一种抑制工作面瓦斯涌出的喷洒系统及分区防治方法

专利名称：一种抑制工作面瓦斯涌出的喷洒系统及分区防治方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202210261506.2

专利申请（专利权）人：石家庄铁道大学
权利人地址：河北省石家庄市长安区北二环东路17号石家庄铁道大学

专利发明（设计）人：陈明义,张雪洁,王硕,陈晓昀,李浩然,张同浩,杨雨濛,宋志雷,刘惠族

专利摘要：本发明涉及一种抑制工作面瓦斯涌出的喷洒系统，基于网格划分原理，根据煤层采掘进度、工作面暴露时间、瓦斯涌出情况等将工作面划分为n块区域，每个区域设置一个瓦斯浓度传感器及表面活性剂水溶液加压喷头，通过瓦斯浓度传感器确定每个区域的瓦斯浓度，并将其分级，每个级别采用不同的控制措施治理瓦斯超限，大大节约喷洒治理成本，提高施工效率，并解决了局部瓦斯治理不达标的问题。进一步的，在加压喷头处设置阻燃伞状覆盖薄膜，在瓦斯浓度较高时展开阻燃伞状覆盖薄膜，抑制瓦斯解吸并防止瓦斯逸散到其他区域，提高瓦斯治理效果。

主权利要求：
1.一种抑制工作面瓦斯涌出的喷洒系统，包括制‑供液单元、喷洒覆盖单元和数据采集存储单元；其特征在于，所述制‑供液单元包括抽水泵、制液罐以及连接抽水泵和制液罐的供水管，供水管上设置有截止阀F1、节流阀F2和压力表P1；还包括磁化器、储液罐和加压泵，通过设置有截止阀F3的供液主管连接制液罐和磁化器，通过设置有截止阀F4的供液主管连接磁化器和储液罐，通过设置有截止阀F5的供液主管连接储液罐和加压泵；所述喷洒覆盖单元包括喷洒主管、喷洒支管以及间隔设置在喷洒支管上的加压喷头，喷洒主管连接加压泵与喷洒支管，喷洒主管上还设置有截止阀F6、节流阀F7和压力表P2；加压喷头和喷洒支管通过空心的支撑主杆连通，同时支撑主杆周向设置有多个电动展收连接杆和支撑连接杆，所述电动展收连接杆一端通过驱动电机驱动以滑动设置在支撑主杆靠近喷洒支管侧，所述支撑连接杆一端铰接在支撑主杆靠近加压喷头侧，另一端铰接在电动展收连接杆中部，电动展收连接杆外周固定有阻燃伞状覆盖薄膜；所述数据采集存储单元包括设置在加压喷头处的瓦斯浓度传感器，还包括数据采集器和煤矿井下通用计算机，以及连接瓦斯浓度传感器与数据采集器、连接数据采集器与煤矿井下通用计算机的监测线路。
2.根据权利要求1所述的喷洒系统，其特征在于，所述阻燃伞状覆盖薄膜根据实际工作需要进行展开或收缩，当某一瓦斯浓度传感器监测到其所在区域瓦斯浓度达到某一设定标准时，驱动电机带动电动展收连接杆的一端沿着支撑主杆向外滑动，展开阻燃伞状覆盖薄膜，当该区域瓦斯处理完毕后，驱动电机带动电动展收连接杆的一端沿着支撑主杆向内滑动，收缩阻燃伞状覆盖薄膜。
3.根据权利要求1所述的喷洒系统，其特征在于，将工作面划分为n块区域，各区域对应一个加压喷头。
4.根据权利要求3所述的喷洒系统，其特征在于，将瓦斯浓度分成三级，各区域根据其级别采取相应的措施，Ⅰ级为低浓度瓦斯，不采取抑制瓦斯解吸措施；Ⅱ级为中浓度瓦斯，开启该区域加压喷头定位喷洒表面活性剂水溶液，达到抑制瓦斯解吸的作用；Ⅲ级为高浓度瓦斯，开启该区域加压喷头定位喷洒表面活性剂水溶液，同时阻燃伞状覆盖薄膜展开并覆盖该区域以防止该区域瓦斯外泄。
5.根据权利要求1‑4任意一项所述的喷洒系统，其特征在于，还包括程序监测控制单元，用于对上述系统进行自动化控制。
6.一种抑制工作面瓦斯涌出的防治方法，采用权利要求1‑4任意一项所述的喷洒系统，其特征在于，包括如下步骤：
S1.基于网格划分原理，根据煤层采掘进度、工作面暴露时间、瓦斯涌出情况将工作面划分为n块区域，将喷洒系统布置于该工作面，使得每个区域对应一个加压喷头；
S2.当煤矿井下工作面回采时，数据采集器通过瓦斯浓度传感器对各个区域的瓦斯浓度进行监测，煤矿井下通用计算机对监测到的浓度进行判断，确定各区域的瓦斯浓度等级；
S3.当某一区域瓦斯浓度判断为Ⅰ级低浓度瓦斯时，不采取抑制瓦斯解吸措施；
当某一区域瓦斯浓度判断为Ⅱ级中浓度瓦斯时，执行步骤S4‑S5；
当某一区域瓦斯浓度判断为Ⅲ级高浓度瓦斯时，执行步骤S4‑S6；
S4.开启截止阀F1、节流阀F2和抽水泵，并监测压力表P1实时压力数值，水经抽水泵被抽取到制液罐达预定水位线后，关闭抽水泵和截止阀F1、节流阀F2，控制制液罐的加料闸阀起落并开启涡流混合器充分搅拌制备预定浓度的表面活性剂水溶液；达到预定搅拌时间后，开启截止阀F3、截止阀F4，将制液罐中的表面活性剂水溶液经磁化器磁化后存储到储液罐中，关闭截止阀F3、截止阀F4；然后开启截止阀F1、节流阀F2和抽水泵，重复步骤S4制备磁化表面活性剂水溶液；
S5.开启截止阀F5、截止阀F6、节流阀F7和加压泵，并监测压力表P2实时压力数值，同时打开相应区域的加压喷头，定位喷洒磁化表面活性剂水溶液，喷洒一定时间后关闭加压喷头，通过瓦斯浓度传感器继续监测后续瓦斯浓度数值；
S6.驱动电机带动电动展收连接杆的一端沿着支撑主杆向外滑动，展开阻燃伞状覆盖薄膜覆盖相应区域以防止该区域内瓦斯外泄；喷洒一定时间后，驱动电机带动电动展收连接杆的一端沿着支撑主杆向内滑动，收缩阻燃伞状覆盖薄膜；通过瓦斯浓度传感器继续监测后续浓度数值。
7.根据权利要求6所述的防治方法，其特征在于，通过程序监测控制单元，对瓦斯防治过程进行自动化控制。 说明书 : 一种抑制工作面瓦斯涌出的喷洒系统及分区防治方法技术领域[0001] 本发明涉及煤矿井下的瓦斯防治研究领域，具体是一种抑制工作面瓦斯涌出的喷洒系统及分区防治方法。背景技术[0002] 近年来，随着矿井煤层开采向深部延伸，煤层瓦斯压力和瓦斯含量逐渐增大，工作面瓦斯涌出量也相应增加，易引发煤与瓦斯突出、瓦斯浓度超限等灾害问题，严重制约着煤矿的安全高效开采。研究表明，喷洒或注入表面活性剂水溶液可以提高煤的润湿性达到抑制瓦斯解吸的效果。目前，现有技术通过某种推车设备进行人工喷洒表面活性剂水溶液(CN113217074A)或依靠大型装置向煤层综采面直接进行喷淋和注入表面活性剂水溶液进行瓦斯煤尘协同防治(CN111764956A)。然而，无差别的喷洒表面活性剂水溶液一方面会引起部分区域喷洒过量、部分区域喷洒不达标；另一方面会增加不必要的经济投入和水资源浪费。因此，基于网格划分原理，识别各区域瓦斯浓度级别(低、中、高)并采取不同程度的瓦斯灾害防治措施，进而开展分级分区喷洒表面活性剂水溶液和实施阻燃伞状覆盖薄膜，对于有效降低煤层瓦斯异常涌出风险、实现煤矿安全高效生产具有重要意义。发明内容[0003] 为解决上述问题，本发明提出一种抑制工作面瓦斯涌出的喷洒系统，包括制‑供液单元、喷洒覆盖单元和数据采集存储单元；所述制‑供液单元包括抽水泵、制液罐以及连接抽水泵和制液罐的供水管，供水管上设置有截止阀F1、节流阀F2和压力表P1；还包括磁化器、储液罐和加压泵，通过设置有截止阀F3的供液主管连接制液罐和磁化器，通过设置有截止阀F4的供液主管连接磁化器和储液罐，通过设置有截止阀F5的供液主管连接储液罐和加压泵；所述喷洒覆盖单元包括喷洒主管、喷洒支管以及间隔设置在喷洒支管上的加压喷头，喷洒主管连接加压泵与喷洒支管，喷洒主管上还设置有截止阀F6、节流阀F7和压力表P2；加压喷头和喷洒支管通过空心的支撑主杆连通，同时支撑主杆周向设置有多个电动展收连接杆和支撑连接杆，所述电动展收连接杆一端通过驱动电机驱动以滑动设置在支撑主杆靠近喷洒支管侧，所述支撑连接杆一端铰接在支撑主杆靠近加压喷头侧，另一端铰接在电动展收连接杆中部，电动展收连接杆外周固定有阻燃伞状覆盖薄膜；所述数据采集存储单元包括设置在加压喷头处的瓦斯浓度传感器，还包括数据采集器和煤矿井下通用计算机，以及连接瓦斯浓度传感器与数据采集器、连接数据采集器与煤矿井下通用计算机的监测线路。[0004] 优选的，所述阻燃伞状覆盖薄膜根据实际工作需要进行展开或收缩，当某一瓦斯浓度传感器监测到其所在区域瓦斯浓度达到某一设定标准时，驱动电机带动电动展收连接杆的一端沿着支撑主杆向外滑动，展开阻燃伞状覆盖薄膜，当该区域瓦斯处理完毕后，驱动电机带动电动展收连接杆的一端沿着支撑主杆向内滑动，收缩阻燃伞状覆盖薄膜。[0005] 优选的，还包括程序监测控制单元，用于对上述系统进行自动化控制。[0006] 优选的，将工作面划分为n块区域，各区域对应一个加压喷头。[0007] 优选的，将瓦斯浓度分成三级，各区域根据其级别采取相应的措施，Ⅰ级为低浓度瓦斯，不采取抑制瓦斯解吸措施；Ⅱ级为中浓度瓦斯，开启该区域加压喷头定位喷洒表面活性剂水溶液，达到抑制瓦斯解吸的作用；Ⅲ级为高浓度瓦斯，开启该区域加压喷头定位喷洒表面活性剂水溶液，同时阻燃伞状覆盖薄膜展开并覆盖该区域以防止该区域瓦斯外泄。[0008] 一种抑制工作面瓦斯涌出的防治方法，采用前文所述的喷洒系统，包括如下步骤：[0009] S1.基于网格划分原理，根据煤层采掘进度、工作面暴露时间、瓦斯涌出情况将工作面划分为n块区域，将喷洒系统布置于该工作面，使得每个区域对应一个加压喷头；[0010] S2.当煤矿井下工作面回采时，数据采集器通过瓦斯浓度传感器对各个区域的瓦斯浓度进行监测，煤矿井下通用计算机对监测到的浓度进行判断，确定各区域的瓦斯浓度等级；[0011] S3.当某一区域瓦斯浓度判断为Ⅰ级低浓度瓦斯时，不采取抑制瓦斯解吸措施；[0012] 当某一区域瓦斯浓度判断为Ⅱ级中浓度瓦斯时，执行步骤S4‑S5；[0013] 当某一区域瓦斯浓度判断为Ⅲ级高浓度瓦斯时，执行步骤S4‑S6；[0014] S4.开启截止阀F1、节流阀F2和抽水泵，并监测压力表P1实时压力数值，水经抽水泵被抽取到制液罐达预定水位线后，关闭抽水泵和截止阀F1、节流阀F2，控制制液罐的加料闸阀起落并开启涡流混合器充分搅拌制备预定浓度的表面活性剂水溶液；达到预定搅拌时间后，开启截止阀F3、截止阀F4，将制液罐中的表面活性剂水溶液经磁化器磁化后存储到储液罐中，关闭截止阀F3、截止阀F4；然后开启截止阀F1、节流阀F2和抽水泵，重复步骤S4制备磁化表面活性剂水溶液；[0015] S5.开启截止阀F5、截止阀F6、节流阀F7和加压泵，并监测压力表P2实时压力数值，同时打开相应区域的加压喷头，定位喷洒磁化表面活性剂水溶液，喷洒一定时间后关闭加压喷头，通过瓦斯浓度传感器继续监测后续瓦斯浓度数值；[0016] S6.驱动电机带动电动展收连接杆的一端沿着支撑主杆向外滑动，展开阻燃伞状覆盖薄膜覆盖相应区域以防止该区域内瓦斯外泄；喷洒一定时间后，驱动电机带动电动展收连接杆的一端沿着支撑主杆向内滑动，收缩阻燃伞状覆盖薄膜；通过瓦斯浓度传感器继续监测后续浓度数值。[0017] 优选的，通过程序监测控制单元，对瓦斯防治过程进行自动化控制。[0018] 有益效果：本发明基于网格划分原理将工作面划分为n块区域，每个区域设置一个瓦斯浓度传感器及表面活性剂水溶液加压喷头，通过瓦斯浓度传感器确定每个区域的瓦斯浓度，并将其分级，每个级别采用不同的控制措施治理瓦斯超限，大大节约喷洒治理成本，提高施工效率，并解决了局部瓦斯治理不达标的问题。进一步的，在加压喷头处设置阻燃伞状覆盖薄膜，在瓦斯浓度较高时展开阻燃伞状覆盖薄膜，抑制瓦斯解吸并防止瓦斯逸散到其他区域，提高瓦斯治理效果。附图说明[0019] 图1是本发明抑制工作面瓦斯涌出的喷洒系统；[0020] 图2是本发明支撑阻燃伞状覆盖薄膜的结构的展开(未完全展开)、收缩示意图；[0021] 图3是本发明阻燃伞状覆盖薄膜的展开、收缩示意图；[0022] 图4是本发明抑制工作面瓦斯涌出的防止方法示意图；[0023] 图中：1.抽水泵，2.制液罐，3.磁化器，4.储液罐，5.加压泵，6.加压喷头，7.瓦斯浓度传感器，8.支撑主杆，9.电动展收连接杆，10.支撑连接杆，11.阻燃伞状覆盖薄膜，12.数据采集器，13.煤矿井下通用计算机，14.监测线路，驱动电机15；[0024] 截止阀F1，节流阀F2，截止阀F3，截止阀F4，截止阀F5，截止阀F6，节流阀F7，压力表P1，压力表P2。具体实施方式[0025] 如图1‑4所示，一种抑制工作面瓦斯涌出的喷洒系统，包括制‑供液单元、喷洒覆盖单元、数据采集存储单元；所述制‑供液单元包括抽水泵1、制液罐2以及连接抽水泵1和制液罐2的供水管，供水管上依次设置有截止阀F1、节流阀F2和压力表P1；还包括磁化器3、储液罐4、加压泵5，通过设置有截止阀F3的供液主管连接制液罐2和磁化器3，通过设置有截止阀F4的供液主管连接磁化器3和储液罐4，通过设置有截止阀F5的供液主管连接储液罐4和加压泵5；所述喷洒覆盖单元包括喷洒主管、若干喷洒支管以及间隔设置在每个喷洒支管上的加压喷头6，喷洒主管连接加压泵5与喷洒支管，喷洒主管上依次设置有截止阀F6、节流阀F7和压力表P2；加压喷头6和喷洒支管通过空心的支撑主杆8连通，同时支撑主杆8周向设置有多个电动展收连接杆9和支撑连接杆10，所述电动展收连接杆9一端通过驱动电机15驱动以滑动设置在支撑主杆8靠近喷洒支管侧，所述支撑连接杆10一端铰接在支撑主杆8靠近加压喷头6侧，另一端铰接在电动展收连接杆9中部，电动展收连接杆9外周固定有阻燃伞状覆盖薄膜11；所述数据采集存储单元包括设置在加压喷头6处的瓦斯浓度传感器7，还包括数据采集器12、煤矿井下通用计算机13，以及连接瓦斯浓度传感器7与数据采集器12、连接数据采集器12与煤矿井下通用计算机13的监测线路14。[0026] 优选的，所述阻燃伞状覆盖薄膜11根据实际工作需要进行展开或收缩，当某一瓦斯浓度传感器7监测到其所在区域瓦斯浓度达到某一设定标准时，驱动电机15带动电动展收连接杆9的一端沿着支撑主杆8向外滑动，展开阻燃伞状覆盖薄膜11，当该区域瓦斯处理完毕后，驱动电机15带动电动展收连接杆9的一端沿着支撑主杆8向内滑动，收缩阻燃伞状覆盖薄膜11。其中，所述驱动电机15为防水防爆电机。[0027] 优选的，还包括程序监测控制单元，用于对上述系统进行自动化控制。[0028] 优选的，根据煤层采掘进度、工作面暴露时间、瓦斯涌出情况等将工作面划分为n块区域，各区域对应一个加压喷头6、瓦斯浓度传感器7和阻燃伞状覆盖薄膜11；所述数据采集存储单元通过瓦斯浓度传感器7和数据采集器12收集各区域的涌出瓦斯浓度。[0029] 优选的，将瓦斯浓度分成三级，各区域根据其级别采取相应的措施：[0030] Ⅰ级：低浓度瓦斯，不采取抑制瓦斯解吸措施；[0031] Ⅱ级：中浓度瓦斯，开启该区域加压喷头6定位喷洒表面活性剂水溶液，达到抑制瓦斯解吸的作用；[0032] Ⅲ级：高浓度瓦斯，开启该区域加压喷头6定位喷洒表面活性剂水溶液，同时阻燃伞状覆盖薄膜11展开并覆盖该区域以防止该区域瓦斯外泄，达到抑制瓦斯解吸并防止瓦斯逸散到其他区域的目的。[0033] 一种抑制工作面瓦斯涌出的防治方法，采用前文所述的喷洒系统，包括如下步骤：[0034] S1.基于网格划分原理，根据煤层采掘进度、工作面暴露时间、瓦斯涌出情况等将工作面划分为n块区域，将喷洒系统布置于该工作面，使得每个区域对应一个加压喷头6、瓦斯浓度传感器7和阻燃伞状覆盖薄膜11；[0035] S2.当煤矿井下工作面回采时，数据采集器12通过瓦斯浓度传感器7对各个区域的瓦斯浓度进行监测，煤矿井下通用计算机13对监测到的浓度进行判断，确定各区域的瓦斯浓度等级；[0036] S3.当所在区域瓦斯浓度判断为Ⅰ级低浓度瓦斯时，不采取抑制瓦斯解吸措施；[0037] 当所在区域瓦斯浓度判断为Ⅱ级中浓度瓦斯时，执行步骤S4‑S5；[0038] 当所在区域瓦斯浓度判断为Ⅲ级高浓度瓦斯时，执行步骤S4‑S6；[0039] S4.开启截止阀F1、节流阀F2和抽水泵1，并监测压力表P1实时压力数值，水经抽水泵1被抽取到制液罐2达预定水位线后，关闭抽水泵1和截止阀F1、节流阀F2，控制制液罐2的加料闸阀起落并开启涡流混合器充分搅拌制备预定浓度的表面活性剂水溶液；达到预定搅拌时间后，开启截止阀F3、截止阀F4，将制液罐中的表面活性剂水溶液经磁化器3磁化后存储到储液罐4中，关闭截止阀F3、截止阀F4；然后开启截止阀F1、节流阀F2和抽水泵1，重复步骤S4达到不间断制备磁化表面活性剂水溶液的目的；[0040] S5.开启截止阀F5、截止阀F6、节流阀F7和加压泵5，并监测压力表P2实时压力数值，同时打开相应区域的加压喷头6，定位喷洒磁化表面活性剂水溶液，喷洒一定时间后关闭加压喷头6，通过瓦斯浓度传感器7继续监测后续瓦斯浓度数值；[0041] S6.驱动电机15带动电动展收连接杆9的一端沿着支撑主杆8向外滑动，展开阻燃伞状覆盖薄膜11覆盖相应区域以防止该区域内瓦斯外泄，达到抑制瓦斯解吸并防止瓦斯逸散到其他区域的目的；喷洒一定时间后，驱动电机带动电动展收连接杆9的一端沿着支撑主杆8向内滑动，收缩阻燃伞状覆盖薄膜11；通过瓦斯浓度传感器7继续监测后续浓度数值。[0042] 优选的，通过程序监测控制单元，对瓦斯防治过程进行自动化控制。

专利地区：河北

专利申请日期：2022-03-17

专利公开日期：2024-07-26

专利公告号：CN114592900B