CN109538198B - 防治煤层灾害注气泡水和打孔一体化的实验装置及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种防治煤层灾害注气泡水和打孔一体化的实验装置及应用，蓄水池一端通过管路连接气泡机，蓄水池入水口处连接有自动加药机，蓄水池另一端通过管路连接瓦斯收集瓶，瓦斯收集瓶通过瓦斯管道连接水泵的吸水管，水泵一侧设有煤样，水泵通过排出管连接注水杆，注水杆一端设有自动调节支架，注水杆另一端连接可调高压喷嘴，注水杆外圆周套装有封孔器，封孔器位于煤样边缘处，煤样除注水入口处外侧设有单轴液压机。通过气泡机产生气泡，气泡破裂增强注水效果，孔隙扩大增强注水效果，表面活性剂具有过度金属离子的能力及降低溶液表面张力，表面活性剂能通过钙、铁等的溶解，提高孔隙连通性，增大孔隙度，十分明显的扩大注水的湿润范围。
Description
技术领域
本发明涉及一种防治煤层灾害注气泡水和打孔一体化的实验装置及应用，用于改善煤层注水问题。
背景技术
煤矿安全是煤炭生产的保证，煤矿粉尘、瓦斯的防治是煤矿安全工作中的重要环节，而煤层注水是一项最积极有效的措施之一，近年来在各个煤矿中得到了越来越广泛的应用。
煤层注水是通过在煤体中打钻孔，然后将水压入煤体，使水能够均匀分布于煤层中大量的细微裂隙和孔隙中，使煤层湿润，起到除尘或防治动力灾害等效果。注水的实际效果受孔隙、裂隙的数量影响，但在某些煤矿煤层中裂隙和孔隙数量少，采用注水工艺后效果差。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种防治煤层灾害注气泡水和打孔一体化的实验装置及应用，克服在对一些孔隙和裂隙发育少的煤层在注水过程中能增加孔隙和裂隙的方法与装置，其特征是通过气泡水机采用流体动力学物理增压方式，瞬间将气体增压注入水中使水里充满气泡,使二氧化碳在水中溶解度达到饱和，在随液体流动过程中，遇到周围压力增大时，气泡破裂，破裂的气泡产生一部分能量，增强注水效果，同时煤体与二氧化碳水溶液反应后，部分孔裂隙中的矿物被溶解，孔隙扩大增强注水效果，并且因为表面活性剂具有过度金属离子的能力及降低溶液表面张力等作用，所以表面活性剂能通过钙、铁等的溶解，提高孔隙连通性，增大孔隙度，十分明显的扩大注水的湿润范围。
为解决以上问题，本发明的具体技术方案如下：蓄水池入水口端通过三通接头与气泡机和自动加药机连接，蓄水池出水管通过三通接头连接水泵与瓦斯收集瓶，管道上设有开关，水泵一侧设有煤样，水泵通过排出管连接注水杆，注水杆一端设有电动力自动调节支架，注水杆另一端连接可调高压喷嘴，位于煤样内部，注水杆外圆周套装有水力膨胀型封孔器，封孔器位于煤样边缘处，煤样上方和注水入口左右两侧设有单轴液压机。所述自动加药机是用来投加表面活性剂的，表面活性剂的投加可十分有效的延长气泡的寿命，并且由于表面活性剂的亲水基和疏水基的特殊结构，也可以十分有效的降低水的表面张力，使煤样更容易湿润，同时因亚氨基二琥珀酸四钠具有过度金属离子的能力，所以表面活性剂通过钙、铁等的溶解，提高孔隙连通性，增大孔隙度，本实验采用药品的配方为：亚氨基二琥珀酸四钠0.05-0.1%；十二烷基磺酸钠0.05-0.1%；水99.8-99.9%。
所述水泵是可调流量泵，通过电源提供动力，在进行水力打孔的时候选择高压，在进行抽瓦斯的时候选择中压，在进行注水的时候根据实际情况选择注水压力。所述阀门是用来调节流量及控制作用。所述管道加热器是用来增加注水温度的，水温的增加可以降低溶液的表面张力，在某些低温煤层应用效果极好，在高温煤层可以关闭。
所述电子数显温度计是用来监测所注溶液的温度的。所述三通接头是用来连接注水管、瓦斯收集瓶与水泵的，通过阀门控制线路开关，抽瓦斯的时候关闭注水管，注水的时候关闭瓦斯收集线路。所述自动调节支架是根据注水孔的深度自动输送注水杆。所述注水杆是钢管用来伸进注水孔的。
所述封孔器是用膨胀材料制成，注水杆从封孔器的中间窜过，然后将封孔器塞在注水孔里。所述可调高压喷嘴是通过喷嘴高压且旋转打注水孔及在注水孔里，在退出注水孔的时候保持高压且不旋转，这样就在注水孔里形成一条缝，反复不旋转进出几次，可大大增加注水效果。所述瓦斯传感器是装在注水杆上，用来监测在注水过程中瓦斯的涌出量。
所述煤样模型是由煤粉压制而成，然后在外层包围一层厚度约为15cm的混凝土，极大限度的还原煤矿的性质，使本实验更具意义。所述支架是精钢制成用来支撑液压机的。所述单轴液压机是在煤样上方及除注水孔两侧各装一个，使煤样更加接近实际的煤矿压力。所述瓦斯收集瓶是用来收集注水孔抽出的瓦斯，回收利用。
所述的蓄水池出水管、瓦斯管道与水泵通过三通接头连接，蓄水池内部设有搅拌器。所述蓄水池是红砖与混凝土制作，左端连接气泡机与加药机，右端连接出水管，上面带有密封盖，需要加水的时候开启密封盖，注气体和加药的时候关闭密封盖，蓄水池主要用来存放气泡机和加药机作用后的溶液；所述搅拌机是带轮旋的搅拌器，加药机加药后通过搅拌机的作用是使药品与水溶液混合均匀。
所述的注水管上连接有管道加热器和电子数显温度计。
所述的注水杆位于煤样内部一端上设有瓦斯传感器。
防治煤层灾害注气泡水和打孔一体化的实验装置的应用，步骤如下：1）首先将煤样用粉碎机粉碎成煤粉然后将粉煤加一定量的水压制大小为8m3大小煤模型，然后在外层包裹一层15cm厚的混凝土，在顶端打孔注入瓦斯结束后用水泥浆封孔，然后利用3台单轴液压机在煤模型上施加20MPa，两侧施加10MPa大小的压力，通过操作台控制压力大小；
2）接下来将气泡机及加药机与蓄水池左端相连接，打开蓄水池密封盖，注满水后盖好密封盖，往加药机里放入表面活性剂，蓄水池右端连接三通接头上，三通接头分别连接瓦斯收集瓶及水泵上，通过阀门控制每条管道的开关，将管道加热器及电子数显温度计安装到指定位置，将水泵的出水端连接注水杆，注水杆固定到自动调节支架上，注水杆上装有瓦斯传感器，顶端带有高压喷头设备连接完毕；
3）将0.5%亚氨基二琥珀酸四钠及0.5%十二烷基磺酸钠加入到加药机中，打开阀门通过气泡机的气体将亚氨基二琥珀酸四钠吹入到蓄水池中，将气泡机中的二氧化碳通过增压的方式注入水中使水里充满气泡，关闭气泡机；
4）调整好自动调节支架的高度，固定好注水杆，将高压喷头调到旋转模式，关闭瓦斯收集瓶的三通接头阀门，将水泵开到高压模式，压力为50MPa，在煤样上打孔，孔深在1.3m，打孔结束后关闭水泵，将高压喷头旋转模式关闭，插进注水孔30cm后打开水泵，进行割缝，反复几次关闭水泵；
5）将封孔器套在注水杆上用螺杆固定住，卡在注水孔口，将注水杆高压喷头方向调到正前方，打开水泵高压模式进行注水，当瓦斯涌出量过高时关闭水泵，打开三通接头瓦斯收集瓶管的阀门，关闭注水管的阀门，进行抽瓦斯，瓦斯传感器传出来的数据下降到合适数值后关闭泵，关闭三通接头瓦斯收集瓶管道的阀门，打开注水管阀门，打开水泵，可以根据需求调节注水压力。
本发明带来的有益效果为：该实验装置结构简单，效果明显，能够实现显著增加煤层注水效果，能解决孔隙、裂隙发育少的难注水煤层注水后效果差的问题，比普通注水效果提高了3倍。
附图说明
图1为防治煤层灾害注气泡水和打孔一体化的实验装置的结构示意图。
图2为图1的侧视结构示意图。
其中，1-气泡机，2-自动加药机，3-蓄水池，4-搅拌器，5-阀门，6-管道加热器，7-电子数显温度计，8-瓦斯收集瓶，9-瓦斯管道，10-三通接头，11-底座，12-电动力自动调节支架，13-水泵，13-1-吸水管，13-2-排水管，14-封孔器，15-单轴液压机，16-可调高压喷嘴，17-煤样，18-瓦斯传感器，19-混凝土外层，20-注水管，21-注水杆。
具体实施方式
下面结合附图1，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但是应当理解本发明的保护范围不受具体实施方式的限制。蓄水池3入水口端通过三通接头10与气泡机1和自动加药机2连接，蓄水池3出水管通过三通接头连接水泵13与瓦斯收集瓶8，管道上设有开关，水泵13一侧设有煤样17，水泵13通过排水管13-2连接注水杆21，注水杆21一端设有电动力自动调节支架12，注水杆21另一端连接可调高压喷嘴16，位于煤样17内部，注水杆21外圆周套装有水力膨胀型封孔器14，封孔器14位于煤样17边缘处，煤样17上方和注水入管入口左右两侧设有单轴液压机15。气泡机1与自动加药机2相连接，通过管道连接到蓄水池3中，开动气泡机1，气体形成气泡动过程中能将自动加药机2里的药品带到蓄水池3里，开动搅拌器4搅拌均匀。根据所需要的注水温度开通管道加热器6，通过电子数显温度计7监测温度变化。打开阀门5开动水泵13，开到高压模式，将可调高压喷头16开到旋转模式，在煤样17上打孔，打到一定深度后停止旋转，保持高压模式退出，在退出的时候在孔内拉出一条缝，注意不要直接拉出来。注水孔打好后根据瓦斯传感器18的数值决定注水还是抽瓦斯，数值高的时候关闭三通接头10注水管，打开瓦斯收集瓶8开始抽瓦斯，瓦斯通过瓦斯管道9进入收集瓶，数值允许后关闭。打开注水管20后在注水杆21上套上封孔器14开始注水，通过自动调节支架12调节高度，煤样上方及非注水孔两侧采用单轴液压机15，模拟实际矿下环境。
实施例1
一种防治煤层灾害注气泡水和打孔一体化装置的使用方法，该方法是按照下列步骤进行的：
步骤一、首先将煤样用粉碎机粉碎成煤粉然后将粉煤加一定量的水压制大小为8m3大小煤模型，然后在外层包裹一层15cm厚的混凝土。在顶端打孔注入瓦斯结束后用水泥浆封孔，最大限度的模拟煤矿，然后利用3台单轴液压机在煤模型上施加20MPa，两侧施加10MPa大小的压力，通过操作台控制压力大小。
步骤二、接下来将气泡机及加药机与蓄水池左端相连接，打开蓄水池密封盖，注满水后盖好密封盖，往加药机里放入表面活性剂，因为蓄水池大小为8m3，蓄水池右端连接三通接头上，三通接头分别与瓦斯收集瓶及水泵连接，通过阀门控制每条管道的开关。水泵选择可调流量泵，将管道加热器及电子数显温度计安装到指定位置，将水泵的出水端连接注水杆，注水杆固定到自动调节支架上，注水杆上装有瓦斯传感器，顶端带有高压喷头设备连接完毕。
步骤三、将0.5%亚氨基二琥珀酸四钠及0.5%十二烷基磺酸钠加入到加药机中，打开阀门通过气泡机的气体将亚氨基二琥珀酸四钠吹入到蓄水池中，因为亚氨基二琥珀酸四钠具有生态环保、温和、易降解、对钙镁等离子的作用等优点而在本发明中被选用。并且亚氨基二琥珀酸四钠溶液与十二烷基磺酸钠能和瓦斯竞位吸附可以促进瓦斯解析。将气泡机中的二氧化碳通过增压的方式注入水中使水里充满气泡，关闭气泡机。并且在气泡起到一定的搅拌作用，为防止搅拌不均匀开动搅拌机搅拌。
步骤四、调整好自动调节支架的高度，固定好注水杆，将高压喷头调到旋转模式，关闭瓦斯收集瓶的三通接头阀门，将水泵开到高压模式，压力为50MPa，在煤样上打孔，孔深在1.3m，打孔结束后关闭水泵，将高压喷头旋转模式关闭，插进注水孔30cm后打开水泵，进行割缝，注意不要破坏注水孔口，反复几次关闭水泵。
步骤五、将封孔器套在注水杆上用螺杆固定住，卡在注水孔口。将注水杆高压喷头方向调到正前方，打开水泵高压模式进行注水，时刻关注瓦斯传感器传出来的数据，监测瓦斯涌出量。当瓦斯涌出量过高时关闭水泵，打开三通接头瓦斯收集瓶管的阀门，关闭注水管的阀门，进行抽瓦斯，瓦斯传感器传出来的数据下降到合适数值后关闭泵，关闭三通接头瓦斯收集瓶管道的阀门，打开注水管阀门，打开水泵，可以根据需求调节注水压力。
步骤六、气泡水进入煤样后气泡破裂产生能量及亚氨基二琥珀酸四钠溶液与煤中某些物质作用，导致煤样孔隙和裂隙二次发育，十分有效的增加注水效果，还可以防止动力灾害，注水结束后用改进的封孔器封孔。通过与普通注水相比较发现该装置使煤壁“挂汗”的时间少了3倍，煤块强度与普通注水相比下降0.6倍，瓦斯涌出量比普通注水多了0.8倍。效果十分明显。
以上所述的仅是本发明的优选实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干变型和改进，也应视为属于本发明的保护范围。
Claims (1)
1.防治煤层灾害注气泡水和打孔一体化的实验装置的应用，包括蓄水池入水口端通过三通接头与气泡机和自动加药机连接，蓄水池出水管通过三通接头连接水泵与瓦斯收集瓶，管道上设有开关，水泵一侧设有煤样，水泵通过排出管连接注水杆，注水杆一端设有电动力自动调节支架，注水杆另一端连接有可调高压喷嘴，位于煤样内部，位于煤样内部的注水杆上设置有瓦斯传感器，注水杆上连接有管道加热器和电子数显温度计，注水杆外圆周套装有水力膨胀型封孔器，封孔器位于煤样边缘处，煤样上方和注水入口左右两侧设有单轴液压机，其特征在于如下步骤：
1）首先将煤样用粉碎机粉碎成煤粉，然后将粉煤加一定量的水压，制成大小为8m3大小煤模型，然后在外层包裹一层15cm厚的混凝土，在顶端打孔注入瓦斯结束后用水泥浆封孔，然后利用3台单轴液压机在煤模型上施加20MPa，两侧施加10MPa大小的压力，通过操作台控制压力大小；
2）将气泡机及自动加药机与蓄水池左端相连接，打开蓄水池密封盖，注满水后盖好密封盖，往自动加药机里放入表面活性剂，蓄水池右端连接三通接头，三通接头分别与瓦斯收集瓶和水泵连接，通过阀门控制每条管道的开关，将管道加热器及电子数显温度计安装到指定位置，将水泵的出水端连接注水杆，注水杆固定到自动调节支架上，注水杆上装有瓦斯传感器，顶端带有高压喷头设备连接完毕；
3）将0.5%亚氨基二琥珀酸四钠及0.5%十二烷基磺酸钠加入到加药机中，打开阀门通过气泡机的气体将亚氨基二琥珀酸四钠带入到蓄水池中，将气泡机中的二氧化碳通过增压的方式注入水中使水里充满气泡，关闭气泡机；
4）调整好自动调节支架的高度，固定好注水杆，将高压喷头调到旋转模式，关闭瓦斯收集瓶的三通接头阀门，将水泵开到高压模式，压力为50MPa，在煤样上打孔，孔深在1.3m，打孔结束后关闭水泵，将高压喷头旋转模式关闭，插进注水孔30cm后打开水泵，进行割缝，反复几次关闭水泵；
将封孔器套在注水杆上用螺杆固定住，卡在注水孔口，将注水杆高压喷头方向调到正前方，打开水泵高压模式进行注水，当瓦斯涌出量过高时关闭水泵，打开三通接头瓦斯收集瓶管的阀门，关闭注水管的阀门，进行抽瓦斯，瓦斯传感器传出来的数据下降到合适数值后关闭泵，关闭三通接头瓦斯收集瓶管道的阀门，打开注水管阀门，打开水泵，可以根据需求调节注水压力。
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