综采工作面煤层注水防尘技术试验研究(1).doc

摘要 I 摘摘 要要 随着矿井机械化程度的不断提高 煤矿尘害问题日趋突出 矿井粉尘不仅污 染井下工作场所 危害矿工身体健康 而且能加速机械的磨损 在一定的条件下 发生爆炸 酿成重大灾害 因此 制定有效的防尘 降尘措施对煤矿安全具有重 大意义 其中 采用降低工作面回采时煤尘产生量的最根本 最有效的主动防尘 手段 综采工面煤层注水防尘技术 能很好地帮助解决这一问题 本文针对永煤集团陈四楼煤矿回采工作面粉尘浓度一直居高不下的实际情况 开展综采工作面进行煤层注水防尘技术试验研究 首先在研究煤层注水机理的基 础上 对影响煤层注水效果的因素进行分析 然后现场取煤样在实验室试验 对 二2煤层注水相关基础参数进行测试与分析 为注水水样的选取提供依据 再此 基础上 对煤层注水方式 注水设备 注水关键工艺及参数进行优化设计 分别 在综采工作面开展了气动高压注水 脉动高压注水和静压注水的煤层注水工业性 试验 并对注水效果进行考察 根据现场实测效果 经比较后 确定合理的煤层 注水方案 最后形成适宜陈四楼煤矿的煤层注水技术 关键词 关键词 综采工作面 煤层注水 静压注水 动压注水 Abstract III Abstract With the improvement of the mechanization on the fully mechanized mining face the problem of coal dust are becoming more prominent Mine dust pollutes the workplace of underground and endangers the health of miners also accelerates the wear and tear of machine and cause explosion in certain conditions Therefore it is signification for mine safety that we should make effective measures for dust and reduction Among them it would be very helpful to solve this problem by using the seam water injection technology for dust in fully mechanized mining face because it is the most fundamental and effective methods to reduce dust generation during mining face In this paper the reality is that the dust concentration has been actually high in mining face of Chen Si Lou mine of Yong Mei Group we decide to study on seam water injection technology for dust in fully mechanized mining face to solve this problem Firstly we analysis the factors of affecting the effect of seam water injection that based on the study of mechanism of seam water injection Then taking coal samples and testing it in the laboratory Testing and anglicizing the basic parameters of 二2 coal seam injection to provide the basis for the selection of water samples On this basis we make a optimization for the seam water injection method injection equipment the key injection technology and parameters then the pneumatic high pressure water injection pulse high water injection and static pressure injection are carried out in fully mechanized mining face The effect of seam water injection is inspected and according to the results of field measurement after comparison to determine a reasonable seam water injection program Finally the seam water injection technology that suitable for Chen Si Lou mine is achieved Key words full mechanized mining face coal seam water injection static water injection dynamic pressure water injection 目录 V 目目 录录 摘要摘要 I 目录目录 1 绪论绪论 1 1 1 研究的背景和意义 1 1 2 国内外研究现状 2 1 2 1 综采工作面防尘研究现状和发展趋势 2 1 2 2 煤层注水研究现状和发展趋势 4 1 3 本文研究的内容及技术研究路线 8 1 3 1 研究内容 8 1 3 2 研究方法及技术路线 9 2 煤层注水降尘机理及影响因素分析煤层注水降尘机理及影响因素分析 11 2 1 煤层注水机理 11 2 2 影响煤层注水效果的因素 12 2 2 1 煤的裂隙和孔隙的发育程度 12 2 2 2 上覆岩层压力及支承压力 13 2 2 3 液体性质的影响 13 2 2 4 煤层内的瓦斯压力 13 2 2 5 注水参数 13 3 陈四楼煤矿煤层注水相关基础参数测定陈四楼煤矿煤层注水相关基础参数测定 15 3 1 煤样及矿井取水 15 3 2 煤样原始水分的测定 15 3 2 1 测试原理 15 3 2 2 测定方法与步骤 15 3 2 3 测试设备 16 3 2 4 测定结果及分析 17 3 3 煤样吸水性的测定 17 河南理工大学工程硕士论文 VI 3 3 1 测试原理 17 3 3 2 测定方法与步骤 18 3 3 3 测试设备与仪器 19 3 3 4 测定结果与分析 20 3 4 矿井水表面张力测试 21 3 4 1 测试原理 21 3 4 2 测定方法与步骤 21 3 4 3 测定仪器与设备 21 3 4 4 测定结果与分析 22 3 5 矿井水接触角测定 29 3 5 1 测试原理 29 3 5 2 测试方法与步骤 29 3 5 3 测试设备与仪器 31 3 5 4 测试结果与分析 32 3 6 小结 33 4 21301 综采工作面煤层动压注水试验综采工作面煤层动压注水试验 35 4 1 试验工作面概况 35 4 1 1 工作面位置及煤层情况 35 4 1 2 地质构造及顶底板情况 35 4 1 3 水文地质情况及涌水量 36 4 1 4 回采方式及工艺 37 4 2 煤层气动高压注水试验 38 4 2 1 注水原理 38 4 2 2 注水方案及工艺 39 4 2 3 注水进程及效果 40 4 3 煤层脉动高压注水试验 41 4 3 1 脉动高压注水概述 41 4 3 2 注水设备 41 4 3 3 注水进程及效果 44 4 4 小结 49 目录 VII 5 21309 综采工作面煤层静压注水试验综采工作面煤层静压注水试验 51 5 1 试验工作面概况 51 5 1 1 工作面位置及煤层情况 51 5 1 2 地质构造及顶底板情况 51 5 1 3 水文地质情况及涌水量 52 5 1 4 回采方式及工艺 53 5 2 煤层静压注水试验 54 5 2 1 注水方式及参数 54 5 2 2 施工方法 55 5 2 3 注水效果 55 5 3 小结 57 6 结论结论 59 参考文献参考文献 61 1 绪论 1 1 绪论 1 1 研究的背景和意义 煤炭是我国重要的基础能源 是国民经济发展的重要支柱 我国煤炭资源丰 富 品种齐全 在能源总量和已探明的储量中 煤炭占 90 左右 而且 煤炭在 我国一次能源生产和消费构成中始终占 70 以上 我国煤炭资源总量为 5 57 万 亿吨 是最可靠 最有保障的能源 这种状况决定了我国以煤为主的能源生产和 消费格局将在今后一个相当长的时期内不会改变 1 据专家预测 到本世纪中叶 我国以本的能源消费结构不会改变 到 2020 年 2050 年 煤炭所占一次能源的 比重仍然为 68 和 50 左右 因此 煤炭在我国国民经济发展中依然占据不可 替代的重要位置 我国能源消费在未来相当长时期内仍以煤炭为主 煤炭作为我 国基础能源的地位不会动摇 2 近年来 随着煤炭科技的进步 煤矿管理的科学规范 我国煤矿安全生产状 况得到不断好转 然而煤炭行业依然是我国的高危行业之一 据可靠资料记载 我国煤矿每年的死亡人数和百万吨死亡率均大大超过了世界其他主要产煤国家 中国的煤炭产量约占全球的 35 事故死亡人数则占近 80 我国的煤炭百万 吨死亡率是美国的 100 多倍 南非的 20 多倍 印度的 10 多倍 据统计 全国 576 处重点煤矿 具有煤与瓦斯突出危险和高瓦斯矿井 277 处 占 57 2 有煤 层自然发火倾向的矿并占 54 9 有煤尘爆炸危险的矿井占 95 此外 煤矿还 受到突水 顶板冒落 冲击地压 火 CO2涌出等灾害的威胁 官方公布数据显 示仅 2000 2005 年矿难的死亡人数 几乎是每年 6000 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 煤与瓦斯突出等占当大的比例 而煤尘 瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出对安全生产最为严重 对我国国民经济的发展和和谐社 会的建设造成恶劣影响 我国煤矿由于煤尘引起的灾害主要有瓦斯煤尘爆炸和由煤尘引起的矿山工作 人员的尘肺 矽肺职业病 近年来 瓦斯爆炸频繁发生 而且大部分的爆炸事故 都有煤尘参与 煤尘使得爆炸的破坏力增加 造成的损失加大 煤炭行业有尘肺 患者约 40 多万人 且每年以 8000 人的速度递增 每年因矽肺病死亡 2500 人 而且每年新增尘肺病人数占普查人数的 3 以上 煤尘作为煤矿 五害 之一 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 河南理工大学工程硕士论文 2 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 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 根据测定 综采工作面个别瞬时煤尘浓度高达 8 10g m3 因此 从根本上减少综放工作面的 煤尘产生量 对于保障正常生产 减少事故以及保障员工职业健康起着极其重要 的作用 煤层注水是回采前在煤层中预先钻孔 将压水溶液注入煤体 增加煤体水分 从而改变其物理力学性质及热力学性质 以预防煤矿井下灾害的综合性措施 实 践证明 通过煤层注水可以使开采过程中的产尘率降低 50 60 有的甚至能 够降低 90 以上 煤体湿润煤体后 可以有效减少采矿过程中煤尘的产生 防止 井下工作人员因接尘导致的尘肺 矽肺职业病 防止煤尘爆炸事故的发生 同时 通过煤层注水可以降低煤体强度和弹性模量 增加煤体的塑性 使应力分布比较 均匀 减缓高应力集中 对防止煤与瓦斯突出 冲击矿压等灾害的发生非常有利 另外 煤层注水可以软化坚硬煤体 使综采速度加快 减少设备磨损 提高生产 效率 还可以预防煤层自然发火 本课题针对陈四楼煤矿综采工作面生产过程中煤尘浓度一直居高不下的问题 开展煤层注水技术试验 对二2煤层注水的难易程度 注水工艺方式 注水装备 进行深入研究 对陈四楼煤矿的安全高效开采意义重大 同时 对于煤层注水技 术的提高具有推动作用 对于类似地质条件和开采工艺的综采工作面具有借鉴意 义 1 2 国内外研究现状 1 2 1 综采工作面防尘研究现状和发展趋势 长期以来 煤矿 一通三防 是矿井安全管理的一项重要工作 而煤矿粉尘 防治是矿井 一通三防 工作的重中之重 煤矿防尘问题一直是煤矿通防安全管 理的重点和难点 煤尘灾害作为矿井五大灾害之一 其危害极大 除了掘进工和 其他同岩石接触的工人可能得矽肺病以外 其他长期和煤尘接触的工种吸入煤尘 能引起煤肺病 严重影响职工的身体健康 同时还可能引起煤尘爆炸 造成大量 人身伤亡和财产损失 煤矿粉尘是影响矿井安全高效生产 危害职工健康的主要 灾害之一 一般而言 随着采掘机械化水平的不断提高和煤矿开采强度的不断增大 加 之生产的高度集中 矿井粉尘问题欲显突出 据煤炭行业可靠资料显示 在测定 1 绪论 3 综采工作面采煤机割煤时 司机及下风侧 10m 处人行道的瞬时原始总粉尘浓度曾 达到 2000 4000mg m3 矿井开采强度大 产尘源多 粉尘问题变得越来越严重 我国煤矿不仅发生过数十次煤尘爆炸事故 造成数千人死亡 而且更严重的是导 致矿工患尘肺病 造成严重的经济 社会影响 因此 需总结前人经验 加大科 研投入力度 利用现代科技成果 研究开发和控制综采工作面粉尘新技术 加大 我国煤矿综合防尘的力度 对于改善矿工的作业环境 保证煤矿安全高效开采 推动防尘技术的发展 具有重要的现实意义 采煤工作面是煤矿井下作业人员和电器机械设备高度集中的工作场所 也是 连续产尘强度较大的作业场所 采煤的各项工序都会产生大量煤尘和岩尘 特别 是在机械截割 运输机械转载震动 工作面支护等多工序平行作业时产生的粉尘 量更大 一般来说 普采工作面粉尘浓度高于炮采工作面几倍至几十倍 而综采 工作面又高于普采工作面几倍至几十倍 阜新矿务局综采面的粉尘浓度达 2000 2500mg m3 阳泉矿务局综采工作面的粉尘浓度最高达 8888mg m3 综采工 作面粉尘的来源较多 如进风流的污染 采掘机械割煤 装煤和破碎 液压支架 周期性移架 运输机转载点和破碎机破煤处都会产生大量粉尘 其中采煤机 液 压支架移架处于风流中随时移动 产生的粉尘可随风流漂移和扩散 难以用密闭 罩封闭尘源 增加了治理难度 而转载点和破碎机处的尘源相对固定 可采用密 闭罩控制粉尘的飞扬 采煤机割煤是工作面最主要的尘源 移架居第二位 特别是 当工作面顶板破碎时 更是如此 因此 综采工作面粉尘的控制应以采煤机为中 心 3 4 目前从国内外所查到的资料表明 综采工作面的粉尘控制技术主要采用煤层 注水 采煤机高压喷雾降尘技术 液压支架自动喷雾洒水 转载点密闭自动喷雾 降尘 合理选择采煤截割机机结构参数及工作参数 泡沫除尘和除尘器除尘等净 化措施 其中 煤层注水是国内外主要采用的降尘方式 一般可降低粉尘浓度 60 90 左右 泡沫除尘和除尘器除尘等净化措施在国外主要产煤国家应用 是 一种新型高效的除尘方法 尤其是泡沫除尘的效果好一般可达 90 以上 特别是对 5mm 以下的呼吸性粉尘 除尘率可达 80 以上 且泡沫除尘同喷雾洒水降尘相比 其 耗水量减少 1 2 以上 5 不过 其它除尘方法在应用发现一些问题 主要是合理 的注水参数和注水工艺难以确定 因为不同煤层和埋藏条件是不一样的 采煤机 和液压支架喷雾系统布置形式和喷雾参数不太合理 从而一定程度上影响了煤矿 降尘效果 河南理工大学工程硕士论文 4 总结目前技术研究成果 虽然我国在煤矿粉尘防治技术方面取得了一定的进 展和成绩 但是还远远满足不了日益严重的煤粉尘治理的需要 未来的煤尘防治 工作 应在吸收国外煤尘防治先进技术经验的基础上 重点发展适合我国煤炭生 产的煤层注水技术 超高压喷雾降尘 布袋除尘技术 声波雾化除尘技术 磁化 水喷雾降尘等技术 以期实现防尘技术的新突破 为我国煤矿的安全高效开采提 供现实条件 1 2 2 煤层注水研究现状和发展趋势 煤体注水作为一项防尘措施 早在上世纪 40 年代法国 西德 苏联 波兰 英国 美国 比利时 捷克斯洛伐克等几个主要产煤国家相继进行了工业试验 而且效果显著 并逐渐推广应用 当时已发现这样的事实 工作面的空气中的煤 尘不只是来自采掘机械的破碎作用采掘机械的破碎作用 而是来自 有时甚至主要是来自煤层中天然煤层中天然 形成的无数裂缝中原来就已存在的大量微细煤尘形成的无数裂缝中原来就已存在的大量微细煤尘 将水注入煤层时 水就沿着煤 的层理面 节理面以及其他无数的构造裂隙流动 使整个煤体变的潮湿 同时也 使这些裂隙中原来就有的煤尘得到湿润 在开采过程中不至于扬起 进入空气流 中 我国的煤体注水防尘工作始于 60 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 北京等局矿进行了工业试验和推广 在 1976 年我国的科研部门研制成功 我国第一台煤层注水专用水泵 5D 2 150 型注水泵 及煤层注水自动封孔器 2YY 501 型封孔器 注水专用机具及测试仪表的研究工作也同时取得进展 据 1989 年统计 统配煤矿总公司所属的统配煤矿 注水工作面数占总采煤工作面数的 40 其中 石炭井矿务局已达到 90 包括采空区灌水 降尘率达 60 95 新汶矿务局不仅做到了中厚煤层逢采必注 不注不采 而且孙村 华丰 西港 泣南 南冶五个煤矿对薄煤层注水也取得了较好的效果 1988 年全局有 75 个采 煤工作面注水 注水工作面的产量占原煤总产量的 73 降尘率达 75 85 兖 州矿务局主采煤层为 3 号煤层 煤质坚硬 孔隙率仅为 2 2 4 3 属于难注水煤 层 但在南屯煤矿综采工作面采用高压脉冲 中压湿润及高 中压交替注水的方 法 取得了良好的效果 陷尘率达 47 62 兴隆庄煤矿对难注水煤层利用湿润 剂也取得了好的效果 降尘串达 51 4 阳泉煤矿的 3 号煤层 七尺煤层 是中厚 煤层 煤质较硬 裂隙与孔隙都极不发育 采用长钻孔注水方式注不进水 而改 1 绪论 5 为短钻孔方式注水 取得了可喜的结果 这几个煤矿为解决难注水煤层的注水问 题开辟了新途径 提供了宝贵经验 此近年来 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 6 7 煤层注水作为国内外煤矿广泛采用的最积极 最有效的防尘措施 我国 煤 矿安全规程 第一百五十四条第二项明确规定 采煤工作面必须采取煤层注水防 尘措施 我国煤矿主要常用的煤层注水方式见表 1 1 表表 1 11 1 我国煤矿主要常用的煤层注水方式我国煤矿主要常用的煤层注水方式 Tab 1 1 Main seam water injection methods commonly used in chinese coal mines 注水方式钻孔地点钻孔长度特点 长钻孔注水 工作面回风或 运输巷道 30m在原始应力区的煤层中注水 短钻孔注水工作面 6m 在降低应力区的煤层中注水 裂隙 发育 透水性强 注水压力低 深孔注水工作面6 20m 在升高应力区的煤层中注水 裂隙 不发育 透水性弱 注水压力高 巷道钻孔注水 远距离钻孔 注水 上部煤层巷道或底 板巷道 不定 在降低应力区的煤层中 或瓦斯卸 压煤层中注水 长钻孔注水方式具有煤体湿润均匀 湿润范围大 对生产干扰小 能适应高 强度采煤等优点 在煤层厚度大于 1 3m 没有或只有较小的定向断层 煤层倾角 稳定 顶底板吸水后无严重影响 煤 烟煤 的孔隙率大于 4 时 应优先考虑采用 短钻孔注水方式具有对地质条件及围岩性质适应性强的优点 对煤层厚度小于 1 3m 及不适用于长钻孔注水条件的煤层可考虑采用 深孔注水方式不仅具有短钻 孔注水方式所具有的优点 适用于中厚与厚煤层 而且钻孔数量较少 湿润范围 较大不影响采煤工作 但注水压力较高 如果煤 烟煤 的孔隙串大于 4 并能在采 煤循环中安排出注水时间 可考虑采用 目前 我国煤矿广泛采用超前长孔注水超前长孔注水 法法 即利用工作面前方卸压区的本煤层瓦斯抽放钻孔 代替注水孔 进行长孔注 水 不仅减少了打钻孔工作量 而且实现了一孔两用 取得了可观的经济效益 8 国内煤层注水方面的文章中谈到的注水方式 大多是采用比较单一的手段 很少综合注水方式的优点 文献 9 在基于煤层注水及防尘机理进行分析基础上 提出混合式煤层注水方式 即脉冲动压注水与静压注水相结合进行注水 通过对 河南理工大学工程硕士论文 6 现场试验数据分析得到了注水量与注水压力及注水时间的关系 并得到了煤层注 水与降低现场的粉尘 全尘与呼尘 含量间的关系 现场试验发现 现场的粉尘浓 度有了较大的减少 现场的粉尘含量减少了 40 以上 呼吸性粉尘含量减少量在 20 以上 表表 1 21 2 我国部分矿井煤层注水降尘效果我国部分矿井煤层注水降尘效果 Tab 1 2 Effects of coal dust injection in some of chinese coal mines 空气中煤尘含量 mg m3 矿名注水方式加压方式 注水前注水后 降尘率 石炭井各矿长孔静压800 150100 3 560 95 抚顺龙凤矿长孔静压5040 46072 8061 87 5 大同同家梁矿长孔静压1320 300584 6456 78 7 井径三矿长孔静压82 11632 4060 70 阳泉二矿长孔动压1829 532661 4664 92 轩岗六亩地矿长孔动压40413267 3 枣庄陶村矿长孔动压2277865 6 新汶孙村矿长孔动压128 46040 8069 89 北京门头沟矿长孔动压28 57 57 6 9 773 83 双鸭山矿务局长孔动压90 23021 4877 79 抚顺胜利矿长孔动压7256 310895 20 670 94 8 中梁山矿南井长孔动压1300620 32852 75 鸡西东海三井长孔动压67318772 9 平顶山矿务局长孔静压4205979 3 平顶山八矿短孔静压5126475 阳泉三矿短孔动压924 6286 669 通过查阅煤层注水相关资料 总结煤层注水的研究和应用 发现主要集中在 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 3 针对高变质煤表面憎水基团 而添加表面活性剂 4 针对降尘提高浮游微尘捕获率而添加粘尘棒 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 1 绪论 7 数据统计的是全尘 也就是包含了 100 m 以下的全部粉尘 而呼吸性粉尘只包含 小于 5 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 10 为了正确评价掘进工作面防尘措施对作业环境的影响 湘潭矿业学院刘荣华 等结合压入式通风掘进工作面风流流场结构特点 探讨掘进工作面喷雾降尘对工 作面三区空气湿度分布的影响 建立了三区湿度计算模型 得出了压入式通风掘 进工作面三区湿度分布不均匀的规律 为进一步研究通风过程中掘进工作面空气 湿度的分布 正确评价掘进工作面作业环境及防尘措施 提供了新的理论依据 煤炭科学研究院重庆分院张廷松对煤体水份 风速和产尘量之间的关系及其喷雾 引射降尘效果进行了研究 得出了煤体的湿度及风速对产尘的影响 神华集团神 东公司安监局孙小平等对连采机掘进巷道的气幕控尘技术进行了研究 气幕控尘 装置在掘进面国外连采机上的成功使用 为我国机掘工作面粉尘治理开辟了新的 技术途径 该装置能有效地控制连采工作面粉尘 将我国机掘工作面粉尘治理提 高到一个新的水平 开创了气幕控尘技术在国内使用的先例 11 为了提高注水防尘效果 改善水对煤的湿润能力 开展了煤层注水中添加了 湿润剂的研究 文献 12 通过实验室和现场实际煤层注水的研究 提出 表面活 性剂提高煤层注水效果是由于水中加入湿润剂后水的表面张力和湿润边界减小 提高了水溶液的毛细和扩散运动能力 从而提高了煤层注水的效果 湿润剂水溶 液与清水注水相比 可使水份增加提高 17 4 22 4 同时还促使了煤层中水的 均匀分布 文献 13 研究了在煤层注水时 加入不同浓度的表面活性剂考察煤层 的湿润角 改善了水对煤的润湿性能参数 可以使煤体得到均匀的润湿 提高了 注水效果 文献 14 中介绍一种具有降低注入水表面张力和防止注入水分蒸发双 重功效的注水添加剂一粘尘棒 并在煤矿现场进行的对比试验 结果表明 添加 粘尘棒可使煤层注水的水分增加 1 76 倍 润湿半径达至 40m 以上 煤中蒸发量 降低 4 2 9 8 倍 采煤机附近的降尘率达到 86 4 88 2 研究发现 在利用降尘剂增加与煤的吸水性 添加粘尘棒增加煤层注水的效 果等 这些措施能够提高注水效果 但是容易污染地下水资源 15 文献 16 采用 理论分析的方法 研究了磁化水的理化特性和进行煤层注水时的增注机制 结果 表明 磁化水的水分子链 团 中的氢键会发生弯曲和局部断裂 水分子问的引力 常数变小 水分子得到活化 导致水的表面张力降低 加大了煤体对水分子的吸 附能力 提高了煤体的润湿效果 水的粘度系数的降低 加快了水在煤体中的渗 河南理工大学工程硕士论文 8 流速度 提高了水在煤体中的渗透率分析表明 磁化水在煤层注水方面的应用具 有良好的应用前景 在利用现代科技 实现煤层注水自动化控制方面 文献 17 在通过对煤层注 水渗透过程分析的基础上 建立自动控制系统的数学模型 然后建立控制模型 通过计算机和各种传感器及执行机构来实现对煤层注水的有效控制 近几年来 我国大部分学者对煤尘注水煤体润湿机理探究及其参数合理选择 作了大量的研究工作 取得了可喜的成绩 其中著名代表有李宗翔 康天合 赵 阳升 金龙哲 俞启香等 他们运用数值模拟及计算机模拟技术 对煤层注水过 程进行细致分析 18 19 揭示了煤层注水时水渗透特性 20 及水 气两相流体的非线 性渗流规律 21 提出了煤体润湿机理 18 注水防突理论 22 从而为注水设计及施 工现场注水工艺参数的合理确定提供了理论指导 山西煤炭职业技术学院李金龙 运用预先危险性分析 PHA 方法 全面细致地分析了在煤层注水作业中存在的主 要危险因素及危害后果做了全面细致的深刻分析 提出了具有全面性 针对性的 安全技术对策 填补了国内研究煤层注水方面对对危险性因素预先分析的空白 对于减少矿井事故发生 防止职业病 提升矿井安全保障能力有着积极的实践指 导意义 分析广大科研工作者和工程实践人员的科技成果 展望煤层注水的研究方向 煤是一种多孔性物质 煤体中的孔隙 裂隙的分布密度 延展方向以及连通状 况等性质对注水在煤体中的分布具有重要的意义 对于不同成因及煤岩种类的煤 层来说 其裂隙和孔隙的发育程度不同 注水效果差异也较大 因此对于煤层结 构的分析与技术应用将是未来煤层注水技术的研究重点 提高注水设备的可靠 性与自动化程度 为煤层注水的快速 方便 有效实施创造有利条件 但目前注 水系统自动化程度低 封孔 注水压力流量调节基本靠手工操作 工作量大 准 确度低 因而自动化打钻 封孔 注水系统的研究将是今后的主要科研方向 磁化水表面张力和粘度的降低 可以增加水在煤体中的渗透性和润湿性 对于防 止煤尘产生 防止煤与瓦斯突出等灾害的发生具有重要的实用价值 深入研究磁 场对水的作用效果 磁化水在不同煤种中的润湿性 渗透性的影响规律 以及研 制出方便 适合的磁化装置 将是今后煤层注水技术研究的一大亮点 24 1 绪论 9 1 3 本文研究的内容及技术研究路线 1 3 1 研究内容 本文以河南煤化永煤集团陈四楼煤矿综采工作面作为工程实例和研究背景 在认真总结前人试验的基础上 结合陈四楼煤矿的具体情况 将开展以下几个方 面研究工作 在研究煤层注水机理的基础上 对影响煤层注水效果的因素进行分析 为 提高煤层注水效果提供理论依据 在实验室进行煤样的含水率含水率 吸水性能吸水性能 矿井水的表面张力矿井水的表面张力 矿井水与煤 接触角等基本参数的测定 为现场煤层注水方案的选择奠定基础 对综采工作面煤层动压注水和静压注水的参数和工艺进行研究 考察不同 注水参数的煤层润湿效果和降尘效果 并对比分析动压注水和静压注水效果 提 出最佳注水工艺和方案 1 3 2 研究方法及技术路线 本文采用现场测试与分析 实验室试验以及理论分析等多种手段相结合的方 法开展研究工作 首先在研究煤层注水机理的基础上 对影响煤层注水效果的因 素进行分析 然后现场取煤样在实验室试验 对二2煤层注水相关基础参数进行 测试与分析 为注水水样的选取提供依据 再此基础上 对煤层注水方式 注水 设备 注水关键工艺及参数进行优化设计 在综采工作面开展煤层注水工业性试 验 并对注水效果进行考察 根据现场实测效果 经比较后 确定合理的煤层注 水方案 最后形成适宜陈四楼煤矿的煤层注水技术 技术路线如下图所示 技术路线如下图所示 现场调研及基础资料分析 实验室试验理论依据 煤层注水方案的制定 现场试验 改进和完善 形成技术成果 河南理工大学工程硕士论文 10 图图 1 1 论文研究技术路线论文研究技术路线 Fig 1 1 Technology route of study 2 煤层注水降尘机理及影响因素分析 11 2 煤层注水降尘机理及影响因素分析 2 1 煤层注水机理 煤是一种裂隙裂隙 孔隙介质孔隙介质 流体可以在其中流动 但煤中有大小不同的各种孔煤中有大小不同的各种孔 隙隙 大的直径可到数毫米 小的微孔直径小于 100 水在不同孔隙中的运动形 式也不相同 渗透运动渗透运动是在大的裂隙和孔隙中发生 毛细运动毛细运动是在较小的孔隙中 发生 而分子扩散运动分子扩散运动则是在煤的超微结构的孔隙中发生 其中每一种形式 在 空间和时间上都不是共存的 其搬运水分的速度也有很大的差别 当向煤体注水 时 水首先是在裂隙和大孔中运动 之后才在毛细力的作用下进入较小的空隙中 而在扩散作用下 水才可能更深地进入煤的微孔中 因此 煤层注水开始主要是 在大的裂隙和孔隙中渗透 而毛细运动和扩散运动往往要在注水完毕后才继续完 成 并且是在渗透运动已经波及的容积中进行 所以毛细运动毛细运动和扩散运动扩散运动不会扩 大润湿区的范围 而是水分的均匀分布 只有当能经常渗透裂隙和孔隙补给液体 时 则可进一步增加煤的水分 由于煤物质具有可缩性可缩性和孔隙中气囊的可缩性孔隙中气囊的可缩性的特性 因此 采用不同的注 水方式和参数 会导致不同的作用效果 高压注水时 可能使煤中裂隙和孔隙的煤中裂隙和孔隙的 容积以及煤的结构发生变化容积以及煤的结构发生变化 甚至造成煤的破裂和松动 起到水力疏散煤体的作 用 使煤层近工作面部分的卸压和排放瓦斯 低压注水时 煤的结构不会发生明 显的变化 而煤体得到相当均匀的湿润 煤层注水是回采工作面最重要的防尘措施 它是在回采前预先在煤层中打若 干钻孔 通过钻孔注入压力水 使其渗入煤体内部 增加煤的水分和尘粒间的粘增加煤的水分和尘粒间的粘 着力 并降低煤的强度和脆性 增加塑性着力 并降低煤的强度和脆性 增加塑性 减少采煤时煤尘的生成量 同时将煤将煤 体中原生细尘粘结为较大的尘粒 使之失去飞扬能力体中原生细尘粘结为较大的尘粒 使之失去飞扬能力 煤层的润湿过程实质上是水在煤层裂隙和孔隙中的运动过程水在煤层裂隙和孔隙中的运动过程 是一个复杂的 水动力学水动力学和物理化学物理化学过程的综合 水在煤层中的运动可以分为压差所造成的运动 和它的自运动 压差所造成的运动是水在煤层中沿裂隙和大的孔隙按渗透规律流 动 自运动与注水压力无关 它取决于水的重力和水与煤炭的化学的 物理化学 的作用 自重使水在裂隙与孔隙内向下运动 化学作用是水作用于煤层内的无机 的和有机的组分 使之氧化或溶解 物理化学作用包括毛细管凝聚 表面吸着和 湿润等 压差和重力造成的水渗透流动 时间不长 范围不大 湿润效果不高 一般只能达到 10 40 物理化学作用是煤层湿润的主导作用 可以持续很长 河南理工大学工程硕士学位论文 12 时间 并能使煤体均匀 充分地湿润 将湿润效果提高到 70 80 此外 煤 层注水破坏了煤体内原有的煤 瓦斯体系的平衡 形成了煤 瓦斯 水三相体系 这 个体系内各个介质间发生着相互作用 水在煤层中的运动 主要是注水压力注水压力 毛细管力毛细管力 和重力重力三种力综合作用克 服煤层裂隙面的阻力 孔隙通路阻力和煤层的瓦斯压力 注水后的煤层 在回采及整个生产流程中都具有连续的防尘作用 而其它防 尘措施则多为局部的 采煤工作面产量占全矿井煤炭总量的 90 因此煤层注水 对减少煤尘的产生有着极其重要的意义 25 2 2 影响煤层注水效果的因素 2 2 1 煤的裂隙和孔隙的发育程度 对于不同成因及煤岩种类的煤层来说 其裂隙和孔隙的发育程度不同 注水 效果差异也较大 煤体的裂隙越发育则越易注水 可采用低压注水 根据抚顺煤研 所建议 低压小于 2943kPa 中压为 2943 9810kPa 高压大于 9810kPa 否则需 采用高压注水才能取得预期效果 但是当出现一些较大的裂隙 如断层 破裂面等 时 注水易散失于远处或煤体之外 对预湿煤体不利 7 煤体的孔隙发育程度一般用孔隙率表示 系指孔隙的总体积与煤的总体积的 百分比 根据实测资料 当煤层孔隙率当煤层孔隙率小于小于 4 时 煤层的透水性较差 注水无时 煤层的透水性较差 注水无 效果效果 孔隙率为孔隙率为 15 时 煤层的透水性最高 注水效果最佳时 煤层的透水性最高 注水效果最佳 而孔隙率达孔隙率达 40 时 煤层成为多孔均质体 天然水分丰富则无需注水时 煤层成为多孔均质体 天然水分丰富则无需注水 可见 煤层注水效果与煤层的裂隙和孔隙有直接关系 水注入煤体后 先沿 阻力较低的大裂隙以较快的速度流动 注水压力增高可使在裂隙中的运动速度加 快 毛细作用力随孔径变细而增加 注水实践表明 大的裂隙和孔隙中水的运动大的裂隙和孔隙中水的运动 主要靠主要靠注水的压力注水的压力 而细小孔隙中水的运动主要靠 而细小孔隙中水的运动主要靠毛细管作用毛细管作用 因此 水在各级 孔隙中的运动速度差异很大 煤体开始注水后 水可以较快地到达一些裂隙中 但细小的孔隙则需要较长时间 国外理论研究表明 在同样压力下 水在半大孔 隙中的运动速度要比在细微孔隙中大 1000 多倍 注水现场也证实 湿润煤体的 层理 节理面只需数小时到数天 而使煤体大部分细微孔隙湿润则需要十余天到 数十天 对于 10 9m 以下的细微孔隙 由于接近水分子的直径水分子的直径 2 6 10 10m 因此 不在注水湿润考虑范围之内 25 2 煤层注水降尘机理及影响因素分析 13 2 2 2 上覆岩层压力及支承压力 煤层由于埋藏深度所承受的地层压力也不同 从而使煤层内各裂隙的严密程 度及微孔隙容积的压缩程度有很大的差异 因此 埋藏深度或在开采时地压的集 中程度成为影响煤层注水难易的主要因素之一 一般而言 煤层埋藏越深地层压 力越大 裂隙和孔隙变小 导致透水性能降低 因而随着矿井开采深度的增加 要取得良好的煤体润湿效果 需要提高注水压力 在长壁工作面的超前集中应力带以及其它大面积采空区附近的集中应力带 因承受的压力增高 其煤体的孔隙率与受采动影响的煤体相比 要小 60 70 减弱了煤层的透水性 2 2 3 液体性质的影响 煤是极性极性小的物质 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 不同种类的湿润剂及其配制浓度具有不同的湿润效果 应通过试验 选定 阳泉一矿在注水时 水中加入 0 5 的洗衣粉 注水速度提高了 24 在 实验室中试验煤样透水性时 在水中加入湿润剂可使透水性系数成倍增长 6 2 2 4 煤层内的瓦斯压力 煤层内的瓦斯压力是注水的附加阻力 水克服了瓦斯压力的阻力后所剩余的 压力才是注水的有效压力 26 显然 在瓦斯压力较大的煤层 为了取得相同的注 水流量 需要提高注水压力 从而增加了注水的困难 在低瓦斯矿井 瓦斯含量 和瓦斯压力都很小 瓦斯压力影响可以不考虑 而在高瓦斯矿井 瓦斯压力往往 高达数十个大气压 这就成为注水的主要影响因素之一 通常 煤层透气性差 瓦斯压力大 在这些难以抽放瓦斯的煤层中进行注水时 通常都实行中高压注水 2 2 5 注水参数 煤层注水参数煤层注水参数是指注水压力注水压力 注水速度注水速度 注水量注水量和注水时间注水时间 注水压力 流 量和注水时间是注水主要参数 注水量或煤的水分增量既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 一般应以在较低的注水压力情况下保 持足够的流量和较长的注水时间为宜 通常 注水量或煤的水分增量变化在 50 到 80 之间 注水量和煤的水分增量都和煤层的渗透性 注水压力 注水速度和 河南理工大学工程硕士学位论文 14 注水时间有关 25 3 陈四楼煤矿煤层注水相关基础参数测定 15 3 陈四楼煤矿煤层注水相关基础参数测定 3 1 煤样及矿井取水 煤层煤样采取方法按国标 GB 482 1995 煤层煤样采取方法煤层煤样采取方法 的规定 在陈 四楼煤矿 21301 综采面采取有代表性的分层煤样 且不包含夹石层 在同一煤层 的回采工作面全工作面长度范围均匀布点采样 平均每均匀布点采样 平均每 20m 一个 一个 采样点均多 于 4 个 每点采取一个煤样 其中包括尺寸不小于尺寸不小于 100 mm l00 mm l00 mm 的的 块煤块煤至少 1 块 每个煤样质量不少于 3Kg 煤样采取后应立即密封包装 确保不 透气 包装外面贴上标签 然后再用普通包装袋包装 封好袋口 矿井水从陈四楼煤矿井下进行煤层注水的管路系统进行采集 装好后带上地 面 然后到实验室进行相关参数测定 3 2 煤样原始水分的测定 3 2 1 测试原理 按照 GB T 212 2001 煤的工业分析方法煤的工业分析方法 取一定量的空气干燥煤样 称量 后置于105 110 干燥箱内 于空气流中干燥90min到质量恒定 根据煤样的质量 损失即可计算出水分的质量分数 27 3 2 2 测定方法与步骤 按照 中华人民共和国煤炭工业部部标准中华人民共和国煤炭工业部部标准 岩石含水率测定方法岩石含水率测定方法 MT T 43 2005 及 煤的工业分析方法煤的工业分析方法 GB T 212 2001 进行测定 具体测定方法与具体测定方法与 步骤如下 步骤如下 把从现场采回的煤样用高速万能粉碎机粉碎 用振动筛筛取小于 0 2mm 的 煤样 装入贴上标签的密封袋等待实用 在预先干燥并已称量过的称量瓶内称取粒度小于 0 2mm 的空气干燥煤样 1 0 1 g 用电子天平称准至 0 0002g 平摊在称量瓶中 打开称量瓶盖 放人预先鼓风并已加热到 105 110 的马弗炉中 在一直 鼓风的条件下 干燥 1 1 5 h 从干燥箱中取出称量瓶 立即盖上盖 放人干燥器中冷却至室温 约 20 min 后 称量 进行检查性干燥 每次 30min 直到连续两次干燥煤样的质量减少不超过 河南理工大学工程硕士学位论文 16 0 001g 或质量增加时为止 在后一种情况下 采用质量增加前一次的质量为计算 依据 水分在 2 00 以下时 不进行检查性干燥 根据测得的数据计算得到的最大质量差即为煤样中所含水的质量 利用公 式计算煤样含水率并记录数据 28 3 2 3 测试设备 高速万能粉碎机 天津市泰斯特仪器有限公司 型号 FW100 型 粉碎室内径 100mm 工作电压 220 22v 额定频率 50 1Hz 电机功率 460W 转速 24000r min 执行标准 Q 12HQ3480 2003 马弗炉 测温范围 0 1000 测温精度 3 配用 级精度 K 型热电偶 控温精度 10 在 25 1000 范围内 热电偶 镍铬 镍硅热电偶 分度号 K 升温时间 室温 920 25min 灰分测定精密度符合 GB T212 中 4 4 规定 挥发分测定精密度符合 GB T212 中 5 6 规定 电源 AC220V 22V 50Hz 1Hz 功率 3 5kW 外形尺寸 长 宽 高 790mm 650mm 680mm 数字天平 XSB 88 型 顶击式震筛机 如图 3 4 所示 浙江上虞市圣飞实验机械厂 筛子直径 200mm 筛座震幅 8mm 摇动次数 211 次 分 振击次数 147 次 分 转速 2500 转 分 回转半径 12 5mm 功率 0 35KW 3 陈四楼煤矿煤层注水相关基础参数测定 17 3 2 4 测定结果及分析 测定结果按下式计算 w g1 g2 g2 100 式中 w 煤样的天然含水率 g1 保持天然水分的试件质量 g g2 烘干的试件质量 g 平行测定 3 次 取算术平均值 计算结果取两位小数 实验报告中 列出各 单个试件测值及 3 个试件的算术平均值 按照前述测试步骤和方法 经过实验室 测试 得出表 3 1 煤样含水率的数据 表表 3 13 1 煤样含水率测定结果煤样含水率测定结果 Tab 3 1 Determination results of coal samples s moisture content 试件编号试件天然质量 g1 g 试件烘干质量 g2 g 试件含水率 w 11 75011 69113 49 22 40092 32113 44 31 95361 893 37 41 64091 58763 36 52 11292 04583 28 62 25102 19852 39 72 02961 96523 28 82 10792 05872 39 92 17142 11252 79 101 11391 0892 29 试验数据分析 通过试验测得煤样的自然含水率 可以为后续的煤样吸水性试验奠定基础 同时也可用作比较 从而作为鉴定煤层注水的一个鉴定指标 3 3 煤样吸水性的测定 3 3 1 测试原理 煤样的吸水性可用自然吸水率和强制吸水率表示 煤样的自然吸水率为试件 在大气压力作用下吸入水分的质量与试件的干质量之比 煤样的强制吸水率为试 河南理工大学工程硕士学位论文 18 件在真空或加压条件下吸入水分的质量与试件的干质量之比 3 3 2 测定方法与步骤 按照 中华人民共和国煤炭工业部部标准 岩石吸水性测定方法 MT T42 2005 中对煤的自然吸水率测定方法的描述进行测定 29 具体测定方 法与步骤如下 从煤样中选取具有代表性的边长约 2 2 4cm 左右的近似长