CN108843371B - 一种基于采动卸压的煤层分区动态注水工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于采动卸压的煤层分区动态注水工艺方法，针对不同应力分布区域及采动卸压应力演化过程，分别采取与之相对应的动态注水方式，根据采动过程中煤层应力分布状态，将采煤工作面划分为完整渗流区、微裂稳流区和破碎激流区。在完整渗流区采用高压注水方法，对低孔隙率煤体进行致裂增透，改善该区域煤岩的渗透性能，增加煤体注水量；随着工作面的推进，煤体受压破裂，新裂隙产生，进入微裂稳流区，采用中压注水方式；随着工作面的进一步推进，煤层裂隙发育贯通，渗透性能进一步提高，进入破碎激流区，采用静压注水方式进行低压注水渗透，利用煤体裂隙孔隙的毛细作用力实现煤层注水润湿防尘卸压功效。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿采煤工作面灾害防治领域，具体涉及一种基于采动卸压的煤层分区动态注水工艺方法。
背景技术
我国是以煤炭为主要能源的国家，据统计煤炭在我国能源生产和消费中的比例占70％以上。近年来，随着对能源需求量的增加和煤矿开采强度的不断加大，“三高一扰”问题突出，同时煤尘、瓦斯、冲击地压、煤与瓦斯突出、地温等自然灾害危害程度也不断升级，灾害事故越来越严重，尤其是采煤工作面粉尘危害严重，作业环境粉尘浓度超标率达86.5％，煤矿安全生产造成了严重的威胁和伤害。
煤层注水是通过钻孔向煤体预注压力水，利用压力水对弱面的致裂、冲刷以及楔入作用以及水对煤体的物理、化学作用，不仅可减少煤尘的产生，还可有效预防冲击地压、煤与瓦斯突出等事故。在实际采煤工作面开采过程中，随着工作面的推进，由于受到采动应力的影响，采煤面煤体裂隙发育程度发生变化，而目前现有的注水工艺以静压注水或恒定动压注水为主，大多未考虑受采动影响后煤岩裂隙场的变化过程，致使工作面的注水量有限，不能达到预期的灾害防治效果。因此，基于采动应力分布作用，根据不同应力分布区域采取不同注水工艺进行煤层注水，增大煤层裂隙密度和注水润湿范围，从而提高煤层注水效果，有效防止冲击地压、高浓度粉尘等灾害具有重要意义。
发明内容
针对现有技术，本发明提供了一种基于采动卸压的煤层分区动态注水工艺方法，依据不同应力分布区域及采动卸压应力演化过程将采煤工作面划分为不同注水区域，分别采用与之相适应的注水工艺进行煤层注水，以提高煤层注水效率，达到防灾减灾目的。
本发明采用以下的技术方案：
一种基于采动卸压的煤层分区动态注水工艺方法，根据不同应力分布区域及采动卸压应力演化过程，将煤层区域划分为完整渗流区、微裂稳流区和破碎激流区，完整渗流区为采煤工作面未受到采动影响的煤层区域，微裂稳流区为注水钻孔进入受到轻微采动影响的煤层区域，破碎激流区为注水钻孔受到充分采动影响的煤层区域；在完整渗流区采用高压注水工艺，微裂稳流区采用中压注水工艺，破碎激流区采用静压注水工艺，其中高压注水工艺和中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。
优选地，所述动压注水装置包括动压进水管、储水箱、注水泵、流量表、压力表、截止阀、三通和分流器。
所述静压注水装置包括静压进水管、分流器、截止阀和流量表，所述静压进水管直接连接于供水管路。
优选地，所述高压注水工艺包括以下步骤：
(1)在完整渗流区施工若干个注水钻孔，将注水钻孔连接至动压注水装置，打开截止阀，开启动压注水装置；
(2)调节注水泵的压力，控制动压注水压力达到5MPa左右，将注水钻孔内原有空间充满水，包括较大裂隙孔隙空间；
(3)待注水钻孔充满水后，调节注水泵的压力，将注水压力提高为15MPa左右，在高压力下持续一段注水时间；
(4)调节注水泵的压力，将注水压力提高至20MPa并维持一段注水时间，而后将注水压力调低至15MPa，并维持注水压力，观察注水管路水流量，当水流速变缓，将注水压力下降至10MPa并维持一段注水时间；
(5)控制注水泵的压力，将注水压力维持在10～15MPa之间波动，并在每种注水压力下持续一段注水时间，直至注水钻孔进入微裂稳流区。
优选地，所述中压注水工艺包括以下步骤：
(1)随着工作面的推进，注水钻孔进入受到轻微采动影响的煤层区域，即微裂稳流区，仍使用动压注水装置；在微裂稳流区施工若干个注水钻孔，将注水钻孔连接至动压注水装置，打开截止阀，开启动压注水装置；
(2)调节注水泵的压力，控制注水压力为5～10Mpa并维持一段注水时间，直至注水钻孔进入破碎激流区。
优选地，所述静压注水工艺包括以下步骤：
(1)随着工作面的进一步推进，注水钻孔受到充分采动影响的煤层区域，即破碎激流区；在破碎激流区施工若干个注水钻孔，将注水钻孔连接静压注水装置，静压进水管直接连接供水管路，打开截止阀，开启静压注水装置；
(2)打开静压装置的截止阀，静压进水管中的水流入注水管，进入煤层中，达到自然渗透浸润煤体的作用。
优选地，注水钻孔的长度、直径、倾角和多个注水钻孔间的孔间距均可调节(视现场情况而定)，其中，注水钻孔采用聚氨酯进行封孔。
优选地，注水钻孔的长度按计算公式L＝L工-a确定，其中L工为工作面长度；a为与煤层透气性和注水钻孔方向有关的系数，为20～40m。
优选地，注水钻孔的直径为60～150mm。
优选地，注水钻孔的倾角按计算公式确定，其中h为注水钻孔位置进回风巷对应点的高差；Lg为注水钻孔位置对应工作面长度。
优选地，注水钻孔的孔间距为10～20m。
完成在完整渗流区高压注水、微裂稳流区中压注水、破碎激流区静压注水同时进行的模式，同时，随着工作面的推进，同一注水钻孔受到采动应力的影响，可以及时调整注水方案，改变注水工艺，从而形成采煤工作面分区动态注水工艺方法。
本发明具有的有益效果是：
针对不同应力分布区域及采动卸压应力演化过程，分别采取与之相对应的动态注水方式。充分考虑煤层渗透性能以及其随采动变化规律，据此动态调整煤层注水方法与参数，节约了煤层注水工作成本，保证了注水工作的连续性，使煤层中的原生裂隙不断贯通、延伸，并在一定范围内的煤层内部形成新的裂隙网，大大增加煤体孔隙率与渗透率，实现了短时间高效注水，从而提高了煤层注水效果，提高煤层注水润湿抑尘、弱化防冲的灾害防治功效。
附图说明
图1为基于采动卸压的煤层分区动态注水示意图；
图2为基于采动卸压的完整渗流区的注水过程示意图；
其中，Ⅰ为破碎激流区，Ⅱ为微裂稳流区，Ⅲ为完整渗流区；A为应力卸压区，B为应力集中区，C为原始应力区；
1为超前支护，2为供水管路，3为储水箱，4为动压进水管，5为注水泵，6为流量表，7为压力表，8为截止阀，9为三通，10为分流器，11为注水管，12为注水钻孔，13为封孔段，14为封孔剂，15为静压进水管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行具体的说明：
根据不同应力分布区域及采动卸压应力演化过程，将煤层区域划分为完整渗流区、微裂稳流区和破碎激流区，完整渗流区为采煤工作面未受到采动影响的煤层区域(即原始应力区)，微裂稳流区为注水钻孔进入受到轻微采动影响的煤层区域(即应力集中区)，破碎激流区为注水钻孔受到充分采动影响的煤层区域(即应力卸压区)；在完整渗流区采用高压注水工艺，微裂稳流区采用中压注水工艺，破碎激流区采用静压注水工艺，其中高压注水工艺和中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。
动压注水装置包括动压进水管、储水箱、注水泵、流量表、压力表、截止阀、三通和分流器。静压注水装置包括静压进水管、分流器、截止阀和流量表，静压进水管直接连接于供水管路。
在采煤工作面上、下两巷距采面煤壁一段区域内，因受采动影响的压力增高区20m范围内，超前架设支柱，即超前支护。在采煤工作面的完整渗流区、微裂稳流区、破碎激流区施工若干个注水钻孔，注水钻孔的长度、直径、倾角和注水钻孔的孔间距具体视现场情况而定，其中，注水钻孔包括封孔段和开有注水孔的注水管，封孔段的封孔剂采用聚氨酯进行封孔。注水钻孔的长度按计算公式L＝L工-a确定(L工为工作面长度；a为与煤层透气性和注水钻孔方向有关的系数，一般为20～40m)，注水钻孔的直径为60～150mm，注水钻孔的倾角按计算公式确定(h为注水钻孔位置进回风巷对应点的高差；Lg为注水钻孔位置对应工作面长度)，注水钻孔的孔间距可根据现场情况适当调整，一般注水钻孔的孔间距控制在10～20m之间。将注水管插入注水钻孔中，采用聚氨酯进行封孔，注水管的前后两端各缠绕一定量的棉纱，以防止封孔药剂外漏。
实施例1
为了更详尽地描述一种基于采动卸压的煤层分区动态注水工艺方法，本发明以4个注水钻孔为例，结合图1，在完整渗流区和微裂稳流区已形成的注水钻孔，连接动压注水装置，在破碎激流区已形成的注水钻孔，连接静压注水装置，同时开始进行注水工作。
煤层分区动态注水的具体步骤如下：
在完整渗流区，将动压注水装置通过动压进水管、分流器连通四个注水钻孔，调节注水泵的压力，控制动压注水压力达到5MPa左右，维持一段时间；待注水钻孔充满水后，调节注水泵的压力，将注水压力提高为15MPa左右，在高压力下事先形成煤体内的导水裂隙并持续一段注水时间；调节注水泵的压力，将注水压力提高至20MPa并维持一段注水时间(具体时间视现场实际条件而定)，而后将注水压力调低至15MPa，并维持注水压力，观察注水管路水流量，若水流速入渗，将注水压力下降至10MPa并维持一段注水时间；控制注水泵的压力，将注水压力维持在10～15MPa之间波动，并在每种注水压力下持续一段注水时间，直至达到合理的注水量。
在微裂稳流区，将动压注水装置通过动压进水管、分流器连通四个注水钻孔，调节注水泵的压力，控制注水压力为5～10Mpa并维持一段注水时间，直至达到合理的注水量。
在破碎激流区，将微裂稳流区的一组注水钻孔连接静压注水装置，静压进水管可直接连接井下防尘用水管路(供水管路)；静压注水开始后，打开静压截止阀，静压进水管中的水流入注水管，进入煤层中，达到自然渗透浸润煤体的作用。
实施例2
同时，随着工作面的推进，同一注水钻孔受到采动应力的影响，需要及时调整注水方案，为方便说明，以完整渗流区的1个注水钻孔为例。
随着工作面的推进，煤体受压破裂，新裂隙产生，完整渗流区的注水钻孔所在的裂隙发育，此时，已无需进行高压注水，可调低注水泵的压力，控制中压注水压力为5～10Mpa并维持一段注水时间。
随着工作面的进一步推进，煤层裂隙发育贯通，渗透性能进一步提高，注水钻孔所在的裂隙将更加发育，此时，关闭动压注水装置，改连静压注水装置进行静压注水。
如此，形成采煤工作面煤层完整渗流区高压注水、微裂稳流区中压注水和破碎激流区静压注水同时进行的模式，在达到预定注水效果的基础上，节约煤层注水工作成本，保证注水工作的连续性。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于采动卸压的煤层分区动态注水工艺方法，其特征在于，根据不同应力分布区域及采动卸压应力演化过程，将煤层区域划分为完整渗流区、微裂稳流区和破碎激流区，完整渗流区为采煤工作面未受到采动影响的煤层区域，微裂稳流区为注水钻孔进入受到轻微采动影响的煤层区域，破碎激流区为注水钻孔受到充分采动影响的煤层区域；在完整渗流区采用高压注水工艺，微裂稳流区采用中压注水工艺，破碎激流区采用静压注水工艺，其中高压注水工艺和中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；
所述动压注水装置包括动压进水管、储水箱、注水泵、流量表、压力表、截止阀、三通和分流器；
所述静压注水装置包括静压进水管、分流器、截止阀和流量表，所述静压进水管直接连接于供水管路；
所述高压注水工艺包括以下步骤：
(1)在完整渗流区施工若干个注水钻孔，将注水钻孔连接至动压注水装置，打开截止阀，开启动压注水装置；
(2)调节注水泵的压力，控制动压注水压力达到5MPa左右，将注水钻孔内原有空间充满水，包括较大裂隙孔隙空间；
(3)待注水钻孔充满水后，调节注水泵的压力，将注水压力提高为15MPa左右，在高压力下持续一段注水时间；
(4)调节注水泵的压力，将注水压力提高至20MPa并维持一段注水时间，而后将注水压力调低至15MPa，并维持注水压力，观察注水管路水流量，当水流速变缓，将注水压力下降至10MPa并维持一段注水时间；
(5)控制注水泵的压力，将注水压力维持在10～15MPa之间波动，并在每种注水压力下持续一段注水时间，直至注水钻孔进入微裂稳流区；
所述中压注水工艺包括以下步骤：
(1)在微裂稳流区施工若干个注水钻孔，将注水钻孔连接至动压注水装置，打开截止阀，开启动压注水装置；
(2)调节注水泵的压力，控制注水压力为5～10Mpa并维持一段注水时间，直至注水钻孔进入破碎激流区；
所述静压注水工艺包括以下步骤：
(1)在破碎激流区施工若干个注水钻孔，将注水钻孔连接静压注水装置，静压进水管直接连接供水管路，打开截止阀，开启静压注水装置；
(2)打开静压装置的截止阀，静压进水管中的水流入注水钻孔，进入煤层中，达到自然渗透浸润煤体的作用。
2.根据权利要求1所述的一种基于采动卸压的煤层分区动态注水工艺方法，其特征在于，注水钻孔的长度按计算公式L＝L工-a确定，其中L工为工作面长度；a为与煤层透气性和注水钻孔方向有关的系数，为20～40m。
3.根据权利要求1所述的一种基于采动卸压的煤层分区动态注水工艺方法，其特征在于，注水钻孔的直径为60～150mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于采动卸压的煤层分区动态注水工艺方法，其特征在于，注水钻孔的倾角按计算公式确定，其中h为注水钻孔位置进回风巷对应点的高差；Lg为注水钻孔位置对应工作面长度。
5.根据权利要求1所述的一种基于采动卸压的煤层分区动态注水工艺方法，其特征在于，注水钻孔的孔间距为10～20m。
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