一种基于蒸汽冷凝与超声强化的煤层润湿装置及方法
本发明涉及煤层注水渗流，特别涉及一种基于蒸汽冷凝与超声强化的煤层润湿装置及方法。
背景技术：
1、煤炭资源在我国仍属于不可或缺的重要资源，我国的工业化发展及人民生活仍离不开煤炭资源的支撑，煤炭产量居高不下。目前煤炭开采过程中仍存在各种问题，随着开采深度的增加以及井下机械化水平的提高，各种问题越发显著，所造成的后果也越来越严重。在煤炭开采过程中，采煤机割煤时会使得产生的煤颗粒悬浮到巷道中，从而增加工人工作环境中的粉尘浓度，由此引发煤尘爆炸等灾害事故，并且，高浓度的煤尘被工人吸入体内也会使得工人患尘肺病，从而严重影响工作人员的身体健康。由此可见，煤尘会对井下设备及工人身体健康造成严重的损害，如何减少开采过程中的产尘量已经成为我国煤矿领域急需解决的问题。
2、煤层注水技术在我国已经得到普遍的应用，其作业成本低、降尘效果显著，已成为许多煤矿防治粉尘灾害的重要技术手段。但目前我国煤矿的开采深度逐渐增大，煤体渗透性大幅降低，从而降低了煤层注水的效果，因此，如何提高煤层注水的效率是煤尘防治技术发展中急需解决的问题。
技术实现思路
1、针对上述现有技术中存在的问题，本发明旨在提供一种基于蒸汽冷凝与超声强化的煤层润湿装置及方法，能利用超声激励与液氮冷凝协同作用促进煤层微小孔隙注水，提高煤层注水效率。
2、为了实现上述目的，本发明提出了一种基于蒸汽冷凝与超声强化的煤层润湿装置，包括注水系统、水体蒸发系统、超声激励系统、液氮冷凝系统和注气系统，各系统均通过采集控制线路与计算机采集控制系统连接，煤层内水平交替钻设有若干注水钻孔和液氮降温钻孔，所述注水系统、水体蒸发系统、超声激励系统和注气系统均安装于注水钻孔内，所述液氮冷凝系统安装于液氮降温钻孔内，各所述液氮降温钻孔的下方均设有用于探测水蒸气的超声探测器，所述超声探测器也通过采集控制线路与计算机采集控制系统连接，所述注水系统能向注水钻孔内注水，水体蒸发系统能将注入水体蒸发为水蒸气，注气系统能将水蒸气注入煤层裂隙中，超声激励系统能促进煤层裂隙扩展，液氮冷凝系统能对煤层裂隙中的水蒸气进行降温从而使其恢复成液态水。
3、上述方案中：所述注水系统包括若干注水管和设置于注水钻孔外的注水泵；
4、所述水体蒸发系统包括若干蓄水槽、加热装置和液位传感器；
5、所述超声激励系统包括若干超声发射装置、超声供电线路和设置于注水钻孔外的超声波驱动电源；
6、所述液氮冷凝系统包括若干注氮管和设置于液氮降温钻孔外的液氮罐；
7、所述计算机采集控制系统包括计算机和采集控制线路；
8、所述注气系统包括若干气压管、环形活塞、压力传感器、蓄气槽和设置于注水钻孔外的气压泵；
9、所述注水钻孔和液氮降温钻孔的外端均通过封孔器封堵，每个注水钻孔内均沿其长度方向设有一蓄水槽，各蓄水槽的外端均连接有一注水管，各注水管的外端均穿出对应封孔器且并联在一起，并与注水泵的出口端连接，每个蓄水槽内均配备有加热装置、液位传感器和超声发射装置，所述超声发射装置通过超声供电线路穿出封孔器与超声波驱动电源连接，每个蓄水槽外周均设有一蓄气槽，所述蓄气槽内壁与蓄水槽外壁之间的空间通过环形活塞内外分隔，其中环形活塞的内侧为蓄气舱，环形活塞的外侧为气压腔，所述蓄气舱内配备有压力传感器，各所述气压腔的外端均连接有一气压管，各所述气压管的外端均穿出对应封孔器且并联在一起，并与气压泵的出气端连接，每个蓄水槽的内侧上端均设有用于与对应蓄气舱连通的水蒸气抽气孔，每个蓄气舱的内端均设有贯穿蓄气槽的出气孔，每个液氮降温钻孔内均沿其长度方向设有一注氮管，所述注氮管上设有注氮出液孔，所述注氮出液孔上设有开关阀门，各所述注氮管的外端均穿出对应封孔器且并联在一起，并与液氮罐的出液端连接，所述超声探测器为超声波传感器，各所述超声波传感器、压力传感器和液位传感器均通过采集控制线路与计算机连接，所述计算机又通过采集控制线路分别与注水泵、气压泵、液氮罐、加热装置、超声波驱动电源和注氮出液孔的开关阀门连接。
10、上述方案中：所述注水钻孔的封孔器由隔水密封胶条制成，所述液氮降温钻孔的封孔器由不锈钢制成，不锈钢的强度和韧性都能得到保证，因此制成的封孔器具有良好的耐用性和密封性。
11、上述方案中：所述超声发射装置发射超声波频率为20—25khz，低频超声传播距离远。
12、上述方案中：所述加热装置包括电阻丝，所述电阻丝整合在蓄水槽的内壁上，电阻丝接通电路时温度升高以加热水体。
13、上述方案中：所述注氮管内部设有隔温层，在开启液氮出液孔前其温度不会影响周围煤层。
14、上述方案中：所述超声发射装置由超声波换能器、夹持法兰、超声波变幅杆和超声波振动子组成。
15、本发明还提出了一种基于蒸汽冷凝与超声强化的煤层润湿方法，基于上述的基于蒸汽冷凝与超声强化的煤层润湿装置，包括以下步骤：
16、s1、开启注水系统，向注水钻孔内注水；
17、s2、开启水体蒸发系统和超声激励系统，将注入水体蒸发为水蒸气，并促进煤层裂隙扩展；
18、s3、开启注气系统，将水蒸气注入煤层裂隙中；
19、s4、利用超声波传感器探测煤层裂隙中的水蒸气流入情况，当探测到水蒸气时，开启液氮冷凝系统，对水蒸气进行降温从而使其恢复成液态水。
20、上述方案中，具体包括以下步骤：
21、s1、水体蒸发；
22、启动计算机采集控制系统，通过计算机控制注水系统开启，使注水泵通过注水管向蓄水槽内注水，并通过液位传感器检测蓄水槽的水位高度，当水位达到设计要求时，通过计算机控制关闭注水系统、开启加热装置，同时，通过计算机控制打开超声波驱动电源，从而启动超声波发射装置发射超声波；
23、s2、注入蒸汽；
24、水体蒸发产生的水蒸气通过水蒸气抽气孔进入蓄气舱内，通过压力传感器探测蓄气舱内的水蒸气压力，当压力达到设定压力值时，通过计算机控制开启气压泵，通过气压管向气压腔内注气加压，从而推动环形活塞压缩蓄气舱内的水蒸气，使其通过出气孔进入注水钻孔中，随着环形活塞的推进挤压，从而将注水钻孔中的水蒸气压入煤层裂隙中，当环形活塞达到最大进程时，通过计算机控制气压泵卸压，气压泵进行抽气，环形活塞回退，蓄水槽内的水蒸气由水蒸气抽气孔被抽入蓄气舱内，完成一个注气过程，每当压力传感器达到设定压力值时，均循环一次该注气过程；
25、s3、液氮冷凝；
26、启动超声波传感器，探测相邻两注水钻孔之间的煤层裂隙中的水蒸气渗入情况，当超声波传感器探测到超声波衰减稳定时，通过计算机开启液氮冷凝系统，使液氮罐内的液氮向注氮管内输送，并打开液氮管上的液氮出液孔，使液氮流入到液氮降温钻孔中，从而使周围煤大幅急剧降温，使得煤层裂隙中渗入的水蒸气凝结成液态水或冰；
27、s4、重复循环注水；
28、液氮冷凝30—40min后，关闭液氮出液孔，蓄水槽中蒸发后的水蒸气继续渗入煤层裂隙中，接触裂隙中的冰使其升温，同时超声激励系统发出的超声波加速冰融化，从而使冰变为液态水，此时，不断压入的水蒸气对水体起到驱动作用，从而达到气驱水的效果，为水蒸气的流入创造空间条件；
29、s5、重复步骤s3和s4，直至使煤层的裂隙数量达到设计要求，煤层的含水量达到设计要求。
30、本发明的有益效果是：
31、气体分子间的作用力比液体分子之间的作用力更小，且气体分子的体积远小于液体分子，相比于液体分子，气体分子更易游离，从而导致气体在煤体孔隙中的流动性要远高于液体，并且更易进入到微小孔隙中，因此，在煤体中采用气渗的效果要远优于液渗的效果，超声波激励煤体可以使得煤体的裂隙扩展和增多，促进煤体发育，并且超声波可以促进水体蒸发，从而使其更易进入到煤体的微小孔隙中，同时，液氮可以使得蒸发的水体重新冷凝成液体，从而增强煤体中微小孔隙的润湿效果，即本发明利用水体蒸发、超声激励和液氮降温冷凝等系统，可以实现对大采深低渗煤层高效注水，本发明通过水体蒸发系统将注入水体蒸发为水蒸气，通过注气系统将水蒸气注入煤层裂隙中，通过超声激励系统对煤体进行破碎致裂，当两注水钻孔之间的超声探测器探测到水蒸气时，开启液氮冷凝系统，利用液氮冷凝系统对进入微小孔隙的水蒸气降温冷凝，使煤体微小孔隙的含水量增加；液氮冷凝系统会使得降温煤体的脆性增加，从而使得超声激励破煤的效率更高，且液体在微小孔隙中冻结后体积增大，进一步使微小孔隙扩张，从而达到一定的扩孔效果，关闭液氮冷凝系统后，超声激励可以使得冻结后的水体融化，从而达到气驱水的效果；重复上述过程，使得水蒸气在微小孔隙重新凝结水体并结冰扩孔，从而实现低渗煤层高效注水与扩孔。
32、总之，本发明可以实现大采深低渗煤层的高效注水，从而降低低渗煤层采煤时的产尘量，保障工作人员以及井下生产设备的安全。
技术特征：
1.一种基于蒸汽冷凝与超声强化的煤层润湿装置，其特征在于：包括注水系统、水体蒸发系统、超声激励系统、液氮冷凝系统和注气系统，各系统均通过采集控制线路(14)与计算机采集控制系统连接，煤层内水平交替钻设有若干注水钻孔(a)和液氮降温钻孔(b)，所述注水系统、水体蒸发系统、超声激励系统和注气系统均安装于注水钻孔(a)内，所述液氮冷凝系统安装于液氮降温钻孔(b)内，各所述液氮降温钻孔(b)的下方均设有用于探测水蒸气的超声探测器，所述超声探测器也通过采集控制线路(14)与计算机采集控制系统连接，所述注水系统能向注水钻孔(a)内注水，水体蒸发系统能将注入水体蒸发为水蒸气，注气系统能将水蒸气注入煤层裂隙中，超声激励系统能促进煤层裂隙扩展，液氮冷凝系统能对煤层裂隙中的水蒸气进行降温从而使其恢复成液态水。
2.根据权利要求1所述的基于蒸汽冷凝与超声强化的煤层润湿装置，其特征在于：所述注水系统包括若干注水管(2)和设置于注水钻孔(a)外的注水泵(1)；
3.根据权利要求2所述的基于蒸汽冷凝与超声强化的煤层润湿装置，其特征在于：所述注水钻孔(a)的封孔器(3)由隔水密封胶条制成，所述液氮降温钻孔(b)的封孔器(3)由不锈钢制成。
4.根据权利要求2所述的基于蒸汽冷凝与超声强化的煤层润湿装置，其特征在于：所述超声发射装置(8)发射超声波频率为20—25khz。
5.根据权利要求2所述的基于蒸汽冷凝与超声强化的煤层润湿装置，其特征在于：所述加热装置(5)包括电阻丝，所述电阻丝整合在蓄水槽(4)的内壁上。
6.根据权利要求2所述的基于蒸汽冷凝与超声强化的煤层润湿装置，其特征在于：所述注氮管(11)内部设有隔温层。
7.根据权利要求2所述的基于蒸汽冷凝与超声强化的煤层润湿装置，其特征在于：所述超声发射装置(8)由超声波换能器、夹持法兰、超声波变幅杆和超声波振动子组成。
8.一种基于蒸汽冷凝与超声强化的煤层润湿方法，其特征在于，基于权利要求1—7任一项所述的基于蒸汽冷凝与超声强化的煤层润湿装置，包括以下步骤：
9.根据权利要求8所述的基于蒸汽冷凝与超声强化的煤层润湿方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
技术总结
本发明提出了一种基于蒸汽冷凝与超声强化的煤层润湿装置及方法，装置包括注水系统、水体蒸发系统、超声激励系统、液氮冷凝系统和注气系统，各系统均与计算机采集控制系统连接，煤层内水平交替钻设有若干注水钻孔和液氮降温钻孔，注水系统、水体蒸发系统、超声激励系统和注气系统均安装于注水钻孔内，液氮冷凝系统安装于液氮降温钻孔内，各液氮降温钻孔的下方均设有用于探测水蒸气的超声探测器，注水系统能向注水钻孔内注水，水体蒸发系统能将注入水体蒸发为水蒸气，注气系统能将水蒸气注入煤层裂隙中，超声激励系统能促进煤层裂隙扩展，液氮冷凝系统能对煤层裂隙中的水蒸气进行降温使其恢复成液态水。本发明能实现大采深低渗煤层的高效注水。
技术研发人员：黄启铭,于博,王刚,程卫民,徐浩,刘宏展,王旭,闫雨婷
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：2024/9/23