專利名稱：煤層高壓脈動水錘注水方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及煤層高壓脈動水錘注水方法及其裝置，尤其適用于煤層、特別是透氣性很差的難注煤層的快速、有效注水，也適用于煤礦中煤層的水，也可用于電廠，石油化工等行業(yè)的有壓管路、設備的防垢、除垢和清洗。
背景技術：
煤體中90％以上的瓦斯以吸附的形式賦存在煤體的孔隙與裂隙中。在尚未開采或未受擾動的煤體中，瓦斯氣體保持動態(tài)的吸附平衡。當煤層被開采后，煤層中的裂隙被暴露，平衡的瓦斯賦存狀態(tài)被打破。大量的瓦斯氣體不斷從煤體中解吸出來，通過煤體中的孔隙、微裂隙、裂隙運移到巷道或作面中。目前多數(shù)煤礦是應用大功率采煤機以及綜采放頂煤開采工藝，在每層含水量低的情況下，將導致煤塵產生量增加，不僅對安全生產構成威脅，還因生產環(huán)境惡化，直接損害工人的身體健康。因此，如果治理瓦斯和煤塵的措施不力，就有可能造成瓦斯和煤塵爆炸。
有效地預防瓦斯和煤塵災害的發(fā)生一直是保證煤礦安全生產重中之重的工作。在眾多的預防措施中，向煤層中注水是簡便有效和治本的方法。這是因為在煤層注水的預濕過程中，由于裂隙表面的壓力、夾層和礦物資的膨化以及化學的與物理化學的作用，使煤的力學性質發(fā)生變化，朔性增加，硬度和強度降低，造成煤體疏松，減少了煤體內部的應力集中和瓦斯放散的速度，煤破碎過程中生成的煤塵量將有所減少，瓦斯涌出量也減少，一般情況下，煤層水份增加愈多，瓦斯涌出量的降低率愈大，同時，煤破碎后生成的煤塵也愈少。由此可見煤層注水具有如下優(yōu)點(1)可軟化煤層；降低截割和破碎能量，減少設備的損壞和提高采出率；(2)可延長發(fā)火周期，避免火災的發(fā)生；(3)可預防沖擊地壓的危害；(4)可降低工作場所溫度。所以，煤層注水一直是煤礦最為樂意采用的技術方法。
要使煤層濕潤和軟化，前提是煤體中必須有水。如何快速、有效地將水注入煤體中是“煤層注水”這項技術措施成敗的關鍵。目前的注水系統(tǒng)一般采用井下靜壓注水或高壓水泵加壓注水。靜壓注水是最簡便的方法，對于透氣性很好的煤層效果良好。但靜壓水的壓力有限，不適用于透氣性較差的煤層。采用高壓水泵加壓注水雖然拓寬了常壓注水的適用范圍，但水泵提供的壓力也是有限的，對于透氣性很差的煤層，也難以達到理想效果。同時注水泵的壓力越高，設備的運行、維護和管理要求也越高。據(jù)了解，目前煤礦迫切期盼一種新特的注水技術出現(xiàn)，能夠快速、有效地將水注入煤層、特別是透氣性很差的“難注”煤層中。不僅如此，解決難注煤層的注水問題已經引起了國家、政府管理部門和科技工作者的廣泛關注。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是根據(jù)已有技術存在的問題，提供一種方法簡單，設備體積小、重量輕、性能可靠、使用壽命長的煤層高壓脈動水錘注水方法及其裝置。
本發(fā)明的水錘注水方法，在高壓脈動水錘注水裝置的低壓缸體的接口上通入低壓水，在高壓缸體的接口上連接需要進行水力錘擊的注水管路，對低壓缸體通入壓力水，可使活塞組件在水壓的作用下緩慢下移，壓縮主彈簧蓄能，設定活塞組件下移位置，通過壓縮套在觸發(fā)頂桿上的觸發(fā)彈簧，使主彈簧所蓄能量瞬間釋放，推動空心管柱塞快速上移錘擊高壓缸體腔體中的水，使其壓力瞬間增大，并通過注水管傳播到被注水的煤層中；改變進入低壓缸體的水壓和調節(jié)觸發(fā)頂桿的高度可以改變“水錘”強度；調節(jié)從接口進入低壓缸體的低壓腔的壓力水的流量可以改變“水錘”頻率的大小。
本發(fā)明的水錘注水裝置，它包括高壓缸體，與高壓缸體順序連為一體的低壓缸體和主彈簧座，低壓缸體和主彈簧座的腔體內設有可上下整體移動的活塞組件；高壓缸體頂部設有與注水管相連的接口；低壓缸體的殼體上設有與低壓水相連的接口；主彈簧座內設有可使活塞組件復位的主彈彈簧，其底部設有觸發(fā)頂桿和出水接頭，觸發(fā)頂桿上設有觸發(fā)彈簧。
所述的活塞組件由空心管柱塞、與空心管柱塞連為一體的活塞和固定在空心管柱塞底端的水流觸動閥構成，空心管柱塞上開有多個進水孔，靠高壓缸體的一端封閉，活塞上開有與空心管柱塞相連通的進水孔；所述的水流觸動閥由固定在活塞上的閥芯外套、設在閥芯外套內的主閥芯和與其相配合的閥座螺母構成，主閥芯內設有觸發(fā)閥芯和與其相配合的復位彈簧，閥座螺母固定在閥芯外套上；觸發(fā)閥芯上設有多個出水孔；主閥芯頂部設有一個具有節(jié)流作用的小孔，閥芯外套殼體上設有多個出水孔；所述的空心管柱塞和與其連為一體的活塞與低壓缸體的配合面上設有密封圈；所述的主閥芯與閥芯外套之間設有密封圈。
本發(fā)明利用水的“不可壓縮”性和水力捶擊所能產生的瞬時高壓，將煤層振裂，使壓力水通過這些裂隙順利滲入煤體中，達到快速、均勻濕潤煤體的方法，配合實現(xiàn)該方法的水錘裝置，通過高、低壓缸和上下移動的活塞組件對壓力水的錘擊，能夠快速、有效地將水注入煤層、特別是透氣性很差的“難注”煤層中，能提高煤礦的生產效率和安全。也可有效預防煤層被開采過程中因瓦斯和煤塵超限而引發(fā)煤礦安全問題，還可廣泛應用于電廠，石油化工等行業(yè)的有壓管路、設備的防垢、除垢和清洗。其結構緊湊，操作簡單，使用方便，具有廣泛的實用性。
附圖是本發(fā)明液動水錘發(fā)生器結構圖。
圖中高壓缸體-1，空心管柱塞-2，低壓缸體-3，活塞-4，主閥芯-5，復位彈簧-6，觸發(fā)閥芯-7，閥芯外套-8，閥座螺母-9，觸發(fā)彈簧-10，觸發(fā)頂桿-11，出水接頭-12，主彈簧座-13，主彈簧-14。
具體實施例方式
下面將結合附圖對本發(fā)明的一個實施例作進一步的描述如圖所示，煤層高壓脈動水錘注水裝置由高壓缸體1，空心管柱塞2，低壓缸體3，活塞4，主閥芯5，復位彈簧6，觸發(fā)閥芯7，閥芯外套8，閥座螺母9，觸發(fā)彈簧10，觸發(fā)頂桿11，出水接頭12，主彈簧13和主彈簧座14組成。高壓缸體1固定在低壓缸體3的上部，主彈簧座13固定在低壓缸體3的下部，用螺釘將高壓缸體1、低壓缸體3和主彈簧座13連接成一個整體。低壓缸體3和主彈簧座13的腔體內設有可上下整體移動的活塞組件，該活塞組件由空心管柱塞2、活塞4和水流觸動閥構成，空心管柱塞2與活塞4焊接為一體，裝入低壓缸體3后，與低壓缸體3構成空腔B；空心管柱塞2連通高壓缸體1的一端封閉，與高壓缸體1構成空腔H，空心管柱塞2上開有多個進水孔，活塞4上開有與空心管柱塞2相連通的進水孔，水流觸動閥固定在活塞4的底端，它由固定在活塞4上的閥芯外套8、設在閥芯外套8內的主閥芯5和與其相配合的閥座螺母9構成，主閥芯5內設有與復位彈簧6相配合的觸發(fā)閥芯7，閥座螺母9擰在閥芯外套8上，觸發(fā)彈簧10裝在觸發(fā)頂桿11上；觸發(fā)閥芯7上開有若干個出水孔，可使空腔D中的水順利流出。主閥芯5和觸發(fā)閥芯7都裝在閥芯外套8中，閥芯外套8一端通過螺釘固定在活塞4的外端面上，閥座螺母9的中心開有一個圓孔，其里端的邊緣與觸發(fā)閥芯7的頭部接合后形成觸發(fā)閥門E，主閥芯5套在觸發(fā)閥芯7的外面，2者形成的空腔D中裝有復位彈簧6。主閥芯5頂部開有一個具有節(jié)流作用的小孔K，閥芯外套8殼體上開有多個出水孔，靠低壓缸體3一端的中孔邊緣與主閥芯5頭部接合后形成主閥門G。高壓缸體1頂部設有與注水管相連的接口I；低壓缸體3的殼體上設有與低壓水相連的接口A；主彈簧座13內設有可使活塞組件復位的主彈簧14，空心管柱塞2和與其連為一體的活塞4與低壓缸體3的配合面上設有密封圈。觸發(fā)彈簧套10設在觸發(fā)頂桿11的上端，觸發(fā)頂桿11的下端擰在主彈簧座13的底部并用螺母鎖緊，主彈簧14放在主彈簧座13中起徑向限位作用，活塞組件座在主彈簧14的上端可上下移動。主彈簧座13的底部裝有出水接頭12，可將其中的水引出。
煤層高壓脈動水錘注水方法是在高壓脈動水錘注水裝置的低壓缸體3上的接口A上接入低壓水，在高壓缸體1的接口I上連接需要進行水力錘擊的注水管路，將壓力經過一個節(jié)流閥從接口A引入壓力水，推動活塞組件緩慢下移并將主彈簧14壓縮蓄能，活塞組件下移到某個位置時開始壓縮觸發(fā)彈簧10。隨著活塞組件下移量增加，觸發(fā)彈簧10的彈力也不斷增大，當觸發(fā)閥芯7內側的作用力(包括水壓合力和復位彈簧力6)與其外側所受的觸發(fā)彈簧10的彈力剛好相等時為觸發(fā)位置，活塞組件再有微小下移時，觸發(fā)彈簧10力大于觸發(fā)閥芯7內側作用力，使觸發(fā)閥門微微開啟，D腔內有水流出。因D腔內的水流出而使作用在觸發(fā)閥芯7上的水壓合力也有所下降，如此一增一減，加之觸發(fā)彈簧10的復位推動作用，使觸發(fā)閥芯7被瞬間彈開，觸發(fā)閥門E完全打開，D腔內的水被擠出；由于主閥芯5上小孔K的節(jié)流作用，外部的水不能及時補進，使D腔內的壓力急劇降低；因D腔內的水壓大幅降低，使主閥芯5在其外端的水壓作用下向下移動，主閥門G打開，B腔內的水從空心柱塞2的多個進水孔中流出，同時壓力迅速降低；此時活塞組件在主彈簧14的巨大推力作用下向上產生一個很大的加速度快速上移，利用空心柱塞2的頂面“錘擊”高壓缸體H中的水，使其壓力瞬間劇增形成峰壓，利用水的“不可壓縮”性可將此峰壓在注水管路中傳播至很遠距離。當活塞組件上移到觸發(fā)閥芯離開觸發(fā)彈簧10的作用時，在復位彈簧6的作用下觸發(fā)閥門7關閉。B腔內的水在流出的同時也經主閥芯上的小孔K流進D腔，在復位彈簧6和D腔內水壓的共同作用下使主閥芯5相對上移最終將主閥門G關閉，至此完成了一個水錘工作循環(huán)。改變進入低壓缸體的水壓和調節(jié)觸發(fā)頂桿的高度可以改變“水錘”強度，調節(jié)從A口進入低壓腔B的壓力水的流量，可以改變“水錘”的頻率。該水錘裝置可以用煤礦井下的靜壓水驅動，也可用水泵、油泵和乳化液泵等產生的有壓液體驅動。
權利要求
1.煤層高壓脈動水錘注水方法，其特征在于在高壓脈動水錘注水裝置的低壓缸體(3)的接口A上通入低壓水，在高壓缸體(1)的接口I上連接需要進行水力錘擊的注水管路，對低壓缸體(3)通入壓力水，可使活塞組件在水壓的作用下緩慢下移并壓縮主彈簧(14)蓄能，設定活塞組件下移位置，通過壓縮套在觸發(fā)頂桿(11)上的觸發(fā)彈簧(10)，使主彈簧(14)所蓄能量瞬間釋放，推動空心管柱塞(2)快速上移錘擊高壓缸體(1)腔體H中的水，使其壓力瞬間增大，并通過注水管傳播到被注水的煤層中。
2.根據(jù)權利要求2所述的煤層高壓脈動水錘注水方法，其特征在于改變進入低壓缸體(3)的水壓和調節(jié)觸發(fā)頂桿(11)的高度，可以改變“水錘”強度；調節(jié)進入低壓缸體(3)的低壓腔B的壓力水的流量可以改變“水錘”頻率。
3.煤層高壓脈動水錘注水裝置，其特征在于它包括高壓缸體(1)，與高壓缸體(1)順序連為一體的低壓缸體(3)和主彈簧座(13)，低壓缸體(3)和主彈簧座(13)的腔體內設有可上下整體移動的活塞組件；高壓缸體(1)頂部設有與注水管相連的接口(I)；低壓缸體(3)的殼體上設有與低壓水相連的接口(A)；主彈簧座(13)內設有可使活塞組件復位的主彈彈簧(14)，其底部設有觸發(fā)頂桿(11)和出水接頭(12)，觸發(fā)頂桿(11)上設有觸發(fā)彈簧(10)。
4.根據(jù)權利要求3所述的煤層高壓脈動水錘注水裝置，其特征在于所述的活塞組件由空心管柱塞(2)、與空心管柱塞(2)連為一體的活塞(4)和固定在空心管柱塞(2)底端的水流觸動閥構成，空心管柱塞(2)上開有多個進水孔，靠高壓缸體(1)的一端封閉，活塞(4)上開有與空心管柱塞(2)相連通的進水孔。
5.根據(jù)權利要求4所述的煤層高壓脈動水錘注水裝置，其特征在于所述的水流觸動閥由固定在活塞(4)上的閥芯外套(8)、設在閥芯外套(8)內的主閥芯(5)和與其相配合的閥座螺母(9)構成，主閥芯(5)內設有觸發(fā)閥芯(7)和與其相配合的復位彈簧(6)，閥座螺母(9)固定在閥芯外套(8)上；觸發(fā)閥芯(7)上設有多個出水孔；主閥芯(5)頂部設有一個具有節(jié)流作用的小孔(K)，閥芯外套(8)殼體上設有多個出水孔。
6.根據(jù)權利要求3或4所述的煤層高壓脈動水錘注水裝置，其特征在于所述的空心管柱塞(2)和與其連為一體的活塞(4)與低壓缸體(3)的配合面上設有密封圈。
7.根據(jù)權利要求5所述的煤層高壓脈動水錘注水裝置，其特征在于所述的主閥芯(5)與閥芯外套(8)之間設有密封圈。
全文摘要
一種煤層高壓脈動水錘注水方法及其裝置，最適用于透氣性很差的難注煤層的快速、有效注水。在水錘注水裝置的高壓缸體的接口上連接需要進行水力錘擊的注水管路，對低壓缸體通入壓力水，可推動活塞組件壓縮主彈簧蓄能，通過壓縮觸發(fā)彈簧，可使主彈簧所蓄能量瞬間釋放，推動空心管柱塞快速上移錘擊高壓缸體中的水，使其產生的峰壓傳播到被注水的煤層中；水錘注水裝置包括高壓缸體，與高壓缸體順序連為一體的低壓缸體和主彈簧座，低壓缸體內設有可上下整體移動的活塞組件；高壓缸體頂部設有與注水管相連的接口；低壓缸體的殼體上設有與低壓水相連的接口；主彈簧座內設有可使活塞組件復位的主彈簧，其底部設有觸發(fā)頂桿，觸發(fā)頂桿上部設有觸發(fā)彈簧。
文檔編號E21F5/02GK1975114SQ20061016140
公開日2007年6月6日 申請日期2006年12月8日 優(yōu)先權日2006年12月8日
發(fā)明者張景松 申請人:中國礦業(yè)大學