CN114151124B - 液碳-水智能循环加注致裂增润煤层的注水减尘方法 - Google Patents

液碳-水智能循环加注致裂增润煤层的注水减尘方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种液态CO2(液碳)‑水智能循环加注致裂增润煤层的注水减尘方法，包括：超前工作面施工注水钻孔后动压加注液碳，在煤层适当位置施工应变‑温度监测钻孔和水分探测钻孔以实时监测液碳致裂范围及压力水有效润湿区域，监测数据回传至智能分析及决策装置进行分析处理并下达控制命令，通过PLC系统调节液碳和水加注阀门开展循环加注作业，多次往复致裂增润煤体进而实现智能化源头减尘的目的。该方法综合运用先进的应变‑温度监测和水分增润探测等技术，结合自动控制原理与人工智能方法，形成了一套完整的感知‑传递‑决策‑控制体系，预期将显著提高注水减尘效率，有望为矿井粉尘防治提供变革性、智能化新方案。

Description

液碳-水智能循环加注致裂增润煤层的注水减尘方法
技术领域
本发明涉及一种煤层致裂增润智能循环加注减尘方法，尤其是一种液态CO2-水智能循环致裂增润提高煤层注水减尘效果的方法。
背景技术
矿尘作为煤矿的五大灾害之一，在采掘、支护、爆破、装载和运输等生产作业过程中都会大量产生，是所有生产矿井面临的共性难题。矿尘是矿山最严重的职业危害，广泛导致尘肺病，使患病工人痛苦不堪乃至死亡；矿尘还是矿山最主要的自然灾害之一，时常导致爆炸事故发生，严重威胁安全生产。近年来，随着采掘机械化程度的提高，开采强度和生产集中度大幅增加，产尘量和粉尘浓度也急剧上升。
煤层注水是一种前置预防性减尘措施，是防治矿尘的根本之策。然而，我国多数煤层属难注水煤层，其显著特征是地应力高、孔隙率低、渗透性差，传统煤层注水技术往往面临“水注不进”和“煤体假性润湿”的瓶颈，注水周期长、人工劳动强度大，注水减尘效果不理想。
发明内容
针对传统煤层注水减尘技术的不足，本发明提供一种液碳-水智能循环加注致裂增润煤层的注水减尘方法，其特征在于，将液态CO2运用于煤层注水减尘工艺，综合先进探测传感方法和自动化、智能化分析决策与控制技术实现矿尘的高效治理，具体如下：
一种液碳-水智能循环加注致裂增润煤层的注水减尘方法，包括以下步骤：
1.注水钻孔施工：超前工作面50～70m沿煤层倾角方向使用矿用地质钻机或岩石电钻施工所述注水钻孔，开孔位置距离底板2.0～2.5m，钻孔直径φ1＝60～100mm，钻孔间距15～30m，封孔长度＞20m，钻孔长度按以下公式计算：
L＝L1-S
式中，L为钻孔长度，m；L1为工作面长度，m；S为随煤层透水性与钻孔方向而变的参数，m，对于透水性弱的煤层，S一般取20m。
当主钻孔到达设计深度后，以主钻孔为圆心，利用水平定向钻机顺煤层360°均匀施工4～6个分支钻孔，各分支钻孔轴间距视情况在5～15m范围内选取；
2.加注系统构建：将液态CO2储罐、低温液体增压泵、耐低温金属软管、快速接头、高压胶管、分流器、耐低温注水钢管、安全阀等装置依次连接，水箱通过耐高压注水管路依次连接增压泵、过滤器等压力水加注、过滤装置，并经快速接头接入注水管路，耐低温注水钢管露出煤壁0.8～1.2m以便于后续管道连接，液碳、压力水输送分支管路及输送总路安装电磁阀用于后续加注流程控制，在管路适当位置安装压力传感器与流量传感器等用于流量、压力监测，采用注浆封孔方法对注水钻孔进行封孔，封孔长度15～25m，确保大于煤体松动带长度，防止注入水分大量渗出；
3.决策及控制系统构建：将计算机智能决策与分析装置通过电缆及数据接口与PLC控制器连接，计算机智能决策与分析装置可实现监测数据校正、转换和正反演分析计算，PLC控制器经通信电缆与液碳、压力水输送管路中的电磁阀连接以控制加注程序启停，同时连接总路电磁阀以控制加注流量和压力，经专用电源为PLC控制器及其所控制的电磁阀供给电能，计算机智能决策与分析装置设置在不含其他大型机电装置的硐室内，以减少外界电磁干扰对决策分析过程的影响；
4.温度-应变监测钻孔施工：在煤层适当位置自风巷向工作面回采方向施工若干仰倾超前监测钻孔，其倾向与风巷的水平夹角为10°～20°，仰角为30°～60°，孔深40～60m，孔径φ2＝40～60mm，控制垂高大于30m，控制平距大于40m。监测钻孔施工结束后，在孔口安装封孔装置，将贴服传感光缆的压力测试管送入监测钻孔中，压力测试管直径小于监测钻孔直径20～30mm用于注浆耦合，管件抗压强度不低于60MPa，弯曲强度不低于80MPa，传感光缆应变范围达1％，温度分辨率低于0.2℃，应变敏感性不低于450MHz/％，温度敏感性不低于2.5MHz/K，最大抗拉强度不低于40MPa。孔口用聚氨酯封闭后选取M7.5标号水泥沙浆对光纤监测钻孔进行全孔注浆，贴服传感光缆的压力测试管与围岩耦合为一个整体并外延，传感光缆经光纤法兰盘与通信光缆冷接后，沿巷道引至大巷与BOTDR数据采集仪连接，通信光缆采用多模光纤，额定抗拉强度不低于80MPa。待监测钻孔内水泥浆液凝固后，预置的分布式光纤传感装置即可获取各条传感光缆的初始应变分布，通过数据线将监测信息上传至数据分析及智能决策模块；
5.水分探测钻孔施工：垂直于迎头或顶底板施工孔深10～20m的探测钻孔作为瞬变电磁测点，测点间距10～15m，钻孔直径大于磁探头直径10～20mm，在探测钻孔内导入磁探头，发射线圈紧贴煤层放置，发射线圈采用边长小于3m的多匝小线框，发射线圈中心与磁探头轴心重合并通过电缆与发射机连接，磁探头经电缆与接收机连接用于接收多方位二次场数据；发射机通过电缆向发射线圈发送脉冲信号，发射线圈向煤层发射激励电磁场，接收机同步对煤层感应场信号进行接收，探测时，发射基本频率不低于25Hz，增益设为3，延迟设为0ms，电流不超过2.5A；由于润湿区域视电阻率值相对较低，引起的涡流场较强，所以，通过观测接收到的电磁场信号反应变化就可以掌握煤层中视电阻率值分布情况，进而得到压力水拓展润湿区域的具体信息；
6.液碳加注致裂煤层：打开液态CO2加注电磁阀，液碳经低温液体增压泵与耐低温注水钢管输送至注水钻孔，液碳输送与加注时压力P1≥2.0MPa，一般情况：(1～1.2)倍煤层瓦斯压力Pw≤注碳压力P1＜0.7倍上覆岩层压力Py，单管注碳流量控制在0.6～1.2m3/h；液碳通过低温冷冻、汽化膨胀、低黏高渗及酸化解堵等多重效应致裂煤层，当致裂钻孔沿径向方向产生卸压区域时，在垂直应力作用下，传感光缆和压力测试管随破碎煤体一同弯曲下沉，从而使传感光缆产生轴向应变，实现煤岩体孔裂隙网络发育连通范围的实时监测，监测结果经BOTDR数据采集仪初步处理后上传至数据分析及智能决策模块，初始致裂范围临界值设为10～15m，循环步长K1＝5～10m，相应软件分析致裂结果达设定值时下达决策命令至自动控制装置，PLC 通过接收数字式操作指令来控制液碳输送管路电磁阀的关闭，从而停止低温液碳加注；
7.压力水加注润湿减尘：液碳停止加注后，煤层自然回温，分布式光纤传感系统监测的煤层温度变化信息，待温度回升至-2℃时数据分析及智能决策模块即下达命令控制压力水加注电磁阀启动，开始煤层注水作业，压力水输送与加注时压力P2不超过8MPa，单管注水流量2.4～4m3/h，压力水在前期致裂阶段形成的孔裂隙网络中运移、渗流并进一步拓展连通范围，水分润湿煤岩体，包裹原生粉尘并劣化煤体强度，发挥源头减尘作用；初始润湿范围临界值为10～15m，循环步长K2＝8～18m，瞬变电磁探测装置接收到的探测数据经初步处理后上传至数据分析及智能决策模块，待校正、转换和正反演分析计算达设定值后下达决策命令至自动控制装置，关闭压力水加注阀门并重启液碳加注作业，至此，完成一次液碳-水智能循环加注。
本发明与传统煤层注水方法相比，具有以下优点：
第一，致裂增润效果好。本发明采用致裂性能优异的液态CO2作为致裂液，其具备的低温冷冻、汽化膨胀、高渗低黏及酸化解堵等理化性质会对煤岩体产生额外的致裂效应，将传统水力增渗方法中单纯依靠水压致裂转变为低温-高压-汽化膨胀复合致裂，使得煤体原生裂隙不断扩展，形成裂隙网络，进而提高煤层可注性与润湿性；
第二，致裂增润监测体系完善。本发明所使用的分布式光纤传感和瞬变电磁探测等方法涵盖低温液碳致裂煤岩和压力水增润减尘两个主要过程，监测范围广、精度高、时效性好，所采用的相关技术及装置完全适用于煤矿井下的特殊环境，能够有效保障液碳、水加注过程及煤层致裂、增润效果的全方位、立体化、多角度、实时监测；
第三，智能化、自动化程度高。本发明创新性地将人工智能与自动控制的相关技术与装备运用到煤层注水方法中，构建了液态CO2-水循环加注与致裂增润效果实时监测为一体的矿井智能化注水减尘方法，形成一套完整的感知-传递-决策-控制体系，从而实现煤层注水智能监测与调控，预期将大幅提高煤层注水减尘效率与智能化水平。
附图说明
图1是液碳-水智能循环加注致裂增润煤层的注水减尘方法示意图；
图2是液碳-水智能循环加注实施体系组成示意图。
具体实施方式
首先，超前工作面60m沿煤层倾角方向使用ZDY120S型煤矿用液压钻机施工6个主钻孔，编号 1#～6#，开孔位置距离顶底板2.5m，钻孔直径φ1＝80mm，钻孔间距25m，钻孔长度根据开采工作面长度、煤层透水性以及钻孔方向等情况确定为120m。当主钻孔到达设计深度后，以主钻孔为圆心，使用KHYD-140 型水平定向钻机顺煤层360°均匀布置6个分支钻孔，分支钻孔轴向间距取为15m；
紧接着，将安装有模块式专用软件包的计算机智能决策与分析装置通过电缆及数据接口与 AFPX-AD2型PLC控制器连接，计算机智能决策与分析装置可实现监测数据校正、转换和正反演分析计算，PLC控制器经通信电缆与液碳、压力水输送分支管路中的电磁阀连接以控制加注启停，同时连接输送总路电磁阀以控制加注流量和压力，在PLC控制器内部预先存储执行逻辑运算、液碳-水加注顺序控制等操作的指令，并通过数字式的输入输出来执行控制任务，经专用电源为PLC控制器及其所控制的电磁阀供给电能，计算机智能决策与分析装置设置在不含其他大型机电装置的绞车房中，以确保决策分析过程不受外界电磁干扰；
其次，将液态CO2储罐、DWB100-1200/100型低温液体增压泵、耐低温金属软管、安全阀、快速接头、高压胶管、分流器及耐低温注水钢管等装置依次连接并导入注水钻孔，水箱通过耐高压注水管路依次连接25SG4-20型增压泵、过滤器、分流器、安全阀等压力水加注与控制装置，并经快速接头接入注水管路，耐低温主注水钢管露出煤壁1.2m以便于后续管道连接，液碳、压力水分支管路出口0.5m及输送总路汇合点后0.5m各安装一个ZCS25电磁阀用于后续加注程序控制，在液碳、压力水管路以及总路的适当位置依次安装DA21F-40P型安全阀、DXF(6-30)管式单向阀、GPD35矿用本安型压力传感器与GLW30 矿用本安型流量传感器用于流量、压力监测与控制，采用注浆封孔方法对注水钻孔进行封孔，封孔长度 25m，防止注入水分大量渗出；
接下来，在3#、4#钻孔中间位置自风巷向工作面回采方向施工仰倾超前应变-温度监测钻孔，钻孔倾向与风巷的水平夹角为20°，仰角为30°，孔深50m，孔径φ2＝60mm，控制垂高45m，控制平距60m。监测钻孔施工结束后，将贴服传感光缆的压力测试管送入监测钻孔中，传感光缆长度45m，测试管直径小于监测钻孔直径30mm用于注浆耦合，管件额定额定抗压强度60MPa，额定弯曲强度80MPa，传感光缆应变范围达1％，温度分辨率0.2℃，应变敏感性为450MHz/％，温度敏感性为2.5MHz/K，最大抗拉强度 40MPa。孔口用聚氨酯封闭后，将添加少量速凝剂的M7.5标号水泥砂浆使用BFK-10/2.4型矿用封孔泵运送至监测钻孔进行全孔注浆，贴服传感光缆的压力测试管与围岩耦合为一个整体并外延，传感光缆经光纤法兰盘与通讯光缆冷接后，沿巷道引至大巷与DTS0138CH型BOTDR数据采集仪连接，通讯光缆采用多模光纤，额定抗拉强度80MPa。待监测孔内水泥浆液凝固后，预置的分布式光纤传感装置即可获取各条传感光缆的初始应变分布并进一步将监测信息上传至数据分析及智能决策模块；
在1#、2#以及5#、6#钻孔中间垂直于迎头方向施工孔深20m的瞬变电磁探测钻孔，钻孔直径大于磁探头直径20mm，在探测孔内导入J-TEM-70K型磁探头，发射线圈紧贴煤层放置，发射线圈中心与磁探头轴心重合并通过电缆与TEM-47HP发射机连接，磁探头经电缆与ProTEM数字接收机连接用于接收多方位二次场数据；发射机通过电缆向发射线圈发送脉冲信号，发射线圈向煤层发射激励电磁场，接收机同步对煤层感应场信号进行接收，进而通过BETEM软件反演出压力水拓展润湿区域的具体信息，探测时，发射线圈基本频率为25Hz，增益设为3，延迟设为0ms，电流2.5A；
然后，打开液态CO2加注阀门，液碳经低温液体增压泵与耐低温注水钢管输送至注水钻孔，液碳输送与加注时压力P1＝3.0MPa，单管注碳流量维持在Q1＝1.2m3/h；液碳通过低温冷冻、汽化膨胀、低黏高渗及酸化解堵等多重效应致裂煤层，分布式光纤传感装置实时监测煤岩体孔裂隙网络发育连通范围，监测结果经BOTDR数据采集仪初步处理后上传至数据分析及智能决策模块，当首次致裂范围平均值达10m时，相应软件即下达决策命令至自动控制装置，PLC通过接收数字式操作指令来控制液碳输送管路电磁阀，从而停止低温液碳加注；
液碳停止加注后，煤层自然回温，分布式光纤传感系统监测煤层温度变化信息，待温度回升至-2℃时数据分析及智能决策模块下达命令控制压力水加注阀门启动，开始煤层注水作业，压力水加注时P2＝8 MPa，单管注水流量Q2＝4m3/h，水分在前期致裂阶段形成的孔裂隙网络中运移、渗流并进一步拓展连通范围，水分润湿煤岩体，包裹原生粉尘并劣化煤体强度，发挥源头减尘作用；当监测数据显示平均润湿范围临界值为12m时，数据分析及智能决策模块即下达决策命令至自动控制装置，关闭压力水加注阀门并重启液碳加注阀门，至此，完成一次液碳-水智能循环加注致裂增润减尘；
最后，多次重复上述加注程序后，在注水钻孔周围施工考察孔，获取煤样并检测水分增量，以煤样水分增量2.5％及以上作为完成注水减尘的判断标准，停止液碳-水循环加注工作；
需要进一步说明的是，本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明的精神所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充，或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或权利要求书所定义的范围。

Claims (8)

1.液碳-水智能循环加注致裂增润煤层的注水减尘方法，其特征在于，步骤如下：
a.注水钻孔施工：超前工作面沿煤层倾角方向在适当位置施工注水钻孔及分支钻孔；
b.加注系统构建：将液态CO2储罐、低温液体增压泵、耐低温金属软管、快速接头、高压胶管、分流器及耐低温注水钢管依次连接，压力水由水箱并经增压泵、耐高压注水管路、过滤器和快速接头接入注水管路，液碳、压力水输送分支管路及输送总路安装电磁阀用于后续加注流程控制，在管路适当位置安装安全阀、压力传感器和流量传感器用于流量、压力监测与调控，采用注浆方法对注水钻孔进行封孔；
c.决策及控制系统构建：将计算机智能决策与分析装置通过电缆与PLC控制器连接，PLC控制器经通信电缆与液碳、压力水输送分支管路中的电磁阀连接以控制加注程序启停，同时连接总路电磁阀以控制加注流量和压力，PLC控制器及其所控制的电磁阀由专用电源供给电能，计算机智能决策与分析装置设置在不含其他大型机电装置的硐室内，以确保决策分析过程不受外界电磁信号干扰；
d.应变-温度监测钻孔施工：在煤层适当位置施工应变-温度监测钻孔，将贴服传感光缆的压力测试管送入监测钻孔中，孔口用聚氨酯封闭后进行全孔注浆，使之耦合为一个整体；监测装置经通信光缆与布里渊光时域反射数据采集仪(BOTDR)连接并通过专用电缆将监测信息上传至数据分析及智能决策模块；
e.水分探测钻孔施工：在巷道适当位置施工水分探测钻孔，发射机通过电缆向发射线圈发送脉冲信号，发射线圈向煤层发射激励电磁场，接收机经磁探头同步对地质体感应场信号进行接收，进而分析、反演得到压力水拓展润湿区域的具体信息并通过专用电缆将监测数据上传至数据分析及智能决策模块；
f.液碳加注致裂煤层：液态CO2加压输送至注水钻孔并致裂煤体，煤体破碎引起压力测试管弯曲下沉，从而使传感光缆产生轴向应变，监测结果经BOTDR数据采集仪初步处理后上传至数据分析及智能决策模块，相应软件分析致裂结果达设定值时下达决策命令至自动控制装置，关闭液碳加注管路电磁阀，停止注碳；
g.压力水加注润湿减尘：煤层自然回温，分布式光纤传感系统监测煤层温度变化信息并控制压力水加注电磁阀启动，进行煤层注水作业；瞬变电磁探测装置监测压力水拓展润湿区域信息并上传至数据分析及智能决策模块，经分析、判断达设定值后下达决策命令至自动控制装置，关闭压力水加注电磁阀并重启液碳加注作业，至此，完成一次液碳-水智能循环加注。
2.根据权利要求1所述的液碳-水智能循环加注致裂增润煤层的注水减尘方法，其特征在于：所述注水钻孔超前工作面50～70m，开孔位置距离底板2.0～2.5m，钻孔直径60～100mm，钻孔间距15～30m，封孔长度＞20m，以确保液碳和水加注时不会大规模泄漏。
3.根据权利要求1所述的液碳-水智能循环加注致裂增润煤层的注水减尘方法，其特征在于：所述应变-温度监测钻孔为超前测孔，内置探测装置在空间上与注水钻孔交叉分布，孔径40～60mm，监测钻孔倾向与风巷的水平夹角为10°～20°，仰角为30°～60°，孔深40～60m；监测钻孔灌注时应选择强度较低且变形参数接近于煤层的浆液。
4.根据权利要求1所述的液碳-水智能循环加注致裂增润煤层的注水减尘方法，其特征在于：所述液碳输送与加注时压力P1≥2.0MPa，其中：(1～1.2)倍煤层瓦斯压力Pw≤注碳压力P1＜0.7倍上覆岩层压力Py，单管注碳流量0.6～1.2m3/h；所述压力水输送与加注时压力P2不超过8MPa，单管注水流量2.4～4m3/h。
5.根据权利要求1所述的液碳-水智能循环加注致裂增润煤层的注水减尘方法，其特征在于：所述水分探测钻孔，孔深10～20m，测点间距60～80m，在探测钻孔内导入磁探头，发射线圈紧贴煤层放置，发射线圈几何中心点与磁探头重合并通过电缆与发射机连接，磁探头经电缆与接收机连接用于接收监测数据。
6.根据权利要求1所述的液碳-水智能循环加注致裂增润煤层的注水减尘方法，其特征在于：所述发射线圈采用边长小于3m的多匝小线框，基本频率不低于25Hz，增益设为3，延迟设为0ms，电流不超过2.5A。
7.根据权利要求1所述的液碳-水智能循环加注致裂增润煤层的注水减尘方法，其特征在于：所述压力水拓展、润湿范围实时监测，矿井瞬变电磁法视电阻率的计算满足以下计算式：
Figure FDA0003974644120000011
式中，C—全空间响应系数，其值根据探测环境和位置而定；μ0均匀半空间磁导率；S—接收回线线圈等效面积；s—发射线圈等效面积；N—接收回线线圈匝数；n—发射线圈匝数；t—二次场衰减时间；V/I—归一化二次场电位值。
8.根据权利要求1所述的液碳-水智能循环加注致裂增润煤层的注水减尘方法，其特征在于：所述致裂、温度及润湿效果监测信息经各数据线传至数据分析及智能决策模块，经相应软件及算法分析处理后下达决策命令至液碳/水加注自动控制模块，初始致裂范围临界值设为10～15m，循环步长K1＝5～10m，初始润湿范围临界值设为10～15m，循环步长K2＝8～18m，最大循环次数5次，K1与K2间满足K2＝2K1-2关系式。
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