CN105927266B - 一种高压水力致裂煤层注水系统及注水自动化监控方法 - Google Patents

Abstract

一种高压水力致裂煤层注水系统及注水自动化监控方法，属于技术设备领域。其特征在于：包括多个用于向煤层（22）进行注水的注水单元（3），在加压泵（6）的入口和出口处同时连接有静压注水管路（4）和动压注水管路（5），静压注水管路（4）和动压注水管路（5）同时与注水单元（3）的管路部分相连，加压泵（6）与控制箱（9）相连并由控制箱（9）实现控制，注水单元（3）的电路部分同时与控制箱（9）连接。在本高压水力致裂煤层注水系统及注水自动化监控方法中，通过设置静压注水管路和动压注水管路，实现了对煤层进行动压和静压结合的注水方式，实现了注水压力和注水量的精确控制，大大提高了注水效果。

Description

一种高压水力致裂煤层注水系统及注水自动化监控方法

技术领域

一种高压水力致裂煤层注水系统及注水自动化监控方法，属于技术设备领域。

背景技术

煤层注水是回采前在煤层中预先施工注水钻孔，将压力水溶液注入煤层中，增加煤体水分，从而改变其物理力学性质，以达到预防煤层灾害事故的目的。煤层注水不仅可以起到降低煤尘的作用，而且还可以从根本上预防煤与瓦斯突出、冲击地压等灾害的发生。国内多数冲击地压煤矿防冲工程主要有爆破卸压、煤层注水卸压、大直径钻孔卸压，其中煤层注水卸压工程具有降低煤层应力集中，软化煤层并从根本上降低煤层冲击倾向性的优点，而且还可以实现降低煤炭生产过程中粉尘浓度的效果。但现有煤层注水设备及方法通常需要较长时间，占用人工多，管理难度大，注水压力和注水量无法实现精确控制。鉴于上述情况，急需创新一种煤层注水自动化监控装置及方法，实现集中监控、减少煤层注水人工、提高运行效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种通过设置动压注水管路和静压注水管路，实现了对煤层进行动压和静压结合的注水方式，实现了注水压力和注水量的精确控制，大大提高了注水效果的高压水力致裂煤层注水系统及注水自动化监控方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该高压水力致裂煤层注水系统，其特征在于：包括多个用于向煤层进行注水的注水单元，在加压泵的入口和出口处同时连接有静压注水管路和动压注水管路，静压注水管路和动压注水管路同时与注水单元的管路部分相连，加压泵与控制箱相连并由控制箱实现控制，注水单元的电路部分同时与控制箱连接。

优选的，在所述的注水单元的管路部分中，所述的动压注水管路连接注水单元电磁阀后连接至注水单元流量计的入口处；所述的静压注水管路串联注水单元单向阀之后同时连接至注水单元流量计的入口处，注水单元流量计的出口串联注水单元压力变送器之后汇入注水总管路，在注水总管路上引出用于对煤层进行注水的管路。

优选的，在所述的注水单元电磁阀的两端分别设置有注水单元手动阀。

优选的，在所述的注水单元的电路部分中，控制箱引出的信号线路同时连接每一组注水单元中九通接线盒以及三通接线盒的一端，九通接线盒同时连接注水单元压力变送器的信号输出端以及注水单元电磁阀的信号输入端；每一组注水单元中的三通接线盒连接注水单元流量计的信号输出端，每一组注水单元中的三通接线盒还同时与另外一组注水单元中的三通接线盒连接。

优选的，在所述的加压泵的入口和出口处分别设置有用于对加压泵入水压力和出水压力进行检测的压力变送器，压力变送器与所述的控制箱相连。

优选的，所述的加压泵通过开停传感器和馈电开关与控制箱连接。

一种注水自动化监控方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1001，利用钻机在煤层上钻出注水钻孔，并在注水钻孔的周围钻出用于放置传感器的数据监测钻孔；

步骤1002，将从注水单元中引出的注水管路装入注水钻孔中；

步骤1003，按照封孔流程对注水钻孔进行封孔操作；

步骤1004，在数据监测钻孔内装入对煤层状态进行监测的传感器；

步骤1005，利用注水流程通过放入注水钻孔内的注水管路对煤层进行注水；

步骤1006，利用放入数据监测钻孔内的传感器，在注水过程中对煤层的状态进行实时监测。

优选的，所述的对煤层进行监测的传感器包括用于对煤层的湿度进行检测的湿度传感器以及用于对煤层的应力进行监测的应力传感器。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：

1、在本高压水力致裂煤层注水系统及注水自动化监控方法中，通过设置静压注水管路和动压注水管路，实现了对煤层进行动压和静压结合的注水方式，实现了注水压力和注水量的精确控制，大大提高了注水效果。

2、通过在注水单元中设置注水单元流量计，方便对判断每个注水单元输出的水的总量进行监测。

3、通过安装在注水单元中的注水单元压力变速器，方便对注水过程中是否出现漏水进行判断。

4、通过安装在数据监测钻孔中的湿度传感器方便对煤层湿度进行监测，并对应得到煤层含水率的数据，方便对注水效果进行判断。

5、在加压泵的加压单元的进水管路（静压注水管路）和出水管路（动压注水管路）上分别设置有对进水压力和出水压力进行检测的压力变速器，通过压力变化情况，实现了对加压泵是否存在缺水故障情况进行判断。

附图说明

图1为高压水力致裂煤层注水系统结构示意图。

图2为高压水力致裂煤层注水系统注水单元管路连接示意图。

图3为高压水力致裂煤层注水系统注水单元电路连接示意图。

图4为煤层注水自动化注水自动化监控方法流程图。

图5为煤层注水自动化注水自动化监控方法封孔流程图。

其中：1、环网交换机 2、网络延长器 3、注水单元 4、静压注水管路 5、动压注水管路 6、加压泵 7、开停传感器 8、馈电开关 9、控制箱 10、注水总管路 11、注水单元压力变送器 12、注水单元流量计 13、注水单元电磁阀 14、注水单元单向阀 15、注水单元手动阀16、供电线路 17、信号线路 18、四通接线盒 19、九通接线盒 20、三通接线盒 21、电源箱22、煤层 23、注水钻孔 24、数据监测钻孔 25、注水管路。

具体实施方式

图1~5是本发明的最佳实施例，下面结合附图1~5对本发明做进一步说明。

如图1所示，高压水力致裂煤层注水系统，包括控制箱9，馈电开关8一端与控制箱9连接，另一端通过开停传感器7与加压泵6连接。在加压泵6的加压单元的入口连接有静压注水管路4，静压注水管路4中的水经过加压泵6的加压单元加压之后在加压单元的输出口由动压注水管路5输出，动压注水管路5连接到并列设置的多个注水单元3中，静压注水管路4同时连接到并列设置的多个注水单元3中，因此通过注水单元3可实现对煤层22的动压注水和静压注水。

在加压泵6的加压单元的进水管路（静压注水管路4）和出水管路（动压注水管路5）上分别设置有对进水压力和出水压力进行检测的压力变速器，通过压力变化情况，判断加压泵6是否存在缺水故障，提供报警及缺水失压停泵保护，压力变速器的信号输出端连接至控制箱9内，在动压注水管路5中还设置有单向阀。在控制箱9的端口上通过导线还连接有两组网络延长器2，网络延长器2与环网交换机1相连，环网交换机1同时与调度室的上位机（图中未画出）接入控制环网内，调度室的上位机同时兼备系统的显示、数据的存储以及OPC发布的功能。

在进行实际操作时，在煤层22上开设多个注水钻孔23，然后在每个注水钻孔23的一侧配套设置数据监测钻孔24，从注水总管路10中引出多根注水管路25，并将注水管路25对应装入注水钻孔23内对煤层22进行注水，在每个注水钻孔23一侧的数据监测钻孔24内安装用于对煤层22注水参数进行检测的传感器，如用于对煤层22的湿度进行检测的湿度传感器以及用于对煤层22的应力进行监测的应力传感器。

在如图2所示的注水单元管路连接示意图中，动压注水管路5连接注水单元电磁阀13后连接至注水单元流量计12的入口处，在注水单元电磁阀13的输入端和输出端的管路上还分别设置有注水单元手动阀15。静压注水管路4串联注水单元单向阀14之后同时连接至注水单元流量计12的入口处。注水单元流量计12的出口端通过管路串联注水单元压力变送器11之后汇入注水总管路10中。在本高压水力致裂煤层注水系统中，设置有三组注水单元3，在实际进行实施时，也可以设置其他数量的注水单元3。所有注水单元3的输出端同时汇入注水总管路10中，在对煤层22进行注水时，在注水总管路10上引出相应的管路，并将管路伸入煤层22的钻孔内，对煤层22进行注水。

在如图3所示的注水单元电路连接示意图中，由控制箱9引出的信号线路17同时连接每一组注水单元3中九通接线盒19以及三通接线盒20的一端。每一组注水单元3中的九通接线盒19同时连接注水单元压力变送器11的信号输出端以及注水单元电磁阀13的信号输入端，用于将注水单元压力变送器11测得的压力数据送至控制箱9内，以及实现控制箱9内控制器对注水单元电磁阀13工作状态的控制。每一组注水单元3中的三通接线盒20连接注水单元流量计12的信号输出端，用于将注水单元流量计12输出的流量信号送至控制箱9内，每一组注水单元3中的三通接线盒20还同时与另外一组注水单元3中的三通接线盒20连接，实现所有注水单元3中的三通接线盒20与控制箱9的连接。

将供电电源引入的供电线路16与每组注水单元3中的四通接线盒18连接，四通接线盒18连接每组注水单元3中的电源箱21以及注水单元电磁阀13的供电端，电源箱21的电源输出端连接注水单元压力变送器11的供电输入端，四通接线盒18同时与另外一组注水单元3中的四通接线盒18连接，实现所有注水单元3中的四通接线盒18与供电线路16的连接。

如图4所示，煤层注水自动化注水自动化监控方法，包括如下步骤：

步骤1001，在煤层22中进行钻孔；

利用钻机在煤层22上钻出注水钻孔23，并在注水钻孔23的周围钻出用于放置传感器的数据监测钻孔24。

步骤1002，将注水管路25引入注水钻孔23中；

从注水总管路10上引出相应数量的注水管路25并将注水管路25分别对应装入注水钻孔23中。

步骤1003，对注水钻孔23进行封孔；

按照封孔流程对注水钻孔23进行封孔操作。

步骤1004，安装监测传感器；

在数据监测钻孔24内装入在钻孔过程中对煤层22状态进行监测的传感器。

在对煤层22进行监测的传感器包括：用于对煤层22的湿度进行检测的湿度传感器以及用于对煤层22的应力进行监测的应力传感器。

步骤1005，对注水钻孔23进行注水；

利用注水流程通过放入注水钻孔23内的注水管路25对煤层22进行注水。

步骤1006，注水过程的监测；

利用放入数据监测钻孔24内的传感器，在注水过程中对煤层22的状态进行实时监测，同时利用安装在注水单元3中的注水单元压力变送器11和注水单元流量计12对注水单元3的工作状态进行监测。

在对煤层22进行注水时，首先关闭注水单元电磁阀13、注水单元手动阀15以及加压泵6，利用静压注水管路4对煤层22进行静压注水，在进行静压注水时，采用2~3MPa的压力持续注水3~5天。然后开启注水单元电磁阀13、注水单元手动阀15并启动加压泵6，利用动压注水管路5对煤层22进行动压注水，注水压力达到20MPa。通过静压注水和动压注水结合的注水方式，相比较现有技术的单一注水方式，增加了煤层22的裂隙率，进一步提高煤层22的含水率。

在本煤层注水自动化监控方法中，由传统的静压浸润式煤层注水创新为静压、动压结合的注水方式，注水压力由2-3MPa注水压力增加到0-20MPa，在浸润煤体前提下还能够充分致裂煤体，破坏煤体弹性结构，降低冲击倾向性，解决了煤层强度大、浸水能力弱等问题。由静压注水优化为动、静压交替式注水，先通过长时间静压浸润，使煤体达到暂时饱和后，再通过高压致裂，增加裂隙，提高注水量，从而增加注水效果。同时通过配套的高压水力致裂煤层注水系统，实现井上对井下远程监控、动静压自动切换、流量压力等数据实施采集，提高注水效率。

在注水过程中，通过安装在注水单元3中注水单元流量计12判断每个注水单元3输出的水的总量；并通过安装在注水单元3中的注水单元压力变速器11对注水过程中是否出现漏水进行判断。同时通过安装在数据监测钻孔24中的传感器对注水效果进行判断：通过对煤层22的湿度的监测，转换得到煤层22的含水率数据，当煤层22中平均含水率在3.2%-4.2%，含水率平均增加量在1%~2.5%范围之间，表示注水效果良好。

煤层22湿度与含水率转换方法为：在实验室内模拟煤层22的状态，利用相同的静压和动压结合的方式对实验室内模拟的煤层22进行注水，并设置湿度传感器对煤层22的湿度不断进行采样，并利用现有技术对煤层22的含水率进行测定，通过多组采样数据得到煤层22中湿度与含水量的对应关系。

如图5所示，上述的封孔流程，包括如下步骤：

步骤2001，布置封孔器；

将多支封孔器首尾连接形成长度为8~20m的封孔器组，并在最外端的封孔器外管箍处以及与最外端封孔器内侧第一节的封孔器中部各缠绕一端棉纱，并用铁丝勒紧，并在与最外端封孔器内侧第一节的封孔器外管箍处缠绕编织袋，在编织袋中部插入一根水绳，编织袋及水绳用铁丝进行紧固，在最外端封孔器内侧第二节的封孔器中部及外管箍处各缠绕一段棉纱。

步骤2002，在注水钻孔23里段注入封孔剂；

在马丽散注浆泵的出液口连接一条水绳，并与步骤2001中设置在最外端封孔器内侧第一节的封孔器中的水绳进行连接，向马丽散注浆泵内倒入马丽散封孔剂，通过马丽散注浆泵将马丽散封孔剂注入注水钻孔23内。

步骤2003，在注水钻孔23外段设置封孔剂；

首先在注水钻孔23内放入一条长度为5m放入注浆短管，然后在注水钻孔23外段设置长度至少为2m的水泥或长度至少为4m的马丽散。

步骤2004，在注水钻孔23中段注入水泥浆；

将步骤2003中设置的长度为5m的注浆短管接到高压注浆泵上，利用高压注浆泵向注水钻孔23内注入水泥浆，使注浆压力达到20MPa为止。

由于注水压力由传统的2~3MPa提高为20MPa左右，针对超高压注水封孔问题，通过本封孔流程，利用马丽散、水泥浆多段高压深孔封孔技术，能够有效解决漏水问题。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种高压水力致裂煤层注水系统，其特征在于：包括多个用于向煤层（22）进行注水的注水单元（3），所有注水单元（3）的输出端同时汇入注水总管路（10）中，在煤层（22）上开设多个注水钻孔（23），在每个注水钻孔（23）的一侧配套设置数据监测钻孔（24），从注水总管路（10）中引出多根注水管路（25），将注水管路（25）对应装入注水钻孔（23）内对煤层（22）进行注水，在每个数据监测钻孔（24）内安装有用于对煤层（22）的湿度进行检测的湿度传感器以及用于对煤层（22）的应力进行监测的应力传感器；

在加压泵（6）的入口和出口处同时连接有静压注水管路（4）和动压注水管路（5），静压注水管路（4）和动压注水管路（5）同时与注水单元（3）的管路部分相连，加压泵（6）与控制箱（9）相连并由控制箱（9）实现控制，注水单元（3）的电路部分同时与控制箱（9）连接；

在所述的注水单元（3）的管路部分中，所述的动压注水管路（5）连接注水单元电磁阀（13）后连接至注水单元流量计（12）的入口处；所述的静压注水管路（4）串联注水单元单向阀（14）之后同时连接至注水单元流量计（12）的入口处，注水单元流量计（12）的出口串联注水单元压力变送器（11）之后汇入注水总管路（10），在注水总管路（10）上引出用于对煤层（22）进行注水的管路。

2.根据权利要求1所述的高压水力致裂煤层注水系统，其特征在于：在所述的注水单元电磁阀（13）的两端分别设置有注水单元手动阀（15）。

3.根据权利要求1所述的高压水力致裂煤层注水系统，其特征在于：在所述的注水单元（3）的电路部分中，控制箱（9）引出的信号线路（17）同时连接每一组注水单元（3）中九通接线盒（19）以及三通接线盒（20）的一端，九通接线盒（19）同时连接注水单元压力变送器（11）的信号输出端以及注水单元电磁阀（13）的信号输入端；每一组注水单元（3）中的三通接线盒（20）连接注水单元流量计（12）的信号输出端，每一组注水单元（3）中的三通接线盒（20）还同时与另外一组注水单元（3）中的三通接线盒（20）连接。

4.根据权利要求1所述的高压水力致裂煤层注水系统，其特征在于：在所述的加压泵（6）的入口和出口处分别设置有用于对加压泵（6）入水压力和出水压力进行检测的压力变送器，压力变送器与所述的控制箱（9）相连。

5.根据权利要求1所述的高压水力致裂煤层注水系统，其特征在于：所述的加压泵（6）通过开停传感器（7）和馈电开关（8）与控制箱（9）连接。

6.一种利用权利要求1~5任一项所述的高压水力致裂煤层注水系统实现的注水自动化监控方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1001，利用钻机在煤层上钻出注水钻孔（23），并在注水钻孔（23）的周围钻出用于放置传感器的数据监测钻孔（24）；

步骤1002，将从注水单元（3）中引出的注水管路（25）装入注水钻孔（23）中；

步骤1003，按照封孔流程对注水钻孔（23）进行封孔操作；

步骤1004，在数据监测钻孔（24）内装入对煤层（22）状态进行监测的传感器；

步骤1005，利用注水流程通过放入注水钻孔（23）内的注水管路（25）对煤层（22）进行注水；

步骤1006，利用放入数据监测钻孔（24）内的传感器，在注水过程中对煤层（22）的状态进行实时监测。

7.根据权利要求6所述的注水自动化监控方法，其特征在于：所述的对煤层（22）进行监测的传感器包括用于对煤层（22）的湿度进行检测的湿度传感器以及用于对煤层（22）的应力进行监测的应力传感器。