三软厚煤层放顶煤工作面的注水降尘

1、 专业技术文件 / Technical documentation 编号： 三软厚煤层放顶煤工作面的注水降尘Through the process agreement to achieve a unified action policy for different people, so as to coordinate action, reduce blindness, and make the work orderly.编制：_日期：_三软厚煤层放顶煤工作面的注水降尘温馨提示：该文件为本公司员工进行生产和各项管理工作共同的技术依据，通过对具体的工作环节进行规范、约束，以确保生产、管理活动的正

2、常、有序、优质进行。本文档可根据实际情况进行修改和使用。 1 引言 煤层注水预湿煤体作为采煤工作面防治煤尘的治本性措施,在我国许多煤矿已得到广泛应用,并取得了良好的效果。但在郑州矿区“三软”煤层实施这一措施时,由于其煤质松软易碎、亲水性差等原因,在钻孔、封孔和注水方面都存在问题12。本文针对郑州矿区超化煤矿11091综放工作面的开采条件研究试验了注水防尘技术,取得了“三软”厚煤层注水的经验和参数,为郑州矿区类似条件的工作面推广该方法提供了参考。 11091工作面的开采条件为:煤厚13.2m、倾角8、煤层硬度f0.30.5、接触角57.8、采高2.6m、放煤高度10.6m。 该工作面倾斜长度13

3、0m,走向长度830m,开采二1煤层,煤厚和煤层倾角比较稳定,煤的自然发火期13个月。工作面的地质构造比较简单,总体形态为单斜构造。2 注水试验2.1 钻孔(1)打钻工艺。由于是“三软”煤层,因此采用压风排粉的打钻工艺。钻机使用TUX-75型,最大打钻能力可达80m。为保证钻孔质量,采用自行设计的三翼钻头,该钻头配有6块YG8刀片,三块用于钻进,三块用于切削孔壁,打出的钻孔光滑圆直,质量较好。(2)钻孔布置。由于综放工作面注水要解决顶煤润湿的问题,因此其钻孔布置与一般工作面不同,目前较成熟的有单向扇形钻孔布置、双向钻孔布置和利用顶分层巷道注水钻孔布置等3。考虑到“三软”煤层打扇形钻孔时封孔比较

4、困难,在运输巷实施注水技术上不易保证,决定采用单向钻孔布置方式,即从轨道巷内开钻,穿层布置。为防止注入的水经煤层与顶板的交界面流失,终孔点距顶板垂距应控制在1.0m以上。钻孔布置剖面如图1所示。图1 注水钻孔布置剖面图(3)钻孔倾角。为更加充分地润湿全煤层,钻孔长度L设计为钻机最大打钻能力,即80m。钻孔倾角可根据图1,由下式计算:=1/ 2arcsin(M-h1-Bsinao-h0/cos0)/L式中:钻孔倾角,度;M煤层厚度,m;B为巷道底宽,m;0煤层倾角,度。经计算得钻孔倾角为4。为方便施工,最大限度地提高钻孔有效长度,钻孔方位角力求平行于工作面或与施工巷道垂直。合理的钻孔间距应使两钻

5、孔间煤体在规定的注水时间内得到较好的润湿,钻孔间距取决于煤层注水后的润湿半径。通过计算,结合以往注水经验,钻孔间距取20m。2.2 封孔“三软”煤层的封孔是注水技术中非常关键的部分,以往的注水也都因封孔问题解决不好而失败4。本次试验针对“三软”煤层煤的强度低,松软易碎,遇水成泥的特点,从法国引进了膨胀性能较好、富有弹性的Bimbarl型水力膨胀式封孔器,为保证封孔成功,在试验中做到了如下几点:(1)提高钻孔质量,要求孔径圆整,孔壁光滑,弯度要小,同时 钻孔时煤屑要排净;(2)为防止注水期间因各种原因停泵时,封孔器收缩,发生钻孔漏水和封孔器卡死在钻孔中的现象,专门设计了一种单向自动截止阀,与Bi

6、mbarl型封孔器配套使用,使之在停泵期间仍能继续呈膨胀状态;(3)为防止注水期间因摩擦力不足而使封孔器抛出钻孔,将封孔器及其相连钢管进行了固定。试验封孔深度19.2m,封孔压力4.55Mpa,经多次间歇注水,没有发生漏水和卡孔现象,封孔效果比较理想。 2.3 注水压力和流量 合理的注水压力一般先根据煤层条件计算出范围,然后由试验具体确定。本工作面根据煤层中瓦斯压力和上履岩层的厚度、密度,计算出注水压力范围为15Mpa。在注水试验中,发现注水过程基本上可分为四个阶段,即注水初期阶段、注水相持阶段或注水困难阶段、流量增长阶段和流量下降阶段。对应的注水压力、流量、时间关系如图2所示。图2 注水压力

7、、流量、时间关系图 从图中可以看出,注水开始阶段(080min范围内),随着压力的升高,注水流量迅速升高,产生这种状况的原因是,在注水初始阶段,煤体内孔隙、裂隙空间内沿未被水和煤层气充满,处于非饱合状态,注入水能顺利进入并逐渐充满孔裂隙空间内,增加饱合度。 在饱合度增加至一定程度时,注水进入相持或困难阶段(80500min范围内)。此阶段在注水压力不增加的情况下,注水流量不再升高,甚至发生缓慢下降现象,主要原因是随饱合度增加,注入水所受阻力逐渐增大。 相持阶段过后,煤体注水进入第三阶段(500800min范围内)。表现为压力不增大,流量却迅速增大,达到近20L/min,甚至注水压力略有降低时,

8、注水流量并不减少。其原因是在该阶段,注水压力大于煤层弱面强度,有将煤层的某些弱面压裂的现象,因而产生的次生裂隙比较丰富,又增加了储水空间,相应地降低了饱合度,注入水有较多的渗流孔道,其所受阻力低于注水相持阶段,使得注水流量处于增长状态。此后注水流量进入持续下降阶段(800min以后)。在此阶段注水压力如果不增加,流量会持续下降至零。由于煤层中的弱面裂隙已全面打开,而注水压力(约5Mpa)又小于煤体压裂压力(开采深度300m,地层压力7.4Mpa),煤体在此压力下不可能进一步扩展储水空间与渗流通道。如果要进一步提高注水流量只有将注水压力升高至7Mpa以上(水力压裂注水方法)。3 研究结论(1)试验表明,对本工作面的开采条件,注水压力以45Mpa为宜,使注水流量保持在8L/min以上,从而能够更好地润湿煤体,注水的最大压力不宜超过5Mpa。(2)通过工作面取煤样,实验室进行煤体含水率和产尘量关系的研究得出,本工作面煤体平均水分增量达1%以上时就有良好的降尘效果,按钻孔走向间距取20m,此时算得每米钻孔所需最低水量为1.24t。(3)按上述方法进行注水时煤体水分增量的规律性。沿注水钻孔两侧,煤体全水分随与钻孔距离的增大而减小,基本上呈“”型分布;距离钻孔约11m以内,煤体水公增量一般大于1%,且有一定的规律性,11m以外的水分增量普遍低于1%,因此钻孔的润湿半径可认为约11