专利名称：煤层高压脉动水锤注水方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及煤层高压脉动水锤注水方法及其装置，尤其适用于煤层、特别是透气性很差的难注煤层的快速、有效注水，也适用于煤矿中煤层的水，也可用于电厂，石油化工等行业的有压管路、设备的防垢、除垢和清洗。
背景技术：
煤体中90％以上的瓦斯以吸附的形式赋存在煤体的孔隙与裂隙中。在尚未开采或未受扰动的煤体中，瓦斯气体保持动态的吸附平衡。当煤层被开采后，煤层中的裂隙被暴露，平衡的瓦斯赋存状态被打破。大量的瓦斯气体不断从煤体中解吸出来，通过煤体中的孔隙、微裂隙、裂隙运移到巷道或作面中。目前多数煤矿是应用大功率采煤机以及综采放顶煤开采工艺，在每层含水量低的情况下，将导致煤尘产生量增加，不仅对安全生产构成威胁，还因生产环境恶化，直接损害工人的身体健康。因此，如果治理瓦斯和煤尘的措施不力，就有可能造成瓦斯和煤尘爆炸。
有效地预防瓦斯和煤尘灾害的发生一直是保证煤矿安全生产重中之重的工作。在众多的预防措施中，向煤层中注水是简便有效和治本的方法。这是因为在煤层注水的预湿过程中，由于裂隙表面的压力、夹层和矿物资的膨化以及化学的与物理化学的作用，使煤的力学性质发生变化，朔性增加，硬度和强度降低，造成煤体疏松，减少了煤体内部的应力集中和瓦斯放散的速度，煤破碎过程中生成的煤尘量将有所减少，瓦斯涌出量也减少，一般情况下，煤层水份增加愈多，瓦斯涌出量的降低率愈大，同时，煤破碎后生成的煤尘也愈少。由此可见煤层注水具有如下优点(1)可软化煤层；降低截割和破碎能量，减少设备的损坏和提高采出率；(2)可延长发火周期，避免火灾的发生；(3)可预防冲击地压的危害；(4)可降低工作场所温度。所以，煤层注水一直是煤矿最为乐意采用的技术方法。
要使煤层湿润和软化，前提是煤体中必须有水。如何快速、有效地将水注入煤体中是“煤层注水”这项技术措施成败的关键。目前的注水系统一般采用井下静压注水或高压水泵加压注水。静压注水是最简便的方法，对于透气性很好的煤层效果良好。但静压水的压力有限，不适用于透气性较差的煤层。采用高压水泵加压注水虽然拓宽了常压注水的适用范围，但水泵提供的压力也是有限的，对于透气性很差的煤层，也难以达到理想效果。同时注水泵的压力越高，设备的运行、维护和管理要求也越高。据了解，目前煤矿迫切期盼一种新特的注水技术出现，能够快速、有效地将水注入煤层、特别是透气性很差的“难注”煤层中。不仅如此，解决难注煤层的注水问题已经引起了国家、政府管理部门和科技工作者的广泛关注。
发明内容
本发明的目的是根据已有技术存在的问题，提供一种方法简单，设备体积小、重量轻、性能可靠、使用寿命长的煤层高压脉动水锤注水方法及其装置。
本发明的水锤注水方法，在高压脉动水锤注水装置的低压缸体的接口上通入低压水，在高压缸体的接口上连接需要进行水力锤击的注水管路，对低压缸体通入压力水，可使活塞组件在水压的作用下缓慢下移，压缩主弹簧蓄能，设定活塞组件下移位置，通过压缩套在触发顶杆上的触发弹簧，使主弹簧所蓄能量瞬间释放，推动空心管柱塞快速上移锤击高压缸体腔体中的水，使其压力瞬间增大，并通过注水管传播到被注水的煤层中；改变进入低压缸体的水压和调节触发顶杆的高度可以改变“水锤”强度；调节从接口进入低压缸体的低压腔的压力水的流量可以改变“水锤”频率的大小。
本发明的水锤注水装置，它包括高压缸体，与高压缸体顺序连为一体的低压缸体和主弹簧座，低压缸体和主弹簧座的腔体内设有可上下整体移动的活塞组件；高压缸体顶部设有与注水管相连的接口；低压缸体的壳体上设有与低压水相连的接口；主弹簧座内设有可使活塞组件复位的主弹弹簧，其底部设有触发顶杆和出水接头，触发顶杆上设有触发弹簧。
所述的活塞组件由空心管柱塞、与空心管柱塞连为一体的活塞和固定在空心管柱塞底端的水流触动阀构成，空心管柱塞上开有多个进水孔，靠高压缸体的一端封闭，活塞上开有与空心管柱塞相连通的进水孔；所述的水流触动阀由固定在活塞上的阀芯外套、设在阀芯外套内的主阀芯和与其相配合的阀座螺母构成，主阀芯内设有触发阀芯和与其相配合的复位弹簧，阀座螺母固定在阀芯外套上；触发阀芯上设有多个出水孔；主阀芯顶部设有一个具有节流作用的小孔，阀芯外套壳体上设有多个出水孔；所述的空心管柱塞和与其连为一体的活塞与低压缸体的配合面上设有密封圈；所述的主阀芯与阀芯外套之间设有密封圈。
本发明利用水的“不可压缩”性和水力捶击所能产生的瞬时高压，将煤层振裂，使压力水通过这些裂隙顺利渗入煤体中，达到快速、均匀湿润煤体的方法，配合实现该方法的水锤装置，通过高、低压缸和上下移动的活塞组件对压力水的锤击，能够快速、有效地将水注入煤层、特别是透气性很差的“难注”煤层中，能提高煤矿的生产效率和安全。也可有效预防煤层被开采过程中因瓦斯和煤尘超限而引发煤矿安全问题，还可广泛应用于电厂，石油化工等行业的有压管路、设备的防垢、除垢和清洗。其结构紧凑，操作简单，使用方便，具有广泛的实用性。
附图是本发明液动水锤发生器结构图。
图中高压缸体-1，空心管柱塞-2，低压缸体-3，活塞-4，主阀芯-5，复位弹簧-6，触发阀芯-7，阀芯外套-8，阀座螺母-9，触发弹簧-10，触发顶杆-11，出水接头-12，主弹簧座-13，主弹簧-14。
具体实施例方式
下面将结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述如图所示，煤层高压脉动水锤注水装置由高压缸体1，空心管柱塞2，低压缸体3，活塞4，主阀芯5，复位弹簧6，触发阀芯7，阀芯外套8，阀座螺母9，触发弹簧10，触发顶杆11，出水接头12，主弹簧13和主弹簧座14组成。高压缸体1固定在低压缸体3的上部，主弹簧座13固定在低压缸体3的下部，用螺钉将高压缸体1、低压缸体3和主弹簧座13连接成一个整体。低压缸体3和主弹簧座13的腔体内设有可上下整体移动的活塞组件，该活塞组件由空心管柱塞2、活塞4和水流触动阀构成，空心管柱塞2与活塞4焊接为一体，装入低压缸体3后，与低压缸体3构成空腔B；空心管柱塞2连通高压缸体1的一端封闭，与高压缸体1构成空腔H，空心管柱塞2上开有多个进水孔，活塞4上开有与空心管柱塞2相连通的进水孔，水流触动阀固定在活塞4的底端，它由固定在活塞4上的阀芯外套8、设在阀芯外套8内的主阀芯5和与其相配合的阀座螺母9构成，主阀芯5内设有与复位弹簧6相配合的触发阀芯7，阀座螺母9拧在阀芯外套8上，触发弹簧10装在触发顶杆11上；触发阀芯7上开有若干个出水孔，可使空腔D中的水顺利流出。主阀芯5和触发阀芯7都装在阀芯外套8中，阀芯外套8一端通过螺钉固定在活塞4的外端面上，阀座螺母9的中心开有一个圆孔，其里端的边缘与触发阀芯7的头部接合后形成触发阀门E，主阀芯5套在触发阀芯7的外面，2者形成的空腔D中装有复位弹簧6。主阀芯5顶部开有一个具有节流作用的小孔K，阀芯外套8壳体上开有多个出水孔，靠低压缸体3一端的中孔边缘与主阀芯5头部接合后形成主阀门G。高压缸体1顶部设有与注水管相连的接口I；低压缸体3的壳体上设有与低压水相连的接口A；主弹簧座13内设有可使活塞组件复位的主弹簧14，空心管柱塞2和与其连为一体的活塞4与低压缸体3的配合面上设有密封圈。触发弹簧套10设在触发顶杆11的上端，触发顶杆11的下端拧在主弹簧座13的底部并用螺母锁紧，主弹簧14放在主弹簧座13中起径向限位作用，活塞组件座在主弹簧14的上端可上下移动。主弹簧座13的底部装有出水接头12，可将其中的水引出。
煤层高压脉动水锤注水方法是在高压脉动水锤注水装置的低压缸体3上的接口A上接入低压水，在高压缸体1的接口I上连接需要进行水力锤击的注水管路，将压力经过一个节流阀从接口A引入压力水，推动活塞组件缓慢下移并将主弹簧14压缩蓄能，活塞组件下移到某个位置时开始压缩触发弹簧10。随着活塞组件下移量增加，触发弹簧10的弹力也不断增大，当触发阀芯7内侧的作用力(包括水压合力和复位弹簧力6)与其外侧所受的触发弹簧10的弹力刚好相等时为触发位置，活塞组件再有微小下移时，触发弹簧10力大于触发阀芯7内侧作用力，使触发阀门微微开启，D腔内有水流出。因D腔内的水流出而使作用在触发阀芯7上的水压合力也有所下降，如此一增一减，加之触发弹簧10的复位推动作用，使触发阀芯7被瞬间弹开，触发阀门E完全打开，D腔内的水被挤出；由于主阀芯5上小孔K的节流作用，外部的水不能及时补进，使D腔内的压力急剧降低；因D腔内的水压大幅降低，使主阀芯5在其外端的水压作用下向下移动，主阀门G打开，B腔内的水从空心柱塞2的多个进水孔中流出，同时压力迅速降低；此时活塞组件在主弹簧14的巨大推力作用下向上产生一个很大的加速度快速上移，利用空心柱塞2的顶面“锤击”高压缸体H中的水，使其压力瞬间剧增形成峰压，利用水的“不可压缩”性可将此峰压在注水管路中传播至很远距离。当活塞组件上移到触发阀芯离开触发弹簧10的作用时，在复位弹簧6的作用下触发阀门7关闭。B腔内的水在流出的同时也经主阀芯上的小孔K流进D腔，在复位弹簧6和D腔内水压的共同作用下使主阀芯5相对上移最终将主阀门G关闭，至此完成了一个水锤工作循环。改变进入低压缸体的水压和调节触发顶杆的高度可以改变“水锤”强度，调节从A口进入低压腔B的压力水的流量，可以改变“水锤”的频率。该水锤装置可以用煤矿井下的静压水驱动，也可用水泵、油泵和乳化液泵等产生的有压液体驱动。
权利要求
1.煤层高压脉动水锤注水方法，其特征在于在高压脉动水锤注水装置的低压缸体(3)的接口A上通入低压水，在高压缸体(1)的接口I上连接需要进行水力锤击的注水管路，对低压缸体(3)通入压力水，可使活塞组件在水压的作用下缓慢下移并压缩主弹簧(14)蓄能，设定活塞组件下移位置，通过压缩套在触发顶杆(11)上的触发弹簧(10)，使主弹簧(14)所蓄能量瞬间释放，推动空心管柱塞(2)快速上移锤击高压缸体(1)腔体H中的水，使其压力瞬间增大，并通过注水管传播到被注水的煤层中。
2.根据权利要求2所述的煤层高压脉动水锤注水方法，其特征在于改变进入低压缸体(3)的水压和调节触发顶杆(11)的高度，可以改变“水锤”强度；调节进入低压缸体(3)的低压腔B的压力水的流量可以改变“水锤”频率。
3.煤层高压脉动水锤注水装置，其特征在于它包括高压缸体(1)，与高压缸体(1)顺序连为一体的低压缸体(3)和主弹簧座(13)，低压缸体(3)和主弹簧座(13)的腔体内设有可上下整体移动的活塞组件；高压缸体(1)顶部设有与注水管相连的接口(I)；低压缸体(3)的壳体上设有与低压水相连的接口(A)；主弹簧座(13)内设有可使活塞组件复位的主弹弹簧(14)，其底部设有触发顶杆(11)和出水接头(12)，触发顶杆(11)上设有触发弹簧(10)。
4.根据权利要求3所述的煤层高压脉动水锤注水装置，其特征在于所述的活塞组件由空心管柱塞(2)、与空心管柱塞(2)连为一体的活塞(4)和固定在空心管柱塞(2)底端的水流触动阀构成，空心管柱塞(2)上开有多个进水孔，靠高压缸体(1)的一端封闭，活塞(4)上开有与空心管柱塞(2)相连通的进水孔。
5.根据权利要求4所述的煤层高压脉动水锤注水装置，其特征在于所述的水流触动阀由固定在活塞(4)上的阀芯外套(8)、设在阀芯外套(8)内的主阀芯(5)和与其相配合的阀座螺母(9)构成，主阀芯(5)内设有触发阀芯(7)和与其相配合的复位弹簧(6)，阀座螺母(9)固定在阀芯外套(8)上；触发阀芯(7)上设有多个出水孔；主阀芯(5)顶部设有一个具有节流作用的小孔(K)，阀芯外套(8)壳体上设有多个出水孔。
6.根据权利要求3或4所述的煤层高压脉动水锤注水装置，其特征在于所述的空心管柱塞(2)和与其连为一体的活塞(4)与低压缸体(3)的配合面上设有密封圈。
7.根据权利要求5所述的煤层高压脉动水锤注水装置，其特征在于所述的主阀芯(5)与阀芯外套(8)之间设有密封圈。
全文摘要
一种煤层高压脉动水锤注水方法及其装置，最适用于透气性很差的难注煤层的快速、有效注水。在水锤注水装置的高压缸体的接口上连接需要进行水力锤击的注水管路，对低压缸体通入压力水，可推动活塞组件压缩主弹簧蓄能，通过压缩触发弹簧，可使主弹簧所蓄能量瞬间释放，推动空心管柱塞快速上移锤击高压缸体中的水，使其产生的峰压传播到被注水的煤层中；水锤注水装置包括高压缸体，与高压缸体顺序连为一体的低压缸体和主弹簧座，低压缸体内设有可上下整体移动的活塞组件；高压缸体顶部设有与注水管相连的接口；低压缸体的壳体上设有与低压水相连的接口；主弹簧座内设有可使活塞组件复位的主弹簧，其底部设有触发顶杆，触发顶杆上部设有触发弹簧。
文档编号E21F5/02GK1975114SQ20061016140
公开日2007年6月6日 申请日期2006年12月8日 优先权日2006年12月8日
发明者张景松 申请人:中国矿业大学