一種高壓水力致裂煤層注水系統及注水自動化監控方法
【專利摘要】一種高壓水力致裂煤層注水系統及注水自動化監控方法，屬于技術設備領域。其特征在于：包括多個用于向煤層（22）進行注水的注水單元（3），在加壓泵（6）的入口和出口處同時連接有靜壓注水管路（4）和動壓注水管路（5），靜壓注水管路（4）和動壓注水管路（5）同時與注水單元（3）的管路部分相連，加壓泵（6）與控制箱（9）相連并由控制箱（9）實現控制，注水單元（3）的電路部分同時與控制箱（9）連接。在本高壓水力致裂煤層注水系統及注水自動化監控方法中，通過設置靜壓注水管路和動壓注水管路，實現了對煤層進行動壓和靜壓結合的注水方式，實現了注水壓力和注水量的精確控制，大大提高了注水效果。
【專利說明】
一種高壓水力致裂煤層注水系統及注水自動化監控方法
技術領域
[0001 ] 一種高壓水力致裂煤層注水系統及注水自動化監控方法，屬于技術設備領域。
【背景技術】
[0002]煤層注水是回采前在煤層中預先施工注水鉆孔，將壓力水溶液注入煤層中，增加煤體水分，從而改變其物理力學性質，以達到預防煤層災害事故的目的。煤層注水不僅可以起到降低煤塵的作用，而且還可以從根本上預防煤與瓦斯突出、沖擊地壓等災害的發生。國內多數沖擊地壓煤礦防沖工程主要有爆破卸壓、煤層注水卸壓、大直徑鉆孔卸壓，其中煤層注水卸壓工程具有降低煤層應力集中，軟化煤層并從根本上降低煤層沖擊傾向性的優點，而且還可以實現降低煤炭生產過程中粉塵濃度的效果。但現有煤層注水設備及方法通常需要較長時間，占用人工多，管理難度大，注水壓力和注水量無法實現精確控制。鑒于上述情況，急需創新一種煤層注水自動化監控裝置及方法，實現集中監控、減少煤層注水人工、提尚運彳丁效率。
【發明內容】
[0003]本發明要解決的技術問題是:克服現有技術的不足，提供一種通過設置動壓注水管路和靜壓注水管路，實現了對煤層進行動壓和靜壓結合的注水方式，實現了注水壓力和注水量的精確控制，大大提高了注水效果的高壓水力致裂煤層注水系統及注水自動化監控方法。
[0004]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:該高壓水力致裂煤層注水系統，其特征在于:包括多個用于向煤層進行注水的注水單元，在加壓栗的入口和出口處同時連接有靜壓注水管路和動壓注水管路，靜壓注水管路和動壓注水管路同時與注水單元的管路部分相連，加壓栗與控制箱相連并由控制箱實現控制，注水單元的電路部分同時與控制箱連接。
[0005]優選的，在所述的注水單元的管路部分中，所述的動壓注水管路連接注水單元電磁閥后連接至注水單元流量計的入口處;所述的靜壓注水管路串聯注水單元單向閥之后同時連接至注水單元流量計的入口處，注水單元流量計的出口串聯注水單元壓力變送器之后匯入注水總管路，在注水總管路上引出用于對煤層進行注水的管路。
[0006]優選的，在所述的注水單元電磁閥的兩端分別設置有注水單元手動閥。
[0007]優選的，在所述的注水單元的電路部分中，控制箱引出的信號線路同時連接每一組注水單元中九通接線盒以及三通接線盒的一端，九通接線盒同時連接注水單元壓力變送器的信號輸出端以及注水單元電磁閥的信號輸入端;每一組注水單元中的三通接線盒連接注水單元流量計的信號輸出端，每一組注水單元中的三通接線盒還同時與另外一組注水單元中的三通接線盒連接。
[0008]優選的，在所述的加壓栗的入口和出口處分別設置有用于對加壓栗入水壓力和出水壓力進行檢測的壓力變送器，壓力變送器與所述的控制箱相連。
[0009]優選的，所述的加壓栗通過開停傳感器和饋電開關與控制箱連接。
[0010]—種注水自動化監控方法，其特征在于，包括如下步驟:
步驟1001，利用鉆機在煤層上鉆出注水鉆孔，并在注水鉆孔的周圍鉆出用于放置傳感器的數據監測鉆孔；
步驟1002，將從注水單元中引出的注水管路裝入注水鉆孔中；
步驟1003，按照封孔流程對注水鉆孔進行封孔操作；
步驟1004，在數據監測鉆孔內裝入對煤層狀態進行監測的傳感器；
步驟1005，利用注水流程通過放入注水鉆孔內的注水管路對煤層進行注水；
步驟1006，利用放入數據監測鉆孔內的傳感器，在注水過程中對煤層的狀態進行實時監測。
[0011]優選的，所述的對煤層進行監測的傳感器包括用于對煤層的濕度進行檢測的濕度傳感器以及用于對煤層的應力進行監測的應力傳感器。
[0012]與現有技術相比，本發明所具有的有益效果是:
1、在本高壓水力致裂煤層注水系統及注水自動化監控方法中，通過設置靜壓注水管路和動壓注水管路，實現了對煤層進行動壓和靜壓結合的注水方式，實現了注水壓力和注水量的精確控制，大大提高了注水效果。
[0013]2、通過在注水單元中設置注水單元流量計，方便對判斷每個注水單元輸出的水的總量進行監測。
[0014]3、通過安裝在注水單元中的注水單元壓力變速器，方便對注水過程中是否出現漏水進行判斷。
[0015]4、通過安裝在數據監測鉆孔中的濕度傳感器方便對煤層濕度進行監測，并對應得到煤層含水率的數據，方便對注水效果進行判斷。
[0016]5、在加壓栗的加壓單元的進水管路(靜壓注水管路)和出水管路(動壓注水管路)上分別設置有對進水壓力和出水壓力進行檢測的壓力變速器，通過壓力變化情況，實現了對加壓栗是否存在缺水故障情況進行判斷。
【附圖說明】
[0017]圖1為高壓水力致裂煤層注水系統結構示意圖。
[0018]圖2為高壓水力致裂煤層注水系統注水單元管路連接示意圖。
[0019]圖3為高壓水力致裂煤層注水系統注水單元電路連接示意圖。
[0020]圖4為煤層注水自動化注水自動化監控方法流程圖。
[0021 ]圖5為煤層注水自動化注水自動化監控方法封孔流程圖。
[0022]其中:1、環網交換機2、網絡延長器3、注水單元4、靜壓注水管路5、動壓注水管路6、加壓栗7、開停傳感器8、饋電開關9、控制箱10、注水總管路11、注水單元壓力變送器12、注水單元流量計13、注水單元電磁閥14、注水單元單向閥15、注水單元手動閥16、供電線路17、信號線路18、四通接線盒19、九通接線盒20、三通接線盒21、電源箱22、煤層23、注水鉆孔24、數據監測鉆孔25、注水管路。
【具體實施方式】
[0023]圖1?5是本發明的最佳實施例，下面結合附圖1?5對本發明做進一步說明。
[0024]如圖1所示，高壓水力致裂煤層注水系統，包括控制箱9，饋電開關8—端與控制箱9連接，另一端通過開停傳感器7與加壓栗6連接。在加壓栗6的加壓單元的入口連接有靜壓注水管路4，靜壓注水管路4中的水經過加壓栗6的加壓單元加壓之后在加壓單元的輸出口由動壓注水管路5輸出，動壓注水管路5連接到并列設置的多個注水單元3中，靜壓注水管路4同時連接到并列設置的多個注水單元3中，因此通過注水單元3可實現對煤層22的動壓注水和靜壓注水。
[0025]在加壓栗6的加壓單元的進水管路(靜壓注水管路4)和出水管路(動壓注水管路5)上分別設置有對進水壓力和出水壓力進行檢測的壓力變速器，通過壓力變化情況，判斷加壓栗6是否存在缺水故障，提供報警及缺水失壓停栗保護，壓力變速器的信號輸出端連接至控制箱9內，在動壓注水管路5中還設置有單向閥。在控制箱9的端口上通過導線還連接有兩組網絡延長器2，網絡延長器2與環網交換機I相連，環網交換機I同時與調度室的上位機(圖中未畫出)接入控制環網內，調度室的上位機同時兼備系統的顯示、數據的存儲以及OPC發布的功能。
[0026]在進行實際操作時，在煤層22上開設多個注水鉆孔23，然后在每個注水鉆孔23的一側配套設置數據監測鉆孔24，從注水總管路10中引出多根注水管路25，并將注水管路25對應裝入注水鉆孔23內對煤層22進行注水，在每個注水鉆孔23—側的數據監測鉆孔24內安裝用于對煤層22注水參數進行檢測的傳感器，如用于對煤層22的濕度進行檢測的濕度傳感器以及用于對煤層22的應力進行監測的應力傳感器。
[0027]在如圖2所示的注水單元管路連接示意圖中，動壓注水管路5連接注水單元電磁閥13后連接至注水單元流量計12的入口處，在注水單元電磁閥13的輸入端和輸出端的管路上還分別設置有注水單元手動閥15。靜壓注水管路4串聯注水單元單向閥14之后同時連接至注水單元流量計12的入口處。注水單元流量計12的出口端通過管路串聯注水單元壓力變送器11之后匯入注水總管路10中。在本高壓水力致裂煤層注水系統中，設置有三組注水單元3，在實際進行實施時，也可以設置其他數量的注水單元3。所有注水單元3的輸出端同時匯入注水總管路10中，在對煤層22進行注水時，在注水總管路10上引出相應的管路，并將管路伸入煤層22的鉆孔內，對煤層22進行注水。
[0028]在如圖3所示的注水單元電路連接示意圖中，由控制箱9引出的信號線路17同時連接每一組注水單元3中九通接線盒19以及三通接線盒20的一端。每一組注水單元3中的九通接線盒19同時連接注水單元壓力變送器11的信號輸出端以及注水單元電磁閥13的信號輸入端，用于將注水單元壓力變送器11測得的壓力數據送至控制箱9內，以及實現控制箱9內控制器對注水單元電磁閥13工作狀態的控制。每一組注水單元3中的三通接線盒20連接注水單元流量計12的信號輸出端，用于將注水單元流量計12輸出的流量信號送至控制箱9內，每一組注水單元3中的三通接線盒20還同時與另外一組注水單元3中的三通接線盒20連接，實現所有注水單元3中的三通接線盒20與控制箱9的連接。
[0029]將供電電源引入的供電線路16與每組注水單元3中的四通接線盒18連接，四通接線盒18連接每組注水單元3中的電源箱21以及注水單元電磁閥13的供電端，電源箱21的電源輸出端連接注水單元壓力變送器11的供電輸入端，四通接線盒18同時與另外一組注水單元3中的四通接線盒18連接，實現所有注水單元3中的四通接線盒18與供電線路16的連接。
[0030]如圖4所示，煤層注水自動化注水自動化監控方法，包括如下步驟:
步驟1001，在煤層22中進行鉆孔；
利用鉆機在煤層22上鉆出注水鉆孔23，并在注水鉆孔23的周圍鉆出用于放置傳感器的數據監測鉆孔24。
[0031]步驟1002，將注水管路25引入注水鉆孔23中；
從注水總管路10上引出相應數量的注水管路25并將注水管路25分別對應裝入注水鉆孔23中。
[0032]步驟1003，對注水鉆孔23進行封孔；
按照封孔流程對注水鉆孔23進行封孔操作。
[0033]步驟1004，安裝監測傳感器；
在數據監測鉆孔24內裝入在鉆孔過程中對煤層22狀態進行監測的傳感器。
[0034]在對煤層22進行監測的傳感器包括:用于對煤層22的濕度進行檢測的濕度傳感器以及用于對煤層22的應力進行監測的應力傳感器。
[0035]步驟1005，對注水鉆孔23進行注水；
利用注水流程通過放入注水鉆孔23內的注水管路25對煤層22進行注水。
[0036]步驟1006，注水過程的監測；
利用放入數據監測鉆孔24內的傳感器，在注水過程中對煤層22的狀態進行實時監測，同時利用安裝在注水單元3中的注水單元壓力變送器11和注水單元流量計12對注水單元3的工作狀態進行監測。
[0037]在對煤層22進行注水時，首先關閉注水單元電磁閥13、注水單元手動閥15以及加壓栗6，利用靜壓注水管路4對煤層22進行靜壓注水，在進行靜壓注水時，采用2?3MPa的壓力持續注水3~5天。然后開啟注水單元電磁閥13、注水單元手動閥15并啟動加壓栗6，利用動壓注水管路5對煤層22進行動壓注水，注水壓力達到20MPa。通過靜壓注水和動壓注水結合的注水方式，相比較現有技術的單一注水方式，增加了煤層22的裂隙率，進一步提高煤層22的含水率。
[0038]在本煤層注水自動化監控方法中，由傳統的靜壓浸潤式煤層注水創新為靜壓、動壓結合的注水方式，注水壓力由2-3MPa注水壓力增加到0-20MPa，在浸潤煤體前提下還能夠充分致裂煤體，破壞煤體彈性結構，降低沖擊傾向性，解決了煤層強度大、浸水能力弱等問題。由靜壓注水優化為動、靜壓交替式注水，先通過長時間靜壓浸潤，使煤體達到暫時飽和后，再通過高壓致裂，增加裂隙，提高注水量，從而增加注水效果。同時通過配套的高壓水力致裂煤層注水系統，實現井上對井下遠程監控、動靜壓自動切換、流量壓力等數據實施采集，提尚注水效率。
[0039]在注水過程中，通過安裝在注水單元3中注水單元流量計12判斷每個注水單元3輸出的水的總量;并通過安裝在注水單元3中的注水單元壓力變速器11對注水過程中是否出現漏水進行判斷。同時通過安裝在數據監測鉆孔24中的傳感器對注水效果進行判斷:通過對煤層22的濕度的監測，轉換得到煤層22的含水率數據，當煤層22中平均含水率在3.2%-4.2%，含水率平均增加量在1%?2.5%范圍之間，表示注水效果良好。
[0040]煤層22濕度與含水率轉換方法為:在實驗室內模擬煤層22的狀態，利用相同的靜壓和動壓結合的方式對實驗室內模擬的煤層22進行注水，并設置濕度傳感器對煤層22的濕度不斷進行采樣，并利用現有技術對煤層22的含水率進行測定，通過多組采樣數據得到煤層22中濕度與含水量的對應關系。
[0041 ]如圖5所示，上述的封孔流程，包括如下步驟:
步驟2001，布置封孔器；
將多支封孔器首尾連接形成長度為8?20m的封孔器組，并在最外端的封孔器外管箍處以及與最外端封孔器內側第一節的封孔器中部各纏繞一端棉紗，并用鐵絲勒緊，并在與最外端封孔器內側第一節的封孔器外管箍處纏繞編織袋，在編織袋中部插入一根水繩，編織袋及水繩用鐵絲進行緊固，在最外端封孔器內側第二節的封孔器中部及外管箍處各纏繞一段棉紗。
[0042]步驟2002，在注水鉆孔23里段注入封孔劑；
在馬麗散注漿栗的出液口連接一條水繩，并與步驟2001中設置在最外端封孔器內側第一節的封孔器中的水繩進行連接，向馬麗散注漿栗內倒入馬麗散封孔劑，通過馬麗散注漿栗將馬麗散封孔劑注入注水鉆孔23內。
[0043]步驟2003，在注水鉆孔23外段設置封孔劑；
首先在注水鉆孔23內放入一條長度為5m放入注漿短管，然后在注水鉆孔23外段設置長度至少為2m的水泥或長度至少為4m的馬麗散。
[0044]步驟2004，在注水鉆孔23中段注入水泥漿；
將步驟2003中設置的長度為5m的注漿短管接到高壓注漿栗上，利用高壓注漿栗向注水鉆孔23內注入水泥漿，使注漿壓力達到20MPa為止。
[0045]由于注水壓力由傳統的2?3MPa提高為20MPa左右，針對超高壓注水封孔問題，通過本封孔流程，利用馬麗散、水泥漿多段高壓深孔封孔技術，能夠有效解決漏水問題。
[0046]以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，并非是對本發明作其它形式的限制，任何熟悉本專業的技術人員可能利用上述揭示的技術內容加以變更或改型為等同變化的等效實施例。但是凡是未脫離本發明技術方案內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與改型，仍屬于本發明技術方案的保護范圍。
【主權項】
1.一種高壓水力致裂煤層注水系統，其特征在于:包括多個用于向煤層(22)進行注水的注水單元(3)，在加壓栗(6)的入口和出口處同時連接有靜壓注水管路(4)和動壓注水管路(5)，靜壓注水管路(4)和動壓注水管路(5)同時與注水單元(3)的管路部分相連，加壓栗(6)與控制箱(9)相連并由控制箱(9)實現控制，注水單元(3)的電路部分同時與控制箱(9)連接。2.根據權利要求1所述的高壓水力致裂煤層注水系統，其特征在于:在所述的注水單元(3)的管路部分中，所述的動壓注水管路(5)連接注水單元電磁閥(13)后連接至注水單元流量計(12)的入口處;所述的靜壓注水管路(4)串聯注水單元單向閥(14)之后同時連接至注水單元流量計(12)的入口處，注水單元流量計(12)的出口串聯注水單元壓力變送器(11)之后匯入注水總管路(10)，在注水總管路(10)上引出用于對煤層(22)進行注水的管路。3.根據權利要求2所述的高壓水力致裂煤層注水系統，其特征在于:在所述的注水單元電磁閥(13)的兩端分別設置有注水單元手動閥(15)。4.根據權利要求1所述的高壓水力致裂煤層注水系統，其特征在于:在所述的注水單元(3)的電路部分中，控制箱(9)引出的信號線路(17)同時連接每一組注水單元(3)中九通接線盒(19)以及三通接線盒(20)的一端，九通接線盒(19)同時連接注水單元壓力變送器(11)的信號輸出端以及注水單元電磁閥(13)的信號輸入端;每一組注水單元(3)中的三通接線盒(20 )連接注水單元流量計(12 )的信號輸出端，每一組注水單元(3 )中的三通接線盒(20)還同時與另外一組注水單元(3)中的三通接線盒(20)連接。5.根據權利要求1所述的高壓水力致裂煤層注水系統，其特征在于:在所述的加壓栗(6)的入口和出口處分別設置有用于對加壓栗(6)入水壓力和出水壓力進行檢測的壓力變送器，壓力變送器與所述的控制箱(9)相連。6.根據權利要求1所述的高壓水力致裂煤層注水系統，其特征在于:所述的加壓栗(6)通過開停傳感器(7 )和饋電開關(8 )與控制箱(9 )連接。7.—種利用權利要求1?6任一項所述的高壓水力致裂煤層注水系統實現的注水自動化監控方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟1001，利用鉆機在煤層上鉆出注水鉆孔(23)，并在注水鉆孔(23)的周圍鉆出用于放置傳感器的數據監測鉆孔(24); 步驟1002，將從注水單元(3)中引出的注水管路(25)裝入注水鉆孔(23)中； 步驟1003，按照封孔流程對注水鉆孔(23)進行封孔操作； 步驟1004，在數據監測鉆孔(24)內裝入對煤層(22)狀態進行監測的傳感器； 步驟1005，利用注水流程通過放入注水鉆孔(23)內的注水管路(25)對煤層(22)進行注水； 步驟1006，利用放入數據監測鉆孔(24)內的傳感器，在注水過程中對煤層(22)的狀態進行實時監測。8.根據權利要求7所述的注水自動化監控方法，其特征在于:所述的對煤層(22)進行監測的傳感器包括用于對煤層(22)的濕度進行檢測的濕度傳感器以及用于對煤層(22)的應力進行監測的應力傳感器。
【文檔編號】E21F5/02GK105927266SQ201610507720
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年7月1日
【發明人】郭曉勝, 劉業獻, 任文濤, 劉志剛, 張金魁, 崔保閣, 葛德志, 黨紅蔻, 張呈祥, 李楊楊
【申請人】山東唐口煤業有限公司