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一种压动-电动耦合作用强化 煤层注水法

阅读：1028发布：2020-10-14

专利汇可以提供一种压动-电动耦合作用强化煤层注水法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种压动‑电动耦合作用强化煤层注水法，在进/回风巷道垂直煤壁钻一排钻孔，并内置一根高压注水管和一根电极棒，用高压胶管将各钻孔中的注水管连接在一起，用绝缘导线将钻孔内的阳极电极与阴极电极分别串联，向钻孔动压注水同时接通直流电源，通过压动‑电动耦合作用强化煤层注水。本方法通过注水压力、电渗作用力与毛细作用力，将水由大裂隙快速驱动至微小孔裂隙，实现了煤体的高效全润湿，对煤储层作用后，扩大了单孔润湿范围，提高了注水速率以及含水率，同时还大幅减少了钻孔工程量，经济实用，简便可靠，效果显著，具有较强的推广与应用价值。，下面是一种压动-电动耦合作用强化煤层注水法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种压动-电动耦合作用强化煤层注水法，其特征在于：所述煤层注水法是通过对煤层外加动压和电场共同作用快速驱动水运移至煤体不同尺度的孔裂隙中充分湿润煤体，具体方法是按下列步骤进行的：
Ⅰ、对煤层钻孔取样，测定煤样的单轴抗压强度、孔隙率、含水率、透水系数，确定最大注水压力；
Ⅱ、采用煤岩压动-电动三轴渗流试验装置与微电泳仪分别测试煤样的电渗透系数以及在不同酸碱度水溶液中的电动电位，确定注水溶液的酸碱度以及电极材质、电位梯度等电动作用参数；所述酸碱度为7-11，所述电极材质为铝、铜或铁，所述电位梯度为0-20V·cm-1；
Ⅲ、在进/回风巷道垂直煤壁钻一排钻孔，钻孔直径为50-90mm，钻孔距巷道顶板与底板的距离比为2∶3-3∶4，且其倾角与煤层倾角之间的夹角为-8-8°，钻孔间距20-50m；在每个钻孔内分别放置一内径为38mm的高压注水管和一直径为20-40mm的电极棒，电极棒长度等同钻孔长度，采用水泥砂浆密封钻孔，注水管外接压力表、分流器与截止阀，电极棒外接导线；
Ⅳ、由高压胶管将各钻孔中的注水管连接为一起，外接注水泵、过滤器和水箱，并设置有单向阀与流量计；
Ⅴ、用绝缘导线将钻孔内的阳极电极与阴极电极分别串联，再将其分别接到直流电源的正极或负极，直流电源的输出电压为400-800V，输出电流为200-400A；
Ⅵ、打开注水泵，向钻孔动压注水，同时接通直流电源，通过压动-电动耦合作用强化煤层注水，充分润湿煤体；当注水达到设计要求且钻孔两侧煤壁有大面积水渗出时，暂停对该钻孔或该组钻孔的注水，确定润湿范围，并采集煤样测试含水量，检测是否满足润湿要求。
2.如权利要求1所述的压动-电动耦合作用强化煤层注水法，其特征在于：所述压动-电动耦合作用是利用煤层中的钻孔与孔裂隙通道，通过注水泵提供动压力以及直流电源提供电场在煤层中产生电渗作用与电泳作用的电动力，共同驱动水运移作用。
3.如权利要求1所述的压动-电动耦合作用强化煤层注水法，其特征在于：所述钻孔的单向钻孔深度是工作面长度的1/2-3/4，双向钻孔深度是工作面长度的1/3-2/5。
4.如权利要求1所述的压动-电动耦合作用强化煤层注水法，其特征在于：所述向钻孔动压注水中，阳极钻孔注水速度是阴极钻孔注水速度的1.4-3.8倍。

说明书全文

一种压动-电动耦合作用强化煤层注水法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种强化煤层注水的方法，尤其是一种在外加动压和电场共同作用下的强化煤层注水、充分润湿煤体的方法。

背景技术

[0002] 随着我国煤矿开采深度的增加以及机械化开采程度的提高，工作面煤尘产量大幅增加，严重影响工人的身心健康。通过煤层注水可有效降低产尘量，同时起到防止冲击矿压、煤与瓦斯突出及煤层自然发火的作用。但我国大多数煤储层的渗透性较差，注水困难。

[0003] 现有强化煤层注水的方法主要是从以下三方面入手：一是提高注水压力，如动压注水、脉动注水等；二是降低煤水表面张力，如磁化水技术、外加表面活性剂等；三是增加煤孔裂隙数量，如水压致裂。但是水在高压作用下主要进入煤体中的大裂隙，仅有少量会在毛细作用下进入微小孔裂隙，而且运移速率缓慢以及水泵提供的压力有限。其余两种方法的增注效果不明显或实用性较差。

[0004] 煤岩电动特性是指在电场作用下，煤岩孔裂隙或颗粒间空隙中的液体因带电而发生定向运动，即电渗现象，以及溶液中的煤岩颗粒向着与自带电荷相反的电极方向运移的性质，即电泳现象。现有研究发现，煤岩孔裂隙宽度越小，电渗作用效果越明显，水越容易被驱动进入煤岩微小孔裂隙中，该特性被广泛应用于提高石油采收率、煤岩土脱水提质及加固等领域。

发明内容

[0005] 本发明的目的是克服现有技术中向煤层注水后，煤体润湿不够充分的缺陷，并结合煤岩电动特性，通过对煤层外加动压和电场的共同作用，使水在注水压力、电渗力及毛细力三方面驱动力的作用下，由大裂隙快速有效运移至微小孔裂隙中充分润湿煤体，提供一种压动-电动耦合作用强化煤层注水法。

[0006] 为了实现上述目的，本发明所提供的一种压动-电动耦合作用强化煤层注水法，其特征在于：所述煤层注水法是通过对煤层外加动压和电场共同作用快速驱动水运移至煤体不同的孔裂隙中充分湿润煤体，具体方法是按下列步骤进行的：Ⅰ、对煤层钻孔取样，测定煤样的单轴抗压强度、孔隙率、含水率、透水系数，确定最大注水压力；
Ⅱ、采用煤岩压动-电动三轴渗流试验装置与微电泳仪分别测试煤样的电渗透系数以及在不同酸碱度水溶液中的电动电位，确定注水溶液的酸碱度以及电极材质、电位梯度等电动作用参数；所述酸碱度为7-11，所述电极材质为铝、铜或铁，所述电位梯度为0-20V·cm-1；
Ⅲ、在进/回风巷道垂直煤壁钻一排钻孔，钻孔直径为50-90mm，钻孔距巷道顶板与底板的距离比为2∶3-3∶4，且其倾角与煤层倾角之间的夹角为-8-8°，钻孔间距20-50m。在每个钻孔内分别放置一内径为38mm的高压注水管和一直径为20-40mm的电极棒，电极棒长度等同钻孔长度，采用水泥砂浆密封钻孔，注水管外接压力表、分流器与截止阀，电极棒外接导线；
Ⅳ、由高压胶管将各钻孔中的注水管连接为一起，外接注水泵、过滤器和水箱，并设置有单向阀与流量计；
Ⅴ、用绝缘导线将钻孔内的阳极电极与阴极电极分别串联，再将其分别接到直流电源的正极或负极，直流电源的输出电压为400-800V，输出电流为200-400A；
Ⅵ、打开注水泵，向钻孔动压注水，同时接通直流电源，通过压动-电动耦合作用强化煤层注水，充分润湿煤体；当注水达到设计要求且钻孔两侧煤壁有大面积水渗出时，暂停对该钻孔或该组钻孔的注水，确定润湿范围，并采集煤样测试含水量，检测是否满足润湿要求。

[0007] 上述技术方案进一步的特征还在于：所述压动-电动耦合作用是通过煤层中的钻孔与孔裂隙通道，通过注水泵提供动压力以及直流电源提供电场在煤层中产生电渗作用与电泳作用的电动力，共同驱动水运移作用。

[0008] 所述钻孔的单向钻孔深度是工作面长度的1/2-3/4，双向钻孔深度是工作面长度的1/3-2/5。

[0009] 所述向钻孔动压注水中，阳极钻孔注水速度是阴极钻孔注水速度的1.4-3.8倍。

[0010] 本发明上述所提供的一种压动-电动耦合作用强化煤层注水法，与现有方法相比，本法在动压作用下，水会从钻孔运移至煤储层大孔裂隙中，然后在电渗作用与毛细作用的共同驱动下，大孔裂隙中的水会进一步进入微小孔裂隙中，实现煤体的高效全润湿；在电泳作用下，煤储层中的黏土矿物、煤粒等带电颗粒会运移至钻孔内，使煤储层的孔裂隙贯通，起到了解堵与防堵作用，提高了渗透性，大幅减少了钻孔工程量，如钻孔长度缩短、钻孔间距增大、钻孔数量减少等。

[0011] 采用本方法对煤储层作用后，单孔润湿范围扩大1.2-3.4倍，平均注水速率提高2.31-6.87倍，含水率提高1.28-3.37倍。
附图说明

[0012] 图1是本发明强化煤层注水法的单向工艺平面示意图。

[0013] 图2是本发明强化煤层注水法的双向工艺平面示意图。

[0014] 图3是本发明某1矿煤层无烟煤样电动电位ζ随酸碱度的变化曲线。

[0015] 图4是本发明某2矿煤层焦煤样电动电位ζ随酸碱度的变化曲线。

[0016] 图中：1：钻孔；2：阳极电极；3：阴极电极；4：注水管；5：水泥砂浆封孔；6：压力表；7：分流器；8：截止阀；9：直流电源；10：电流表；11：阳极电缆线；12：阴极电缆线；13：高压胶管；
14：流量计；15：单向阀；16：高压注水泵；17：过滤器；18：水箱。

具体实施方式

[0017] 以下结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。

[0018] 实施方式1实施一种通过压动-电动耦合作用强化煤层注水的方法，该方法是按下列步骤进行的：
步骤一、某1矿工作面长度为150m，煤层厚度为3.2m，开采煤种为无烟煤，对某1矿煤层钻孔取样，测定煤样的单轴抗压强度7.36MPa、孔隙率3.82%、含水率1.18%、透水系数3.515×10-4cm2·atm-1·s-1，确定最大注水压力15MPa。

[0019] 步骤二、采用煤岩电动-压动三轴渗流试验装置测定煤样的电渗透系数为8.578×10-4cm2·V-1·s-1，采用微电泳仪测试无烟煤样在不同酸碱度水溶液中的电动电位，见附图
3，考虑煤样酸碱度过大会引起设备腐蚀，确定注水溶液的酸碱度为9.2，电极材质为铁。

[0020] 步骤三、在回风巷道垂直煤壁钻一排钻孔，钻孔直径87mm，考虑水重力影响，钻孔距巷道顶板距离为0.8m，距巷道底板距离为2.4m，且因采煤工艺为综采一次采全高，沿平行于煤层倾角方向钻进，考虑电动作用中的电渗驱动影响，确定单向钻孔深度为100m，钻孔间距30m，在每个钻孔内分别放置一根内径38mm的高压注水管和一根直径30mm的电极棒，电极棒长度与钻孔长度一致。采用水泥砂浆密封钻孔，注水管外接压力表、分流器与截止阀，电极棒外接导线。

[0021] 步骤四、用高压胶管将各钻孔中的注水管连接在一起，外接注水泵、过滤器与水箱，并连接有单向阀与流量计等。

[0022] 步骤五、用绝缘导线将钻孔内的阳极电极与阴极电极分别串联，并将其分别接到直流电源的正极或负极，直流电源的输出电压为500V，输出电流为260A。

[0023] 步骤六、打开注水泵，向钻孔动压注水，同时接通直流电源，通过压动-电动耦合作用强化煤层注水，由于水在电渗作用下的运移方向是从阳极到阴极，设置阳极钻孔中的注水速度为阴极钻孔注水速度的1.7倍，连续注水16h后钻孔两侧煤壁有大面积水渗出时，暂停对该组钻孔的注水，通过测试发现单孔润湿范围扩大1.89倍，含水率平均提高2.38倍。

[0024] 实施方式2 步骤一、某二矿工作面长度为200m，煤层厚度为2.8m，开采煤种为焦煤；对某二矿煤层钻孔取样，测定煤样的单轴抗压强度5.92MPa、孔隙率2.35%、含水率1.64%、透水系数1.906×10-4cm2·atm-1·s-1，确定最大注水压力16MPa。

[0025] 步骤二、采用煤岩电动-压动三轴渗流试验装置测定煤样的电渗透系数为11.493×10-4cm2·V-1·s-1，采用微电泳仪测试煤样在不同酸碱度水溶液中的电动电位，见附图4，考虑煤样酸碱度过大会引起设备腐蚀，确定注水溶液的酸碱度为8.5，电极材质为铝。

[0026] 步骤三、在进风巷道和回风巷道垂直煤壁双向各钻一排钻孔，钻孔直径68mm，考虑水重力影响，钻孔距巷道顶板距离为1.2m，距巷道底板距离为1.6m，且因采煤工艺为综采一次采全高，沿平行于煤层倾角方向钻进，考虑电动作用中的电渗驱动影响，确定双向钻孔深度为70m，钻孔间距35m，在每个钻孔内分别放置一根内径38mm的高压注水管和一根直径25mm的电极棒，电极棒长度与钻孔长度一致，采用水泥砂浆密封钻孔，注水管外接压力表、分流器与截止阀，电极棒外接导线。

[0027] 步骤四、用高压胶管将各钻孔中的注水管连接在一起，外接注水泵、过滤器与水箱，并连接有单向阀与流量计等。

[0028] 步骤五、用绝缘导线将钻孔内的阳极电极与阴极电极分别串联，并将其分别接到直流电源的正极或负极，直流电源的输出电压为500V，输出电流为260A。

[0029] 步骤六、打开注水泵，向钻孔动压注水，同时接通直流电源，通过压动-电动耦合作用强化煤层注水，由于水在电渗作用下的运移方向是从阳极到阴极，设置阳极钻孔中的注水速度为阴极钻孔注水速度的2.9倍，连续注水13h后钻孔两侧煤壁有大面积水渗出时，暂停对该组钻孔的注水，通过测试发现单孔润湿范围扩大1.89倍，含水率平均提高3.37倍。

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