本发明涉及煤矿采煤工作面灾害防治领域，具体涉及一种低孔隙率煤层交变强化注水增渗润湿的装置和方法。
背景技术：
我国是以煤炭为主要能源的国家，据统计煤炭在我国能源生产和消费中的比例占70％以上。目前，从整体来看，中国煤炭资源后备不足，老矿区煤炭资源开始逐步萎缩，随着科学技术的发展和人类社会的进步，对能源的需求也更加迫切，煤矿开采的深度和难度也越来越突出，各国矿山都逐渐转入深部开采阶段。矿井进入深部开采后，较浅部开采环境，深部开采带来的低孔隙率、高地应力、高地温、高岩溶水压以及高瓦斯压力等问题，加之我国煤层渗透率普遍较低，进而使得矿井冲击地压、煤尘爆炸、煤与瓦斯突出、自然发火等事故危害程度升级，对煤矿安全生产造成了严重的威胁和伤害。
煤层注水是通过钻孔将压力水注入煤层中，使煤层得到预先润湿，增加煤体的水分。通过煤层注水可以有效减少采煤时煤尘的产生；消除或降低煤层的突出危险，预防煤与瓦斯突出事故的发生；破坏煤体内原有的煤-瓦斯体系的平衡，减小工作面回风流中的瓦斯浓度；降低煤体的应力集中程度，防止冲击地压；增大煤体导热系数和热容量，降低煤体温度，预防煤层自然发火。煤层注水在我国多个矿区都有应用，但由于我国较多矿区煤层为低孔隙率、低渗透率煤层，煤体节理裂隙不发育且较为坚硬，很难渗透进入低孔隙率煤层。而现有的注水方法较多以静压注水或恒定动压注水为主，不能有效促进低孔隙率煤层的裂隙孔隙发育，增加煤层渗透性能，致使煤层的有效注水量较少，煤层注水应用效果普遍较差，不能达到预期的灾害防治效果。
技术实现要素：
针对低孔隙率低渗透率煤层注水困难等问题，本发明提供了一种低孔隙率煤层交变强化注水增渗润湿的装置，采用注水变频器对未受到采动影响的煤层区域进行注水；本发明的另一目的是提供一种低孔隙率煤层交变强化注水增渗润湿的方法，提出利用交变循环水力冲击作用，致使注水煤体产生疲劳损伤，迫使低孔隙率煤体孔隙裂隙扩展、贯通，提高煤层渗透率，增加煤层注水量，从而形成交变强化注水增渗润湿煤层，提高煤层注水抑尘防冲效果。
本发明采用以下的技术方案：
一种低孔隙率煤层交变强化注水增渗润湿的装置，包括动压注水装置、高压注水胶管、分流器和注水钻孔，所述动压注水装置包括水箱、注水泵、电机、注水变频器和出水端，并顺次相连；所述注水钻孔包括注水阀、封孔段和开有注水孔的注水管；所述出水端与所述高压注水胶管间设有截止阀，高压注水胶管通过分流器与注水钻孔相连。
优选地，所述水箱与所述注水泵间设有过滤器。
一种低孔隙率煤层交变强化注水增渗润湿的方法，在未受到采动影响的煤层区域施工若干个注水钻孔并进行布管、封孔；将动压注水装置通过高压注水胶管、分流器连接一个或多个注水钻孔，进行煤层交变强化注水增渗润湿。所述动压注水装置包括水箱、注水泵、电机、注水变频器和出水端。
优选地，在未受到采动影响的煤层区域所布设的注水钻孔使用动压注水装置，采用注水变频器的交变强化注水增渗润湿方法，迫使低孔隙率煤体孔隙裂隙扩展、贯通。提高煤层渗透率，增加煤层注水量。
一种低孔隙率煤层交变强化注水增渗润湿的方法，包括以下步骤：
a.静压注水：利用高压注水胶管将井下防尘用水管路与一个或多个注水钻孔连接，打开注水阀，进行注水钻孔静压注水试压，检测注水管路连接及注水钻孔封孔密封性能；
b.关闭注水阀，将原静压注水管路连接至动压注水装置的出水端；
c.打开注水阀，开启动压注水装置；
d.调节注水变频器，控制动压注水压力达到最小注水压力pmin，保持该注水压力稳定，维持10～20min；
e.调节注水变频器，将动压注水压力以一定的压力梯度逐渐调高直至最大注水压力pmax，以稳定的注水压力pmax持续注水0～30min；
f.调节注水变频器，将动压注水压力以一定的压力梯度逐渐调低至最小注水压力pmin，以稳定的注水压力pmin持续注水10～20min，完成一个煤层交变强化注水周期；
g.重复步骤d、e、f，直至达到合理的注水量及注水抑尘防冲效果为止。
优选地，所述最小注水压力pmin为工作面煤体抗压强度的20％。该最小注水压力pmin根据煤层实际情况及煤体强度而定。
优选地，所述最大注水压力pmax为工作面煤体抗压强度的80％。该最大注水压力pmax根据煤层实际情况及煤体强度而定。
优选地，依据最大注水压力pmax的注水时间和压力升降调节梯度的不同，交变水压作用波形分为梯形波、三角形波和矩形波。在高低交变循环水压的冲击作用下，煤体将产生明显疲劳损伤，增加交变强化注水煤体的孔隙、裂隙，进而使压力水沿着裂缝孔隙渗透到煤基质中，最终达到提高煤层注水润湿抑尘防冲效果的目的。
本发明具有的有益效果是：
使煤层中的原生裂隙不断贯通、延伸，并在一定范围内的煤层内部形成新的裂隙网，大大增加煤体孔隙率与渗透率，从而提高了煤层注水效果，实现煤层注水润湿抑尘、弱化防冲的灾害防治功效。
附图说明
图1为低孔隙率煤层交变强化注水示意图。
图2为三种交变水压作用波形图。
其中，1为注水孔；2为注水管；3为封孔段；4为注水阀；5为水表；6为注水钻孔压力表；7为注水钻孔截止阀；8为高压注水胶管；9为分流器；10为截止阀；11为注水变频器；12为电机；13为压力表；14为注水泵；15为过滤器；16为水箱；17为采煤工作面。
图2中：a为矩形波；b为梯形波；c为三角形波；pmax为最大注水压力；pmin为最小注水压力；δt为交变注水周期；δt1为0～30min；δt2为10～20min。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行具体的说明：
结合图1，对低孔隙率煤层进行交变强化注水增渗润湿的装置，包括动压注水装置、高压注水胶管8、分流器9和注水钻孔，动压注水装置包括水箱16、注水泵14、电机12、注水变频器11和出水端，并顺次相连；注水钻孔包括注水阀4、封孔段3和开有注水孔1的注水管2；出水端与高压注水胶管8间设有截止阀10，高压注水胶管8通过分流器9与注水钻孔相连。
其中，水箱16与注水泵14间设有过滤器15；电机12与注水泵14间设有压力表13；注水阀4与分流器9间依次设有水表5、注水钻孔压力表6和注水钻孔截止阀7。
图1中显示了对采煤工作面未受到采动影响的煤层区域进行交变强化注水的工作示意图。
在采煤工作面未受到采动影响的煤层区域施工若干个注水钻孔并进行布管、封孔；将动压注水装置通过高压注水胶管、分流器连接一个或多个注水钻孔，进行煤层交变强化注水增渗润湿。其中，动压注水装置包括水箱、注水泵、电机、注水变频器和出水端。
其中，所布设的注水钻孔使用动压注水装置，采用注水变频器的交变强化注水增渗润湿方法，迫使低孔隙率煤体孔隙裂隙扩展、贯通。提高煤层渗透率，增加煤层注水量。
正式开始交变强化注水前，利用高压注水胶管8将井下防尘用水管路与一个或多个注水钻孔连接，打开注水阀4，进行注水钻孔静压注水试压，检测注水管路连接及注水钻孔封孔密封性能。
若检验性能良好，则关闭注水阀4，将原静压注水管路连接至动压注水装置的出水端。
打开注水阀4，开启动压注水装置，进行交变强化注水增渗润湿。
交变强化注水增渗润湿的具体步骤如下：
(1)水箱16里的水经过过滤器15后被吸入注水泵14，利用电机12作为动力源，调节注水变频器11的频率，使动压注水压力达到最小注水压力pmin(根据煤层实际情况及煤体强度而定，约为工作面抗压强度的20％)，保持注水压力稳定，维持注水时间10～20min。
(2)调节注水变频器11，将注水压力按照一定的压力梯度逐渐调高至最大注水压力pmax(根据煤层实际情况及煤体强度而定，约为工作面煤体抗压强度的80％)，以该稳定压力持续持续注水0～30min。加压后的水依次经过注水变频器11、高压注水胶管8、分流器9、注水钻孔压力表6和水表5流入注水管2，再由注水孔1进入煤层中。
(3)调节注水变频器11，使注水压力以一定的压力梯度逐渐调低至最小注水压力pmin，并以稳定的注水压力持续注水10～20min。
步骤(1)至(3)便完成一个煤层交变强化注水周期，如此重复步骤(1)至(3)，从而在采煤工作面未受到采动影响区域形成交变强化注水增渗润湿，直至达到合理的注水量及注水抑尘防冲效果为止。
依据最大注水压力pmax的注水时间和压力升降调节梯度的不同，交变水压作用波形可以采用不同的波形。
实施例1
交变水压作用波形为矩形波，参见图2(a)所示。pmax为最大注水压力；pmin为最小注水压力；δt为交变注水周期；δt1为0～30min；δt2为10～20min。
实施例2
交变水压作用波形为梯形波，参见图2(b)所示。pmax为最大注水压力；pmin为最小注水压力；δt为交变注水周期；δt1为0～30min；δt2为10～20min。
实施例3
交变水压作用波形为三角形波，参见图2(c)所示。pmax为最大注水压力；pmin为最小注水压力；δt为交变注水周期；δt1为0～30min；δt2为10～20min。
在高低交变循环水压的冲击作用下，煤体将产生明显疲劳损伤，增加交变强化注水煤体的孔隙、裂隙，进而使压力水沿着裂缝孔隙渗透到煤基质中，最终达到提高煤层注水润湿抑尘防冲效果的目的。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。