐步形成靜壓水潤溼煤體。如此反覆，從而在採煤工作面煤層靜壓區形成高壓逾裂波動式動壓注水。隨著工作面的推進，選取的一組注水孔將依次進入煤層的動壓區，受工作面採動的影響，注水孔所在煤體的裂隙將更加發育，此時，已無需進行動壓注水，可將進入動壓區的一組注水孔改為連接靜壓注水裝置(未示出)。靜壓注水開始後，打開靜壓總管路截止閥和靜壓分管路截止閥，靜壓注水供水管中的一部分水經過與靜壓注水供水管相併聯的第一壓差式滲透劑連續定量添加泵，將一定量的滲透劑壓入靜壓注水供水管中，並與另一部分水混合後依次經過靜壓總管路截止閥、靜壓分流器、靜壓分管路截止閥和靜壓流量表流入注水管，進入煤層中。參見附圖2，其顯示了煤層靜壓注水和動壓注水同時進行的工作示意圖。當進行動壓注水的一組注水孔進入動壓區後，需要將其連接靜壓注水裝置改為靜壓注水。與此同時，再選取工作面煤層靜壓區1 6個相鄰注水孔，將一組1 6個相鄰注水孔連接動壓注水裝置，進行高壓逾裂波動式動壓注水，當此組注水孔進入工作面動壓區後，再改為靜壓注水，同時再選取與其相鄰的1 6個注水孔進行動壓注水，依次反覆，從而形成採煤工作面煤層靜壓區動壓注水、動壓區靜壓注水同時進行的模式。在注水過程中，一直添加滲透劑，並且，當出現漏水、出汗等情況時，可暫停注水，待煤體被水充分潤溼後再進行注水，動壓區注水時間和靜壓區注水時間均不應少於2d。可以理解的是，以上所述總管路截止閥、分流器、分管路截止閥、流量表都為本領域公知的部件，對其限定的「動壓」和「靜壓」僅僅是為了區分其設置在不同裝置中，而不是對其功能的限定，所述壓差式滲透劑連續定量添加泵可以選用普通的壓差式定量泵，只要其能滿足定量添加滲透劑即可，所述「高地壓低孔隙率低滲透率」是相對煤層平均地壓、平均空隙率和平均滲透率而言，平均地壓、平均空隙率和平均滲透率可通過各煤層的基本參數查閱計算。以上所述，僅為本發明專利較佳的具體實施方式
，但本發明專利的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明專利揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明專利的保護範圍之內。
權利要求
1.一種高地壓低孔隙率低滲透率煤層注水裝置，用於向一個或多個注水孔中注水，其特徵在於，包括靜壓注水裝置、動壓注水裝置，所述靜壓注水裝置包括靜壓注水供水管、靜壓總管路截止閥、第一壓差式滲透劑連續定量添加泵、靜壓分流器、靜壓分管路、靜壓分管路截止閥和靜壓流量表，所述靜壓總管路截止閥串聯在靜壓注水供水管上，所述第一壓差式滲透劑連續定量添加泵並聯連接在靜壓注水供水管上且位於所述靜壓總管路截止閥和所述靜壓分流器之間，所述靜壓分流器的數量與注水孔的數量相同，串聯在所述靜壓注水供水管上且位於所述靜壓總管路截止閥的下遊，每個靜壓分流器連接一個靜壓分管路，每個靜壓分管路串聯有一個靜壓流量計和一個靜壓分管路截止閥；所述動壓注水裝置包括動壓注水供水管、儲水箱、第二壓差式滲透劑連續定量添加泵、 回水管、注水泵、水質過濾器、壓力表、動壓總管路截止閥、動壓分流器、動壓分管路、動壓分管路截止閥和動壓流量表，所述第二壓差式滲透劑連續定量添加泵並聯連接在所述動壓注水供水管上，所述儲水箱、所述水質過濾器、所述注水泵、所述壓力表、所述動壓總管路截止閥依次串聯連接在動壓注水供水管上，所述回水管連接在所述注水泵和所述儲水箱之間， 所述動壓分流器的數量與注水孔的數量相同，串聯在所述動壓注水供水管上且位於所述動壓總管路截止閥的下遊，每個動壓分流器連接一個動壓分管路，每個動壓分管路串聯有一個動壓流量計和一個動壓分管路截止閥。
2.一種使用如權利要求1所述裝置的煤層注水工藝，其特徵在於以1 6個注水孔為一組，注水孔採用封孔器與瑪麗散聯合封孔，根據煤層壓力情況，將採煤工作面分為靜壓區和動壓區，當注水孔位於採煤工作面煤層靜壓區時採用動壓注水工藝、位於採煤工作面動壓區時採用靜壓注水工藝，動壓注水工藝使用動壓注水裝置、靜壓注水工藝使用靜壓注水裝置，將各注水孔中的注水管分別連接對應注水裝置中的各分管路，使水注入煤層中。
3.根據權利要求2所述的煤層注水工藝，其特徵在於所述動壓注水工藝為高壓逾裂波動式動壓注水工藝，包括以下步驟①將所述一組1 6個注水孔連接至動壓注水裝置；②在水中添加滲透劑提高水滲透進煤體的能力，在水壓為煤層垂直應力0.8 1倍的狀態下向煤層注入1 池的水，在煤層內部形成水力衝擊現象，迫使煤層內部原有的封閉裂隙相互溝通或直接在煤層內形成新的裂隙網，在煤層內部逾裂、擴展使水滲透到煤體內部相互關聯的孔隙一裂隙網；③當注水壓力有明顯降低時，逐步降低注水壓力至一最小壓力值，所述最小壓力值為靜壓注水壓力的1 3倍，當在所述最小壓力值壓力下，注水量明顯降低或煤層注不進水時，再將注水壓力逐步上調，注入煤層內部，以形成新的水力衝擊現象；④重複步驟②一③，直到注水區煤層滿足採掘要求或注水孔進入煤層動壓區。
4.如權利要求2所述的所述的煤層注水工藝，其特徵在於所述靜壓注水工藝包括將動壓區的所述一組1 6個注水孔連接靜壓注水裝置；靜壓注水開始後，打開靜壓總管路截止閥和靜壓分管路截止閥，靜壓注水供水管中的一部分水經過第一壓差式滲透劑連續定量添加泵，將滲透劑壓入靜壓注水供水管中，並與另一部分水混合後流入注水管，進入煤層中。
5.根據權利要求2- 4任一所述的煤層注水工藝，其特徵在於注水孔由動壓注水改為靜壓注水的同時，再選取工作面煤層靜壓區1 6個相鄰注水孔連接動壓注水裝置，進行動壓注水，進行動壓注水的注水孔進入工作面動壓區後，再改為靜壓注水，依次反覆，從而形成採煤工作面煤層靜壓區動壓注水、動壓區靜壓注水同時進行的模式。
全文摘要
一種高地壓低孔隙率低滲透率煤層注水裝置，包括靜壓注水裝置、動壓注水裝置，所述靜壓注水裝置包括靜壓注水供水管、靜壓總管路截止閥、第一壓差式滲透劑連續定量添加泵、靜壓分流器、靜壓分管路、靜壓分管路截止閥和靜壓流量表，所述動壓注水裝置包括動壓注水供水管、儲水箱、第二壓差式滲透劑連續定量添加泵、回水管、注水泵、水質過濾器、壓力表、動壓總管路截止閥、動壓分流器、動壓分管路、動壓分管路截止閥和動壓流量表。
文檔編號E21F5/02GK102322285SQ201110163619
公開日2012年1月18日 申請日期2011年6月17日 優先權日2011年6月17日
發明者於巖斌, 周剛, 崔向飛, 楊俊磊, 楊子祥, 王剛, 程衛民, 聶文, 陳連軍, 馬有營, 高昌同 申請人:山東科技大學