一种绿色节能型煤层注水与注浆协同防灾系统及方法

技术领域

本发明属于煤层注水与注浆防灭火技术领域，具体涉及一种绿色节能型煤层注水与注浆协同防灾系统及方法。

背景技术

近年来，随着煤炭产量逐年的增加及煤炭开采过程中机械化程度的不断提高，煤矿粉尘危害问题显得尤为突出。尤其是低渗难注水煤层，粉尘效果防治难度较高，矿井机械化程度高，产量大，随之而来的粉尘防治难题制约矿井高效生产和职业健康卫生，威胁着井下工人的生命安全，磨损着井下设备设施。而且，由于工作面本身煤层含水率偏低，随着瓦斯抽采的进行煤层一部分水量被抽取出来，使得煤层更加干燥，回采过程中粉尘量会进一步增加，目前大多数矿井采用动压注水的方式进行粉尘防治。此外地下煤火也是煤田开发和利用中存在的一种发生灾害，中国北方地区的煤炭资源十分丰富，是中国主要的煤炭开发与综合利用基地，为中国的经济发展和社会进步作出了巨大贡献。然而，由于大部分煤层很厚，赋存较浅，且处于干旱和半干旱环境中，煤层极易氧化，形成大面积煤田火区和矿井火。据统计每年直接烧失煤炭储量超过2000万吨，间接破坏煤炭资源2亿吨，并且直接危害煤矿的安全生产。但目前绝多大数矿井注浆系统都是独立的，系统投资大，耗能高。主要表现在大型成套设备的应用，使得工程造价较高，给注浆技术进一步的推广应用造成一定的困难。并且在多重施工环节并存的情况下，注浆的可灌性、可控性、稳定性差。因此，煤矿行业安全生产技术领域急需一种绿色节能煤层注水与注浆防灭火协同系统及方法，能够同时解决粉尘与煤火两种灾害，并符合绿色节能矿山环境建设的宗旨，有利于煤矿行业的长远发展。

发明内容

本发明的目的，是要提供一种绿色节能型煤层注水与注浆协同防灾系统及方法，以保障煤层注水与注浆防灭火协同、高效、绿色节能进行。

本发明为实现上述目的，所采用的技术方案如下：

一种绿色节能型煤层注水与注浆协同防灾系统，包括注水系统、注浆系统、太阳能自动加压系统、压力监测系统、水流量控制系统、搅拌系统和控制单元；

所述注水系统包括蓄水池和注水管路，蓄水池的出水口通过注水管路与工作面注水钻孔连接；

所述注浆系统包括研磨制浆机、滤浆机、涡旋高速制浆机、注浆管路、水流量控制管路和注浆混合池；所述研磨制浆机的出料口与滤浆机的进料口连接，滤浆机的出料口与涡旋高速制浆机的进料口连接，涡旋高速制浆机的出料口通过注浆管路与注浆混合池的进料口连接，注浆混合池的出料口通过管路接入工作面采空区，注浆混合池的进水口与水流量控制管路的出水口连接；

所述水流量控制系统包括溢流节流阀和分流集流阀；所述分流集流阀设置在注水管路上，注水管路通过分流集流阀与水流量控制管路连接，溢流节流阀设置在水流量控制管路上；

所述压力监测系统包括压力传感器，压力传感器设置在注水管路上；

所述太阳能加压系统包括光敏接收器、压力转换器、波导管和压力控制阀，光敏接收器经波导管连接压力转换器，压力转换器连接压力控制阀，压力控制阀设置在注水管路上；

所述研磨制浆机、溢流节流阀、分流集流阀、压力传感器、光敏接收器、压力转换器、搅拌系统分别经信号线缆和控制单元连接，所述搅拌系统设置在注浆混合池内。

作为限定，所述光敏接收器表面涂有高分子防腐防水涂料。

作为第二种限定，所述光敏接收器底端设有用于固定在注水管路上的钢管固定器，所述压力转换器、波导管设置于光敏接收器的下方。

作为第三种限定，所述控制单元采用计算机系统。

本发明还提供了采用上述一种绿色节能型煤层注水与注浆协同防灾系统的一种方法，包括以下步骤：

S1、在工作面回风顺槽利用定向钻机进行定向钻孔，得到工作面注水钻孔；

S2、将注水管路的末端伸入工作面注水钻孔内部，注浆混合池的出料口通过管路接入工作面采空区，并将注水管路和工作面注水钻孔之间采用封孔材料密封；

S3、蓄水池通过注水管路以静压注水方式向工作面注水钻孔内注入压力水，注水管路压力逐渐上升，进入静压注水阶段，通过压力传感器实时监测注水管路压力并反馈至控制单元，控制单元实时识别压力传感器的压力数据变化；

S4、当注水管路压力不变进入恒压注水时，或在0.1~0.2MPa波动范围内浮动变化，控制单元开启水流量控制系统的分流集流阀，注浆阶段开始；

S5、控制单元通过控制研磨制浆机对注浆材料进行打磨，经滤浆机过滤，涡旋高速制浆机制浆注入注浆混合池，并通过控制溢流节流阀，使注浆材料与水按比例混合，然后控制单元开启搅拌系统，使得浆液均匀注入工作面采空区；

S6、完成注浆工作后，压力传感器监测到注水管路压力逐渐增大，控制单元关闭分流集流阀、溢流节流阀、搅拌系统、注浆系统，并控制光敏接收器将光能传给压力转换器转换为压力值，控制压力控制阀使注水管路的压力降为静压注水初值，进入静压注水阶段。

作为限定，步骤S4中，注浆阶段开始后，注水管路的压力逐渐降低，在控制单元中设定注水管路恒压注水时压力值，开启太阳能自动加压系统，通过光敏接收器将光能传给压力转换器转换为压力值并将压力值反馈给控制单元，通过压力控制阀对注水管路加压，使注水管路压力与恒压注水时压力值保持一致。

作为第二种限定，注水管路的压力降低范围为0.1~0.5MPa。

本发明由于采用了上述的技术方案，其与现有技术相比，所取得的技术进步在于：

（1）本发明实现了注水与注浆防灭火协同，解决了粉尘与煤火两种灾害，保障了煤层注水与注浆防灭火协同、高效、绿色节能的进行；

（2）本发明通过压力传感器实时监测注水管路压力数据变化，由控制单元判断自动控制光敏接收器、分流集流阀的开启和关闭；

（3）本发明无需人工干预，精简了工艺流程，降低了电耗、水资源的消耗，节省了注水以及注浆施工的成本投入。

本发明属于煤层注水与注浆防灭火技术领域，适用于通过注水与注浆防灭火协同的方法解决粉尘与煤火两种灾害。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图。

图中：1、控制单元；2、蓄水池；3、注水管路；4、压力传感器；5、研磨制浆机；6、滤浆机；7、涡旋高速制浆机；8、注浆管路；9、水流量控制管路；10、注浆混合池；11、搅拌系统；12、溢流节流阀；13、分流集流阀；14、光敏接收器；15压力转换器；16、波导管；17、压力控制阀；18、工作面注水钻孔。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本领域的技术人员应当理解，本发明并不限于以下实施例，任何在本发明具体实施例基础上做出的改进和变化都在本发明权利要求保护的范围之内。

实施例1 一种绿色节能型煤层注水与注浆协同防灾系统

如图1所示，本实施例包括注水系统、注浆系统、太阳能自动加压系统、压力监测系统、水流量控制系统、搅拌系统11和控制单元1；其中，注水系统包括蓄水池2和注水管路3，蓄水池2的出水口通过注水管路3与工作面注水钻孔18连接。压力监测系统包括压力传感器4，压力传感器4设置在注水管路3上，压力传感器4经信号线缆和控制单元1连接，用于将实时监测注水管路3压力并反馈至控制单元1。

注浆系统包括研磨制浆机5、滤浆机6、涡旋高速制浆机7、注浆管路8、水流量控制管路9和注浆混合池10；研磨制浆机5的出料口与滤浆机6的进料口连接，滤浆机6的出料口与涡旋高速制浆机7的进料口连接，涡旋高速制浆机7的出料口通过注浆管路8与注浆混合池10的进料口连接，注浆混合池10的出料口通过管路接入工作面采空区，注浆混合池10的进水口与水流量控制管路9的出水口连接。

其中，研磨制浆机5经信号线缆和控制单元1连接，通过控制单元1启动研磨制浆机5对注浆材料进行打磨粉碎，然后滤浆机6用于对注浆材料进行过滤，涡旋高速制浆机7用于对于注浆材料进行制浆并注入注浆混合池10。

本实施例中，搅拌系统11设置在注浆混合池10内，搅拌系统11经信号线缆和控制单元1连接，用于将注浆混合池10中的注浆材料与水按比例混合均匀注入工作面采空区。

本实施例中，水流量控制系统包括溢流节流阀12和分流集流阀13；分流集流阀13设置在注水管路3上，注水管路3通过分流集流阀13与水流量控制管路9连接，溢流节流阀12设置在水流量控制管路9上。其中，溢流节流阀12、分流集流阀13经信号线缆和控制单元1连接，控制单元1通过控制溢流节流阀12调节水流量控制管路9的水流量变化，通过控制分流集流阀13的开启使水流进入水流量控制管路9，并进入注浆混合池10。

太阳能加压系统包括光敏接收器14、压力转换器15、波导管16和压力控制阀17，光敏接收器14经波导管16连接压力转换器15，压力转换器15连接压力控制阀17，压力控制阀17设置在注水管路3上。光敏接收器14底端设有用于固定在注水管路3上的钢管固定器，压力转换器15、波导管16设置于光敏接收器14的下方。其中，光敏接收器14面积大、光源接收范围广，表面涂有高分子防腐防水涂料。光敏接收器14、压力转换器15经信号线缆和控制单元1连接，控制单元1控制光敏接收器14通过波导管16能够将光能传给压力转换器15转换为压力值，压力转换器15将光能转换的压力值实时传输至控制单元1，并通过压力控制阀17改变注水管路3的压力。

本实施例中，控制单元1采用计算机系统，安装有智能识别与数据处理程序，能够实时识别压力传感器4和压力转换器15的压力数据变化，并根据压力数据变化特征控制研磨制浆机5、分流集流阀13、搅拌系统11的开启和关闭。

实施例2 一种绿色节能型煤层注水与注浆协同防灾方法

本实施例包括以下步骤：

S1、在工作面回风顺槽利用定向钻机进行定向钻孔，得到工作面注水钻孔18；

按照煤矿采区巷道布置和采煤方法，结合煤层赋存特征，在工作面回风顺槽利用定向钻机打4~6个工作面注水钻孔18，其中，工作面注水钻孔18口距离底板约0.6 m，工作面注水钻孔18间距为20 cm，根据煤层节理裂隙发育情况、以及各工作面注水钻孔18情况，将工作面注水钻孔18与瓦斯抽采钻孔交替，以避免影响瓦斯抽采效果；

S2、将注水管路3的末端伸入工作面注水钻孔18内部，注浆混合池10的出料口通过管路接入工作面采空区，并将注水管路3和工作面注水钻孔18之间采用封孔材料密封；其中封孔材料可以采用马丽散袋；

S3、蓄水池2通过注水管路3以静压注水方式向工作面注水钻孔18内注入压力水，注水管路3压力开始逐渐上升，进入静压注水阶段，通过压力传感器4实时监测注水管路3压力并反馈至控制单元1，控制单元1实时识别压力传感器4的压力数据变化；

S4、当注水管路3的压力不变进入恒压注水时，或在0.1~0.2MPa波动范围内浮动变化，控制单元1开启水流量控制系统的分流集流阀13，注浆阶段开始；本步骤中，注水管路3的恒压注水时压力为2MPa；

其中注浆阶段开始后，注水管路3的压力逐渐降低，降低范围为0.1~0.5MPa，在控制单元1中设定注水管路3恒压注水时压力值，开启太阳能自动加压系统，通过光敏接收器14将光能传给压力转换器15转换为压力值并将压力值反馈给控制单元1，通过压力控制阀17对注水管路3加压，使注水管路3压力与恒压注水时压力值保持一致（2MPa）；

S5、注浆阶段开始后，控制单元1控制研磨制浆机5对注浆材料进行打磨，经滤浆机6过滤，涡旋高速制浆机7制浆注入注浆混合池10，并通过控制溢流节流阀12，使注浆材料与水按1.5:1的比例混合，然后控制单元1开启搅拌系统11，使得浆液均匀注入工作面采空区；

S6、当压力传感器4监测到注水管路3压力逐渐增大时，完成注浆工作，控制单元1关闭分流集流阀13、溢流节流阀12、搅拌系统11、注浆系统，并控制光敏接收器14将光能传给压力转换器15转换为压力值，控制压力控制阀17使注水管路3的压力降为静压注水初值，进入静压注水阶段。其中静压注水初值为通过蓄水池2与工作面注水钻孔18的高度差及大气压计算所得。

需要说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域技术人员来说，其依然可以对上述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。