CN110273702A - 一种煤层分步注水精准控制***及注水方法 - Google Patents
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Abstract
一种煤层分步注水精准控制***及注水方法，涉及煤层注水技术领域，该***包括流量传感器、压力传感器、压注液粘度及PH值传感器、数据监测分站和连接电路，实现了数据监测的实时传输，还包括高压水泵、注水管、单向阀、流量控制阀和电控开关，实现了注水压力和流量的精确控制，还包括注液实时调配水箱，以及若干压注液改性药箱、抽液泵、压注液搅拌器、稳流控制阀、进/出水管路，实现了对压注液的物理性质实时调控，上述结构在不同注水阶段所需力学参数模型的基础上，将控制器控制各个部件的流程以程序语言的录入该PCL控制器，从而使本发明实现了分步注水压力及流量的实时监测与控制，优化各阶段所需改性压注液，提高了煤层注水防灾效果。
Description
技术领域
本发明涉及煤层注水技术领域，尤其是一种煤层分步注水精准控制***，以及利用该***完成煤层注水的方法。
背景技术
随着煤矿开采深度的增加，煤层地应力、瓦斯压力及含量均显著增大，导致煤与瓦斯突出、粉尘、冲击地压灾害防治形势更加严峻。由于煤层注水可降低煤层瓦斯含量及煤体地应力，同时增加含水量抑制煤尘产生，已成为常用的综合防灾手段。与此同时，在对煤层注水的技术、设备及水的运移机理均进行了广泛而深入研究研究的基础上，现有煤层注水技术、工艺的改进显著提高了注水防灾效果，但是在具体的煤层注水过程中由于缺乏对钻孔注水过程中各阶段的监测和反馈，导致煤层注水时注水的工艺参数需要依据实践经验进行手动控制，所以在井下施工时，由于不同的工作面地质条件和开采条件差异较大，工艺参数的调整随机性也大。因此根据不同注水阶段的力学参数模型，对煤层注水的工艺参数进行控制，进而实现分步注水压力及流量的实时监测与精准控制，并提供各阶段所需最优改性压注液，从而提高煤层注水防灾效果，需要对现有的煤层注水***及注水方法做进一步的改进。
发明内容
为解决不同注水阶段分步注水压力及流量的实时监测与控制困难，确定各阶段注水所需的改性压注液并实时控制，进而提高了煤层注水防灾效果的技术问题，本发明提供了一种煤层分步注水精准控制***及注水方法，具体技术方案如下。
一种煤层分步注水精准控制***，包括PLC控制器、数据监测模块、注水控制模块和压注液调控模块，PLC控制器接收来自数据监测模块的监测数据，PLC控制器控制注水控制模块和压注液调控模块工作；数据监测模块包括流量传感器、压力传感器、压注液粘度及PH值传感器、数据监测分站和连接线路，实时获取监测数据包括注水孔内的压力、注水流量和水箱内压注液的物理性质参数，监测数据通过连接线路传输至PLC控制器；注水控制模块包括高压水泵、注水管、单向阀、流量控制阀和电控开关，高压水泵和主水管相连，主水管上设置有单向阀，主水管的各个支管上设置有流量控制阀；压注液调控模块包括压注液实时调配水箱、若干压注液改性药箱、抽液泵、稳流控制阀和进/出水管路，抽液泵连接压注液实时调配水箱和压注液改性药箱，压注液改性水箱和抽液泵之间设置稳流控制阀。
优选的是，数据监测分站分别设置在多个注水钻孔处，监测注水钻孔的注水压力和流量；压注液实时调配水箱内设置有压注液粘度及PH值传感器。
优选的是，压注液改性药箱设置有多个，多个压注液改性药箱并列布置，每个压注液改性药箱的出液管上均设置有稳流控制阀。
进一步优选的是，压注液改性药箱之间独立并且不连通，压注液改性药箱内分别盛放有增稠剂、溶解剂、降阻剂或表面活性剂。
还优选的是，压注液实时调配水箱内还设置有压注液搅拌器，电控开关控制高压水泵和抽液泵的启停。
还优选的是，PLC控制器具体为防爆型工业PLC控制器，PLC控制器直接控制稳流控制阀、电控开关、流量控制阀和压注液搅拌器的工作，稳流控制阀、电控开关、流量控制阀和压注液搅拌器还设置有手动控制开关。
一种煤层分步注水方法，利用上述的一种煤层分步注水精准控制***，步骤包括：
步骤A.注水初始阶段，此时注水孔内压力传感器及流量传感器监测到孔内压力P-注水流量Q曲线持续上升，注水孔内形成憋压，PLC控制器接收监测分站的监测数据，得到孔内压力P-注水流量Q曲线，发出控制命令至稳流控制阀和电控开关，打开第一压注液药箱通过抽液泵向压注液实时调配水箱注入增稠剂，并启动压注液搅拌器进行搅拌，同时通过流量控制阀持续增加注水流量，以提高压注液的粘稠度及压力，启开多条注水主裂缝并促进次生裂隙扩展；
步骤B.渗流初期，渗流主、次通道的打开以及高粘稠度压注液的存在，使得渗流初期孔内压力P-注水流量Q曲线呈现明显的起伏变化，PLC控制器接收监测分站的监测数据，符合渗流初期孔内压力P-注水流量Q曲线变化规律，PLC控制器发出控制命令至压注液调控模块，添加第二压注液药箱和第三改性药箱中的溶解剂、降阻剂，以降低压注液粘度，增加流动性，并通过流量控制阀持续增加注水流量，扩大注水影响范围；
步骤C.煤层渗透率损失阶段，伴随注水过程的进行，水载煤颗粒沉积、架桥现象广泛分布于裂—孔隙结构中，造成煤层渗透率损失，孔内压力P-注水流量Q曲线由平滑再次转为起伏变化，PLC控制器控制高压水泵和流量控制阀提高注水压力扰动幅度和频率，疏通裂—孔隙结构；
步骤D.润湿阶段，PLC控制器接收监测分站的监测数据，当得到的孔内压力P-注水流量Q曲线再次上升，表示注水钻孔内水在毛细管力及表面张力的双重作用下进行润湿，PLC控制器发出控制命令至压注液调控模块，通过第四压注液改性药箱添加表面活性剂，不断降低液—固两相接触面间表面张力，增加注水润湿效果。
本发明的有益效果包括：
(1)煤层分步注水精准控制***，通过数据监测模块包括流量传感器、压力传感器、压注液粘度及PH值传感器和数据监测分站，实现了对注水孔及注水***的压力、流量及压注液性质进行了实时的监控，并对通过PLC控制器及程序语言对其进行量化处理；通过PLC控制器控制注水控制模块，完成自主启停高压水泵，改变注水流量，精准调控各过程所需压力，扩大注水影响范围；另外PLC控制器控制压注液调控模块，从而自动添加满足分步注水过程中各阶段所需要的改性药剂，从而改善压注液的物理性质，提高煤层渗透性，增加注水润湿效果。***整体组合实现了分步注水压力及流量的实时监测与控制，并提供各注水阶段所需最优改性压注液，完成煤层注水精准调控，进而提高了煤层注水防灾效果。
(2)该***通过若干压注液改性药箱和稳流控制阀，实时控制注水的添加剂及注入量，压注液实时调配水箱和压注液搅拌器对其进行搅拌，根据实时的监测数据，通过PLC控制器控制注水控制模块定量添加所需改性药剂，提前进行调配，完成压注液全过程实时衔接，匹配各动力过程所需最优压注液物理性质参数。
(3)本方法根据注水各个阶段的孔内压力P-注水流量Q曲线和注水时间，实现了注水压力-流量的实时调整，高压水泵主管路配接电控开关，在注水支路配置流量控制阀，分别与PLC控制器进行连接，实现注水泵的自动启停及注水流量、压力的精准控制，从而提高水力压裂，强化润湿煤层的效果。
附图说明
图1为煤层分步注水精准控制***原理示意图；
图2为煤层分步注水精准控制******结构示意图；
图3为实施例2中的孔内压力P-注水流量Q曲线；
图中：1-井底巷道，2-压注液实时调配水箱，3-压注液粘度及PH值传感器，4-PLC控制器，5-注水管，6-数据监测分站，7-注水孔，8-压注液改性药箱，9-稳流控制阀，10-抽液泵，11-进水管路，12-高压水泵，13-电控开关，14-流量控制阀，15-流量传感器，16-压力传感器。
具体实施方式
结合图1至图3所示，本发明提供的一种煤层分步注水精准控制***及注水方法具体实施方式如下。
实施例1
一种煤层分步注水精准控制***，该***包括PLC控制器、数据监测模块、注水控制模块和压注液调控模块，PLC控制器接收来自数据监测模块的监测数据，PLC控制器控制注水控制模块和压注液调控模块工作。该***通过数据监测模块实现了对注水孔及注水***的压力、流量及压注液性质进行了实时的监控，并对通过PLC控制器及程序语言对其进行量化处理；通过PLC控制器控制注水控制模块，完成自主启停高压水泵，改变注水流量，精准调控各过程所需压力，扩大注水影响范围；另外PLC控制器控制压注液调控模块，从而自动添加满足分步注水过程中各阶段所需要的改性药剂，从而改善压注液的物理性质，提高煤层渗透性，增加注水润湿效果。
其中，数据监测模块包括流量传感器15、压力传感器16、压注液粘度及PH值传感器3、数据监测分站6和连接线路，实时获取监测数据包括注水孔内的压力、注水流量和水箱内压注液的物理性质参数，监测数据通过连接线路传输至PLC控制器4。多个数据监测分站6分别设置在多个注水钻孔处，监测注水钻孔的注水压力和流量。数据监测模块的各个传感器通过连接线路与PLC控制器4相连，将监测数据反馈。压注液粘度及PH值传感器3，用于监测注水过程中的粘度和PH值。
注水控制模块包括高压水泵12、注水管5、单向阀、流量控制阀14和电控开关，高压水泵12和主水管相连，主水管上设置有单向阀，主水管的各个支管上设置有流量控制阀。高压水泵12从压注液实时调配水箱内吸取压注液并将其泵送至钻孔位置，该高压水泵能够实时调整泵送的压力和流量，其中电控开关也可以控制高压水泵的启闭及工作状态。主水管上连接有单向阀，防止压注液倒流，在单向阀的下游设置有通向多个注水钻孔的支路。其中每个注水钻孔支路上依次设置有流量控制阀、流量传感器和压力传感器。
压注液调控模块包括压注液实时调配水箱2、若干压注液改性药箱8、抽液泵10、稳流控制阀9和进/出水管路，抽液泵10连接压注液实时调配水箱和压注液改性药箱，压注液改性水箱8和抽液泵10之间设置稳流控制阀9。压注液实时调配水箱2上设置有进水管和出水管，进水管上也设置有稳流控制阀9。压注液实时调配水箱2内设置有压注液粘度及PH值传感器3，从而可以实时监测压注液的物理性质情况。压注液改性药箱8设置有多个，多个压注液改性药箱8并列布置，每个压注液改性药箱的出液管上均设置有稳流控制阀9。压注液改性药箱8之间独立并且不连通，压注液改性药箱8内分别盛放有增稠剂、溶解剂、降阻剂或表面活性剂，各个添加剂的容量根据实际的应用情况确定。压注液实时调配水箱2内还设置有压注液搅拌器，保证压注液搅拌均匀，电控开关控制高压水泵和抽液泵的启停。
该***通过若干压注液改性药箱8和稳流控制阀9，实时控制注水的添加剂及注入量，压注液实时调配水箱2和压注液搅拌器对其进行搅拌，根据实时的监测数据，通过PLC控制器4控制注水控制模块定量添加所需改性药剂，提前进行调配，完成压注液全过程实时衔接，匹配各动力过程所需最优压注液物理性质参数。
另外，PLC控制器具体为防爆型工业PLC控制器，适应井下易爆的环境，PLC控制器4直接控制稳流控制阀9、电控开关13、流量控制阀14和压注液搅拌器的工作，稳流控制阀9、电控开关13、流量控制阀14和压注液搅拌器还设置有手动控制开关。该***的关键在于注水孔内压力和流量参数实时监测与传输，核心在于实现量化模型程序语言及精准控制程序的深度逻辑运算。为此，使用测压表配接高精度传感器，并利用光纤连接监测分站的方式，实时监测注水孔内参数变化。同时基于编程软件将理论模型及控制顺序转化为PLC语言，将其写入与监测分站进行串口连接的工业PLC控制器中，作为该套技术的控制中枢，可实现注水钻孔水压-流量实时监测、注水分段的自动识别与判定、理论模型深度逻辑运算。
***整体组合实现了分步注水压力及流量的实时监测与控制，并提供各注水阶段所需最优改性压注液，完成煤层注水精准调控，进而提高了煤层注水防灾效果。
一种煤层分步注水方法，利用上述的一种煤层分步注水精准控制***，步骤包括：
步骤A.注水初始阶段，此时注水孔内压力传感器及流量传感器监测到孔内压力P-注水流量Q曲线持续上升，注水孔内形成憋压，PLC控制器接收监测分站的监测数据，得到孔内压力P-注水流量Q曲线，发出控制命令至稳流控制阀和电控开关，打开第一压注液药箱通过抽液泵向压注液实时调配水箱注入增稠剂，并启动压注液搅拌器进行搅拌，同时通过流量控制阀持续增加注水流量，以提高压注液的粘稠度及压力，启开多条注水主裂缝并促进次生裂隙扩展。
步骤B.渗流初期，渗流主、次通道的打开以及高粘稠度压注液的存在，使得渗流初期孔内压力P-注水流量Q曲线呈现明显的起伏变化，PLC控制器接收监测分站的监测数据，符合渗流初期孔内压力P-注水流量Q曲线变化规律，PLC控制器发出控制命令至压注液调控模块，添加第二压注液药箱和第三改性药箱中的溶解剂、降阻剂，以降低压注液粘度，增加流动性，并通过流量控制阀持续增加注水流量，扩大注水影响范围。
步骤C.煤层渗透率损失阶段，伴随注水过程的进行，水载煤颗粒沉积、架桥现象广泛分布于裂—孔隙结构中，造成煤层渗透率损失，孔内压力P-注水流量Q曲线由平滑再次转为起伏变化，PLC控制器控制高压水泵和流量控制阀提高注水压力扰动幅度和频率，疏通裂—孔隙结构。
步骤D.润湿阶段，PLC控制器接收监测分站的监测数据，当得到的孔内压力P-注水流量Q曲线再次上升，表示注水钻孔内水在毛细管力及表面张力的双重作用下进行润湿，PLC控制器发出控制命令至压注液调控模块，通过第四压注液改性药箱添加表面活性剂，不断降低液—固两相接触面间表面张力，增加注水润湿效果。
本方法根据注水各个阶段的孔内压力P-注水流量Q曲线和注水时间，实现了注水压力-流量的实时调整，高压水泵主管路配接电控开关，在注水支路配置流量控制阀，分别与PLC控制器进行连接，实现注水泵的自动启停及注水流量、压力的精准控制，从而提高水力压裂，强化润湿煤层的效果。
实施例2
在实施例1的基础上，结合某矿对煤层分步注水精准控制***的应用，对煤层分步注水方法及煤层分步注水精准控制***的有益效果做进一步的详细说明。
某矿进行煤层分步注水方法，利用上述的一种煤层分步注水精准控制***，注水的步骤包括：
步骤一.煤层分步注水精准控制***在巷道内布置完成后，开始注水。
注水初始阶段，此时注水孔内压力传感器及流量传感器监测到孔内压力P-注水流量Q曲线持续上升，由于注水孔内形成憋压，PLC控制器接收监测分站的监测数据，得到注水钻孔的孔内压力P-注水流量Q曲线，如图3所示。根据该阶段的具体情况，PLC控制器发出控制命令至稳流控制阀和电控开关，打开第一压注液药箱通过抽液泵向压注液实时调配水箱注入增稠剂，并启动压注液搅拌器进行搅拌，同时通过流量控制阀持续增加孔内压力P-注水流量Q曲线持续上升的相应钻孔的注水流量。改变后提高压注液的粘稠度及压力，启开多条注水主裂缝并促进次生裂隙扩展。
步骤B.渗流初期，渗流主、次通道的打开以及高粘稠度压注液的存在，使得渗流初期孔内压力P-注水流量Q曲线呈现明显的起伏变化，PLC控制器接收监测分站的监测数据，符合渗流初期孔内压力P-注水流量Q曲线变化规律，如图3所示，PLC控制器发出控制命令至压注液调控模块，添加第二压注液药箱和第三改性药箱中的溶解剂、降阻剂，以降低压注液粘度，此时第一压注液药箱相连的温流控制阀已经关闭，溶解剂、降阻剂可以增加压注液的流动性，并通过进水管上和主水管支管上的流量控制阀持续增加注水流量，扩大了注水影响范围。
步骤C.煤层渗透率损失阶段，伴随注水过程的进行，水载煤颗粒沉积、架桥现象广泛分布于裂—孔隙结构中，造成煤层渗透率损失，孔内压力P-注水流量Q曲线由平滑再次转为起伏变化，如图3所示，PLC控制器控制高压水泵和流量控制阀提高注水压力扰动幅度和频率，疏通裂—孔隙结构。
步骤D.润湿阶段，PLC控制器接收监测分站的监测数据，当得到的孔内压力P-注水流量Q曲线再次上升，如图3所示，表示注水钻孔内水在毛细管力及表面张力的双重作用下进行润湿，PLC控制器发出控制命令至压注液调控模块，通过第四压注液改性药箱添加表面活性剂，不断降低液—固两相接触面间表面张力，增加注水润湿效果。
煤层分步注水方法克服了现有技术中控制技术工艺随机性较大等缺陷，提供的实施方法，可以满足不同矿区不同地质条件下进行煤层注水防灾作业的需要，为提高煤层注水防治煤矿灾害效果提供科学指导。
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。
Claims (7)
1.一种煤层分步注水精准控制***，其特征在于，包括PLC控制器、数据监测模块、注水控制模块和压注液调控模块，所述PLC控制器接收来自数据监测模块的监测数据，PLC控制器控制注水控制模块和压注液调控模块工作；
所述数据监测模块包括流量传感器、压力传感器、压注液粘度及PH值传感器、数据监测分站和连接线路，实时获取监测数据包括注水孔内的压力、注水流量和水箱内压注液的物理性质参数，监测数据通过连接线路传输至PLC控制器；
所述注水控制模块包括高压水泵、注水管、单向阀、流量控制阀和电控开关，高压水泵和主水管相连，主水管上设置有单向阀，主水管的各个支管上设置有流量控制阀；
所述压注液调控模块包括压注液实时调配水箱、若干压注液改性药箱、抽液泵、稳流控制阀和进/出水管路，所述抽液泵连接压注液实时调配水箱和压注液改性药箱，所述压注液改性水箱和抽液泵之间设置稳流控制阀。
2.根据权利要求1所述的一种煤层分步注水精准控制***，其特征在于，所述数据监测分站分别设置在多个注水钻孔处，监测注水钻孔的注水压力和流量；所述压注液实时调配水箱内设置有压注液粘度及PH值传感器。
3.根据权利要求1所述的一种煤层分步注水精准控制***，其特征在于，所述压注液改性药箱设置有多个，多个压注液改性药箱并列布置，每个压注液改性药箱的出液管上均设置有稳流控制阀。
4.根据权利要求3所述的一种煤层分步注水精准控制***，其特征在于，所述压注液改性药箱之间独立并且不连通，压注液改性药箱内分别盛放有增稠剂、溶解剂、降阻剂或表面活性剂。
5.根据权利要求1所述的一种煤层分步注水精准控制***，其特征在于，所述压注液实时调配水箱内还设置有压注液搅拌器，所述电控开关控制高压水泵和抽液泵的启停。
6.根据权利要求1所述的一种煤层分步注水精准控制***，其特征在于，所述PLC控制器具体为防爆型工业PLC控制器，PLC控制器直接控制稳流控制阀、电控开关、流量控制阀和压注液搅拌器的工作，稳流控制阀、电控开关、流量控制阀和压注液搅拌器还设置有手动控制开关。
7.一种煤层分步注水方法，其特征在于，利用权利要求1至6任一项所述的一种煤层分步注水精准控制***，步骤包括：
步骤A.注水初始阶段，此时注水孔内压力传感器及流量传感器监测到孔内压力P-注水流量Q曲线持续上升，注水孔内形成憋压，PLC控制器接收监测分站的监测数据，得到孔内压力P-注水流量Q曲线，发出控制命令至稳流控制阀和电控开关，打开第一压注液药箱通过抽液泵向压注液实时调配水箱注入增稠剂，并启动压注液搅拌器进行搅拌，同时通过流量控制阀持续增加注水流量，以提高压注液的粘稠度及压力，启开多条注水主裂缝并促进次生裂隙扩展；
步骤B.渗流初期，渗流主、次通道的打开以及高粘稠度压注液的存在，使得渗流初期孔内压力P-注水流量Q曲线呈现明显的起伏变化，PLC控制器接收监测分站的监测数据，符合渗流初期孔内压力P-注水流量Q曲线变化规律，PLC控制器发出控制命令至压注液调控模块，添加第二压注液药箱和第三改性药箱中的溶解剂、降阻剂，以降低压注液粘度，增加流动性，并通过流量控制阀持续增加注水流量，扩大注水影响范围；
步骤C.煤层渗透率损失阶段，伴随注水过程的进行，水载煤颗粒沉积、架桥现象广泛分布于裂—孔隙结构中，造成煤层渗透率损失，孔内压力P-注水流量Q曲线由平滑再次转为起伏变化，PLC控制器控制高压水泵和流量控制阀提高注水压力扰动幅度和频率，疏通裂—孔隙结构；
步骤D.润湿阶段，PLC控制器接收监测分站的监测数据，当得到的孔内压力P-注水流量Q曲线再次上升，表示注水钻孔内水在毛细管力及表面张力的双重作用下进行润湿，PLC控制器发出控制命令至压注液调控模块，通过第四压注液改性药箱添加表面活性剂，不断降低液—固两相接触面间表面张力，增加注水润湿效果。
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