（工程力学专业论文）低级无烟煤综放工作面煤层注水基础研究.pdf

太艨理工大学醪圭碜囊7 t 学搜论文 低级无烟煤综放工 乍面煤层注水基础磷究 摘要 媒层注求作为颈防煤矿渫尘瀑炸、瓦斯瀑炸、潆与瓦靳突窭等多 秘灾害的较为有效的工业措施已成为业赛共识，但是由于煤变质程度 和赋存条件千差万剐，必将使得煤层注水效祭褪差很大。一般来说， 在无烟煤中注水效果很难取得较为理想的结果。 本文以罾城镄方3 = 鬻潆为嘲，首先灞定了该煤藤基本物理力学性 覆、变质毽度、显微豢岩缓分、工避分析、元素分耩、及表露澜漫性、 孔隙特性湖裂隙特性，在大量实验数据的基础上，通过分析确定了该 煤滕注水困难的镦主要原因是润湿性差以及孔隙中微小孔径孔隙占 据慈琵容中较大院镶。3 莓煤上下层媒群褒磊漂承接触角平均为 8 l 。5 6 。，几乎不会产生毛缨现象，属漓湿牲较差煤殿。焉孔骧魏经分 布测试结果也显示3 # 煤中大于1 0 0 0 0 a 的大孔径孔所占总孔容中的 1 4 5 小于5 0 a 的小孔径孔所占孑乙容份额为3 6 1 7 ，润滋性差使得 承缀难进入微小孔径孔豫，两微，l 、孔却占了总孔容中酌较大餐额，所 以总体上表现篷吸窳率羝。针对3 莓媒基本特淫粟嬲水孛添鸯爨表藤活 性剂的方法改变其润湿性。添加表匿活性剂可以降低3 挣煤煤水接触 角，降低了水表两张力值，从衙增大了毳细作用力，曼蓉地改善了 3 孬煤的润湿性。突验选取添加不同数爨的两类表面活性剂，测定了添 热表鬣活蕊蘩滚滚瀚表瑟蹶力馕爱萎对漾求搂艇蹩的薮交，荠徽了添 加有袭面活性剂盼水溶液对煤样傲浸泡对比试验，褥出了满足煤凝部 关于煤层注承建议的水分增爨德要求的袭嚣活性荆添加璧及其成本 关系，确定了添翔表面活拣铡蕊类型郛添加爨。透过对3 # 煤在冲击 载耱下魏产垒特性及煤襻水分增釜对予漂尘粒径分布影嚷熬磷究，餐 出了煤样食求率黝增长会遂箸减小煤群在冲击载旖下产生霹吸髅粉 尘的数量。最后在莉述基本研究和前入二| = = 作豹基鸸上设计了在该煤层 注水瀚基本参数帮工艺。 关键谶：低级秃溺媒，滦瑟注水，表瑟瀵性裁，表露接然热 太媛壤工大学磷圭= 骈笼。t 学簿鲶殳 t 烈ef o u n d a t l o n a lr e s e a r c l 0 n 瓿e r i n f u s l 0 nf o rl o n g 狐l lt o pc o a lc a v i n gf a c e i np a r a - a n t t t r a c i t es e a m a b s t r a c t w a t e ri n f u s i o ni sw i d e l yu s e df o rg u a r da g a i n s tm i n ed i s a s t e rs u c ha s g a sb l a s t i n g 、g a sa n dc o a l o u t b u r s t 、c o a ld u s tb l a s t + b u tb e c a u s e c h i n e s ec o a te m b e d d i n gc o n d i t i o ni sm u l t i f o r m ，t h i sm e t h o dd on o t a l w a y sr e c e i v ei d e a le f f e c t ，c o m m o n l ys p e a k i n g ，i ti sv e r yd i f f i c u l tt o r e a c hai d e a lr e s u l tt oi n f u s i n gw a t e ri np a r a a n t h r a c i t ec o a ls e a m t h et h e s i st a k ej i n c h e n gb o f a n gn o 。3c o a ls e a mf o re x a m p l e ， f i r s t d e t e r m i n i n g t h eb a s i c p h y s i c s a n dm e c h a n i c s p r o p e r t y a n d r e f l e c t a n c eo f v i r i n i t e 、m a c e r a l 、i n d u s t r i a la n a l y s e 、e l e m e n ta n a l y s e 、 s u r f a c ew e t t i n gp r o p e r t y 、p o r es i z ed i s t r i b u t i n g 、c r a c kp r o p e r t y f i r s t ，a b o v et h i sd a t u m , u s i n gf r a c t a lt h e o r ya n a l y z i n ga n dd r a w i n gt h e c o n c l u s i o nt h a tt h ep o o re f f e c t i n go fw a t e ri n f u s i o ni sp o o rw e t t i n g p r o p e r t ya n d m i d d l ep o r o s i t yr a t ew i t ht o om u c hw e e n yh o l e ，f o rt h eh o l e t h a ti t sr a d i u sb i g g e rt h a nl o o o o ao n l ya c c o u n tf o r1 4 5 a n dt h eh o l e t h a ti t sr a d i u sl e s st h a n5 0 aa c c o u n tf o r3 6 ，1 7 s u c hap o r es i z e h i 太原璎上大学硕士研究生学位论文 d i s t r i b u t i n gw i t hs u c hh i g hac o n t a c ta n g l em a k ei t d i f f i c u l tf o rw a t e r e n t e r i n gt h ew e e n y h o l e t h ec o n t a c ta n g l eo fn o 3c o a li s81 5 6 。，a n d c o a lw i t hs u c hh i g hac o n t a c ta n g l ea l m o s tc a n n o tb ew e 箍e d 1 a t e ru p o n t h es t u d yo f c o a ld u s td i s t r i b u t i n gi nu n d e rc o a ls a m p l ei m p a c t i n gt e s t i n g ， f i n dt h a ta q u i f e r o u sr a t er i s ec a l le v i d e n f l yr e d u c er e s p i r a t o r yd u s t t h e n ， a i m i n ga tt h ep r o p e r t yo fn o 3c o a ls e a m ，b ya d d i n gw e t t i n ga g e n ti n w a t e rc a nr e m a r k a b l yr a i s et h ec o a ls a m p l ea q u i f e r o u sr a t e ，b e c a u s et h e s o l u t i o nw i t hw e t t i n ga g e n tc a nd e c r e a s et h ec o a l w a t e rc o n t a c ta n g l ea n d w a t e rs u r f a c et e n s i o n 。w i t h o u tq u e s t i o nt h i sp u z z l eh a v eb e e np e r f e c t l y s o l v e d f i n a l l y , d e s i g n i n gt h ew a t e ri n f u s i o n t e c h n i c a lp a r a m e t e r k e yw o r d s ：p a r a a n t h r a c i t e ，w a t e ri n f u s i o n ，w e t t i n g a g e n t ，s u r f a c ec o n t a c ta n g l e i v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文 乍者签名：2 兰垒 日期：秘口一争 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理王犬学有关保管、使用学位论文的规定，其 唪包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的。 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密盾遵守此规定) o 签名： 墨墨日期： 导师签名：趣墨金日期：如r 口i ；g - 。，岳 ， 太原理工大学颤士研究生学位论文 1 1 前言 第一章绪论 中国的能源消费结构长期以来以煤为主，尽管消费量比例从上世纪七十年代的 9 0 下降到十五末的7 0 ，但是在未来相当长的时期内，煤炭在我国一次能源中的 主导地位将难以改变。然而安全问题始终困扰着煤炭工业的健康发展，尽管随着科 技水平的提高和企业管理的规范，我国煤矿安全生产状况从总体上讲，出现了不断 好转的局面，1 9 4 9 年至2 0 0 5 年全国煤炭产量持续增长，煤矿百万吨死亡率总体趋于 稳步下降态势，2 0 0 5 年中国煤炭产量创历史新高，达2 1 1 亿吨，同比增长7 9 。与 此同时，煤矿事故死亡人数下降1 4 8 。煤炭生产百万吨死亡率降到了3 以下，为 2 8 1 4 ，比2 0 0 4 年下降了o 2 6 6 ，为历年来最低水平。然而这并不是一个值得骄傲的 数据，我国百万吨煤炭生产死亡率是美国的1 0 0 倍，南非的3 0 倍，印度的8 倍。表 1 1 是2 0 0 0 2 0 0 5 年煤炭产量和矿难死亡人数的官方公布数据，几乎是每年6 0 0 0 人。 导致这些矿难事故的原因中瓦斯爆炸、煤尘爆炸、冲击地压、煤与瓦斯突出等占相 当大的比例，虽然长期的工业实践和科研工作者的不懈努力使得在预防这些矿业灾 害方面积累了大量的行之有效的办法，但是从表1 1 的数据就知道所作的工作还很不 够。而煤层注水作为预防煤矿多种灾害的较为有效的工业措施已成为业界共识，但 是由于我国煤层赋存条件的千差万别，使得这一措施在具体的实施上还存在很多问 题没有得到很好的解决，何况关系到广大矿工的人身安全问题，所谓“涉安全、无 小事”，这也正是本文研究的目的所在。 袁1 - 12 0 0 0 20 0 5 年中国煤炭产量和矿难死亡人数 t a bl 1t h ed e a t ha n dc o a lo u t p u ti nc h i n e s em i n e2 0 0 0 2 0 0 5 年份 2 0 0 02 0 0 12 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 5 百万吨死亡率人 6 o5 0 7 4 6 44 1 73 0 82 8 1 4 死亡人数人 5 7 9 86 0 7 86 5 2 86 4 3 46 0 2 75 9 3 8 煤炭产量亿t 9 9 81 1 6 l1 3 61 7 _ 3 61 9 6 52 1 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 煤层注水的工程应用及意义 煤层注水是以解决采煤工作面煤尘问题而发展起来的，后来又逐渐应用于预防 冲击地压，提高瓦斯抽放效率、预防煤和瓦斯突出等方面，现已成为预防矿井煤尘、 瓦斯和顶板等重大事故的综合性安全技术措施。 1 21 煤层注水防尘 采煤工作面的粉尘不仅危害工人的身体健康、降低设备的使用寿命，而且可能引 发煤尘爆炸，给人民的生命和国家的财产造成极大的损失。因此，它是煤矿生产的大 敌。众所周知，矿尘危害极大，一方面，它不仅污染井下工作场所，降低空气能见度， 容易造成工伤事故，而且矿工长期吸入煤尘将会导致煤肺病，煤肺病的发生和发展主 要是由于煤尘本身的影响所造成的，煤尘能引起尘肺病和皮肤病，危害矿工生命健康。 一般来说大于1 0 u m 的粉尘，容易为鼻腔、气管粘液所捕捉，并逐渐排出体外孙于 1 0 u m 的粉尘则可深入到气管深部；而小于5 p m 的粉尘则9 0 可沉积在气管、肺泡上， 引起肺泡的充血反应而导致尘肺病。严重的尘肺病可能发展为肺心病，有很高的死亡 率，对煤矿工人威胁很大，成为煤矿工人最主要的职业病。我国煤矿粉尘危害严重， 尘肺病的发病率高，不仅直接损害了井下工人的健康，也使大量粉尘随矿井排风进入 大气，造成环境污染。另一方面，它能加速机械的磨损，并且能在一定的条件下发生 爆炸，酿成重大灾害。据不完全统计，从1 8 8 8 年美国的奥古斯煤矿发生大型煤尘瓦 斯爆炸事故起，到目前1 2 0 多年问，发生死亡人数在3 0 0 以上的重大煤尘瓦斯爆炸事 故就达2 0 余起，小规模的爆炸事故不计其数。而2 0 0 5 年1 1 月2 7 日发生在龙煤集团 七台河东风煤矿的煤尘爆炸事故造成1 7 1 名矿工死亡，这样血淋淋的教训再次警告我、 t 们，需要继续深入认识煤炭生产中煤尘的危害并采取有效措施防治工作面煤尘，使其 所造成的危害降到最小。 在煤矿生产过程中，随着煤体破碎而产生的直径在l o o g m 以下的煤炭颗粒称为 矿井煤尘。矿井煤尘主要有两种来源，一是煤层受地质构造运动或受采场支承压力 的作用而产生的煤尘，它存在于煤体的裂隙内，随煤体的采落和破碎进入工作面风 流，这类煤尘称为原生煤尘；二是在煤炭生产各环节中，由于煤炭的破碎而产生的 2 太原理工大学硕士1 j f 究q ：纠i ：e 定 煤尘，它产生于落煤、装载、运输、转载等整个生产过程中，这类煤尘称为次生煤 尘。在现代化矿井内，次生煤尘是其主要来源。随：寄采掘机械化程度的提高，煤尘 产生量不断增大，一般每昼夜所产生的煤尘量达采煤量的3 左右。因此，有效地降 低煤矿粉尘，保护矿工的生命安全和身体健康正是本文研究的目的所在。 煤体注水作为一项防尘措施，早在本世纪4 0 年代法国、西德、苏联、波兰、英 国、美国、比利时等几个主要产煤国家相继进行了工业试验，并逐渐推广应用。我 国的煤体注水防尘工作始于6 0 年代中期，先在本溪、阳泉、开滦、萍乡等矿区进行 了长孔和短孔的注水试验，后来相继在大同、西山、石嘴山、中梁山、松藻、北京、 井陉等局矿进行了工业试验和推广。近年来，采用煤层注水防尘的工作面越来越多， 也取得了较好的效果，表1 2 是国内部分局矿采用煤层注水降尘的效果。 表卜2 我国部分矿井煤层注水降尘效果表 t a b l - 2t h er e s u l to f w a t e ri n f u s i o ni nd u s tc o n t r o ii nc h i n e s em i n e 空气中煤尘含量m g m 3 局矿名注水方式加压方式降尘率( ) 注水前注水后 石炭井各矿 长孔 静压 8 0 0 1 5 01 0 0 3 56 0 9 5 抚顺龙凤矿长孔静压5 0 4 0 4 6 07 2 8 06 1 8 7 5 太同同家梁矿长孔静压 1 3 2 0 3 0 05 8 4 “5 6 7 8 7 井径三矿长孔静压8 2 1 1 63 2 4 06 0 7 0 阳泉二矿长孔动压 18 2 9 5 3 26 6 1 4 66 4 9 2 轩岗六亩地矿长孔动压4 0 41 3 26 7 _ 3 枣庄陶村矿长孔动压 2 2 77 86 5 6 新坟孙村矿 长孔动压 1 2 8 4 6 04 0 8 06 9 8 9 北京门头沟矿长孔动压2 8 5 7 57 6 9 77 3 8 3 双鸭山矿务局长孔动压 9 0 2 3 02 1 4 87 7 7 9 抚顺胜利矿 长孔动压 7 2 5 6 3 l o8 9 5 2 0 67 0 9 4 8 中梁山矿南井长孔动压1 3 0 06 2 0 3 2 85 2 7 5 鸡西东海三井长孔动压 6 7 31 8 7 7 2 9 平项山矿务局长孔静压 4 2 05 9 7 9 3 平项山八矿短孔静压 5 1 26 47 5 阳泉三矿短孔 动压 9 2 4 62 8 6 66 9 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 煤层注水是通过煤体中的钻孔将水压入煤体，使水均匀分布于煤层中大量的细 微裂隙和孔隙之中。水的降尘作用有三个方面：1 ) 润湿煤体内的原生煤尘。煤体内 各类裂隙中都存在着原生煤尘，它们随着煤体破碎而飞扬于矿井空气中。水进入裂 隙后，可将其中的原生煤尘在煤体破碎前预先湿润，使其丧失飞扬能力，从而有效 地消除这一尘源。2 ) 有效地包裹了煤体的每一微小部分。水进入煤体各类裂隙和孔 隙之中多使整个煤体有效地被水包裹起来，当煤体被破碎时，在绝大多数的破碎面 上都有水的存在，从而消除了细粒煤尘的飞扬，即使煤体破碎得极细，渗入细微孔 隙的水也能使之预先湿润，达到预防浮游煤尘的目的。3 ) 改变了煤体的物理力学性 质。水进入煤体后，湿润的煤炭塑性增强，脆性减弱，当煤炭受外力作用时，许多 脆性破碎变为塑性形变，大量地减少了煤炭被破碎为微小尘粒的可能性，降低了有 害煤尘的产生量。 1 2 2 煤层注水防治冲击地压 冲击地压是矿山坑道( 井巷或采场) 周围岩体( 煤体和围岩) 在其力学平衡状态破 坏时，由于变形能的突然释放而产生的一种以急剧、猛烈的破坏为特征的动力现象。 它往往突然发生，伤及人员，破坏生产，是煤矿重大灾害之一。 冲击地压是世界采矿业共有的问题之一。1 7 8 3 年英国在世界上首次报道了煤矿 中发生的冲击地压，以后，苏联、南非、西德、波兰，美国、东德、加拿大、日本、 法国、印度、捷克、匈牙利、保加利亚、奥地利、新西南和安哥拉等国家和地区也 都记录了冲击地压。我国最早记录的冲击地压于1 9 3 3 年发生在抚顺胜利矿，据不完 全统计，至1 9 8 5 年，我国已发生冲击的矿井共8 9 个，其中统配煤矿2 7 个，隶属于 1 4 个矿务局，5 个地方煤矿。从1 9 4 9 年以来，已发生冲击地压上千余次，破坏巷道 十余公里，停产1 3 0 0 多天。 用煤层压力注水作为防治冲击地压的措施，早已得到了世界各采矿国家的重视 与应用。苏联、西德、波兰、捷克等主要采煤国家都进行了煤体注水的试验，并取 得了显著的效果。我国龙风、胜利、西安、五龙、门头沟、城子、房山、陶庄、唐 山、天池、砚石台、铁厂、五一等矿都进行了煤体压力注水防治冲击地压的试验研 究工作。实践证明，合理的煤体注水是防治冲击地压的一种有效手段。例如，龙风 4 足原理工大学硕士研究生学能沧文 矿6 0 2 西下段四煤门1 4 东工作面处于向斜轴部三面采空的孤岛状态，矿山冲 击极为严重，在掘进准备过程中就频繁发生冲击，累经修复后又被摧毁。后来进行 首次压力注水试验，共打6 个注水钻孔，注水时间1 8 天，总注水量2 9 8 m 3 。注水后 煤体含水率一般增至4 左右，消除了冲击地压的威胁，直至回采结束，没有发生冲 击现象。 煤体注水后能够使其性质发生重大变化，防止冲击地压的作用主要表现在以下 三个方面：1 ) 煤体注水能够显著减弱或消除煤的冲击倾向。在实验室对非注水煤 样，注水煤样以及不同浸水时间煤样进行的冲击倾向对比试验表明，非注水煤样冲 击倾向强烈，注水煤样基本丧失了冲击能力，随着浸水时间的增加，煤的冲击倾向 逐渐减弱。试验煤样浸水时间超过4 周后，基本上丧失了冲击能力。2 ) 煤层注水 能够显著降低开采过程中煤体应力集中程度，使之难以满足煤岩体系极限平衡破坏 的条件，扩大了煤壁前方应力降低区的宽度，增强了抵抗破坏的侧向阻力，并使顶板 断裂位置向煤壁前方转移，从而降低了周期来压对工作面煤壁的影响，减少了顶板 来压诱发冲击地压的可能性。3 ) 注水显著改善了煤层开采中的能量释放在时间上 的突发性和空间上的集中性。 1 2 3 煤体注水防治煤与瓦斯突出 瓦斯压力大而透气性又很小的煤层在地压和瓦斯压力作用下常发生煤和瓦斯突 出。在透气性小而瓦斯压力大的煤层中，游离瓦斯占瓦斯总含量的比例是很微小的， 煤层注水后，水进入煤体裂隙、孔隙虽然驱赶为数甚微的游离瓦斯，但不会引起瓦 斯压力的升高，恰恰相反，由于水进入裂隙、孔隙封闭了吸附瓦斯解吸的通道，阻 止了瓦斯的释放，使瓦斯不能显现其压能，这就降低了瓦斯释放时产生的能量，减 少了瓦斯破碎煤体的可能性。一些研究资料表明，水在细微孔隙中封闭着瓦斯解吸 流动的通路，孔隙直径愈小，水愈能牢固地封闭瓦斯，愈能承受大的瓦斯压力。实 验证明，经过注水的煤炭瓦斯放散速度降低了9 0 。由此可见，对突出煤层进行注水， 煤壁瓦斯涌出量减少，瓦斯压力显著降低，减少了突出的危险性。在欧洲、日本和 苏联等国采用煤层高压注水预防煤和瓦斯突出，收到不错的效果。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 研究用注水来预防煤和瓦斯突出约有3 0 余年的历史，目前在国内外都不同程度 地应用了煤层注水这一措施。人们把煤体注水防突的因素归纳为以下几点：1 ) 驱逐 瓦斯，把游离瓦斯和部分吸附瓦斯驱赶到煤层注水范围以外。2 ) 水进入裂隙、孔隙， 封闭了吸附瓦斯解吸的通道，减少瓦斯解吸速度，降低瓦斯释放时产生的能量。3 ) 湿润煤体，改善煤体的力学性质，使煤的塑性增强，脆性减弱，弹性模量降低，集 中应力区加宽，减弱了压力集中程度，缓和了煤体压力潜能积聚。实践证明，合理 的煤层注水对于防突效果显著。 1 2 4 煤层注水软化顶煤，提高顶煤冒放性 放顶煤采煤法是开采5 2 0 m 厚煤层的有效方法之一。我国从8 0 年代初开始 研究放顶煤综采，目前已在许多矿区推广使用。但对于中硬以上煤层，顶煤难冒是 推广这种采煤法的一大障碍。采用预注水软化顶煤的方法可以提高顶煤的冒放性， 提高煤炭回收率。 煤层注水以后，煤体孔隙在注水压力和毛细作用力的共同作用下吸附水分，从 而使煤炭颗粒间的内聚力c 和内摩擦角中降低，当煤体的固有裂隙面吸附水分后， 其摩擦角1 l r 也减小，从面使煤体强度降低；另外，当煤体注入压力水后，由于存在 孔隙压a w ，煤体的有效应力改变为o 。= a 。一a 。，使其抗剪强度降低。根据潞安王庄煤 矿4 3 0 9 综采放顶煤工作面实际测定，在两种不同注水量的情况下，平均注水量由9 i t m 提高到1 6 8 t m 时，煤体实测含水率由2 3 5 提高到2 7 1 ，煤体强度由 1 1 9 8 m p a 下降为9 5m p a ，顶煤回收率由7 5 2 提高到7 8 9 7 ，净提高3 7 7 。 1 2 5 煤层注水对排放瓦斯的效果 水进入煤体后，对瓦斯的物理作用是很复杂的。由于煤层瓦斯含量、瓦斯压力 及煤层透气性的不同，水对瓦斯的作用也不同。现归纳为两个方面予以说明： 1 ) 在透气性较好而瓦斯压力不大的煤层中，游离瓦斯是瓦斯存在的主要形式。 水从煤体的裂隙、孔隙中驱赶自由状态的大量游离瓦斯，同时使吸附状态的瓦斯延 迟了解吸释放的时间，这就使煤层的游离瓦斯在开采前提前泄出，而吸附瓦斯又推 迟了释放，因而大大降低了落煤时瓦斯涌出的高峰值，从而避免了瓦斯超限。游离 6 太原理： 大学硕：b 研究生学位论文 瓦斯的驱赶作用表现于以下事实： ( 1 ) 注水过程中瓦斯向排放钻孔的泄出速度加快了。阳泉二矿在西四尺7 号煤层 注水时，在注水孔连续注水4d , u l 后，与注水孔相邻的瓦斯排放钻孔的自然瓦斯涌 出量从原来的6 4 2 升分增加到1 0 4 5 升分，当注水停止后，瓦斯的涌出量又 回到或稍低于原来的数值； ( 2 ) 用钻孔向煤体注水后，提高了邻近瓦斯抽放钻孔的抽放效率。抚顺龙风矿在 瓦斯预抽区内进行长孔注水时，邻近抽放孔抽出的混合瓦斯及纯瓦斯量都有显著上 升，提高了瓦斯抽放效率。 ( 3 ) 注水结束后，开采中的瓦斯涌出量显著降低。龙凤矿注水后，湿润的工作 面绝对瓦斯涌出量平均降低0 1 8 o 7 7 米3 分；阳泉二矿注水后，落煤时瓦斯浓度 普遍下降，基本消除了瓦斯超限现象。该矿四尺煤1 0 4 3 工作面注水前后瓦斯浓度降 低5 0 左右，本溪彩屯矿短孔注水后也取得相同效果，工作面回风流瓦斯浓度由 0 9 1 降低为0 5 0 6 。 综上所述，煤体注水可以起到降低煤矿粉尘、防治矿山冲击、煤与瓦斯突出、 提高瓦斯排放效果和软化顶煤的作用。而煤体注水效果在很大程度上取决于注水后 煤体含水率的增加量。因此，研究煤体孔隙一裂隙体系及煤表面性质对于低孔隙率、 变质程度较高煤注水实践和在工程实际中选择合理的注水参数，具有十分重要的意 义。 1 3 国内外相关理论的研究及现状 从上世纪开始各个主要产煤大国对井下环境都给与极大的重视，南非矿产能源 部在1 9 9 7 年颁布法令，限定井下操作工人位置呼吸性粉尘最高的不得高于5 m g m 3 ， 美国的标准是不大于2 m g m 3 。而要达到这样先进的生产环境水平，各国又有所不同， 南非以先进的自动水帘幕系统、胡德降尘系统，该体系主要是高效的水帘幕阻隔煤 尘传播和水雾灭尘并配合局部的辅助通风系统f l - 2 j 以达到降低工作面粉尘浓度的目 的。而美国则在对煤产尘特性1 3 和煤表面润湿性1 4 研究的基础上有针对性的配合先进 的主要产尘点的局部灭尘装置和合理的通风系统【5 j ，并利用前期瓦斯抽放的钻孔或新 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 打钻孔压注水1 l ，提高煤含水率，减小连续采煤机割煤产尘和转载点二次扬尘。 国内对煤层注水的研究和应用较多，主要集中在以下几个方面：1 ) 运用数学工 具对注水工艺参数优化选择：2 ) 水在具有裂隙和孔隙的双孔介质中的流动运移方式、 煤体吸湿速度1 】；3 ) 针对高变质煤表面憎水基团而添加表面活性剂【m “】；4 ) 针 对降尘提高浮游微尘捕获率而添加粘尘棒【l5 】；5 ) 耦合固体变形与液体在双孔介质中 流动运移的固流耦合理论【l 8 1 等。毫无疑问，前人所做的大量的工作极大地提高了 矿山安全生产水平，改善了井下作业环境，为我国现代化建设做出了贡献。但对比 表1 2 中数据和先进国家井下的煤尘的数据，虽然这些数据统计的是全尘，也就是包 含了1 0 0 p m 以下的全部粉尘，而呼吸性粉尘只包含小于5 9 m 的粉尘，但是也可以粗 略的看出我们在矿尘治理方面与发达国家之间的巨大差距。另一方面，我国煤层赋 存条件千差万别，不同成煤时期、不同煤阶煤的性质差别也很大。对于变质程度较 高、孔隙率较低且表面对水的润湿性又较差的煤层注水很难取得好的效果，伯方3 撑 煤就是这样一个典型的例子。 上世纪九十年代就发现在该煤层注水较为困难，重庆煤炭科学研究院曾在晋城 矿务局古书院煤矿1 3 3 0 6 综采放顶煤工作面对3 撑煤采用7 l j g 一3 6 1 1 6 0 型煤层注水泵 并联管路进行过注水试验【l9 】，山西矿业学院则在该煤层的孔隙裂隙系统和润湿性方 面做了很多工作，并认为该煤层属注水渗透性和注水防尘效果较差的煤层【2 0 1 。但是， 3 存由于煤质好、储量大，因而对于这样一种独特的煤层进行注水的进一步研究是很 有实际意义的。 1 4 本文的研究内容、研究方法及其研究意义 本文通过对伯方3 拌煤基本物理力学性质、显微煤岩组分、镜质组反射率、煤表 面润湿性、工业业分析、元素分析、孔隙特性和裂隙特性的测定和分析，得出该煤 层属于低级无烟煤，孔隙率中等但微小孔隙所占较大份额，表面润湿性差，因而导 致该煤层注水困难。在这些实验研究的基础上提出添加表面活性剂改善该煤层润湿 性，提高住水分分增量值，以合理的成本获得较为满意的降尘效果。同时也通过实 验验证了煤层注水可以显著降低煤冲击载荷下产生细微粉尘的数量，改善工作面环 8 太原理工大学硕士研究_ ：学位论文 境，进而给出了煤层注水参数和工艺，虽然这一研究结果还没有实施，但必将取得 的较好的经济效益和环境效益。 在实验过程中运用先进的测试手段研究了煤中的各种显微组分、孔隙径分布和 煤水接触角，获得了大量的对于问题的解决起着至关重要的作用的数据。进一步分 析过程中使用了分形理论这一描述复杂自然课题强有力的工具，使得对于煤中裂隙、 孑l 隙还是粉尘粒径的描述数量化，更加有利于对问题的准确刻画和合理解决。 从上世纪九十年代就陆续有科研工作者对在这一区域煤层注水的研究，但这些 工作局限于提高压力、合理布置钻孔、延长注水时间等措施，未能揭示出该煤层由 于变质程度高、微d , ：f l 隙所占总孔融比例较大，加之煤表面润湿性差、接触角大导 致水很难进入微小孔隙，本文的研究很好地解决了这一问题，必然会为这一类煤层 注水实践提供借鉴，并降低工作面粉尘浓度，为井下作业人员创造一个良好的工作 环境。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章3 # 煤层的基本性质研究 2 13 # 煤的基本物理力学性质测定 试验煤样取至晋城伯方煤矿3 # 煤31 0 8 工作面副巷和3 1 1 4 工作面正巷切眼。煤 样的各种物理力学性质测定结果见表2 一l 。 表2 - 1 3 t 煤物理力学参数测定结果 t a b2 - 1t h eb a s i cp h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp a r a m e t e ro f b o f a n g n o3c o a l 序号 项目 单位 上分层下分层平均 】 容重 g c m 3 1 4 1 61 4 1 91 4 2 2 孔隙率 6 9 37 2 7 7 1 3 天然含水率 2 8 52 5 9 2 7 2 4 常压浸泡水分增量+ 1 3 7o 5 80 9 8 5加压浸泡水分增量+ 1 4 40 6 31 0 3 6单轴抗压强度 m p a 9 5 58 6 79 1 1 7单轴抗拉强度 m p a 1 4 21 4 31 4 2 5 8弹性模量 m p a 1 3 6 81 2 0 71 2 8 7 5 9泊松比 o 2 3o 2 40 2 3 5 1 0 抗剪强度 m p a 2 1 32 0 32 0 8 1 1 内聚力 m p a 1 8 41 7 61 8 1 2 内磨擦角 3 7 93 5 83 6 8 5 1 3 饱水弹性模量 m p a 9 9 28 4 8 59 2 0 3 1 4 饱水泊松比 o 1 70 ，1 8o 1 7 5 1 5 软化系数 o 5 80 4 90 5 3 5 备注：浸泡时间均为2 5 天 2 23 # 煤显微组分的定量测定 煤岩学是把煤看成是一种沉积岩，在自然状态下以光学显微镜为主要手段来进 行研究的- - f 7 科学，按照煤岩学的方法将煤磨制成薄片或光片在透射光、反射光和 荧光显微镜下观察，进一步看出煤是由更加复杂的有机和无机组分构成的。煤岩学 中则把显微镜下可以辨认的构成煤的各种有机组分用m a c e r a l 这个词来描述，以往 曾译为“煤质素”，目前常译为“显微组分”，为了统一在显微镜下识别与划分煤岩 1 0 太原理工大学硕： 研究：e 学位论少 组分，国际煤岩学会( f c c p ) 规定了用显微镜在反射光、油浸，物镜2 5 5 0 倍下观 察煤中各种组分的形态，测定煤岩组分。 试验的煤样制备按照煤炭部m t1 1 6 2 - 8 6 煤岩分析样的制备方法块煤光片的制 备方法标准制各，显微组分的测定按照国标g b t8 8 9 9 - 1 9 9 8 煤的显微组分和矿 物测定方法的要求步骤在太原理工大学矿业学院实验室完成，测定结果见表2 2 ， 图2 1 是煤样中各种显微组分的照片。 表2 - 23 # 显微组分定量表 t a b2 - 2d e t e r m i n i n gt h em a c e r a li n3 # c o a l 有机组 煤层矿物组总点数 镜质组丝质组 3 # 煤上分层 9 】5 l 6 2 42 2 55 7 7 3 # 煤下分层 8 9 0 8l o 4 2o 5 05 9 5 全层平均9 0 3 88 2 4l - 3 85 8 6 采用制样m t11 6 2 8 6 煤岩分析样的制备方法块煤光片的制备方法 标准测定g b t8 8 9 9 - 1 9 9 8 煤的显微组分组和矿物测定方法 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 3 太娠理工大学硬士鹾究生学位论文 图2 - 13 # 煤显徽魏分的显徽照片 t 曲2 1t h em a c e r a li nn o 3g o a l 2 。33 # 煤镜质组最大反射率r m a x 的测定 煤的镜质组反射率是表征煤阶的重要指标。各种煤岩照微组分反射率都随煤阶 静增高两增大，这笈映了澡的肉帮滋芳香桶环纯合钧组戒静芳香核缩聚程菠在增长， 但各煤岩盥微组分的反射率随煤阶变化的速度有羞别，其中镜质组的变化快而且规 律性强。镜质组是煤的主要组分，颥粒较大而表面均匀，其反射率荔于测定。而且， 镜缀组反射率与表摄煤阶的其他指撂( 如撵发分、碳含量) 不同，它较少受煤的裟 相组成变化的影响，因此慰公认的较理想的煤阶指标。测定镜质组反射率时，实际 上缮到夔溅察筐是一秘分鸯，稳之为反射零分毒壹方銎，这秘分冬霹潋用寒求是反 射率的平均值，也可以用其测值的标准差来表示镜质组内的均匀程度。从褐煤到无 饔媒，蘧着媒纯程液豹热深，煤串镜质缝国均质自簿均霞体过渡，觚烟煤浮始镜豢 1 4 太原理1 大学硕士研究生学位论文 组光的各向异性逐渐增强。在偏光下测定反射率时，在垂直层理的平面上，光学各 向异性最明显。当入射光与偏振方向平行于层理时，可测得最大反射率，以r m a x 表示；当入射光与偏振方向呈垂直时，可测得最小反射率r m i n ；当入射光与层面的 夹角为0 0 a 9 0o 时，测得为中间反射率r m 。在非偏光下测定反射率时，如果不 转动显微镜台，在煤的任意切面上测得的反射率为随机反射率r r a n 。而在实践中， r m a x 由于良好的代表性和测定时较小的人为误差而被普遍使用。 试验按照煤炭部m t1 1 6 2 8 6 煤岩分析样的制备方法块煤光片的制备方法标 准制各煤样，按照国标g b 6 9 4 8 8 6 煤的镜质组反射率测定方法的要求测定r m a x ， 实验在太原理工大学矿业工程学院煤岩实验室利用图2 2 所示的德国生产的显微镜 光度计上完成，测定结果见2 3 。根据测定结果r m a x 为2 6 ，换算成r r a n 为2 3 3 ， 根据r r a n 和国标关于无烟煤分类的规定，确定伯方3 # 煤为低级无烟煤。 表2 - 33 # 煤最大镜质组反射率测定表 t a b2 - 3d e t e r m i n i n gm i c r o s c o p i c a l l yt h er e f l e c t a n c eo f v i t r i n i t ei nc o a l 样品编号：晋城伯方煤矿3 # 煤样品种类：块片l 室温：( o c ) 2 1 反射率种类：r 。浸油折射率( n 。) ：1 5 1 8 镜质组的亚组分：均质镜质体 标准片名称及反射率：1 0 4 2 1 2 3 6 5 反射率测点数测点百分比， 25 0 - 2 5 461 0 2 5 5n 2 5 92 44 0 2 6 0 2 6 41 83 0 2 6 5 2 6 9 1 22 0 测点总数：6 0 按单个计算的平均值：r 。= 2 6 0 测 8 值 分 导 ：_ _ - 布 直 品 方 图 2 5 22 5 72 6 22 6 7 反射率r 采用 制样 m t 11 6 2 8 6 煤岩分析样的制各方法块煤光片的制备方法 标准 测定g b 6 9 4 8 8 6 煤的镜质组反射率测定方法 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 43 # 煤的工业分析及元素分析 煤中的水分以表面水分、吸收水分和化合水分三种形式存在。灰分则是煤在规 定条件下完全燃烧后的固态残留物，灰分的含量对煤的加工和利用会产生负面影响， 但是就煤层注水而言，由于灰分中含有大量的亲水矿物而改善了煤的润湿性。挥发 分是煤样在规定条件下，隔绝空气加热一定时间，逸出的挥发分减去水分后得到的 侧值，一般而言挥发分随煤阶增高而递减。固定炭是指煤中除去水分、灰分和挥发 分后的残留物。 煤的有机质主要由碳、氢、氧、氮和硫五个元素组成，随着煤化程度的增加，c 、 h 和0 含量均呈现出一定规律的变化，c 基本上是均匀增加；h 在中等煤化程度以 前大致不变或变化幅度很小，进入无烟煤阶段后明显减少；o 与c 的情况正好相 反，随煤化程度增加而逐渐降低。n 和s 则无一定变化规律。 煤的亲水性主要由煤中含氧基团多少决定，煤中含氧基团主要有羧基、酚羟基、 醌基、甲氧基和醚键等。随着煤化程度的增高，甲氧基最早消失，在高阶褐煤中基 本上已不存在，其次是羧基，它的存在是褐煤的主要特征，在低煤阶烟煤中其数量 已大为减少，羧基和羰基存在于整个烟煤阶段，甚至在无烟煤阶段还有发现。另外 有部分羰基同时也是醌基，具有氧化还原性能。还有些活性氧主要是醚键和杂环( 吠 喃环) 中的氧，它们存在于整个成煤过程。含氧官能团含量以褐煤为最高，主要基 团是羧基和羟基；在烟煤阶段其含量大大降低，而且以非活性氧为主，无烟煤中的 氧含量更低。表2 - 4 为3 # 煤的工业分析和元素分析结果。从表2 - 4 中的数据看得出 表2 _ 4 煤工业分析和元素分析测定结果 t a b2 - 4t h ei n d u s t r i a la n a n a l y s ea n de l e m e n ta n a l y s ei n3 # c o a l 工业分析a d ，w t 元素分析，d a 煤样 m v a c hn so 3 # 煤上分层 1 2 54 7 5 4 6 69 1 3 7 3 9 91 5 6 0 8 l2 2 7 3 # 煤下分层 1 1 74 6 94 8 39 l _ 5 34 0 21 3 41 0 820 3 全层平均 1 2 14 7 24 7 59 1 44 0 11 4 50 9 52 1 5 g b2 1 2 1 9 7 7g b t4 7 6 2 0 0 1 采用标准 煤的工业分析方法 煤的元素分析方法 1 6 太原理工大学硕士研究生学位沦j ， 3 # 煤中灰分为4 7 5 ，属于低挥发分无烟煤，元素分析也显示碳含量为9 1 - 4 ，而一 般认为灰分是煤中亲水基团部分，碳含量较高表明稠环缩聚程度高，极性差，表现 出憎水特性，结合二 ：业分析和元素分析测试结果看得出3 # 煤中亲水组分少而憎水组 分较多。 2 53 # 煤润湿性研究 2 5 1 润湿性的基本理论 润湿通常是指固体表面上的气体被水或水溶液所取代的过程i ”】。根据固体表面 润湿理论，液体在固体表面形成液滴，达到平衡时，液体滴呈现一定的形状，如图2 3 所 示。图中a 点是平衡时气、液、固三相交界点，a n 是液固界面，过a 点作液滴表面 切线a m ，则a m 与a n 之间的夹角0 称为接触角。从表面张力的角度来看，a n 是作 用于a 点的液一固界面张力a s h a m 是作用于a 点的气液界面张力o g l , 因此接触角实 际上是o s l 与o d 之间的夹角。接触角的大小与3 种界面张力的相对大小有关，其关系 式为y o u n g ( 杨氏) 方程： 气体g 固体s 0 5 1 + h q e 图2 3 液滴在固体表面的接触角 f i 9 2 - 3t h ec o n t a c ta n g l eo f l i q u i dg u t t ao ns o l i d c o s = ( 一盯“) ( 2 - 1 ) 式( 2 1 ) 是描述润湿过程的基本方程，从此方程得出：若u s g - ( ，。i = u g l ，则0 = 0 ，为完全 润湿；若( $ s g - u s l ( ，g i ，则o c o s o l ，0 9 0 。，为固体能被液体所润湿；若( ，s g - o s l o 则 c o s o 9 0 0 ，为固体不能被液体所润湿，图2 4 即为固体表面润湿性大小的几种特 例。 1 7 太原理： 大学硕士研究生学位论文 图2 - 4 液体对固体表面的润湿性 f i 9 2 4t h es o l i ds u r f a c ew e tc h a r a c t e r i s t i ci nl i q u i d 由此可以看出，固体与液体的接触角直接反映出了该固体界面的润湿性。由 y o u n g 方程可以看出固液间的接触角是一种很好的表征固、液界面润湿性能大小的方 法。而润湿性是煤的一项很重要的物理化学性质参数1 2 2 1 ，在煤矿开采及安全中有重要 作用，特别是煤层预注水防尘中，煤润湿性的好坏在很大程度上影响着其注水效果。 因此，注水前研究煤的润湿性对注水参数确定有指导