一种用于矿井脉动注水的智能变频注水泵及方法

本发明属于煤矿安全，具体涉及一种用于矿井脉动注水的智能变频注水泵及方法。

背景技术：

1、随着煤层开采深度的增加，煤层孔隙率渗透率逐渐降低，且随着机械化开采水平的提高，使得煤层开采时工作场所粉尘浓度居高不下，粉尘防治问题变得更为突出，采用常规煤层注水工艺很难达到润湿煤层的目的。目前针对这个难题，拟采用变频脉动注水工艺代替常规的定频注水技术，大量研究表明采用变频脉动注水工艺可以对低渗煤层产生疲劳性损伤，能够获得更好的增透效果，因此本申请提供一种用于矿井脉动注水的智能变频注水泵以及方法，拟实现“测试+坐封+注水+卸压”的自动化作业，提高煤层注水效果，减小工人劳动强度，避免错误操作。能够为赋存煤炭资源安全高效回采提供重要技术方法保障。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提出一种用于矿井脉动注水的智能变频注水泵，适用于注水效果差的低渗煤层开采施工，其方法简单、操作方便，煤层注水效果提高，减少了在煤层中施工会产生危险的因素，相比于定频脉动注水，该智能变频注水泵所需的水压及流量远低于定频水力致裂，大大降低了施工成本。采用的技术方案为：

2、一种用于矿井脉动注水的智能变频注水泵，包括高压泵组件、泵组监控设备、变频控制设备；

3、所述高压泵组件依次设置水箱、高压泵、防爆变频电机，所述防爆变频电机连接高压泵，通过防爆变频电机的传动带动高压泵内活塞运动从而形成高压水；

4、所述泵组监控设备包括无纸记录仪、压力传感器、流量传感器，所述压力传感器、流量传感器布置于高压泵的出水口，所述无纸记录仪连接高压泵上的压力传感器和流量传感器，通过无纸记录仪实时监测高压泵出水的压力与流量；

5、所述变频控制设备包括变频控制柜、操作台，所述操作台内安装智能电控系统，并连接无纸记录仪显示实时监测的出水压力与流量，所述变频控制柜连接防爆变频电机，所述变频控制柜连接操作台，通过操作台调节变频控制柜的输出信号以改变防爆变频电机的输出功率，进而实现高压泵的出水压力与流量的变频；

6、所述智能电控系统控制高压泵的启动，即控制高压泵出水口的机械高压阀门。智能电控系统可以是计算机控制系统。

7、优选的，所述高压泵选择柱塞式泵组，变频电机通过改变高压柱塞泵的动力端传动轴的运动速率，进而改变柱塞运动的速率，实现对高压柱塞泵的出水流量的变频。

8、优选的，所述高压泵组件还包括定行程回液装置，所述定行程回液装置安装于操作台的一侧。

9、优选的，所述高压泵与水箱之间设置过滤器。

10、一种用于矿井脉动注水的智能变频注水方法，采用上述的一种用于矿井脉动注水的智能变频注水泵，所述方法具体包括：

11、(1)将水箱填充满注水液，连接各组件和设备，在所述待注水部位向煤层钻探注水钻孔，在注水管路上将所需脉动注水组件伸入注水钻孔内，对待注部位进行脉动注水；

12、(2)根据不同的待压结构设定最佳的疲劳损伤性变频脉动注水参数方案，将预设的注水变频参数输入至操作台的智能电控系统中，并进行测试-坐封-注水-泄压的自动化作业设置，通过操作台开启高压柱塞泵；

13、(3)高压柱塞泵出水口的压力传感器、流量传感器将监测到的实时出水压力及流量传输至操作台中无纸记录仪，当出水压力及流量达到预设的参数时，操作台自动将变频信号发送至变频控制柜，变频控制柜通过改变防爆变频电机的输出功率，最终改变高压柱塞泵的柱塞运动速率，进而实现高压柱塞泵出水压力及流量的变频；

14、(4)当操作台完成预设的“测试+坐封+注水+泄压”的自动化作业后，操作台自动关闭防爆变频电机，开启定行程回液装置对高压柱塞泵进行泄压，最终完成矿井变频脉动注水。

15、优选的，所述步骤(2)中，最佳疲劳性损伤性变频脉动注水参数方案，是事先对待注部位的煤层进行勘验，并挑选煤样进行实验室试验，以确定待注水部位所需的变频参数。

16、优选的，所述试验包括：

17、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

18、本发明提供的一种用于矿井脉动注水的智能变频注水泵，设置防爆变频电机，通过防爆变频电机的传动带动高压泵内活塞运动从而形成高压水，并且变频控制设备包括变频控制柜、操作台，操作台内安装智能电控系统，通过操作台调节变频控制柜的输出信号以改变防爆变频电机的输出功率，进而实现高压泵的出水压力与流量的变频；

19、本发明提供的一种用于矿井脉动注水的智能变频注水方法，可以根据预先设计的变频脉动注水方案，将预先设计的变频脉动注水参数输入至操作台软件，通过变频控制柜对高压柱塞泵进行变频控制，高压柱塞泵根据预设的变频方案对煤层进行脉动注水，相较于定频注水，变频脉动注水能够有效地对坚硬顶煤进行疲劳性损伤，以更加有效地对煤体实现增透效果；

20、本发明可以适用于煤矿井下煤层、加沙射孔、煤岩层脉动注水、穿层复合注水及高压注水等煤矿水力化项目。

技术特征：

1.一种用于矿井脉动注水的智能变频注水泵，其特征在于，包括高压泵组件、泵组监控设备、变频控制设备；

2.根据权利要求1所述的一种用于矿井脉动注水的智能变频注水泵，其特征在于，所述高压泵选择柱塞式泵组，变频电机通过改变高压柱塞泵的动力端传动轴的运动速率，进而改变柱塞运动的速率，实现对高压柱塞泵的出水流量的变频。

3.根据权利要求1所述的一种用于矿井脉动注水的智能变频注水泵，其特征在于，所述高压泵组件还包括定行程回液装置，所述定行程回液装置安装于操作台的一侧。

4.根据权利要求1所述的一种用于矿井脉动注水的智能变频注水泵，其特征在于，所述高压泵与水箱之间设置过滤器。

5.一种用于矿井脉动注水的智能变频注水方法，采用权利要求1至4的任一项所述的一种用于矿井脉动注水的智能变频注水泵，其特征在于，所述方法具体包括：

6.根据权利要求5所述的一种用于矿井脉动注水的智能变频注水方法，其特征在于，所述步骤(2)中，最佳疲劳损伤性变频脉动注水参数方案，是事先对待注水部位的煤层进行勘验，并现场取样进行实验室试验，以确定待注水部位所需的变频参数。

7.根据权利要求6所述的一种用于矿井脉动注水的智能变频注水方法，其特征在于，所述试验包括：在实验室内设置不同的时间、频率、水压上限、水压下限的变频脉动注水实验组，对现场取样的样品进行测试，通过对比不同实验参数下待注水部位渗透率的变化幅度，选取渗透率增长幅度最大的变频脉动注水参数，将该组最佳变频参数用于现场变频脉动注水施工中。

技术总结
本发明属于煤矿安全技术领域，具体涉及一种用于矿井脉动注水的智能变频注水泵及方法。所述智能变频注水泵，设置防爆变频电机，通过防爆变频电机的传动带动高压泵内活塞运动从而形成高压水，并且变频控制设备包括变频控制柜、操作台，操作台内安装智能电控系统，通过操作台调节变频控制柜的输出信号以改变防爆变频电机的输出功率，进而实现高压泵的出水压力与流量的变频；所述方法，将预先设计的变频脉动注水参数输入至操作台软件，通过变频控制柜对高压柱塞泵进行变频控制，高压柱塞泵根据预设的变频方案对煤层进行脉动注水，相较于定频注水，变频脉动注水能够有效地对坚硬顶煤进行疲劳性损伤，以更加有效地实现顶煤的破碎及控制。

技术研发人员：王刚,王恩茂,刘义鑫,黄启铭,徐浩,解树亮,刘秦淮,张晏铭,薛明皓
受保护的技术使用者：山东科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15