一種高壓水力致裂煤層注水系統(tǒng)，屬于技術(shù)設(shè)備領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

煤層注水是回采前在煤層中預(yù)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(xué)性質(zhì)，以達(dá)到預(yù)防煤層災(zāi)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(yù)防煤與瓦斯突出、沖擊地壓等災(zāi)害的發(fā)生。國(guó)內(nèi)多數(shù)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(yīng)力集中，軟化煤層并從根本上降低煤層沖擊傾向性的優(yōu)點(diǎn)，而且還可以實(shí)現(xiàn)降低煤炭生產(chǎn)過(guò)程中粉塵濃度的效果。但現(xiàn)有煤層注水設(shè)備及方法通常需要較長(zhǎng)時(shí)間，占用人工多，管理難度大，注水壓力和注水量無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確控制。鑒于上述情況，急需創(chuàng)新一種煤層注水自動(dòng)化監(jiān)控裝置及方法，實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控、減少煤層注水人工、提高運(yùn)行效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種通過(guò)設(shè)置動(dòng)壓注水管路和靜壓注水管路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤層進(jìn)行動(dòng)壓和靜壓結(jié)合的注水方式，實(shí)現(xiàn)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(tǒng)。

本實(shí)用新型解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：該高壓水力致裂煤層注水系統(tǒng)，其特征在于：包括多個(gè)用于向煤層進(jìn)行注水的注水單元，在加壓泵的入口和出口處同時(shí)連接有靜壓注水管路和動(dòng)壓注水管路，靜壓注水管路和動(dòng)壓注水管路同時(shí)與注水單元的管路部分相連，加壓泵與控制箱相連并由控制箱實(shí)現(xiàn)控制，注水單元的電路部分同時(shí)與控制箱連接。

優(yōu)選的，在所述的注水單元的管路部分中，所述的動(dòng)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(jì)的入口處；所述的靜壓注水管路串聯(lián)注水單元單向閥之后同時(shí)連接至注水單元流量計(jì)的入口處，注水單元流量計(jì)的出口串聯(lián)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(duì)煤層進(jìn)行注水的管路。

優(yōu)選的，在所述的注水單元電磁閥的兩端分別設(shè)置有注水單元手動(dòng)閥。

優(yōu)選的，在所述的注水單元的電路部分中，控制箱引出的信號(hào)線路同時(shí)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(shí)連接注水單元壓力變送器的信號(hào)輸出端以及注水單元電磁閥的信號(hào)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(jì)的信號(hào)輸出端，每一組注水單元中的三通接線盒還同時(shí)與另外一組注水單元中的三通接線盒連接。

優(yōu)選的，在所述的加壓泵的入口和出口處分別設(shè)置有用于對(duì)加壓泵入水壓力和出水壓力進(jìn)行檢測(cè)的壓力變送器，壓力變送器與所述的控制箱相連。

優(yōu)選的，所述的加壓泵通過(guò)開(kāi)停傳感器和饋電開(kāi)關(guān)與控制箱連接。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型所具有的有益效果是：

1、在本高壓水力致裂煤層注水系統(tǒng)中，通過(guò)設(shè)置靜壓注水管路和動(dòng)壓注水管路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤層進(jìn)行動(dòng)壓和靜壓結(jié)合的注水方式，實(shí)現(xiàn)了注水壓力和注水量的精確控制，大大提高了注水效果。

2、通過(guò)在注水單元中設(shè)置注水單元流量計(jì)，方便對(duì)判斷每個(gè)注水單元輸出的水的總量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3、通過(guò)安裝在注水單元中的注水單元壓力變速器，方便對(duì)注水過(guò)程中是否出現(xiàn)漏水進(jìn)行判斷。

4、通過(guò)安裝在數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)鉆孔中的濕度傳感器方便對(duì)煤層濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)應(yīng)得到煤層含水率的數(shù)據(jù)，方便對(duì)注水效果進(jìn)行判斷。

5、在加壓泵的加壓?jiǎn)卧倪M(jìn)水管路（靜壓注水管路）和出水管路（動(dòng)壓注水管路）上分別設(shè)置有對(duì)進(jìn)水壓力和出水壓力進(jìn)行檢測(cè)的壓力變速器，通過(guò)壓力變化情況，實(shí)現(xiàn)了對(duì)加壓泵是否存在缺水故障情況進(jìn)行判斷。

附圖說(shuō)明

圖1為高壓水力致裂煤層注水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為高壓水力致裂煤層注水系統(tǒng)注水單元管路連接示意圖。

圖3為高壓水力致裂煤層注水系統(tǒng)注水單元電路連接示意圖。

其中：1、環(huán)網(wǎng)交換機(jī) 2、網(wǎng)絡(luò)延長(zhǎng)器 3、注水單元 4、靜壓注水管路 5、動(dòng)壓注水管路 6、加壓泵 7、開(kāi)停傳感器 8、饋電開(kāi)關(guān) 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(jì) 13、注水單元電磁閥 14、注水單元單向閥 15、注水單元手動(dòng)閥 16、供電線路 17、信號(hào)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(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)鉆孔 25、注水管路。

具體實(shí)施方式

圖1~3是本實(shí)用新型的最佳實(shí)施例，下面結(jié)合附圖1~3對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說(shuō)明。

如圖1所示，高壓水力致裂煤層注水系統(tǒng)，包括控制箱9，饋電開(kāi)關(guān)8一端與控制箱9連接，另一端通過(guò)開(kāi)停傳感器7與加壓泵6連接。在加壓泵6的加壓?jiǎn)卧娜肟谶B接有靜壓注水管路4，靜壓注水管路4中的水經(jīng)過(guò)加壓泵6的加壓?jiǎn)卧訅褐笤诩訅簡(jiǎn)卧妮敵隹谟蓜?dòng)壓注水管路5輸出，動(dòng)壓注水管路5連接到并列設(shè)置的多個(gè)注水單元3中，靜壓注水管路4同時(shí)連接到并列設(shè)置的多個(gè)注水單元3中，因此通過(guò)注水單元3可實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層22的動(dòng)壓注水和靜壓注水。

在加壓泵6的加壓?jiǎn)卧倪M(jìn)水管路（靜壓注水管路4）和出水管路（動(dòng)壓注水管路5）上分別設(shè)置有對(duì)進(jìn)水壓力和出水壓力進(jìn)行檢測(cè)的壓力變速器，通過(guò)壓力變化情況，判斷加壓泵6是否存在缺水故障，提供報(bào)警及缺水失壓停泵保護(hù)，壓力變速器的信號(hào)輸出端連接至控制箱9內(nèi)，在動(dòng)壓注水管路5中還設(shè)置有單向閥。在控制箱9的端口上通過(guò)導(dǎo)線還連接有兩組網(wǎng)絡(luò)延長(zhǎng)器2，網(wǎng)絡(luò)延長(zhǎng)器2與環(huán)網(wǎng)交換機(jī)1相連，環(huán)網(wǎng)交換機(jī)1同時(shí)與調(diào)度室的上位機(jī)（圖中未畫(huà)出）接入控制環(huán)網(wǎng)內(nèi)，調(diào)度室的上位機(jī)同時(shí)兼?zhèn)湎到y(tǒng)的顯示、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及OPC發(fā)布的功能。

在進(jìn)行實(shí)際操作時(shí)，在煤層22上開(kāi)設(shè)多個(gè)注水鉆孔23，然后在每個(gè)注水鉆孔23的一側(cè)配套設(shè)置數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)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(duì)應(yīng)裝入注水鉆孔23內(nèi)對(duì)煤層22進(jìn)行注水，在每個(gè)注水鉆孔23一側(cè)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)鉆孔24內(nèi)安裝用于對(duì)煤層22注水參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)的傳感器，如用于對(duì)煤層22的濕度進(jìn)行檢測(cè)的濕度傳感器以及用于對(duì)煤層22的應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)的應(yīng)力傳感器。

在如圖2所示的注水單元管路連接示意圖中，動(dòng)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(jì)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(shè)置有注水單元手動(dòng)閥15。靜壓注水管路4串聯(lián)注水單元單向閥14之后同時(shí)連接至注水單元流量計(jì)12的入口處。注水單元流量計(jì)12的出口端通過(guò)管路串聯(lián)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(tǒng)中，設(shè)置有三組注水單元3，在實(shí)際進(jìn)行實(shí)施時(shí)，也可以設(shè)置其他數(shù)量的注水單元3。所有注水單元3的輸出端同時(shí)匯入注水總管路10中，在對(duì)煤層22進(jìn)行注水時(shí)，在注水總管路10上引出相應(yīng)的管路，并將管路伸入煤層22的鉆孔內(nèi)，對(duì)煤層22進(jìn)行注水。

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(hào)線路17同時(shí)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(shí)連接注水單元壓力變送器11的信號(hào)輸出端以及注水單元電磁閥13的信號(hào)輸入端，用于將注水單元壓力變送器11測(cè)得的壓力數(shù)據(jù)送至控制箱9內(nèi)，以及實(shí)現(xiàn)控制箱9內(nèi)控制器對(duì)注水單元電磁閥13工作狀態(tài)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(jì)12的信號(hào)輸出端，用于將注水單元流量計(jì)12輸出的流量信號(hào)送至控制箱9內(nèi)，每一組注水單元3中的三通接線盒20還同時(shí)與另外一組注水單元3中的三通接線盒20連接，實(shí)現(xiàn)所有注水單元3中的三通接線盒20與控制箱9的連接。

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(shí)與另外一組注水單元3中的四通接線盒18連接，實(shí)現(xiàn)所有注水單元3中的四通接線盒18與供電線路16的連接。

具體工作過(guò)程及工作原理如下：

首先，利用鉆機(jī)在煤層22上鉆出注水鉆孔23，并在注水鉆孔23的周?chē)@出用于放置傳感器的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)鉆孔24。然后從注水總管路10上引出相應(yīng)數(shù)量的注水管路25并將注水管路25分別對(duì)應(yīng)裝入注水鉆孔23中，注水管路25安裝完畢之后按照封孔流程對(duì)注水鉆孔23進(jìn)行封孔操作。然后在數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)鉆孔24內(nèi)裝入在鉆孔過(guò)程中對(duì)煤層22狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的傳感器。在對(duì)煤層22進(jìn)行監(jiān)測(cè)的傳感器包括：用于對(duì)煤層22的濕度進(jìn)行檢測(cè)的濕度傳感器以及用于對(duì)煤層22的應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)的應(yīng)力傳感器。最后利用注水流程通過(guò)放入注水鉆孔23內(nèi)的注水管路25對(duì)煤層22進(jìn)行注水。利用放入數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)鉆孔24內(nèi)的傳感器，在注水過(guò)程中對(duì)煤層22的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)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(jì)12對(duì)注水單元3的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

在對(duì)煤層22進(jìn)行注水時(shí)，首先關(guān)閉注水單元電磁閥13、注水單元手動(dòng)閥15以及加壓泵6，利用靜壓注水管路4對(duì)煤層22進(jìn)行靜壓注水，在進(jìn)行靜壓注水時(shí)，采用2~3MPa的壓力持續(xù)注水3~5天。然后開(kāi)啟注水單元電磁閥13、注水單元手動(dòng)閥15并啟動(dòng)加壓泵6，利用動(dòng)壓注水管路5對(duì)煤層22進(jìn)行動(dòng)壓注水，注水壓力達(dá)到20MPa。通過(guò)靜壓注水和動(dòng)壓注水結(jié)合的注水方式，相比較現(xiàn)有技術(shù)的單一注水方式，增加了煤層22的裂隙率，進(jìn)一步提高煤層22的含水率。

利用本高壓水力致裂煤層注水系統(tǒng)，由傳統(tǒng)的靜壓浸潤(rùn)式煤層注水創(chuàng)新為靜壓、動(dòng)壓結(jié)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(rùn)煤體前提下還能夠充分致裂煤體，破壞煤體彈性結(jié)構(gòu)，降低沖擊傾向性，解決了煤層強(qiáng)度大、浸水能力弱等問(wèn)題。由靜壓注水優(yōu)化為動(dòng)、靜壓交替式注水，先通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間靜壓浸潤(rùn)，使煤體達(dá)到暫時(shí)飽和后，再通過(guò)高壓致裂，增加裂隙，提高注水量，從而增加注水效果。同時(shí)通過(guò)配套的高壓水力致裂煤層注水系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)井上對(duì)井下遠(yuǎn)程監(jiān)控、動(dòng)靜壓自動(dòng)切換、流量壓力等數(shù)據(jù)實(shí)施采集，提高注水效率。

在注水過(guò)程中，通過(guò)安裝在注水單元3中注水單元流量計(jì)12判斷每個(gè)注水單元3輸出的水的總量；并通過(guò)安裝在注水單元3中的注水單元壓力變速器11對(duì)注水過(guò)程中是否出現(xiàn)漏水進(jìn)行判斷。同時(shí)通過(guò)安裝在數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)鉆孔24中的傳感器對(duì)注水效果進(jìn)行判斷：通過(guò)對(duì)煤層22的濕度的監(jiān)測(cè)，轉(zhuǎn)換得到煤層22的含水率數(shù)據(jù)，當(dāng)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。

煤層22濕度與含水率轉(zhuǎn)換方法為：在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬煤層22的狀態(tài)，利用相同的靜壓和動(dòng)壓結(jié)合的方式對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬的煤層22進(jìn)行注水，并設(shè)置濕度傳感器對(duì)煤層22的濕度不斷進(jìn)行采樣，并利用現(xiàn)有技術(shù)對(duì)煤層22的含水率進(jìn)行測(cè)定，通過(guò)多組采樣數(shù)據(jù)得到煤層22中濕度與含水量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

上述的封孔流程，具體操作如下：將多支封孔器首尾連接形成長(zhǎng)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(nèi)側(cè)第一節(jié)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(nèi)側(cè)第一節(jié)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(jìn)行緊固，在最外端封孔器內(nèi)側(cè)第二節(jié)的封孔器中部及外管箍處各纏繞一段棉紗。

在馬麗散注漿泵的出液口連接一條水繩，并與最外端封孔器內(nèi)側(cè)第一節(jié)的封孔器中的水繩進(jìn)行連接，向馬麗散注漿泵內(nèi)倒入馬麗散封孔劑，通過(guò)馬麗散注漿泵將馬麗散封孔劑注入注水鉆孔23內(nèi)。

首先在注水鉆孔23內(nèi)放入一條長(zhǎng)度為5m放入注漿短管，然后在注水鉆孔23外段設(shè)置長(zhǎng)度至少為2m的水泥或長(zhǎng)度至少為4m的馬麗散。將注漿短管接到高壓注漿泵上，利用高壓注漿泵向注水鉆孔23內(nèi)注入水泥漿，使注漿壓力達(dá)到20MPa為止。

由于注水壓力由傳統(tǒng)的2~3MPa提高為20MPa左右，針對(duì)超高壓注水封孔問(wèn)題，通過(guò)本封孔流程，利用馬麗散、水泥漿多段高壓深孔封孔技術(shù)，能夠有效解決漏水問(wèn)題。

以上所述，僅是本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并非是對(duì)本實(shí)用新型作其它形式的限制，任何熟悉本專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員可能利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容加以變更或改型為等同變化的等效實(shí)施例。但是凡是未脫離本實(shí)用新型技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本實(shí)用新型的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與改型，仍屬于本實(shí)用新型技術(shù)方案的保護(hù)范圍。