CN113339043B - 一种强冲击倾向煤层均匀注水防灾方法 - Google Patents

一种强冲击倾向煤层均匀注水防灾方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种强冲击倾向煤层均匀注水防灾方法，涉及强冲击倾向煤层注水防灾技术领域。该方法需要用到复合疏水剂、亲水剂和疏水聚酯颗粒，所涉及的注水防灾装置包括远红外加热系统、压力监测系统、温度监测系统、注水系统以及集成控制单元等。在注水过程中，通过将复合疏水剂、亲水剂和疏水聚酯颗粒分阶段注入，实现注水过程中渗流与润湿分步且强化进行，达到煤层均匀注水的目的，有效避免在注水过程中的不均匀润湿造成的冲击地压风险；而且本发明采用疏水聚酯颗粒等实现微裂隙的封堵，疏水聚酯颗粒后期在远红外加热条件下发生分解，进而溶解于水中，相比于加入增稠剂调整压注液粘度的方式，可解决残渣遗留的问题，降低对煤层地质的损害。

Description

一种强冲击倾向煤层均匀注水防灾方法
技术领域
本发明涉及煤层注水领域，具体地说是涉及一种强冲击倾向煤层均匀注水防灾方法。
背景技术
冲击地压是一种破坏性极强的地质灾害事故。而煤层注水技术可以增强煤体塑性，降低冲击地压发生的风险。然而煤层注水是以注水中心为半径逐渐向周边裂隙、微裂隙、孔隙中渗流和润湿的过程，在钻孔布设密度有限的情况下，传统注水方式会导致注水区域内煤层含水率不均匀分布，进而导致该区域煤层弹塑性分布不均，出现应力集中现象，加剧诱发冲击地压的风险。
为了提高均匀注水防灾效果，现有专利也有采用煤层分步注水精准控制的方式，该方式虽可提高均匀注水效果，但主要是通过配合调整压注液的粘稠度和压注液的注入压力进行实现，粘稠度调整时需要在不同阶段加入增稠剂、溶解剂等，而增稠剂多是聚合物高分子，在注入地层中后虽然后期会进行部分溶解，但仍会有一些残渣遗留，对煤层地质造成不可逆损害。另外，上述方式还需要配合注入压力的不断变化，过程复杂，实现难度大。
发明内容
基于上述技术问题，本发明提出一种强冲击倾向煤层均匀注水防灾方法。
本发明所采用的技术解决方案是：
一种强冲击倾向煤层均匀注水防灾方法，其采用均匀注水防灾装置，该装置包括注水系统、远红外加热系统、压力监测系统和温度监测系统；
所述注水系统包括水泵、注水管路、第一水箱和第二水箱，水泵的出水端与注水管路的一端连接，在注水管路上连接有疏水聚酯颗粒添加装置，水泵的进水端与水输送主管线的一端连接，水输送主管线的另一端分别连接第一支线和第二支线，第一支线与第一水箱相连接，第二支线与第二水箱相连接，在第一支线上设置有第一阀门，在第二支线上设置有第二阀门；
所述远红外加热系统包括远红外加热发生端和支撑管，支撑管包括外花管和防水管，外花管的末端顶部及侧壁开设若干个通孔，防水管的末端封闭，防水管设置于外花管的内部，远红外加热发生端设置于防水管的内部；
所述压力监测系统包括压力传感器，温度监测系统包括温度传感器，水泵、压力传感器、温度传感器和远红外加热发生端均与集成控制单元相连；
该均匀注水防灾方法包括以下步骤：
(1)钻孔布置
在巷道沿煤层走向布置注水钻孔，将注水管路末端、压力传感器以及温度传感器伸入钻孔内部，同时，将支撑管末端及其内部远红外加热发生端一起伸入注水钻孔内，采用封孔材料进行封孔，远红外加热发生端、压力传感器和温度传感器分别通过数据传输线缆与集成控制单元相连；
(2)微裂隙封堵与均匀渗流
在第一水箱内加入复合疏水剂，在第二水箱内加入亲水剂，先开启第一阀门，关闭第二阀门，启动水泵，打开疏水聚酯颗粒添加装置，通过注水管路向注水钻孔内注入压力水，疏水聚酯颗粒随压力水进入煤层中封堵微裂隙，对煤层中开度在0.01μm至1μm范围的微裂隙进行封堵处理；由于微裂隙被封堵，水更容易沿较大煤层裂隙向钻孔周边较远区域流动；同时，水中的复合疏水剂与煤壁表面形成抗水结构，增强煤的疏水性；
当疏水聚酯颗粒对煤层的封堵饱和，且区域内煤层开度较大的裂隙内充满水后，进入一次憋压阶段，注水钻孔内压力持续上升，且上升速度稳定，判定为封堵完成；
(3)红外加热解堵
压力传感器监测到注水钻孔内压力变化并反馈至集成控制单元，集成控制单元识别压力数据变化特征，自动启动远红外加热发生端进行加热，疏水聚酯颗粒受热水解，该阶段钻孔内部压力呈现波动上升状态；当所有疏水聚酯颗粒水解完毕，钻孔内部压力回归至线性上升形态，此时判定为解堵完成；
(4)均匀润湿
控制第一阀门关闭，第二阀门开启，第二水箱中的亲水剂随压力水进入煤层，亲水剂会导致步骤(2)中煤壁表面形成的抗水结构失效，并且可增强煤体润湿过程；
(5)注水完成
当煤层完全润湿后，钻孔内压力上升速度加快，且呈现稳定持续上升状态，进入二次憋压阶段，集成控制单元识别压力传感器监测到的压力数据变化特征，自动关闭水泵，结束注水进程。
优选的，所述压力传感器与压力检测站连接，温度传感器与温度检测站连接，压力检测站和温度检测站均与集成控制单元连接；所述集成控制单元包括数据采集系统和计算机，数据采集系统和计算机相连接。
优选的，所述集成控制单元还分别与第一阀门和第二阀门相连接。
优选的，所述复合疏水剂是采用30％wt的阳离子十二烷基胺盐酸盐、20％wt的2-乙基己醇、10％wt的无水乙醇以及余量的水配制而成。
优选的，所述疏水聚酯颗粒是采用以下方法制备而成的：
(1)按以下配比选取各原料：15％wt的衣康酸、7％wt的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、17％wt的三羟甲基丙烷、20％wt的纳米二氧化硅、7％wt的二氯二甲基硅烷、5％wt的氢氧化钠、12％wt的山梨醇、4％wt的对甲基苯磺酸(酯化催化剂)以及13％wt的去离子水；
(2)将衣康酸和三羟甲基丙烷用去离子水溶解，加入纳米二氧化硅并使用搅拌器搅拌，然后加入酯化催化剂，采用恒温水浴锅将体系逐渐升温至105℃，保温15min；
(3)向步骤(2)体系内加入氢氧化钠和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸，然后将体系升温至150℃并保温0.5h，之后加入山梨醇，升温至180℃，反应2h后加入二氯二甲基硅烷对其中的纳米二氧化硅进行改性，将得到的聚酯原料采用造球机处理，得到1μm至0.01μm的颗粒，即为疏水聚酯颗粒。
优选的，所述亲水剂由十二烷基硫酸钠和水配制而成，十二烷基硫酸钠的质量分数为1％。
优选的，步骤(3)中：还包括通过温度传感器实时监测注水钻孔内温度并反馈至集成控制单元。
本发明的有益技术效果是：
本发明提供一种强冲击倾向煤层均匀注水防灾方法，该方法在注水过程中，通过将复合疏水剂、疏水聚酯颗粒和亲水剂分阶段注入，实现注水过程中渗流与润湿分步且强化进行，达到煤层均匀注水的目的，有效避免在注水过程中的不均匀润湿造成的冲击地压风险。
而且本发明是采用疏水聚酯颗粒等实现微裂隙的封堵，疏水聚酯颗粒后期在远红外加热条件下发生分解，进而溶解于水中，相比于加入增稠剂调整压注液粘度的方式，可解决残渣遗留的问题，降低对煤层地质的损害。同时，本发明采用复合疏水剂与煤壁表面形成抗水结构，后期再通过加入亲水剂使得抗水结构失效，步骤设计合理，通过与疏水聚酯颗粒的添加等即确保了注水过程的均匀性，又尽可能降低对煤层地质的损害。
另外，本发明可由压力监测器实时监测注水钻孔内压力数据变化，由集成控制单元判断自动控制远红外加热发生端的启停和水箱等的切换，精简了工艺流程，节省了注水施工的人力成本投入。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：
图1为本发明一种强冲击倾向煤层均匀注水防灾方法所涉及装置的结构原理示意图；
图2为本发明一种强冲击倾向煤层均匀注水防灾方法应用过程中各阶段的示意图。
图1中：1-煤层，2-注水管路，3-外花管，4-防水管，5-远红外加热发生端，6-温度传感器，7-压力传感器，8-压力检测站，9-温度检测站，10-数据采集系统，11-计算机，12-水泵，13-第一水箱，14-第二水箱，15-疏水聚酯颗粒添加装置，16-第一阀门，17-第二阀门。
具体实施方式
本发明提供一种强冲击倾向煤层均匀注水防灾方法，该方法可实现注水在煤层裂隙网络内均匀渗流、同步润湿的效果，可以有效避免注水不均匀诱发冲击地压的风险。
一种强冲击倾向煤层均匀注水防灾方法，采用均匀注水防灾装置，如图1所示，该装置包括注水系统、远红外加热系统、压力监测系统和温度监测系统。所述注水系统包括水泵12、注水管路2、第一水箱13和第二水箱14，水泵的出水端与注水管路的一端连接，在注水管路上连接有疏水聚酯颗粒添加装置15。水泵的进水端与水输送主管线的一端连接，水输送主管线的另一端分别连接第一支线和第二支线，第一支线与第一水箱13相连接，第二支线与第二水箱14相连接，在第一支线上设置有第一阀门16，在第二支线上设置有第二阀门17。所述远红外加热系统包括远红外加热发生端5和支撑管，支撑管包括外花管3和防水管4，外花管3的末端顶部及侧壁开设若干个通孔，防水管4的末端封闭，防水管设置于外花管的内部，远红外加热发生端5设置于防水管4的内部。
所述压力监测系统包括压力传感器7和压力检测站8，温度监测系统包括温度传感器6和温度检测站9，所述压力传感器7与压力检测站8连接，温度传感器6与温度检测站9连接，压力检测站8和温度检测站9均与集成控制单元连接。所述集成控制单元包括数据采集系统10和计算机11，数据采集系统10和计算机11相连接。
进一步的，所述集成控制单元还分别与第一阀门16和第二阀门17相连接，通过集成控制单元可控制第一阀门16和第二阀门17的自动开启与关闭，进而实现第一水箱与第二水箱的注水切换。
上述外花管采用耐高温非金属材料制成，具有一定的支撑强度，防水管采用耐高温塑料制成，起到密封防水的作用。
该均匀注水防灾方法包括以下步骤：
(1)钻孔布置与装置组建
在巷道沿煤层走向布置注水钻孔，将注水管路2末端、压力传感器7以及温度传感器6伸入钻孔内部，同时，将支撑管末端及其内部远红外加热发生端5一起伸入注水钻孔内，采用封孔材料进行封孔。远红外加热发生端通过数据传输线缆与集成控制单元相连。
(2)微裂隙封堵与均匀渗流
在第一水箱内加入复合疏水剂，添加量为注水量的0.15-0.2％wt，在第二水箱内加入亲水剂，添加量为注水量的0.4-0.6％wt。
先控制第一阀门16开启，第二阀门17关闭，水泵与第一水箱连通，启动水泵、打开疏水聚酯颗粒添加装置，通过注水管路向注水钻孔内注入压力水。疏水聚酯颗粒随压力水进入煤层中封堵微裂隙，对煤层中开度在1μm至0.01μm范围的微裂隙进行封堵处理。由于微裂隙被封堵，水分更容易沿较大煤层裂隙向钻孔周边较远区域流动。同时，水中具有氧化官能团的复合疏水剂通过与煤表面氧化位点的氢键结合，以及通过烃链与煤表面疏水碳质位点的疏水结合，形成一种抗水结构，显著增强煤的疏水性，降低注水渗流过程中的摩擦阻力，增强煤层注水的均匀渗流效果。当疏水聚酯颗粒对煤层的封堵饱和，且区域内煤层开度较大的裂隙内充满水后，进入一次憋压阶段，注水钻孔内压力持续上升，且上升速度稳定，判定为封堵完成。
上述疏水聚酯颗粒是采用以下方法制备而成的：
(1)按以下配比选取各原料：15％wt的衣康酸、7％wt的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、17％wt的三羟甲基丙烷、20％wt的纳米二氧化硅、7％wt的二氯二甲基硅烷、5％wt的氢氧化钠、12％wt的山梨醇、4％wt的对甲基苯磺酸(酯化催化剂)以及13％wt的去离子水。
(2)将衣康酸和三羟甲基丙烷用去离子水溶解，加入纳米二氧化硅并使用搅拌器搅拌，然后加入酯化催化剂，采用恒温水浴锅将体系逐渐升温至105℃，保温15min。
(3)向步骤(2)体系内加入氢氧化钠和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸，然后将体系升温至150℃并保温0.5h，之后加入山梨醇，升温至180℃，反应2h后加入二氯二甲基硅烷对其中的纳米二氧化硅进行改性，将得到的聚酯原料采用造球机处理，得到1μm至0.01μm的颗粒，即为疏水聚酯颗粒。
上述疏水聚酯颗粒的添加量可为注水量的0.1-5％wt，当然也可根据具体应用要求进行相应调整。
上述复合疏水剂是采用30％wt的阳离子十二烷基胺盐酸盐、20％wt的2-乙基己醇、10％wt的无水乙醇以及余量的水配制而成。
上述亲水剂由十二烷基硫酸钠和水配制而成，十二烷基硫酸钠的质量分数为1％。
(3)红外加热解堵
压力传感器7监测到注水钻孔内压力变化并经压力检测站8反馈至集成控制单元，集成控制单元识别压力检测站的压力数据变化特征，自动启动远红外加热发生端5，辐射出一定波长的红外线，水分吸收远红外线后内部分子和原子共振产生热能，达到加热的目的。在高温环境下，疏水聚酯颗粒分子运动加快，从而加剧了聚酯物的水解作用，酯键与水接触后逐渐发生水解而引起聚合物链节发生断裂，溶解于水中。
在同等注水流量条件下，由于封堵在微裂隙孔口处的疏水聚酯颗粒受热水解，微裂隙孔道重新开启，造成注水滤失，同时，由于恒定流量注水，钻孔内部滤失压力得到补充，因此，该阶段钻孔内部压力呈现波动上升状态。当所有疏水聚酯颗粒水解完毕，钻孔内部压力回归至线性上升形态，此时判别为解堵完成。压力传感器监测到注水钻孔内压力变化并经压力检测站反馈至集成控制单元，集成控制单元识别压力检测站的压力数据变化特征，控制第一阀门16关闭，第二阀门17开启，切换为第二水箱14。同时温度传感器6实时监测注水钻孔内温度并经温度检测站9反馈至集成控制单元，集成控制单元实时识别监测钻孔内温度数据并进行调控，以防止煤层内部温度过高而引发煤层自燃等风险。
(4)均匀润湿
第二水箱中的亲水剂随压力水进入煤层，会起到如下作用：①亲水性表面活性剂会导致步骤(2)中煤壁表面形成的抗水结构遇到强电荷而失效；②改变界面性质，降低了水的表面张力,增强煤体润湿过程。
(5)注水完成
当煤层完全润湿后，钻孔内压力上升速度加快，且呈现稳定持续上升状态，进入二次憋压阶段。集成控制单元识别压力检测站的压力数据变化特征，自动关闭水泵，结束注水进程。
上述方式中未述及的部分采取或借鉴已有技术即可实现。
需要说明的是，在本说明书的教导下，本领域技术人员所作出的任何等同替代方式，或明显变形方式，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种强冲击倾向煤层均匀注水防灾方法，其特征在于，采用均匀注水防灾装置，该装置包括注水系统、远红外加热系统、压力监测系统和温度监测系统；
所述注水系统包括水泵、注水管路、第一水箱和第二水箱，水泵的出水端与注水管路的一端连接，在注水管路上连接有疏水聚酯颗粒添加装置，水泵的进水端与水输送主管线的一端连接，水输送主管线的另一端分别连接第一支线和第二支线，第一支线与第一水箱相连接，第二支线与第二水箱相连接，在第一支线上设置有第一阀门，在第二支线上设置有第二阀门；
所述远红外加热系统包括远红外加热发生端和支撑管，支撑管包括外花管和防水管，外花管的末端顶部及侧壁开设若干个通孔，防水管的末端封闭，防水管设置于外花管的内部，远红外加热发生端设置于防水管的内部；
所述压力监测系统包括压力传感器，温度监测系统包括温度传感器，水泵、压力传感器、温度传感器和远红外加热发生端均与集成控制单元相连；
该均匀注水防灾方法包括以下步骤：
(1)钻孔布置
在巷道沿煤层走向布置注水钻孔，将注水管路末端、压力传感器以及温度传感器伸入钻孔内部，同时，将支撑管末端及其内部远红外加热发生端一起伸入注水钻孔内，采用封孔材料进行封孔，远红外加热发生端、压力传感器和温度传感器分别通过数据传输线缆与集成控制单元相连；
(2)微裂隙封堵与均匀渗流
在第一水箱内加入复合疏水剂，在第二水箱内加入亲水剂，先开启第一阀门，关闭第二阀门，启动水泵，打开疏水聚酯颗粒添加装置，通过注水管路向注水钻孔内注入压力水，疏水聚酯颗粒随压力水进入煤层中封堵微裂隙，对煤层中开度在0.01μm至1μm范围的微裂隙进行封堵处理；由于微裂隙被封堵，水更容易沿较大煤层裂隙向钻孔周边较远区域流动；同时，水中的复合疏水剂与煤壁表面形成抗水结构，增强煤的疏水性；
当疏水聚酯颗粒对煤层的封堵饱和，且区域内煤层开度较大的裂隙内充满水后，进入一次憋压阶段，注水钻孔内压力持续上升，且上升速度稳定，判定为封堵完成；
(3)红外加热解堵
压力传感器监测到注水钻孔内压力变化并反馈至集成控制单元，集成控制单元识别压力数据变化特征，自动启动远红外加热发生端进行加热，疏水聚酯颗粒受热水解，该阶段钻孔内部压力呈现波动上升状态；当所有疏水聚酯颗粒水解完毕，钻孔内部压力回归至线性上升形态，此时判定为解堵完成；
(4)均匀润湿
控制第一阀门关闭，第二阀门开启，第二水箱中的亲水剂随压力水进入煤层，亲水剂会导致步骤(2)中煤壁表面形成的抗水结构失效，并且可增强煤体润湿过程；
(5)注水完成
当煤层完全润湿后，钻孔内压力上升速度加快，且呈现稳定持续上升状态，进入二次憋压阶段，集成控制单元识别压力传感器监测到的压力数据变化特征，自动关闭水泵，结束注水进程。
2.根据权利要求1所述的一种强冲击倾向煤层均匀注水防灾方法，其特征在于：所述压力传感器与压力检测站连接，温度传感器与温度检测站连接，压力检测站和温度检测站均与集成控制单元连接；所述集成控制单元包括数据采集系统和计算机，数据采集系统和计算机相连接。
3.根据权利要求1所述的一种强冲击倾向煤层均匀注水防灾方法，其特征在于：所述集成控制单元还分别与第一阀门和第二阀门相连接。
4.根据权利要求1所述的一种强冲击倾向煤层均匀注水防灾方法，其特征在于，所述复合疏水剂是采用30％wt的阳离子十二烷基胺盐酸盐、20％wt的2-乙基己醇、10％wt的无水乙醇以及余量的水配制而成。
5.根据权利要求1所述的一种强冲击倾向煤层均匀注水防灾方法，其特征在于，所述疏水聚酯颗粒是采用以下方法制备而成的：
(1)按以下配比选取各原料：15％wt的衣康酸、7％wt的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、17％wt的三羟甲基丙烷、20％wt的纳米二氧化硅、7％wt的二氯二甲基硅烷、5％wt的氢氧化钠、12％wt的山梨醇、4％wt的对甲基苯磺酸以及13％wt的去离子水；
(2)将衣康酸和三羟甲基丙烷用去离子水溶解，加入纳米二氧化硅并使用搅拌器搅拌，然后加入酯化催化剂，采用恒温水浴锅将体系逐渐升温至105℃，保温15min；
(3)向步骤(2)体系内加入氢氧化钠和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸，然后将体系升温至150℃并保温0.5h，之后加入山梨醇，升温至180℃，反应2h后加入二氯二甲基硅烷对其中的纳米二氧化硅进行改性，将得到的聚酯原料采用造球机处理，得到1μm至0.01μm的颗粒，即为疏水聚酯颗粒。
6.根据权利要求1所述的一种强冲击倾向煤层均匀注水防灾方法，其特征在于：所述亲水剂由十二烷基硫酸钠和水配制而成，十二烷基硫酸钠的质量分数为1％。
7.根据权利要求1所述的一种强冲击倾向煤层均匀注水防灾方法，其特征在于，步骤(3)中：还包括通过温度传感器实时监测注水钻孔内温度并反馈至集成控制单元。
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