一种坚硬煤层注水防冲方法与系统与流程

1.本发明属于煤层开采技术领域，尤其涉及一种坚硬煤层注水防冲方法与系统。


背景技术：

2.随着煤层采掘深度的增加，频繁的冲击地压灾害造成了大量的人员和财产损失，严重制约了我国煤炭安全高效开采，威胁了我国基础能源的有效供给，引起了全社会的广泛关注。煤层注水是我国煤层防冲的最普遍利用的方法，其高效实施事关冲击地压防治成效。在煤层众多地质状况中，对于坚硬煤层由于其结构致密、强度大等特点，存在注水时间长、注水效率低、效果差、设备损耗严重等问题。
3.综上，有必要革新现有的注水工艺，以实现坚硬煤层注水效率的提升。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的在于提供一种坚硬煤层注水防冲方法与系统，旨在提升坚硬煤层的注水效率。
5.为此，本发明实施例一方面提供的坚硬煤层注水防冲方法，包括如下步骤：
6.步骤1、在煤层围岩上施作钻孔；
7.步骤2、利用高压水射流在钻孔中切割水射流切缝,以增强钻孔周边围岩渗透性；其中，高压水射流中混入有设定比例的细砂，水中细砂在高水压冲击作用下将嵌入水射流切缝周围的裂隙中；
8.步骤3、通过钻孔向煤层围岩注水，对煤层进行水力致裂，在煤层中形成煤层卸压带；
9.步骤4、当注水量无明显变化时，停止注水并在不影响钻孔周边围岩裂隙内水的赋存状态前提下，将钻孔中的水砂混合物抽出；
10.步骤5、对钻孔周边围岩进行微波加热，利用裂隙中细砂与煤层围岩(7)存在的吸波能力差异，引起围岩裂隙壁面受热不均，增加裂隙壁面毁伤。
11.具体的，步骤3注水过程中，在水中混入有碳酸氢钠。
12.具体的，步骤3注水过程中，通过冲击波发生器对钻孔内的注水施加高能冲击波。
13.具体的，冲击波发生器包括液态co2相变器，所述液态co2相变器用于将液态co2气化成高压co2气体并排至钻孔内的注水中。
14.具体的，步骤3注水过程中，在水中还混入有特定比例的细砂。
15.具体的，水射流切缝沿钻孔的圆周方向均布布置多条，每条水射流切缝沿钻孔的轴向延伸。
16.具体的，水射流切缝为宽度朝向钻孔逐渐变大的三角形切缝。
17.本发明实施例另一方面提供的坚硬煤层注水防冲系统，包括：
18.注水管，用于向煤层围岩上的钻孔进行注水，所述注水管的侧壁上均布有注水孔；
19.注水泵，与通过水管与所述注水管连通；
20.细砂添加器，设置在所述注水管上，用于向所述注水中添加细砂；
21.遮蔽外管，可拆卸的匹配套在所述注水管外，用于将所述注水管上的注水孔遮蔽；
22.多条纵向条缝，均匀分布在所述遮蔽外管的管壁上，以将所述注水管上的注水孔部分暴露；
23.微波发生器，设置于所述注水管上，用于向所述钻孔内馈入微波并使钻孔周边围岩产生自热。
24.具体的，还包括设置于所述水管上的碳酸氢钠添加器，所述碳酸氢钠添加器用于向所述注水中添加碳酸氢钠。
25.具体的，还包括对钻孔内的注水施加高能冲击波的冲击波发生器，所述冲击波发生器包括液态co2相变器，所述液态co2相变器用于将液态co2气化成高压co2气体并排至所述水管中。
26.与现有技术相比，本发明至少一个实施例具有如下有益效果：通过水射流切缝、高压注水、微波加热结合细砂垫孔增注等一系列集成创新，以水射流切缝优化钻孔围岩注水结构，增强围岩渗透，以细砂垫孔与微波加热增强钻孔围岩的损伤与渗透能力，促进水的入渗，实现钻孔增注与围岩损伤的目的，以有效遏制冲击地压的发生。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1为本发明实施例提供的坚硬煤层注水防冲系统结构示意图；
29.图2是本发明实施例涉及的注水管与遮蔽外管装配示意图；
30.图3是本发明实施例涉及的液态co2相变器结构示意图；
31.图4是本发明实施例涉及的水射流切缝在钻孔孔壁上的分布示意图；
32.其中:1、注水管；2、注水泵；3、细砂添加器；4、遮蔽外管；5、纵向条缝；6、微波发生器；7、煤层围岩；8、钻孔；9、注水孔；10、注水控制阀；11、细砂添加控制阀；12、碳酸氢钠添加器；13、碳酸氢钠添加控制阀；14、液态co2相变器；141、密闭罐体；142、活塞；143、加热元件；144、卸能口；145、弹性复位件；15、液态co2储存器；16、控制单元；17、注浆泵；18、封孔材料；19、水射流切缝。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或
位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
35.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
36.本发明实施例一方面提供的坚硬煤层注水防冲方法，包括如下步骤：
37.步骤1、在煤层围岩上施作钻孔；
38.步骤2、利用高压水射流在钻孔中切割水射流切缝,以增强钻孔周边围岩渗透性；其中，高压水射流中混入有设定比例的细砂，水中细砂在高水压冲击作用下将嵌入水射流切缝周围的裂隙中；
39.步骤3、通过钻孔向煤层围岩注水，在高压水流的冲击作用下，使高压水冲击入煤体的层理、节理中，使煤体逐渐龟裂，产生较大裂隙，破坏煤体的整体性，使煤体脆性减弱，塑性增强，从而改变了煤体的物理力学性质，使煤体失去了冲击倾向性，在煤层中形成煤层卸压带；
40.煤体内部结构中注入大量水之后，煤体在水的浸泡作用下，促使煤体塑性变形区增加，实现高应力区向未注水软化的煤体侧转移，降低了煤体的应力集中程度；
41.步骤4、当注水量无明显变化时，停止注水并在不影响钻孔周边围岩裂隙内水的赋存状态前提下，将钻孔中的水砂混合物抽出；
42.步骤5、对钻孔周边围岩进行微波加热。
43.本实施例的主要创新点如下：1)以水射流切缝优化钻孔围岩注水结构，增强围岩渗透，2)通过巧妙的在高压水射流中混入细砂，引入的细砂不仅能够增强水的切割能力，使得切割缝的壁面粗糙、产生微裂缝，还能够在高水压冲击作用下进入切割缝周围的微裂隙，起到支撑裂隙，改善二次注水时裂隙状态的目的；3)注水完成后，通过对钻孔周边围岩进行微波加热，由于支撑裂隙壁面的细砂与钻孔围岩存在吸波能力的差异，这将导致温度的差异，引起围岩裂隙壁面受热不均，增加裂隙壁面的毁伤，促进微裂隙的进一步拓展，增加煤层含水量及注水范围，以进一步有效遏制冲击地压的发生。
44.综上，本实施例中通过水射流切缝、高压注水、微波加热结合细砂垫孔增注等一系列集成创新，增加煤层裂隙，降低煤层地应力，增加煤层含水量及注水范围，促使煤体塑性变形区增加，实现高应力区向未注水软化的煤体侧转移，降低了煤体的应力集中程度，从而起到较好的防冲效果。
45.可以理解的是，对于本领域技术人员来说，；细砂的添加量及粒径可以根据实际情况进行适应性调节，如本实施例中，水砂质量比为35
‑
40：1，细砂的粒径控制在1um
‑
30um。
46.在一些实施例中，在步骤3注水过程中，在水中还混入有碳酸氢钠，这样设计的优点在于，在微波加热的情况下，水中的碳酸氢钠溶液分解产生co2气体，使得裂隙内部膨胀，加上微波导致的裂隙强度降低，使得裂隙更容易在膨胀力的作用下产生破坏，增加围岩裂隙密度，进一步降低围岩应力集中，使得煤层注水更好的达到促进巷道围岩高应力向深部转移的目的。
47.在另一些实施例中，在步骤3注水过程中，通过冲击波发生器对钻孔内的注水施加
高能冲击波，冲击波发生器包括液态co2相变器，液态co2相变器用于将液态co2气化成高压co2气体并排至钻孔内的注水中。
48.本实施例中，注水过程中，液态co2相变器施加的脉冲高能冲击波，不仅能够对水产生强震动，使得水产生激波，而且混入水中的气态co2能够在水中产生气泡，气泡的参与能够增加裂隙壁面的腐蚀，进一步对增加注水致裂效果。
49.在另一些实施例中，在步骤3注水过程中，在水中同样可以混入特定比例的细砂，此处引入细砂的作用与步骤2中作用基本相同，在此不再赘述。
50.可以理解的是，在实际应用中，水射流切缝沿钻孔的圆周方向均布布置多条，每条水射流切缝沿钻孔的轴向延伸，这样设计的目的，在于可以对钻孔周边围岩均匀增透，保证裂隙拓展的均匀性。为进一步实现围岩的增透，水射流切缝可以设计为宽度朝向钻孔逐渐变大的三角形切缝。
51.参见图1和图2，本发明实施例另一方面提供的坚硬煤层注水防冲系统，包括注水管1、注水泵2、细砂添加器3、遮蔽外管4、多条纵向条缝5和微波发生器6；其中，注水泵2通过水管与注水管1连通，注水管1安装在煤层围岩7上的钻孔8中，注水管1的侧壁上均布有注水孔9，致裂水在注水泵2提供的泵压作用下通过注水管1注入钻孔8中，细砂添加器3设置在注水管1上，通过细砂添加器3可以向水管中的注水中添加细砂，水管上设有注水控制阀10，在细砂添加器3与水管之间设有细砂添加控制阀11，遮蔽外管4可拆卸的匹配套在注水管1外，从而将注水管1上的注水孔9遮蔽，多条纵向条缝5沿遮蔽外管4的圆周方向均匀设置在遮蔽外管4的管壁上，以将注水管1上的注水孔9部分暴露，纵向条缝5沿遮蔽外管4的轴向延伸，微波发生器6设置于注水管1上，用于向钻孔8内馈入微波并使钻孔8周边围岩产生自热。
52.参见图1和图2，利用上述结构的坚硬煤层注水防冲系统工作过程如下：
53.在进行钻孔8卸压前，通过细砂添加器3向水中混入少量细砂，将注水管1放入钻孔8，打开注水控制阀10，使得注水管1路畅通，启动注水泵2，注水从纵向条缝5对应位置处的注水孔9高速喷出，这里水作为流体，在高压冲击作用下本身具有切割能力，可以对钻孔8孔壁进行水射流切缝，而且水中细砂的参与不仅能够增强水的切割能力，使得切割缝的壁面粗糙、产生微裂缝，还能够在高水压冲击作用下进入切割缝周围的微裂隙，起到支撑裂隙，改善二次注水或者水沙气泡冲击时的裂隙状态；
54.水射流切缝完成后，关闭注水控制阀10，切断注水管1路，然后拆除遮蔽外管4，将注水管1上的注水孔9全部外露，并通过注浆泵17注浆，利用封孔材料18将钻孔8开口封闭，从而在钻孔8与注水管1之间形成密闭的注水腔；
55.此后，启动注水泵2，打开注水控制阀10，通过钻孔8向煤层围岩7注水，在高压水流的冲击作用下，使高压水冲击入煤体的层理、节理中，使煤体逐渐龟裂，产生较大裂隙，破坏煤体的整体性，使煤体脆性减弱，塑性增强，从而改变了煤体的物理力学性质，使煤体失去了冲击倾向性，在煤层中形成煤层卸压带，煤体内部结构中注入大量水之后，煤体在水的浸泡作用下，促使煤体塑性变形区增加，实现高应力区向未注水软化的煤体侧转移，降低了煤体的应力集中程度；
56.当注水量无明显变化时，停止注水并在不影响钻孔8周边围岩裂隙内水的赋存状态前提下，将钻孔8中的水砂混合物抽出，并利用微波发生器6向钻孔8内馈入微波使钻孔8周边围岩产生自热，不仅能够使得钻孔8周边围岩产生损伤，强度降低，而且由于支撑裂隙
壁面的细砂、裂隙内的水与钻孔8围岩存在吸波能力的差异，这将导致温度的差异，引起围岩裂隙壁面受热不均，增加裂隙壁面的毁伤，促进微裂隙的进一步拓展，增加煤层含水量及注水范围，以进一步有效遏制冲击地压的发生。
57.本实施例涉及的坚硬煤层注水防冲系统集水射流切缝、高压注水、微波加热与细砂垫孔增注等技术与一体，可以增加煤层裂隙，降低煤层地应力，增加煤层含水量及注水范围，促使煤体塑性变形区增加，实现高应力区向未注水软化的煤体侧转移，降低了煤体的应力集中程度，从而起到较好的防冲效果。
58.参见图1，具体的，该注水防冲系统还包括碳酸氢钠添加器12和冲击波发生器，碳酸氢钠添加器12设置在水管上，用于向注水中添加碳酸氢钠，在碳酸氢钠添加器12与水管之间设有碳酸氢钠添加控制阀13，冲击波发生器用于对钻孔8内的注水施加高能冲击波，冲击波发生器包括液态co2相变器14，液态co2相变器14用于将液态co2气化成高压co2气体并排至水管中，至于液态co2相变器14和微波发生器6的具体结构均为现有技术，在此不再赘述。
59.上述结构的注水防冲系统，在步骤3注水过程中，通过冲击波发生器可以对钻孔8内的注水施加高能冲击波，注水过程中，液态co2相变器14施加的脉冲高能冲击波，不仅能够对水产生强震动，使得水产生激波，而且混入水中的气态co2能够在水中产生气泡，气泡的参与能够增加裂隙壁面的腐蚀，进一步对增加注水致裂效果。同时，在微波加热的情况下，水中的碳酸氢钠溶液分解产生co2气体，使得裂隙内部膨胀，加上微波导致的裂隙强度降低，使得裂隙更容易在膨胀力的作用下产生破坏，增加围岩裂隙密度，进一步降低围岩应力集中，使得煤层注水更好的达到促进巷道围岩高应力向深部转移的目的。
60.参见图1和图3，具体的，液态co2相变器14包括密闭罐体141和滑动设置在密闭罐体141内的活塞142，活塞142将密闭罐体141分隔为相互独立密封的反应室和卸能室，反应室内设有加热元件143，反应室位于卸能室的上方，在卸能室上设有卸能口144，卸能口144通过卸能管与注水控制阀10下游的水管连通，反应室通过进液管与液态co2储存器15的底部连通，在卸能室内设有带动活塞142向反应室方向移动的弹性复位件145。
61.本实施例中，加热元件143对反应室内的液态co2进行加热，液态co2气化成高压co2气体并迅速膨胀带动活塞142下移，当活塞142移动至卸能口144位置处时，高压co2气体从卸能口144高速排出，并输送至水管中，从而对水管内的水砂混合物施加高能冲击波，当卸能完成后，弹性元件带动活塞142上移复位，与此同时，因反应室内气压变小，液态co2储存器15中的液态co2被自动吸附至反应室内，实现液态co2的自动补充。此外，该注水防冲系统还可以增设控制发热元件与注水控制阀10交替开启的控制单元16。
62.参见图3和图4，在一些实施例中，位于每条纵向条缝5内的注水孔9沿纵向条缝5的宽度方向成排布置，每排包括多个沿纵向条缝5延伸方向均布的多个注水孔9，位于纵向条缝5的纵向中心面两侧的各个注水孔9均朝向中心面向内倾斜布置，每排中各个注水孔9的喷射方向相互平行，这样设计的目的在于，通过上述结构的注水孔9水射流切缝后，形成的水射流切缝19为宽度朝向钻孔8逐渐变大的三角形切缝，从而可以进一步实现围岩的增透。
63.上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法
穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。
64.同时，上述本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接(例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构(例如使用铸造工艺一体成形制造出来)所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
65.另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。
66.上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。