一种高地压低孔隙率低渗透率煤层注水装置及其使用工艺

摘要

一种高地压低孔隙率低渗透率煤层注水装置，包括静压注水装置、动压注水装置，所述静压注水装置包括静压注水供水管、静压总管路截止阀、第一压差式渗透剂连续定量添加泵、静压分流器、静压分管路、静压分管路截止阀和静压流量表，所述动压注水装置包括动压注水供水管、储水箱、第二压差式渗透剂连续定量添加泵、回水管、注水泵、水质过滤器、压力表、动压总管路截止阀、动压分流器、动压分管路、动压分管路截止阀和动压流量表。

说明书

技术领域

本发明涉及煤矿采煤工作面灾害防治领域，尤其涉及一种高地压低孔隙率低渗透率煤层的注水装置及其使用工艺。

背景技术

随着我国煤矿开采深度的增加及机械化开采程度的提高，煤尘、冲击地压和地温等自然灾害的危害程度不断升级，灾害事故频繁发生，严重威胁着我国煤矿的安全高效开采及井下工人的身心健康。煤层注水是防治矿井多种灾害的重要技术手段。通过煤层注水可有效地降低煤体破碎时的产尘量，防止冲击矿压、煤与瓦斯突出灾害的发生，并通过增大煤体的导热系数，降低煤体温度，预防煤层自然发火。另外，煤层注水可以软化坚硬煤体，使回采速度加快，提高产煤量和效率。但是，我国较多矿区的煤层为高地压低孔隙率低渗透率煤层，煤体节理裂隙不发育且较为坚硬，煤层注水困难，而现有的注水工艺又存在较多的不足和局限性，致使工作面的注水量有限，不能达到预期的灾害防治效果。为此，本领域急需一种高地压低孔隙率低渗透率煤层注水工艺及装置，提高注水效果，以有效缓解高地压低孔隙率低渗透率煤层开采过程中煤尘、冲击地压和高温等灾害的防治难题。

在现有技术中，CN101539028A公开了一种脉动注水方法及装备，使用设备使注水压力变化产生脉动冲击煤层，但其注水压力变化较快，不利于水浸润煤矿，且其装备结构复杂，因而故障率较高，同时也无法用于静压注水；CN101161992A公开了一种煤层注水方法，其主要采用的是静压注水，没有动压注水的冲击功能，且其并没有公开具体的注水装置和注水工艺步骤。

发明内容

为了有效解决高地压低孔隙率煤层注水困难的问题，本发明提出一种高地压低孔隙率煤层波动式注水工艺及实施该工艺的装置。该工艺方法及装置结构简单，易于操作，注水量大，可以有效防治煤层开采过程中煤尘、冲击地压和高温等灾害事故的发生。

本发明所采用的技术方案如下：

一种高地压低孔隙率低渗透率煤层注水装置，用于向一个或多个注水孔中注水，包括静压注水装置、动压注水装置，

所述静压注水装置包括静压注水供水管、静压总管路截止阀、第一压差式渗透剂连续定量添加泵、静压分流器、静压分管路、静压分管路截止阀和静压流量表，所述静压总管路截止阀串联在静压注水供水管上，所述第一压差式渗透剂连续定量添加泵并联连接在静压注水供水管上且位于所述静压总管路截止阀和所述静压分流器之间，所述静压分流器的数量与注水孔的数量相同，串联在所述静压注水供水管上且位于所述静压总管路截止阀的下游，每个静压分流器连接一个静压分管路，每个静压分管路串联有一个静压流量计和一个静压分管路截止阀；

所述动压注水装置包括动压注水供水管、储水箱、第二压差式渗透剂连续定量添加泵、回水管、注水泵、水质过滤器、压力表、动压总管路截止阀、动压分流器、动压分管路、动压分管路截止阀和动压流量表，所述第二压差式渗透剂连续定量添加泵并联连接在所述动压注水供水管上，所述储水箱、所述所述水质过滤器、所述注水泵、所述压力表、所述动压总管路截止阀依次串联连接在动压注水供水管上，所述回水管连接在所述注水泵和所述储水箱之间，所述动压分流器的数量与注水孔的数量相同，串联在所述动压注水供水管上且位于所述动压总管路截止阀的下游，每个动压分流器连接一个动压分管路，每个动压分管路串联有一个动压流量计和一个动压分管路截止阀。

使用上述装置的煤层注水工艺为：以1～6个注水孔为一组，注水孔采用封孔器与玛丽散联合封孔，根据煤层压力情况，在采煤工作面煤层静压区采用动压注水工艺、动压区采用静压注水工艺，动压注水工艺使用动压注水装置、静压注水工艺使用静压注水装置，将各注水孔中的注水管分别连接对应注水装置中的各分管路，使水注入煤层中。 

所述动压注水工艺为高压逾裂波动式动压注水工艺，包括以下步骤：

①将所述一组1～6个注水孔连接至动压注水装置；

②在水中添加渗透剂提高水渗透进煤体的能力，在水压为煤层垂直应力0.8～1倍的状态下向煤层注入1～3h的水，在煤层内部形成水力冲击现象，迫使煤层内部原有的封闭裂隙相互沟通或直接在煤层内形成新的裂隙网，在煤层内部逾裂、扩展使水渗透到煤体内部相互关联的孔隙－裂隙网；

③当注水压力有明显降低时，逐步降低注水压至一最小压力值，所述最小压力值为静压注水压力的1～3倍，当在所述最小压力值压力下，注水量明显降低或煤层注不进水时，再将注水压力逐步上调，注入煤层内部，以形成新的水力冲击现象；

④重复步骤②－③，直到注水区煤层满足采掘要求或注水孔进入煤层动压区。

所述静压注水工艺包括下述步骤：

将动压区的所述一组1～6个注水孔连接静压注水装置；

静压注水开始后，打开静压总管路截止阀和静压分管路截止阀，静压注水供水管中的一部分水经过第一压差式渗透剂连续定量添加泵，将渗透剂压入静压注水供水管中，并与另一部分水混合后流入注水管，进入煤层中。

在注水孔改为静压注水的同时，再选取工作面煤层静压区1～6个相邻注水孔连接动压注水装置，进行动压注水，进行动压注水的注水孔进入工作面动压区后，再改为静压注水，依次反复，从而形成采煤工作面煤层静压区动压注水、动压区静压注水同时进行的模式。

本发明的有益效果是：

本发明提供的一种高地压低孔隙率低渗透率煤层注水工艺及装置在煤层内部有效逾裂、扩展了可使水渗透到煤体内部相互关联的孔隙—裂隙网，并通过渗透剂大大提高了水渗透进煤体的能力，明显提高了注水量。经过现场试用证明，该方法及装置结构简单，易于操作，维护工作量较小，注水量提高了2～4倍，有效降低了工作面的温度和冲击地压发生的可能性，减小了开采中的产尘量，并延长了煤层的自然发火期，有效缓解了高地压低孔隙率低渗透率煤层开采过程中煤尘、冲击地压和高温等灾害的防治难题。

附图说明

图1是一种高地压低孔隙率低渗透率煤层注水工艺及装置的动压注水结构示意图。

图2是一种高地压低孔隙率低渗透率煤层注水工艺及装置的静压注水与动压注水同时进行的结构示意图。

图中：1—动压注水供水管；2—第二压差式渗透剂连续定量添加泵；3—储水箱；4—水质过滤器；5—注水泵；6—回水管；7—压力表；8—动压总管路截止阀；9—动压分流器；10—动压分管路截止阀；11—动压流量表；12—玛丽散；13—封孔器；14—注水管；15—工作注水孔；16—备用注水孔；17—静压注水供水管；18—第一压差式渗透剂连续定量添加泵；19—静压总管路截止阀；20—煤层；21－静压分管路截止阀；22－静压流量计；23－静压分流器。

具体实施方式

参见附图1，其显示了对煤层静压区进行动压注水的工作示意图。

根据采煤工作面煤层的矿压测定结果确定出采煤工作面煤层的动压区和静压区（也称为原始应力区），在工作面煤层原始应力区每隔10～25m设置1个注水孔，注水孔的长度为工作面长度的1/2～2/3，孔径为40～80mm，角度与煤层角度基本一致。将注水管）插入注水孔中，注水管的末端1～3节为花管，在距注水孔入口6～15m处安设1个封孔器，封孔器与注水孔入口之间注入按一定比例配制的玛丽散，以防止注入的水从注水孔外溢。

在采煤工作面煤层静压区已形成的注水孔中，选取1～6个注水孔为一组，形成工作注水孔组，本发明以4个注水孔为例，连接动压注水装置，已打好的其余注水孔为备用注水孔。动压注水开始后，打开动压总管路截止阀和动压分管路截止阀，并调节注水泵的压力，使注水压力达到煤层垂直应力的0.8～1倍，动压注水供水管中的水一部分经过与动压注水供水管相并联的第二压差式渗透剂连续定量添加泵，将一定量的渗透剂压入动压注水供水管中，与另一部分水按一定比例混合后进入储水箱，并经过水质过滤器后被吸入注水泵。吸入注水泵的水，加压后依次经过压力表、动压总管路截止阀、动压分流器、动压分管路截止阀和动压流量表流入注水管，进入煤层中，若进入注水管中的水量小于注水泵的排水额定流量，多余的水将通过回水管返回到储水箱中。

调节注水泵的压力，使水压在为煤层垂直应力0.8～1倍的状态下向煤层注入1～3h的水，在煤层内部形成新的“水击”现象，迫使煤层内部原有的封闭裂隙相互沟通或直接在煤层内形成新的裂隙网，即在煤层内部逾裂、扩展可使水渗透到煤体内部相互关联的孔隙—裂隙网，水中添加的渗透剂将大大提高水渗透进煤体的能力。当注水压力有明显降低（如降低到正常注水压力的50％以下）时，可认为波动高压水己在相当程度上强制沟通了煤层原有裂隙网或在一定范围的煤层内部形成新的裂隙网，此时，逐步降低注水压至一最小压力值，一般此最小压力值为静压注水压力（静压注水压力可根据工作面煤层的参数确定，其确定方式是本领域的公知常识）的1～3倍，当在最小压力下，注水量明显降低（如降低到正常注水量的35％以下时）或煤层注不进水时，再将注水压力逐步上调，注入煤层内部，以形成新的“水击”现象，而后再次逐步形成静压水润湿煤体。如此反复，从而在采煤工作面煤层静压区形成高压逾裂波动式动压注水。

随着工作面的推进，选取的一组注水孔将依次进入煤层的动压区，受工作面采动的影响，注水孔所在煤体的裂隙将更加发育，此时，已无需进行动压注水，可将进入动压区的一组注水孔改为连接静压注水装置（未示出）。静压注水开始后，打开静压总管路截止阀和静压分管路截止阀，静压注水供水管中的一部分水经过与静压注水供水管相并联的第一压差式渗透剂连续定量添加泵，将一定量的渗透剂压入静压注水供水管中，并与另一部分水混合后依次经过静压总管路截止阀、静压分流器、静压分管路截止阀和静压流量表流入注水管，进入煤层中。

参见附图2，其显示了煤层静压注水和动压注水同时进行的工作示意图。

当进行动压注水的一组注水孔进入动压区后，需要将其连接静压注水装置改为静压注水。与此同时，再选取工作面煤层静压区1～6个相邻注水孔，将一组1～6个相邻注水孔连接动压注水装置，进行高压逾裂波动式动压注水，当此组注水孔进入工作面动压区后，再改为静压注水，同时再选取与其相邻的1～6个注水孔进行动压注水，依次反复，从而形成采煤工作面煤层静压区动压注水、动压区静压注水同时进行的模式。在注水过程中，一直添加渗透剂，并且，当出现漏水、出汗等情况时，可暂停注水，待煤体被水充分润湿后再进行注水，动压区注水时间和静压区注水时间均不应少于2d。

可以理解的是，以上所述总管路截止阀、分流器、分管路截止阀、流量表都为本领域公知的部件，对其限定的“动压”和“静压”仅仅是为了区分其设置在不同装置中，而不是对其功能的限定，所述压差式渗透剂连续定量添加泵可以选用普通的压差式定量泵，只要其能满足定量添加渗透剂即可，所述“高地压低孔隙率低渗透率”是相对煤层平均地压、平均空隙率和平均渗透率而言，平均地压、平均空隙率和平均渗透率可通过各煤层的基本参数查阅计算。

以上所述，仅为本发明专利较佳的具体实施方式，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明专利的保护范围之内。