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煤体泄压注水技术的研究与应用

时间:2016-09-05来源: 作者: 点击: 116次


周坤鹏

(河南平宝煤业有限公司,河南 襄城 461700

摘要: 平宝公司通过沿用原有的浅孔抽放钻孔的钻机及相关技术,优化调整原有的浅孔抽放钻孔进行煤体注水。通过对煤体泄压注水技术的研究,总结出:浅孔泄压注水增大了煤体湿润半径,快速增加煤体含水量,同时可以增强煤体塑性、降低煤岩动力灾害危险性、减小煤体瓦斯涌出、降低工作面瓦斯浓度、降低工作面粉尘浓度、防止煤炭自燃等,起到一举多得的作用。

关键词:泄压注水;降尘;煤岩动力;瓦斯浓度

Application and research of coal pressure relief water injection technology

Zhou Kunpeng

Henan Ping Bao Coal Co., Ltd.,Xiangcheng,Henan, 461700,China

Abstract: Pingbao company in use the drilling rig and the related technologies of the original shallow hole drilling,optimization and adjustment of the original shallow hole drainage hole for coal body water injection. Through the research on the coal pressure relief water injection technology, summarized: shallow hole pressure relief injection increased the wetting radius of coal body, rapid increase in the volume of coal. At the same time, enhanced coal body plasticity, reduce the risk of coal rock dynamic disasters, Reduce gas emission from coal body, reduce the gas concentration of coal-face, reduce the dust concentration of coal-face, prevention of coal spontaneous combustion, etc.

Key words: pressure relief water injection; dust fall; coal or rock dynamic; gas density

随着矿井采掘深度的增加、开采范围的扩大,应力冲击地压或煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害发生几率也随之增大,严重影响煤矿安全生产[1-3]。针对煤岩动力灾害问题,国内一些煤矿采用深孔爆破、钻孔泄压、采面超前支护等措施进行治理[4-5]。而煤层注水在预防冲击地压、煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害具有良好的效果,同时又可以起到减尘、降温、防火的作用。

1 概述

该项目针对矿井煤岩动力灾害防治措施、采掘工作面瓦斯治理措施、矿井综合防尘措施相结合这一难题,研究煤体泄压注水技术在采掘工作面的应用。通过该项目的实施,在沿用原有的浅孔抽放钻孔的钻机及相关技术,原有的高压喷雾水源和管路的基础上,对煤体泄压注水孔的参数进行优化调整,替代原有的浅孔抽放;利用浅孔进行泄压注水,增大煤体湿润半径,快速增加煤体含水量;煤体泄压注水可以同时增强煤体塑性、降低煤岩动力灾害危险性、减小煤体瓦斯涌出、降低工作面瓦斯浓度、降低工作面粉尘浓度、防止煤炭自燃等,起到一举多得的作用等方面取得了突破和技术创新。

2 煤体泄压注水孔及注水技术参数

以平宝公司己15-12050采面为例,在执行浅孔抽放钻孔时,每个验证循环共施工123个钻孔,孔深不低于24m,孔径为89mm,孔间距为1.5m,钻孔距煤层顶板1.8m,钻孔垂直于煤壁且平行于回采方向煤层顶板。在施工此类浅孔抽放钻孔时,当钻进至18m左右时,容易出现夹钻、喷孔等现象,导致后6m钻进困难,不利于工作面瓦斯管理和防突管理;另一方面,在钻孔抽放时,容易出现塌孔等现象,不利于瓦斯有效释放。

通过利用原有施工浅孔抽放的钻机施工煤体泄压注水孔,孔径保持不变;并将原有浅孔抽放钻孔个数调整为66个钻孔(采面机巷向上9m、风巷向下8.5m不执行卸压注水钻孔),孔深调整为15米,钻孔间距调整为3m(连续两天施工的卸压注水钻孔必须错开1.5m布置),钻孔距煤层顶板距离调整为1.8m-2.2m,钻孔垂直于煤壁且平行于回采方向煤层顶板。

泄压注水时,原则上采用采面增压泵供应压力不大于7Mpa的水压连接注水封孔器进行注水,必要时可使用井下静压水。封孔方法采用矿用注水封孔器进行封孔,注水封孔器最外端应进入孔内0.5m以上。封孔长度不少于1.0m,封孔严密,不能跑水。需新配备的注水设备有:注水流量表、压力表、注水封孔器等。

3 煤体泄压注水减尘效果。   

通过在采掘工作面煤壁的浅孔泄压注水,使煤体的湿润半径最大达到1.5m,煤体含水量有了较大提高(如下表所示),最大增量达到289.7%;而以前在采煤工作面采用机风两巷的本煤层钻孔进行深孔注水时,湿润半径为0.6m,含水量增量为34.3%,如表1所示。

煤体泄压注水前后煤体含水量对比

煤样地点

注水前含水百分比 %

注水后含水百分比 %

含水百分比增幅 %

1512050综采工作面

3.9

15.2

289.74%

15-171(2)061综采工作面

4.3

15.5

260.47%

15-171(2)081机巷

2.7

7.2

166.67%

1512070风巷里段

4.1

8.1

97.56%

1512070风巷联巷

2.3

7.5

226.09%

泄压注水孔实施后,有效降低了采掘工作面生产过程中的产尘量(如表2所示),对采掘工作面综合防尘工作具有较大的意义。

 

2  煤体泄压注水后减尘效果

巷道名称

注水前粉尘浓度
mg
·m-3

注水后粉尘浓度
mg
·m-3

呼吸性粉尘相对减尘率
%

全尘相对减尘率
%

呼吸性粉尘

全尘

呼吸性粉尘

全尘

15-12050综采工作面

5.4

10.5

2.3

3.8

57.4%

63.8%

15-17-1(2)061综采工作面

5.8

10.6

2.4

3.9

58.6%

63.2%

15-17-1(2)081机巷

4.0

9.9

2.2

3.3

45.0%

66.7%

15-12070风巷里段

4.3

10.2

2.2

3.2

48.8%

68.6%

15-12070风巷联巷

4.1

9.7

2.1

3.1

48.8%

68.0%

4 煤体泄压注水所起到的多方面作用

通过在采掘工作面煤壁的浅孔泄压注水,使水渗入煤体内部,破坏煤体内原有的煤-瓦斯两相体系的平衡,形成煤-瓦斯-水三相体系,体系内各个介质相互作用,使煤的物理化学性质、力学性质及热力学性质发生变化。

1)煤体泄压注水可以预防煤与瓦斯突出

采用中高压注水就是向煤体内部打钻孔,钻孔深度穿过集中应力带,然后通过钻孔向煤体内注入高压水,注水压力大于煤体所受地应力。高压水进入煤体,沿钻孔轴向和径向渗透到煤的裂隙和大孔中,在高压水作用下,使原有裂隙、孔隙扩张、延伸并沟通,引起 卸压、释放瓦斯和改变煤体力学性质,当注水速度大于煤层吸收水分速度时,能使煤体破裂,扩大原有裂隙,并形成新的裂隙,煤层卸压,透气性增大,煤层瓦斯得到释放。卸压带向深部延长,集中应力带变得平缓并向深部推移。水进入了煤体的裂缝湿润煤体 ,增加了煤的塑性,降低了瓦斯放散速度,从而消除或降低煤层的突出危险。

2)减小工作面生产过程中的瓦斯涌出

注水后形成的煤-瓦斯-水三相体系,水进入煤体后充进煤层的各种裂隙占据瓦斯的空间,从而将瓦斯挤出,达到提前释放瓦斯的目的,防止在割煤过程中煤体内大瓦斯大量涌入工作面,造成瓦斯超限。

3)防治冲击地压

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。

4)减小工作面的产尘量

①水进入煤体各种裂隙和层理后,在极其微小的孔隙内部,都有水的注入,这就使整个煤体有效地被水包裹起来。当煤体由于开采而受到破碎时,因绝大多数的破碎面中充满着水,可以达到减少煤尘飞扬的目的。

②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黏着力,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;同时将煤体中原生细尘黏结为较大的尘粒,使之失去飞扬能力。

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。

5)预防片帮、冒顶

煤层经过注水后,在注水半径范围内瓦斯压力一部分被提前释放,一部分被集中应力带推向煤层深部,矿压显现明显下降;注水前煤层硬度不一,注水后,煤体塑性增强,软化了煤体通过注水产生的裂隙,使煤层软硬度均匀,形成均压结构,可以减少片邦、冒顶现象的发生。

6) 防火与降温

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。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。

5 结论

通过煤体泄压注水技术在平宝公司采掘工作面的实施,使煤体塑性增强,脆性减弱,改变了煤体的物理力学性质,有效减少了片帮,降低了煤岩动力灾害危险性。煤体注水后,煤体内的水将吸附及游离的瓦斯进行稀释,有效降低了煤体瓦斯含量,减小煤体瓦斯涌出量,降低工作面瓦斯浓度。通过在工作面煤壁上的浅孔泄压注水,增大了煤体湿润半径,提高了煤体含水增量;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量,有效降低了工作面粉尘浓度。

参考文献:

[1]     董飞亚.深部高瓦斯煤层冲击地压预测防治技术研究[D].河南理工大学, 2012.

[2]     赵洋.深部开采高应力区冲击地压预测及防治研究[D].山东科技大学, 2010.

[3]     刘中胜,袁全明.深部开采冲击地压预测方法及防治技术的研究[C].2007年山东省煤矿冲击地压防治研讨会. 2007.

[4]     郭建军,郑吉玉.高瓦斯煤层冲击地压防治技术探讨[J].煤,2012,21(5):57-59.

[5]     潘环喜. 高应力高瓦斯条件下煤巷冲击地压防治的理论分析[J].科技创新与应用,2015(29):144-144. 

作者简介:周坤鹏(1985-),男,河南临颍人,助理工程师,2009年毕业于中国矿业大学获工学学士学位,现在平煤集团平宝公司从事煤矿安全技术工作。

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