4 第四章 预湿煤体防尘

1 第四章预湿煤体防尘 2 煤层注水防尘注水实质 减尘作用机理 注水效果注水效果影响因素注水方式 钻孔布置方式 封孔注水采空区灌水防尘 3 一 煤层注水coalseaminfusion infusioninseam 通过钻孔 将压力水和水溶液注入煤体 增加水分 以改变煤的物理力学性质 可减少煤尘的产生 还可减少冲击地压 煤与煤层气突出和自燃发火 煤矿安全规程 规定 采煤工作面应实行煤层注水 机采工作面必须实行煤层注水 防治煤尘的一项根本措施 降尘率一般在60 90 4 1 煤层注水的实质煤层注水的减尘作用主要有以下三个方面 1 煤体内的裂隙中存在着原生煤尘 水进入后 可将原生煤尘湿润并粘结 使其在破碎时失去飞扬能力 从而有效地消除这一尘源 5 2 水进入煤体内部 并使之均匀湿润 当煤体在开采中受到破碎时 绝大多数破碎面均有水存在 从而消除了细粒煤尘的飞扬 预防了浮尘的产生 3 水进入煤体后改变了煤的物理力学性质 使其塑性增强 脆性减弱 当煤体因开采而破碎时 脆性破碎变为塑性变形 因而减少了煤尘的产生量 6 2 钻孔布置方式长钻孔注水短钻孔注水深孔注水巷道钻孔注水 7 1 长钻孔注水从回采工作面运输巷或回风巷沿煤层倾斜方向平行于工作面打孔 孔长30 100m 钻孔直径为75 100mm 其布置形式较多 如图4 1所示 优点 1 湿润煤体的范围大 经济性好 2 注水时间长 湿润煤体均匀 3 与采煤互不干扰 4 经济 所以它往往是优先选择的注水方式 缺点 钻孔长度大 对地质变化的适应性较差 打钻技术复杂 定向困难 封孔复杂 8 图4 1长钻孔注水防尘示意图a 上向钻孔 b 双向钻孔 c 伪倾斜钻孔 d 八字型与倾斜联合钻孔 9 10 2 短钻孔注水在回采工作面垂直煤壁或与煤壁斜交打钻孔注水 钻孔长度一般取2 3 5m 最大不超过6m 其布置如图4 2中a所示 优点 1 短钻孔注水对地质条件的适应性较强 当地质变化大 煤层较薄和围岩遇水膨胀而影响顶 底板管理时 可采用此注水方式 2 注水设备 工艺 技术均较简单 缺点 其湿润范围小 钻孔数量多 封孔频繁密封性差 易跑水 对采煤工作有干扰 11 图4 2短孔 深孔注水防尘示意图 a 短孔 b 深孔 1 回风巷 2 运输巷 12 13 3 深孔注水同短孔注水一样 也是沿采煤工作面前方进风巷或回风巷垂直煤壁打钻孔 只是钻孔打得深些 其钻孔长度为5 6天的进度 孔深一般为工作面斜长的2 3 一般为5 25m 孔径75 100mm 其布置如图4 2中b 优点 同长短孔注水的优点 缺点 它需要每周有休假或轮休工作面才能使用 我国目前尚未使用 而国外采用较多 钻孔数量较多封孔质量难以保证 压力要求高 设备 技术复杂 14 4 巷道钻孔注水如图4 3是从邻近煤层的巷道打钻至注水煤层 进行注水 钻孔的长度由两煤层的间距或巷道至煤层的距离而定 优点 1 钻孔少 湿润煤体的范围大 效果好 2 采用小流量 长时间的注水方法 湿润效果良好 在有巷道或抽放瓦斯钻孔可利用 且煤层较厚时 可考虑采用巷道钻孔注水方式 缺点 岩石钻孔两大 成本高 受条件限制 临近煤层巷道损坏就会影响注水的正常进行 极少采用 15 图4 3巷道钻孔注水 16 3 封孔封孔深度和封孔质量是煤层注水的重要环节 封孔深度应超过沿巷道边缘煤体的卸压带宽度 一般不小于6m 当注水压力大于2 5MPa时 应大于6m乃至20m 封孔方法有两种 水泥砂浆封孔封孔器封孔 17 1 封孔器封孔我国煤矿长钻孔注水多采用YPA型水力膨胀式封孔器和MF型摩擦式封孔器 YPA型在使用时 将封孔器与注水钢管连接起来送至封孔位置 通过高压胶管与水泵连通 开泵后压力水进入封孔器 水流从封孔器前端的喷嘴流出进入钻孔 产生压力降 膨胀胶管内的水压升高 将胶管膨胀 封住钻孔 注水结束后 封孔器胶筒将随压力下降而恢复原状 可取出复用 18 MF型在使用时 将封孔器与注水钢管连接起来送至钻孔内的封孔位置 顺时针旋动注水管使其向前移动 这时橡胶密封筒被压缩而径向胀大 封住钻孔 注水结束后 逆时针旋转注水管 密封胶管卸压 胶筒即恢复原状 可取出复用 采用封孔器封孔虽然简便 但多次重复使用时难以保证封孔质量 现已少用 19 2 水泥砂浆封孔封孔前先用搅拌机将水泥和砂子制成高稠度水泥砂浆 再拨动离合器 启动送浆泵 将水泥砂浆快速地送进钻孔内 由于该泵的送浆能力较大 其封孔深度 对水平钻孔可达3Om 对垂直向上钻孔可达20m 20 21 4 注水1 注水方法静压注水 利用矿井地面贮水池或上水平的水 依靠自然静压差通过井下供水管网实施 动压注水 利用井下的水泵实施 22 静压注水特点 工艺简单 既节省费用 又便于管理 但它的适用范围受到了一定的限制 新突破 对透水性差的煤层采用静压注水 其技术关键是选定最佳的超前距离 开始注水时钻孔距工作面的距离 23 动压注水特点 水泵可以设在地面集中加压 也可直接设在注水地点进行加压 长钻孔动压注水的适用性强 被很多煤矿采用 其注水系统如图4 4所示 24 图4 4动压注水系统1一注水管 2一水泥砂桨 3一压力表 4一高压胶管 5一阀门 6一分流器 7一单向阀 8一注水表 9一注水泵 10一供水桶 25 26 近年来 我国研制的煤层注水自动控制系统 装置 它能根据煤层的渗透特性及注水压力与流量的变化进行自动调节 可实现动压注水和静压注水的自动切换 并将注水参数调节到最适宜的状态 并能将注水参数存贮 显示和打印出来 27 2 注水压力注水压力的高低取决于煤层透水性的强弱和钻孔的注水速度 通常 透水性强的煤层采用低压 小于3MPa 注水 透水性较弱的煤层采用中压 3 10MPa 注水 必要时可采用高压注水 大于10MPa 28 如果水压过小 注水速度将会太低 水压过高 又可能导致煤岩裂隙猛烈扩散 造成大量窜水或跑水 适宜的注水压力是 通过调节注水流量使其不超过地层压力而高于煤层的瓦斯压力 29 国内外经验表明 低压或中压长时间注水效果好 在我国 静压注水大多属于低压 动压注水中压居多 对于初次注水的煤层 开始注水时 可对注水压力和注水速度进行测定 找出两者的关系 根据关系曲线选定合适的注水压力 30 地压 地下采矿中亦称 矿山压力 岩石压力 也叫地层孔隙压力 指作用在岩石孔隙内流体 油气水 上的压力 有被孔隙内流体所承担的那部分上覆岩层压力称为基岩应力 采矿时 由于巷道和回采工作面周围应力重新分布 常引起围岩变形 移动和破坏 矿柱压裂 倒塌 支架下缩 破坏等现象 称为 矿山压力显现 地层压力的大小及分布规律与地质条件 开采深度 巷道和回采工作面的布置 以及巷道断面和回采空间的大小 形状和支护方法等因素有关 也称为孔隙流体压力 指地地层孔隙内的油 气 水的压力 地层压力与地层所在深度有关 一般表现为地层与地表连通的静液柱压力 31 在实际生产中 地层压力一般分为三种 1 原始地层压力 是指井田未开采时测得的油层中部压力 2 目前地层压力 静压 指井田投入开发后 在指点的井点所测关井后油层中部恢复的压力值 3 流动压力 流压 指在井田正常生产时测得的油层中部压力 32 煤层瓦斯压力 煤层埋藏在一定深度时 煤层的孔隙 裂隙中的瓦斯对隙壁所产生的应力 单位是MPa 测定方法 向煤层中打钻孔 埋入测压管 然后注浆封孔 安装压力表 稳定后的显现的瓦斯压力就是煤层瓦斯压力 小于0 74MPa无突出危险性 分为煤层瓦斯原始压力和残存压力 33 3 注水速度 注水流量 注水速度是影响煤体湿润效果及决定注水时间的主要因素 在一定的煤层条件下 钻孔的注水速度随钻孔长度 孔径和注水压力的不同而增减 34 一般来说 小流量注水对煤层湿润效果最好 只要时间允许静压注水速度一般为0 001 0 027m3 h m 就应采用小流量注水 动压注水速度为0 002 0 24m3 h m 若静压注水速度太低 可在注水前进行孔内爆破 提高钻孔的透水能力 然后再进行注水 35 4 注水量注水量是影响煤体湿润程度和降尘效果的主要因素 它与工作面尺寸 煤厚 钻孔间距 煤的孔隙率 含水率等多种因素有关 确定注水量首先要确定吨煤注水量 各矿应根据煤层的具体特征综合考察 36 一般来说 中厚煤层的吨煤注水量为0 015 0 03m3 t 厚煤层为0 025 0 04m3 t 机采工作面及水量流失率大的煤层取上限值 炮采工作面及水量流失率小或产量较小的煤层取下限值 37 5 煤层注水效果在实际注水中 常把在预定的湿润范围内煤壁出现均匀 出汗 渗出水珠 的现象 作为判断煤体是否全面湿润的辅助方法 煤层注水使煤体内的水分增加 一般说来 当水分增加1 时 就可以收到降尘效果 水分增加量越大 效果越好 38 降尘效率 采煤时空气含尘量的降低 G2 G1 分别为煤层注水前 工作面某处尘源下风侧及上风侧的空气含尘量 mg m3 G2 G1 分别为煤层注水后 工作面某处尘源下风侧及上风侧的空气含尘量 mg m3 短钻孔降尘率40 90 长钻孔降尘率60 90 39 不仅要考虑降尘效果 还要考虑其它生产环节的方便 如运输 选煤等 因此 水分又不能太大 通常 吨煤注水量控制在35 40L 不可少于20 25L 此时 降尘效果可达到50 90 左右 40 在水中添加湿润剂可提高防尘效果 湿润剂可分为阴离子型 阳离子型和非离子型3种 离子型湿润剂 表面活性剂溶于水时能电离生成离子的湿润剂 非离子型湿润剂 凡不能电离 不生成离子的湿润剂 41 煤层湿润效果的考察煤体水分增加1 才有较高的降尘效果 先要考察注水后煤层水分的增加 并以注水钻孔为中心 以周围煤体水分增加1 为界限确定湿润半径 湿润半径以内的区域称为煤层注水的有效湿润范围 其次煤层注水的效果与水在煤层中分布是否均匀有关 实践表明 注水后 距钻孔越远水分越大 在煤层厚度方向 靠近底板水分大 延倾斜方向 不论上向下向钻孔注水 都是下部水分较上部水分大 42 考察方法 直接观察法分析法刻槽法 挖坑法 钻孔法专门仪器测定法 43 6 影响煤层注水效果的因素1 煤层的裂隙及孔隙的发育程度 据实测资料发现 煤层的孔隙率小于4 时 透水性较差 注水无效果 孔隙率为15 时 煤层的透水性最高 注水效果最佳 当孔隙率达40 时 无需注水 因为天然水分就很丰富了 44 2 煤层的埋藏深度和地压的集中程度地压的集中程度与煤层的埋藏深度有关 煤层埋藏越深则地层压力越大 埋藏越深 地压越集中的地方 煤层的孔隙被压紧 透水性越差 因此 要提高注水压力 才能获得较好的效果 45 3 液体性质的影响煤是极性小的物质 水是极性大的物质 两者之间极性差越小 越易湿润 为了降低水的表面张力 减小水的极性 提高对煤的湿润效果 可以在水中添加表面活性剂 阳泉一矿在注水时加入0 5 浓度的洗衣粉 注水速度比原来提高24 46 4 煤层中的瓦斯压力大小瓦斯压力是注水的附加阻力 水克服瓦斯压力后才是注水的有效压力 所以在瓦斯压力大的煤层中注水时 往往要提高注水的压力 以保证湿润煤体的效果 47 5 注水参数注水压力 注水速度 注水量和注水时间 注水量或煤的水分增量是煤层注水效果的标志 也是决定煤层注水除尘率高低的重要因素 48 煤层注水除减少煤尘的产生外 对于瓦斯治理 防止自燃发火 放顶煤开采软化顶煤都具有积极的作用 因此 煤层注水是煤矿安全和环境保护工作中的一项综合性措施 49 煤层注水在煤矿安全中的作用机理及效果 1防尘煤层注水是回采工作面最有效的防尘措施 水的除尘机理包括以下3个方面 1 湿润煤体内的原生煤尘 使其失去飞扬的能力 2 有效地包裹煤体的每个细小部分 当煤体在开采中破碎时 避免细粒煤尘的飞扬 3 水的湿润作用使煤体塑性增强 脆性减弱 当煤体受外力作用时 许多脆性破碎变为塑性形变 因而大量减少了煤体被破碎为尘粒的可能性 降低了煤尘的产生量 50 2预防煤与瓦斯突出研究和试验考察表明 注水湿润煤体 可使煤的力学性质发生明显变化 煤的弹性和强度减小 塑性增大 从而使巷道前方的压力分布发生变化 即高压力向煤体深部转移 压力集中系数减小 煤体湿润后 其透气性也将成百上千倍的降低 水对瓦斯的运动起到明显的阻碍效应 煤中瓦斯涌出量和涌出速度都在大幅度下降 上述的各种变化 都表明注水湿润煤体 可以消除或降低煤层的突出危险 51 3减小工作面回风流中的瓦斯浓度煤层注水对治理瓦斯的作用 不仅表现在预防煤与瓦斯突出 而且也表现在减小工作面生产时回风流中瓦斯浓度 其原因有 1 湿润煤体中的水分对瓦斯的运动起阻碍作用 使一部分瓦斯在煤体破坏后不涌入采掘空间而是随煤体被运出工作面 2 打孔破坏了煤体内原有的煤 瓦斯体系的平衡 注水前后则形成了新的煤 瓦斯 水三相体系 体系的这些变化都会导致瓦斯的涌出 52 4防治冲击地压煤层注水防治冲击地压的机理是 高压注水改变了煤体的裂隙结构 使煤体脆性减弱 塑性增强 促使煤壁前方塑性变形区 卸压带 加宽 使集中压力区 弹塑性变形区 向煤壁深处移动并加宽 减弱了压力集中程度 缓和了煤体压力潜能的积聚 从而预防冲击地压的发生或使其强度减弱 53 5防火与降温分层法开采厚或特厚易燃煤层时 在放顶后 向采空区注水 或在放顶前用水遍洒放顶步距条带 能起到防火作用 因为注水后煤体的导热系数和热容量增大 使煤体的温度不易升高 如果顶板为泥质岩石 则此法效果更佳 注水 或洒水 后 冒落的矸石湿润 膨胀成再生顶板 覆盖浮煤 减少漏风 从而抑制了采空区的浮煤氧化 陕西崔家沟矿和徐州大黄山矿采用此法防火均取得了良好效果 温度较低的冷水注入煤体后 由于水有较大的比热容和汽化潜热 对高温工作面的降温也是有利的 54 煤层注水工操作规程 一 钻机司机要持证上岗 遵章作业 二 钻机下井前 司机首先学习注水作业规程 掌握后再下井 下井前还要详细检查钻机及配件的完好性 不完好时不得运下井作业 三 安装注水泵及钻机时 首先要检查安装位置处的巷道状态 不安全时不准施工 四 开钻前要进行试机 发现问题及时处理 然后再开钻作业 五 应根据作业规程要求布置钻孔的间距 方位 倾角 长度 六 钻孔时至少两人一同作业 开钻先开水 停钻后停水 55 七 打完钻孔封孔前 先用清水冲净孔内煤粉 然后再封孔 八 采用水泥砂浆或封孔器封孔 封孔长度至少为1米 九 无论是用静压注水还是用动压注水 都应用流量表进行测量 掌握每孔注水量 发现钻孔附近煤壁出水及机巷出现水珠时 可停注 隔一段时间后再对该孔注水 十 注水孔超前回采面距离以20 50米为宜 十一 注水工应做好班记录 内容包括钻孔钻进深度 钻孔直径 各孔注水时间及注水量等 上井后及时填入注水记录台帐中 十二 注水工作告一段落后 要配合工区及时对注水工作进行总结 56 煤层注水问题探讨 一 采前预注与随采随注多用采前预注裂隙发育 孔隙率较高的煤层 停止注水超前时间15 30天为宜 空隙率较低的煤层 超前时间可以长一些 57 二 工作中水分蒸发问题缩短注水超前时间 导致采注干扰 影响降尘效果 有助于准确选择注水参数 寻找出提高注入水的润湿与渗透效果以及水在媒体中的分布 保湿效果的途径 添加粘尘棒 58 三 静压注水与动压注水静压注水适合于透水性强或上下煤层均已被才懂情况下的低压注水 有时候为提高注水速度 可以提前进行孔内爆破 动压注水适用于中压及以上注水压力和透水性较弱的煤层 分为移动式水泵供水 常用 和集中泵站供水 59 四 单孔注水与多孔注水单孔注水 动压注水常见多空注水 静压注水常用五 连续注水与间隔注水连续 静压注水间隔 堵孔 塌孔 动压注水六 上向注水与下向注水多用下向注水 60 二 采空区灌水是在开采近距离煤层群的上组煤或采用分层法开采厚煤层时 包括急倾斜水平分层 利用往采空区灌水的方法 借以润湿下组煤和下分层煤体 防止开采时生成大量的煤尘 灌水方式同黄泥灌浆 还可起到粘结碎顶作用 碎顶再生厚度可达0 2 0 5m 61 由于上层煤已采空 所以下层煤随着减压而次生裂隙发育 易于缓慢渗透 故湿润煤体的范围大而且均匀 防尘效果好 我国一些矿区采用采空区灌水预湿煤体 其降尘率一般为70 90 但是 采空区灌水应控制水量 防止从采空区流向工作面或下部巷道中 形成水患 62 一般的灌水量按每平方米采空区0 3 0 5m3来计算 其流量控制在0 5 2m3 h 最大不超过5m3 h 灌水要超前回采1 2个月 以便使水渗透均匀 此外 当两煤层间的岩石层或下分层的上部有不透水层时 不能选用采空区灌水 同时 在煤层有自燃发火危险时 要在水中加阻化剂才能进行采空区灌水 水对假顶材料 多为金属网 可能有腐蚀作用 应采取措施保证假顶的维护 63 实用粉尘防治技术 泡沫除尘煤层脉冲式注水综采工作面实时跟踪降尘成套技术 64 泡沫除尘 是在水中加入表面活性发泡剂 利用泡沫发生器造成泡沫状的液滴喷洒到尘源或空气中去 形成泡沫体或泡沫雾 有利于提高水雾的降尘效果 尤其对提高呼吸性粉尘的降尘率有利 而且耗水量少得多 其除尘机理包括 拦截 黏附 湿润 沉降等 泡沫除尘剂的核心是起泡剂 泡沫除尘性能的发挥主要决定于泡沫发生器 泡沫发生器的发泡性能主要有 发泡量 发泡倍数 泡沫强度 风泡比 成泡率等 65 煤层脉冲式注水 利用高压水压力在煤体注水钻孔内部的周期性变化所产生的水击和 水劈 效应 迫使煤体中的微小孔裂隙形成和逐渐张开 形成新的再生裂隙网 高压水逐渐渗透到其中 煤体中的微小裂隙相互贯通后 水在毛细管力和分子扩散运动力的作用下渗透到煤体微小裂隙中 从而实现对煤体的湿润 66 煤层脉冲式注水 煤层脉冲式高压注水工艺包括 煤层脉冲式高压注水系统及注水方法 煤层注水钻孔布置和钻孔参数 封孔工艺和注水工艺参数等几个方面 67 综采工作面实时跟踪降尘成套技术 综采煤尘产生量极大 降尘抑尘所采用的成套技术包括 截齿点的全方位水封 截割煤壁时的实时除尘 并降低截割所产生的热能 消除此工序点的瓦斯和煤尘爆炸