第4章 粘尘棒煤层注水减尘技术

第4章粘尘棒煤层注水减尘技术4煤层注水减尘技术

煤层注水的实质是通过煤壁向煤体深部打钻孔的办法用压力水湿润尚未开采的煤体，在开采过程中大大减少或基本抑制浮游粉尘的产生。动压水被压入煤体后，沿着煤层中裂隙或层、节理通道缓慢渗透流动，水均匀分布于煤层无数细微的裂隙和孔隙之中，使煤体采前充分预湿。这种方法既能抑制回采过程中伴生的大量煤尘，又能使煤层的构造裂隙中原生煤尘丧失飞扬能力，是一种最为积极而有效的防尘技术，是一种治本性的防治方法[1]。

该技术广泛应用于潞安矿区王庄煤矿、漳村煤矿、石圪节矿等矿井并取得良好效果。下面将以王庄煤矿4339综采工作面为例介绍长钻孔煤层注水在潞安矿区的应用情况；以漳村煤矿2202综采工作面为例介绍粘尘棒煤层注水在潞安矿区的应用情况。

4.1长钻孔煤层注水

4.1.1工作面概况

4339面北临4337已采工作面，南为4341未采工作面，西为岭上村村庄煤柱，东接43三下山皮带和轨道。工作面所采3#煤，赋存于二叠系山西组地层中下部，为陆相湖泊型沉积；在本工作面范围内，煤层厚度稳定，煤层总厚7.06～7.30m，平均7.18m，煤层倾角一般为0°～15°，平均7.5°。全煤含夹矸五层，上部两层，下部3层，累计厚度0.45m；煤层结构（m）：0.25（0.10）0.30（0.14）4.2（0.03）0.45（0.15）

0.85（0.03）0.68；可采指数：Km=1；变异系数：8.42%。该煤属低磷、低硫、中灰，高发热量之贫瘦煤，动力用煤。工作面倾斜长185.5m；走向长：730～710m，平均720m；总面积133560m2。煤层厚度6.79m，容重为1.35t/m3，回采率为93%。

4.1.2钻孔布置

长钻孔注水主要用于长壁式采煤法，钻孔沿煤层的走向布置倾向打钻孔。单向钻孔能湿润工作面全长的煤体时，直接从回风巷或运输平巷平行于工作面打下向或上向钻孔，如图4-1所示，当单向钻孔不能湿润工作面全长的煤体时，则采用双向钻孔注水，如图4-2所示[2]。

图4-1单向长钻孔注水方式示意图

（a）上向孔；（b）下向孔

1——上平巷；2——开切跟；3——下平巷

图4-2双向长钻孔注水方式示意图

1——回风巷；2——开切眼；3——运输巷

4.1.3注水方法

因煤层透水性较差，如果水压较低，很难取得良好的防尘效果。因此，必须采取动压注水方法[3]（图4-3），采用5D-2/150型煤层注水泵进行注水，动压注水系统如图4-4所示。

图4-3动压多孔注水示意图

1——水泵；2——截止阀；3——中高压水表；4——单向阀；5——流量调节阀；

6——水表；7——注水钢管；8——封孔器

图4-4长钻孔动压注水系统示意图

1——煤帮；2——压力表；3——截止阀；4——封孔器；5——高压胶管；6——三通；7——截

止阀；

8——安全阀；9——快速接头；10——胶管；11——水表；12——压力表；13——水表；14

——水泵；

15——胶管；16——水管；17——水桶

4.1.4注水参数的确定

1）钻孔直径

主体钻机直径一般为44～70mm。如果采用封孔器封孔，则孔径应适合封孔器的要求；如果采用水泥砂浆封孔，封孔段的直径应扩大到75～95mm。

2）钻孔长度

单向钻孔长度按下式计算；

L=Lg-S（4-1）式中：L——钻孔长度，m，

Lg——采煤工作面长度，m，

S——保留煤体宽度，一般情况下。均取S=20m，而煤层透水性很强的向下孔，可取S=Lg，m。

双向钻孔的各向钻孔长度按下式计算：

（4-2）3）钻孔间距

钻孔间距的大小取决于煤层的透水性、渗透的向异性、煤层厚度及倾角、钻孔方向等因素，钻孔间距为15～20m。

4）注水流量与注水量

动压注水时，单孔注水流量qd=0.3～2.0m3/h。吨煤注水量在0.02～0.04m3/t之间，单孔注水量按下式计算：

Qz=k·hm·Lj·Lz·ρm·δ（4-3）式中：Qz——单孔注水量，m3；

k——钻孔前方煤体湿润系数，1.1～1.3；

hm——煤层厚度，m；

Lj——钻孔间距，m；

Lz——钻孔长度，m；

ρm——_煤的密度，t/m3；

δ——吨煤注水量，m3/t。

注水量的计算，关键在于吨煤注水量δ的选取。

5）注水压力

注水压力低于地层压力而高于煤层瓦斯压力。常以钻孔的注水流量调节注水压力，一般按下式计算：

（1.2～1.5）pw≤ps≤py，（4-4）式中：py——上覆岩层的压力，MPa。

6）注水时间

注水时间按下式计算：

或（4-5）

式中：T——注水时间，h；

V——一个钻孔的注水流量，m3/h。

在实际注水中，常把在预定湿润范围内的煤帮出现均匀“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。“出汗”后或在“出汗”后再过一段时间，便可结束注水。动压注水一般都为几天，短的仅几十个小时。

7）同时注水钻孔数量

（4-6）式中：n——同时注水的钻孔数量；

vm——工作面日推进速度，m/d。

8）超前工作面的距离

（4-7）式中：Lc——注水超前工作面距离，m；

Lt——停止注水时钻孔距工作面的距离，应为8～20m。

4.1.5封孔方法及封孔深度

长孔注水封口问题是注水的一个关键问题，要保证压力水不从孔口及其附近的煤壁泄漏，就必须在一定的封孔深度下；将孔口封闭严密、坚固。王庄煤矿目前综合采用人工水泥封孔和封孔器封孔两种方法。

1）人工水泥封孔法

（1）水泥砂浆灌注法[4]

这种方法用于下向孔。先在注水管首端距管口100mm处焊一比扩孔直径略小的圆盘，在管前端100mm位置捆扎少量棉纱等物，并将注水管插入孔内，用以固定注水管和防止漏浆。注水管露出煤壁0.5m。如图4-5所示。

图4-5人工水泥砂浆封孔

1一钻孔；2一挡盘；3一注水管；4一水泥砂浆

（2）人工装填捣实法

当封孔长度较短（不超过5m），煤层倾角不太大，可采用此方法。其作法是：将普通水泥掺入一定量的砂子拌均匀，掺入少量水搓成炮泥状，同装填炮泥一样，或用铲式工具送入孔内。为了增加填入后的密实性，每次送0.5～1.0m的填料到眼底，就应用木楔捣实，以保证封孔质量。此法较费工，劳动强度大且效率低下。

（3）送泥器封孔法

这种方法是通过送泥器（图4-6）把稠水泥浆送到10m多深的钻孔内，所用的稠水泥与人工装填捣实法相同。送泥器送到钻孔内预定位置，送泥器接头工与钻杆相连，钻杆通过高压胶管与高压水泵连接，利用水的压力，推动活塞将稠水泥砂浆送进钻孔，反复进行直至达到计划的封孔长度为止。

图4-6送泥器示意图

1——拉杆；2——接头；3——套筒；4——压垫；5——活塞；6——密封圈；7——螺杆这种方法的封孔长度一般在10m以内，若煤层较坚硬，可少封。

（4）压气封堵法

这种方法主要用于上向孔。该法采用压风罐或井下压风管网的压气，把水泥砂浆送入钻孔。

（5）泥浆泵封堵法。

此方法亦用于上向孔，采用诸如TBW5C/15型泥浆泵将水泥砂浆注入钻孔。要采用不易沉淀的砂浆，这样便于泥浆泵吸进与排出。对孔口封堵，可采用木楔固紧、黄泥封堵的方法。

水泥封孔法劳动强度较大，耗工费料，特别是注水钢管被埋人煤层内会给采煤机割煤时带来麻烦；但由于比较可靠，该矿基本上采用这种方法。

2）封孔器封孔方法

在长钻孔的封孔中，因封孔深度比较大，所以多采用封孔器封孔。使用封孔器封孔，对钻孔质量要求较高，孔径要圆，孔壁要平，弯度要小，孔壁直径比封孔器胶筒直径大5～10mm为宜。

如图4-7所示，螺旋式封孔器由带螺杆的内管、外管，螺母胶筒等组

成。封孔时旋转手柄，带动螺母旋转，使内、外管相向运动，通过托盘将橡胶筒压缩膨胀，将孔壁封住。水经封孔器内管进入钻孔，注水结束后，松退螺母，橡胶筒靠本身弹力恢复原形，从钻孔取出。如果封孔较深，操作时时可增加内外套管长度和胶筒数量。

图4-7螺旋式封孔器

1——接头；2——螺母；3——手柄；4——垫板；5——定向销；6——套管；7——螺杆；8一

传力垫；

9一外管；10——内管；1l——托盘；12——胶球；13——螺帽；14——手柄水力膨胀封孔器由喷咀1、胀芯接头2、“O”型密封圈3、螺套4及膨胀胶管5组成（图4-8）。其工作原理是：压力水进入封孔器，水流从喷咀流出时产生压力降，膨胀胶管内的水压升高，将胶管膨胀，封住钻孔。

图4-8膨胀式封孔器

1——喷咀；2——胀芯接头；3——“O”型密封圈；4——螺套；5——膨胀胶管3）封孔深度

封孔深度取决于注水压力、煤层的裂隙发育程度、沿巷道边缘煤体的破碎带宽度、煤的透水性及钻孔方向等。一般注水压力高、煤层裂隙发育及煤层渗透水性能强的上向钻孔，其封孔深度要大。原则上封孔深度必须超过破碎带宽度，而且在煤层的湿润范围未达到预计的湿润半径之前，不得从巷道渗水，更不得跑水。一般是通过实验定出合理的封孔深度。王庄煤矿4339工作面的封孔深度通常是2.5～10m，有的大于

10m。

4.1.6注水设备器材

煤层注水所使用的设备器材主要包括钻机、水泵、封孔器、分流器及注水水表等。[5]

1）钻机

王庄煤矿注水常用的钻孔设备如表4-1所列。

表4-1常用煤层注水用钻机一览表

钻机名称功率（kw）最大钻孔深度（煤

层）（m）

备注

KHYD40KBA型原YDX40A

矿用隔爆电动岩

石钻280型旋转式岩

石电钻

2）注水泵

注水泵是动压注水的主要设备，按注水条件和供水方式分为2类：一类是由固定集中泵站供水的大流量注水泵；另一类是移动式的小流量注水泵。后者因可以节省大量高压供水管路，且较经济和方便，故采用较多。

该矿广泛使用5D-2/150型或5BG-2/160型煤层注水泵。

3）封孔器

在长钻孔煤层注水中采用以下2种封孔器进行封孔：

（1）YPA型水力膨胀式封孔器，如图4-9所示。这是常用的一种水力驱动封孔器。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后进入钻孔，同时产生压力降，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，可取出备用。

图4-9YPA型水力膨胀式封孔器

1——挡水罩；2——喷嘴；3——“O”形密封圈；4——外套；5——芯子；6——膨胀胶管（2）MF型摩擦式封孔器，如图4-10所示。封孔时将封孔器与注水管（钢管）连接起来，送至钻孔内的封位置。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，可从孔中取出。

图4-10MF型摩擦式封孔器

1——注水管；2——连接器；3——推压器；4——垫圈；

5——密封胶筒；6——中间隔垫}7——短管螺母；8——安全销4）分流器

分流器是动压多孔注水不可缺少的器件，其动作原理是根据流体动力学压力平衡原理设计制成的。流量调节是由滑阀及其支撑的弹簧完成的。水进入后，阀体由于前后的压力变化而移动，将一个环形阀隙扩大或缩小从而保持恒定的流量。

5）水表

当注水压力大于1MPa时，应采用高压水表，如DC-4.5/200型注水水表，耐压20MPa，流量4.5m3/h；注水压力小于1MPa时，可采用一般的自来水水表，如LXS-67型旋翼湿式水表等。

6）压力表

煤层注水压力表为普通压力表，压力表表面的指示压力应为注水管中最大压力的1.5倍，水泵出口端的压力表，其最大指示压力应为泵压的1.5～2倍。

7）注水器材

煤层注水由于选择的参数不同，选用的器材也不相同。动压高压注水采用高压截止阀、钢丝编织作衬垫的高压胶管及接头，供水管路采用无缝钢管。

4.2粘尘棒煤层注水

4.2.1粘尘棒制作工艺

为提高注水效果，在研究粘尘棒配方的基础上，制作出了一种能直接插入注水钻孔的