专利名称：高压脉动注水防治煤岩动力灾害的方法及装备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种煤矿安全生产防治技术，尤其涉及一种高压脉动注水防 治煤岩动力灾害的方法及装备。
背景技术：
在煤矿生产过程中，煤与瓦斯突出、冲击矿压等煤岩动力灾害的发生， 经常会造成大量人员伤亡，给矿井工作者带来极大的精神和心理压力，同 时，也会影响煤矿的经济效益。近年来，随着矿井开采深度和强度的增加， 煤岩动力灾害逐年增加、愈发严重，更成为了当前煤矿需要首先解决的问题。
在现有矿井防突技术中，许多水力化措施正在得到推广和应用，其特点
都是用水作为处理煤层瓦斯的手段。水力化措施按性质可分为三大类第一 类，把水作为湿润剂，向煤层注水湿润煤体，改变引起突出的因素，包括煤 层的瓦斯动力学性质及物理力学性质。第二类是把水作为动力，在煤层中形 成人工空腔、槽缝和裂缝，或者扩大已有的裂缝以及促使煤体发生位移，达 到卸压和排放瓦斯的作用，从而起到防止突出的效果。如水力冲刷、水力割 缝、水力压裂及水力挤出等。第三类是用水作为部分动力，激发突出潜能的 释放，如水力冲孔等。而冲击矿压的防治手段主要采用卸载钻孔、预裂卸压 爆破、诱发爆破和煤层预注水等措施。
上述现有技术虽然在一定程度上解决了部分问题，降低了煤岩动力灾害 的发生，但至少存在以下缺点工艺较复杂、防突和防冲击效果不理想，如 何进一步改进注水技术，提高防突和防沖击效果就成为本发明要解决问题。
发明内容
鉴于上述现有技术不足，本发明旨在提供一种工艺简单、效果明显的利 用高压脉动注水防治煤岩动力灾害的方法及装备。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的
一种高压脉动注水防治煤岩动力灾害的方法，通过钻孔向矿井煤层中注 入脉动高压水，脉动高压水是指带有一定压力并且压力周期性变化的水。 所述钻孔的数量为一个或一个以上。 所述钻孔是指从矿井巷道向矿井煤层中打孔。 所述注水的压力最大为25MPa。
一种高压脉动注水防治煤岩动力灾害的装置，包括高压供水系统，还包 括脉冲压力水输出系统和气动调频控制系统，脉冲压力水输出系统分别与高 压供水系统和气动调频控制系统连接，脉冲压力水输出系统接受气动调频控 制系统的控制将高压供水系统提供的高压水脉动注入到钻孔中。
所述气动调频控制系统包括气动调频回路和与气动调频回路配合使用的 气控阀，气动调频回路和气控阀分别与外接气源连通，气动调频回路负责产 生脉沖控制，气控阀将外接气源转换为脉沖控制信号输出到脉沖压力水输出 系统。
所述气动调频回路包括两个两位五通阀、两只控制气容和一个频率调节 阀，两只控制气容和两只两位五通阀构成交变矩形波脉沖回路，频率调节阀 连接在两位五通阀的调节回路上，频率调节阀限制流过调节回路上的气体流 量。
所述气动调频回路还包括两个调节气容，调节气容分别连接在调节回路 上两位五通阀与两个控制气容之间的连接通路上，两个调节气容分别调节两 个控制气容的气体容量。所述脉冲压力水输出系统包4舌换向阀、出水口、高压溢流阀、l氐压溢流 阀、过滤器和排渣阀，所述换向阀连接在出水口与高压供水系统之间的连接 管路上，换向阀接受气控阀的控制，高压溢流阀连接在高压供水系统与换向 阀之间，低压溢流阀连接在换向阀的水流回路上，过滤器和排渣阀连接在出 水口与换向阀之间。
所述脉沖压力水输出系统中还至少包括一套与换向阀并联并且水流控制 方向相反的反向换向阀及出水口，反向换向阀同时接受气控阀的控制，反向 换向阀连接在高压溢流阀与换向阀之间的连接管路上，反向换向阀的水流回 路与低压溢流阀连通。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的高压脉动注水防 治煤岩动力臾害的方法，通过对煤层上的钻孔注入脉动高压水， 一方面可以 使水渗入到不同的裂隙、孔隙中，增加煤体的润湿性，同时，还可使裂隙不
断贯通、扩大，扩大润湿半径，最大范围地改变煤层的物理力学性质；另一 方面，通过周期性的脉动高压水作用于煤体，不同压力下的水可以对煤体的 裂隙孔隙产生"膨胀-收缩-膨胀"的反复作用，最大限度的使煤体力学性 质发生改变，减低或消除煤层突出的危险性。而脉动高压水的注入还有利于 游离高压瓦斯的排放，减少煤体中的瓦斯含量，提高安全生产系数，保证生 产安全进行。
根据此方法制作的高压脉动注水防治煤岩动力灾害的装置，利用气动调 频控制系统控制脉冲压力水输出系统，使高压供水系统提供的高压水脉动注 入到钻孔中，结构简单、操作可靠，两个出水口在气控阀及换向阀和反向换 向阀的联合控制下，始终保持一个出水口出水、另一个出水口进水的状态， 既节省了能源，又有利于在钻孔内产生脉冲压力，整个工艺过程简单、防治 效果好，特别适合防治煤岩动力灾害时对钻孔注水使用。
图l为本发明的结构原理图。
具体实施例方式
本发明所述的高压脉动注水防治煤岩动力灾害的方法，首先，从矿井巷
道向矿井煤层中打孔，通常为两个钻孔；接着，将脉动高压水注入到矿井煤 层的钻孔中，脉动高压水进入煤层中后，不仅能渗入到不同的裂隙、孔隙 中，增加煤体的润湿性，还能使裂隙不断贯通、扩大，扩大润湿半径，改变 煤层物理力学性质，同时，周期性脉动高压水还可对煤体裂隙、孔隙产生 "膨胀-收缩-膨胀"的反复作用，减低或消除煤层突出的危险性。注水 时，脉动高压水的最高压力为25MPa，其中脉动的^f氐压和高压均可以调节， 以保证煤层注水后的防治效果和使用安全，而打孔的数量也可根据实际需要 而设定。
下面结合附图l对本发明所述高压脉动注水防治煤岩动力灾害的装置作进 一步的描述
与高压脉动注水防治煤岩动力灾害方法配合使用的注水装置，包括高压 供水系统、气动调频控制系统和脉沖压力水输出系统。其中，高压供水系统 负责高压水的输出，主要包括进水岡控制的高压柱塞泵3和为高压柱塞泵3提 供动力的气源三联体1和气动马达2。
气动调频控制系统由单独的气源二联体ll提供，气动调频控制系统负责 产生脉冲气流控制脉冲压力水输出系统工作。气动调频控制系统包括气动调 频回路和与气动调频回路配合使用的气控阀12,气控阀12为一个气控两位五 通阀，气动调频回路和气控阀12分别与气源二联体11连通，气动调频回路又 包括两个两位五通阀13， 16、四只气容和一个频率调节阀15，其中两只控制气容14和两只两位五通阀13， 16构成交变矩形波脉沖回路，负责对外输出脉 沖控制信号，两只调节气容17分别连接在调节回路上两位五通阀16与两个控 制气容14之间的连接通路上，两只调节气容17用于调节两个控制气容14的气 体容量大小，控制两个控制气容14充气的快慢。频率调节阀15连接两位五通 阀16的调节回路上，频率调节阀15限制流过调节回路上的气体流量，控制获 得脉冲控制信号的频率。两只两位五通阀13， 16在两只控制气容14的作用下 往复变换接通方向，使流出两位五通阀13的气流方向发生规律性变换，即形 成脉沖控制信号控制与之连接的气控阀12产生相应控制操作，最终使气源二 联体l 1流过气控阀12的气体形成脉冲信号输出到了脉沖压力水输出系统中， 控制脉沖压力水输出系统的注水工作。当然，也可根据需要不设调节气容 17，只通过两个控制气容14实现对两个两位五通阀13， 16的控制。
脉沖压力水输出系统连接在高压供水系统和气动调频控制系统之间，脉 冲压力水输出系统接受气动调频控制系统的控制并将高压注水由出水口 8脉动 注出。脉冲压力水输出系统包括换向阀6、与换向阀6并联并且水流控制方向 相反的反向换向阀7、高压溢流阀4、低压溢流阀5以及连接在换向阀6和反向 换向阀7上的两个出水口8，换向阀6和反向换向阀7分别连接在两个出水口8与 高压柱塞水泵3之间的连接管路上，换向阀6和反向换向阀7中水流的控制方向 相反，即两个出水口8始终处于一个进水另一个出水的状态，气控阀12同时控 制换向阀6和反向换向阀7的开启。高压溢流阀4连接在高压柱塞水泵3为换向 阀6和反向换向阀7提供高压水的管路上，低压溢流阀5连接在换向阀6和反向 换向阀7的水流回路上。当然，与换向阀并联的反向换向阀及出水口也可有多 套，其水流流出方向可以与换向阀相同也可以相反，具体数量根据实际使用 的需要而定。
为防止两个出水口 8进出水时，煤岩渣和粉尘进入反向换向阀7和换向阀6 中，在两个出水口8上还分别连接有过滤器10和排渣阀9，过滤器10主要拦截工作过程中流入的煤岩渣和粉尘，排渣阀9负责将拦截沉淀后的煤岩渣和粉尘 排出管道。
工作过程中，需要往两个钻孔同时注水时，高压水源由气动马达2带动高 压柱塞泵3产生，气源三联体1负责为气动马达2提供气源，同时，气源二联体 1 l开始为气动调频控制系统提供气源，气源二联体l 1气源可以从气动马达2的 气源三联体l前气源管引出，在气动调频控制系统中两只控制气容14和两只两 位五通阀13， 16构成的交变矩形波脉冲回路会不断产生脉冲控制信号，控制 与之连接的气控阀12产生相应脉动控制操作。当气源二联体ll气体流过气控 阀12时，就会在气控阀12不断变换气流流出方向的作用下形成新的脉沖信号 输出，控制换向阀6和反向换向阀7同时进行水流流出方向的变换。如当换向 阀6输出的高压水与注水钻孔接通时，工作面上的注水钻孔内水压处于高压状 态，高压水不断灌入钻孔内，同时，反向换向阀7内水流通道正与低压溢流阀 5连通，与反向换向阀7相对的工作面注水钻孔内的水压则处于低压状态。而 当脉冲信号控制换向阀6和反向换向阀7同时换向时，原来与换向阀6相对的工 作面注水钻孔内的水压则会处于低压状态，而与反向换向阀7相对的工作面注 水钻孔内的水压则又处于了高压状态。这样反复切换，两个工作面钻孔内便 会产生脉冲压力，提高了高压注水的渗透力。
由两只调节气容17、 一只两位五通阀16和一只频率调节阀15构成调节回 路，单侧输出的调节范围可以在15-120次/min，调整气容的数量或者大小， 还可以得到频率更慢或更快的调节范围。高压溢流阀4和低压溢流阀5都可通 过手动调压来进4亍压力调整，注水时，超压部分水流通过高压溢流阀4泄回水 箱，而低压部分水流也可通过低压溢流阀5泄回水箱。由于从钻孔流回的水中 很可能含有较多煤岩渣和粉尘，而连接在出水口 8处的过滤器IO可以有效将其 拦截，保护换向阀6、反向换向阀7和低压溢流阀5不被堵塞卡死或过快磨损。 当工作面钻孔又处于高压状态时，煤岩渣和粉尘又会被高压水流沖下来，在大截面的过滤器10中，水流速很慢，煤岩法和粉尘又将沉降到过滤器10底 部，通过排渣阀9定时清除，保证了煤层脉动注水装置的顺利、安全使用。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不 局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可 轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
权利要求
1、一种高压脉动注水防治煤岩动力灾害的方法，其特征在于，通过钻孔向矿井煤层中注入脉动高压水，所述脉动高压水是指带有一定压力并且压力周期性变化的水。
2、 根据权利要求l所述的高压脉动注水防治煤岩动力灾害的方法，其特 征在于，所述钻孔的数量为一个或一个以上。
3、 根据权利要求1或2所述的高压脉动注水防治煤岩动力灾害的方法，其 特征在于，所述钻孔是指从矿井巷道向矿井煤层中打孔。
4、 根据权利要求l所述的高压脉动注水防治煤岩动力灾害的方法，其特 征在于，所述注水的压力最大为25MPa。
5、 一种与权利要求l所述方法配合使用的高压脉动注水防治煤岩动力灾 害的装置，包括高压供水系统，其特征在于，还包括脉冲压力水输出系统和 气动调频控制系统，所述脉沖压力水输出系统分别与高压供水系统和气动调 频控制系统连接，脉沖压力水输出系统接受气动调频控制系统的控制将高压 供水系统提供的高压水脉动注入到钻孔中。
6、 根据权利要求5所述的高压脉动注水防治煤岩动力灾害的装置，其特 征在于，所述气动调频控制系统包括气动调频回路和与气动调频回路配合使 用的气控阀，所述气动调频回路和气控阀分别与外接气源连通，气动调频回 路负责产生脉冲控制，气控阀将外接气源转换为脉沖控制信号输出到脉冲压 力水输出系统。
7、 根据权利要求6所述的高压脉动注水防治煤岩动力灾害的装置，其特 征在于，所述气动调频回路包括两个两位五通阀、两只控制气容和一个频率 调节阀，所述两只控制气容和两只两位五通阀构成交变矩形波脉冲回路；所 述频率调节阀连接在两位五通阀的调节回路上，频率调节阀限制流过调节回 路上的气体流量。
8、 根据权利要求7所述的高压脉动注水防治煤岩动力灾害的装置，其特 征在于，还包括两个调节气容，所述调节气容分别连接在调节回路上两位五 通阀与两个控制气容之间的连接通路上，两个调节气容分别调节两个控制气 容的气体容量。
9、 根据权利要求5所述的高压脉动注水防治煤岩动力灾害的装置，其特 征在于，所述脉冲压力水输出系统包括换向阀、出水口、高压溢流阀、低压 溢流阀、过滤器和排渣阀，所述换向阀连接在出水口与高压供水系统之间的 连接管路上，换向阀接受气控阀的控制；所述高压溢流阀连接在高压供水系 统与换向阀之间，低压溢流阀连接在换向阀的水流回路上；所述过滤器和排 渣阀连接在出水口与换向阀之间。
10、 根据权利要求9所述的高压脉动注水防治煤岩动力灾害的装置，其特 征在于，还至少包括一套与换向阀并联并且水流控制方向相反的反向换向阀 及出水口，所述反向换向阀同时接受气控阀的控制，反向换向阀连接在高压 溢流阀与换向阀之间的连接管路上，反向换向阀的水流回路与低压溢流阀连 通。
全文摘要
本发明公开了一种高压脉动注水防治煤岩动力灾害的方法及装备，包括高压供水系统、脉冲压力水输出系统和气动调频控制系统，脉冲压力水输出系统接受气动调频控制系统的控制将高压水脉动注入钻孔中。利用向煤层中注入脉动高压水，即注入压力周期性变化的水，改变注水压力使水渗入到不同的裂隙、孔隙中，最大限度的使煤体力学性质发生改变，并利用脉动高压水将游离高压瓦斯排放，减少煤体中瓦斯含量，提高安全性，减低或消除煤层突出和冲击危险性。工艺简单、防治效果好，适合在各种煤矿中用于防治煤岩动力灾害。
文档编号E21F7/00GK101539028SQ20091008341
公开日2009年9月23日 申请日期2009年4月30日 优先权日2009年4月30日
发明者何学秋, 聂百胜 申请人:中国矿业大学(北京)