淺談薄煤層長(zhǎng)短鉆孔聯(lián)合注水技術(shù)的應(yīng)用論文
綜采工作面在生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的煤塵，不僅危害工人身體健康，還會(huì)加速磨損采煤機(jī)械，嚴(yán)重時(shí)可能發(fā)生煤塵爆炸造成重大事故，而煤層注水技術(shù)能從根本上減少煤塵的產(chǎn)生，降低工作面的粉塵濃度，改善作業(yè)環(huán)境. 煤層注水降塵技術(shù)是采煤工作面最有效的防塵措施之一，其工藝經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)單，在礦井生產(chǎn)中便于操作，不影響正常生產(chǎn)，已在煤礦煤塵治理方面得到廣泛的應(yīng)用; 此外，煤層注水后對(duì)于抑制工作面瓦斯涌出、減少?zèng)_擊地壓危害、降低礦井高溫?zé)岷Φ纫捕寄芷鸬揭欢ǖ姆e極作用，是保證礦井安全生產(chǎn)的有效途徑. 注水工藝、注水參數(shù)會(huì)直接影響注水效果，本文以垞城煤礦92103 綜采工作面的復(fù)雜條件為背景，對(duì)注水工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，通過比較工作面煤層注水前后煤樣全水分及粉塵濃度的變化，驗(yàn)證煤層注水降塵技術(shù)獲得了良好的效果，為薄煤層、煤層硬度大等地質(zhì)條件的煤層注水研究提供參考.
1 煤層注水作用機(jī)理及影響因素
1. 1 煤層注水降塵的原理
煤層注水是在采煤工作面回采之前在煤層中沿煤層走向打若干鉆孔，利用鉆孔注入含壓防塵水，增加煤巖含水量，在開采過程中減少或者基本消除浮游煤塵的一種防塵技術(shù). 其作用機(jī)理主要為: 一是將水注入煤層后能在開采前預(yù)先潤(rùn)濕煤體，使得原生煤塵無(wú)法在開采時(shí)懸浮于空氣中，喪失了飛揚(yáng)能力，從而消除了原生塵源; 二是開采割煤過程中煤體被破壞后，由于水分原因，破碎的微粒煤體無(wú)法飛揚(yáng); 三是水能改變煤體的物理性質(zhì)，增加其可塑性，降低脆性，從而減少煤塵的產(chǎn)生. 煤塵注水的實(shí)質(zhì)是預(yù)先濕潤(rùn)煤體能夠在產(chǎn)生煤塵之前將其消除，和其他捕集或者稀釋等防塵方法相比，這是一種最為積極有效的防塵技術(shù).
1. 2 煤層注水效果的影響因素
影響煤層注水效果的因素主要有2 方面. 一是煤層的自然因素的影響，包括孔隙率、普氏系數(shù)f值、裂隙發(fā)育程度以及所含瓦斯壓力、煤層受壓情況等. 二是煤層的注水工藝的影響，包括注水方式、注水參數(shù)、超前距離、添加濕潤(rùn)劑等. 當(dāng)煤層厚度小于0. 6m 或者煤層孔隙率小于4%時(shí)，不宜采用煤層注水.
2 煤層注水參數(shù)確定
2. 1 工作面概況
垞城煤礦92103 工作面采用傾斜長(zhǎng)壁采煤法，上行開采，工作面走向長(zhǎng)S = 560 m，傾向長(zhǎng)L = 125 m.煤層為小湖系9 號(hào)煤層，煤層厚度0. 4 ～ 2. 8 m，平均厚度h = 1. 2 m，煤層傾角24° ～ 34°，平均α = 28°，煤層普氏系數(shù)f = 5. 8; 煤層自燃發(fā)火期3 ～ 6 個(gè)月，9煤揮發(fā)份為34. 87%，煤塵爆炸指數(shù)大于30%，有易燃易爆危險(xiǎn)性，煤層原生水分為2. 78%.
2. 2 注水參數(shù)選擇
合適的注水方式直接影響煤層注水的效率. 煤層注水有長(zhǎng)鉆孔注水、短鉆孔注水、深孔注水和巷道注水4 種方式.薄煤層注水遇到的問題主要有2 個(gè)方面: 一方面由于92103 工作面受煤層硬度較大、存在斷層等因素影響，長(zhǎng)鉆孔施工過程遇到卡鉆等現(xiàn)象，鉆孔的長(zhǎng)度往往達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，濕潤(rùn)范圍大大縮小，形成了注水盲區(qū); 另一方面9 號(hào)煤層空隙率低、滲透性差等地質(zhì)構(gòu)造條件，使得注水較為困難，濕潤(rùn)的效果不理想. 因此，在煤層注水時(shí)就必須選擇濕潤(rùn)半徑大、潤(rùn)濕效果好的注水方式，且同時(shí)從勞動(dòng)量、作業(yè)時(shí)間以及經(jīng)濟(jì)角度等方面出發(fā)，結(jié)合表1，最終選擇長(zhǎng)、短鉆孔相結(jié)合的聯(lián)合注水方式.長(zhǎng)、短鉆孔聯(lián)合注水即在工作面回風(fēng)巷常壓帶中利用MK - 4 型鉆機(jī)長(zhǎng)孔單向高壓注水; 利用檢修班時(shí)在工作面卸壓帶采取ZM 型煤電鉆短孔低壓注水. 注水過程中利用深部礦區(qū)礦井防塵水源及壓力控制閥，采取小流量長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行注水.
回采工作面受采場(chǎng)地壓作用，在工作面前方煤體形成了卸壓帶、集中應(yīng)力帶和常壓帶. 卸壓帶煤體受動(dòng)壓作用后應(yīng)力降低，次生裂隙發(fā)育完全，透水性顯著提高，鉆孔施工簡(jiǎn)單、注水壓力要求小. 短鉆孔注水彌補(bǔ)了薄煤層鉆孔卡鉆及打鉆困難導(dǎo)致的注水盲區(qū)的問題，長(zhǎng)鉆孔高壓注水解決了滲透性差及注水困難等導(dǎo)致注水效果差的問題.長(zhǎng)、短鉆孔聯(lián)合注水方式充分利用了2種注水方式的優(yōu)點(diǎn)，又對(duì)各自的缺點(diǎn)進(jìn)行互補(bǔ)，使得水分能夠大面積的充分潤(rùn)濕煤體，發(fā)揮出了煤層注水最大的降塵效果.根據(jù)現(xiàn)有的工具及工作面的特性參考《長(zhǎng)鉆孔煤層注水方法MT501 - 1996》計(jì)算得到注水參數(shù)
2. 3 封孔工藝
封孔好壞影響煤層注水壓力及質(zhì)量，且注水孔漏水影響工作環(huán)境. 合理的封孔長(zhǎng)度應(yīng)超過煤邦煤體的破碎帶，使得鉆孔口周圍煤壁不發(fā)生跑水. 長(zhǎng)鉆孔的封孔長(zhǎng)度為8 m，短鉆孔的封孔長(zhǎng)度為1. 5 m，外部使用封孔器封孔. 注水后當(dāng)注水孔兩側(cè)的'煤壁或煤邦有水滲出時(shí)，暫停對(duì)該孔注水.
3 煤層注水實(shí)踐效果分析
3. 1 煤層全水分檢驗(yàn)
92103 工作面煤層注水后，采用鉆屑法化驗(yàn)取樣煤層全水分. 考慮到鉆孔間距為15 m，因此分別在距工作面上出口5，20，30，45 m 處各打1 個(gè)鉆孔，鉆孔深度約為25 m，鉆深每隔5 m 取一次樣，測(cè)出煤樣含水率對(duì)注水后煤層樣品全水分測(cè)定，可用看出2#鉆孔基本沒有得到濕潤(rùn)，即不在濕潤(rùn)半徑內(nèi). 而在濕潤(rùn)半徑內(nèi)煤層的水分含量平均為4. 10%，新增水分平均為1. 32%，效果顯著.
3. 2 煤層注水減塵效果
92103 工作面在注水前選取4 個(gè)測(cè)塵點(diǎn)進(jìn)行了2 個(gè)班次的粉塵質(zhì)量濃度測(cè)定. 注水后測(cè)定了3 個(gè)班次，取其平均值作為該班該測(cè)塵點(diǎn)的粉塵質(zhì)量濃度. 4 個(gè)測(cè)塵點(diǎn)分別是采煤機(jī)司機(jī)處、采煤機(jī)司機(jī)下風(fēng)20 m處、移架司機(jī)處、移架司機(jī)下風(fēng)20 m處. 煤塵注水降塵率可按下式計(jì)算:C =( c2 - c1) - ( c'2 - c'1)c2 - c1× 100%. ( 1)式中，C: 降塵率，%; c2，c1: 煤層注水前，產(chǎn)塵點(diǎn)上、下風(fēng)側(cè)風(fēng)流中的煤塵濃度，mg /m3 ; c'2，c'1: 煤層注水后，產(chǎn)塵點(diǎn)上、下風(fēng)側(cè)風(fēng)流中的煤塵濃度，mg /m3 .各測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)及降塵率對(duì)比可知采用煤層注水降塵技術(shù)后，綜采工作面的平均降塵率均超過65%，產(chǎn)塵點(diǎn)降塵率最高，煤層注水減塵效果顯著.
3. 3 煤層注水有助于抑制工作面瓦斯涌出
煤體潤(rùn)濕后，一是水分變了煤體的物理性質(zhì)，增加了煤的可塑性，使應(yīng)力分布均勻，降低煤層透氣性;二是水分驅(qū)替和溶解孔、裂隙中的瓦斯，消除了瓦斯壓力產(chǎn)生的塊間分離作用力的影響，阻礙瓦斯的運(yùn)動(dòng)，從而降低了煤層瓦斯的涌出量. 經(jīng)測(cè)得92103 工作面回采期間回風(fēng)偶角瓦斯平均濃度為0. 6%，回風(fēng)流中瓦斯平均濃度為0. 4%，對(duì)比煤層注水前瓦斯?jié)舛认陆盗思s20%，煤層注水抑制對(duì)工作面瓦斯涌出作用顯著.
3. 4 煤層注水有助于防止沖擊地壓
煤層注水后，增加煤體含水量，裂隙中靠水分子的表面吸附力在裂隙面中間形成水膜粘著力和水本身的粘滯作用使塊體間粘性結(jié)合，大大提高了發(fā)生煤爆沖擊所需要的能量( 發(fā)生的難度加大) . 使得其強(qiáng)度和沖擊指數(shù)隨之降低，從而降低了沖擊地壓的強(qiáng)度和發(fā)生沖擊地壓的可能性. 在工作面煤層注水幾個(gè)循環(huán)后，發(fā)現(xiàn)后期鉆孔的煤粉量明顯降低，說明沖擊地壓的危險(xiǎn)得了到控制.
3. 5 煤層注水有助于降低工作面溫度
煤層注水將溫度較低的冷水注入煤體后，由于水有較大的比熱容和汽化潛熱，有利高溫工作面的降溫，特別是深部開采工作面效果尤為顯著. 92103 工作面屬于深部開采，煤層注水后平均溫度下降了2 ～ 3 ℃，改善了工作面作業(yè)環(huán)境.
4 結(jié)論
1) 煤層注水后使煤體全水分達(dá)4%以上，對(duì)綜采工作面降塵效果能達(dá)到65%以上，大大降低了工作面粉塵濃度，改善了工作環(huán)境，降低了發(fā)生煤塵爆炸事故的可能性.
2) 煤層注水在礦井瓦斯防治、防沖擊地壓以及降低工作面溫度等方面有一定的作用.
3) 長(zhǎng)、短鉆孔聯(lián)合注水方式充分利用了2 種注水方式的優(yōu)點(diǎn)，又對(duì)各自的缺點(diǎn)進(jìn)行互補(bǔ)，使得水分能夠大面積的充分潤(rùn)濕煤體，發(fā)揮出了煤層注水最大的降塵效果，特別適用于薄煤層、硬度大等復(fù)雜條件的工作面，在煤礦安全生產(chǎn)中有較高的安全和經(jīng)濟(jì)效益.
4) 煤層注水參數(shù)優(yōu)化應(yīng)用非常復(fù)雜，目前對(duì)于參數(shù)的優(yōu)化選擇方面的數(shù)學(xué)模型和軟件模擬研究較少，這方面發(fā)展的應(yīng)用價(jià)值卻逐年升高，因此在該領(lǐng)域還需進(jìn)一步的加強(qiáng)研究.
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