《综采工作面煤层注水防尘技术试验研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《综采工作面煤层注水防尘技术试验研究.docx（69页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、摘 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
2、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：综采工作面；煤层注水；静压注水；动压注水 AbstractWith the improvement of the mechanization on the fully mechanized mining face，the problem of coal dust are becoming more prominent
3、. 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
4、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
5、 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 mecha
6、nism 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、injectio
7、n 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 m
8、easurement, 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
9、目 录摘要I目录1绪论11.1 研究的背景和意义11.2国内外研究现状21.2.1 综采工作面防尘研究现状和发展趋势21.2.2 煤层注水研究现状和发展趋势41.3本文研究的内容及技术研究路线81.3.1研究内容81.3.2 研究方法及技术路线92 煤层注水降尘机理及影响因素分析112.1煤层注水机理112.2 影响煤层注水效果的因素122.2.1 煤的裂隙和孔隙的发育程度122.2.2 上覆岩层压力及支承压力132.2.3 液体性质的影响132.2.4 煤层内的瓦斯压力132.2.5 注水参数133陈四楼煤矿煤层注水相关基础参数测定153.1 煤样及矿井取水153.2 煤样原始水分的测定15
10、3.2.1 测试原理153.2.2 测定方法与步骤153.2.3 测试设备163.2.4 测定结果及分析173.3 煤样吸水性的测定173.3.1 测试原理173.3.2 测定方法与步骤183.3.3 测试设备与仪器193.3.4 测定结果与分析203.4 矿井水表面张力测试213.4.1 测试原理213.4.2 测定方法与步骤213.4.3 测定仪器与设备213.4.4 测定结果与分析223.5 矿井水接触角测定293.5.1 测试原理293.5.2 测试方法与步骤293.5.3 测试设备与仪器313.5.4 测试结果与分析323.6 小结334 21301综采工作面煤层动压注水试验354.
11、1 试验工作面概况354.1.1工作面位置及煤层情况354.1.2 地质构造及顶底板情况354.1.3 水文地质情况及涌水量364.1.4 回采方式及工艺374.2 煤层气动高压注水试验384.2.1 注水原理384.2.2 注水方案及工艺394.2.3 注水进程及效果404.3 煤层脉动高压注水试验414.3.1 脉动高压注水概述414.3.2 注水设备414.3.3注水进程及效果444.4 小结495 21309综采工作面煤层静压注水试验515.1 试验工作面概况515.1.1工作面位置及煤层情况515.1.2 地质构造及顶底板情况515.1.3 水文地质情况及涌水量525.1.4 回采方
12、式及工艺535.2 煤层静压注水试验545.2.1 注水方式及参数545.2.2 施工方法555.2.3 注水效果555.3 小结576 结论59参考文献61 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
13、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
14、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20002005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
15、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810g/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
16、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
17、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
18、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20004000mg/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
19、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20002500mg/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
20、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
21、、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。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
22、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，而是来自，有时甚
23、至主要是来自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。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。
24、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6095；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7585；兖州矿务局主采煤层为3号煤层，煤质坚硬，孔隙率仅为2.24.3，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4762；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
25、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1-1 我国煤矿主要常用的煤层注水方式Tab.1-1 Main seam water injection methods
26、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620m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
27、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
28、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1-2 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矿名注水方式加压方式空气中煤尘含量mg/m3降尘率(%)注水前注水后石
29、炭井各矿长孔静压8001501003.56095抚顺龙凤矿长孔静压504046072806187.5大同同家梁矿长孔静压1320300584645678.7井径三矿长孔静压8211632406070阳泉二矿长孔动压1829532661466492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12846040806989北京门头沟矿长孔动压2857.57.69.77383双鸭山矿务局长孔动压9023021487779抚顺胜利矿长孔动压725631089520.67094.8中梁山矿南井长孔动压13006203285275鸡西东海三井长孔动压6731
30、8772.9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
31、煤尘的数据，虽然这些数据统计的是全尘，也就是包含了100m以下的全部粉尘，而呼吸性粉尘只包含小于5m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
32、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
33、剂水溶液与清水注水相比，可使水份增加提高17.422.4，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4.29.8倍、采煤机附近的降尘率达到86.488.2。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
34、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
35、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
36、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
37、，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。 1.3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
38、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、吸水性能、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
39、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： 图1-1 论文研究技术路线Fig.1-1 Technology route of study2 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-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，渗透运动是在大的裂隙和孔隙中发生，毛细运动是在较小的孔隙中发生，而
40、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，所以毛细运动和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和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
41、同的作用效果。高压注水时，可能使煤中裂隙和孔隙的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，是一个复杂的水动力学和物理化学过程的综合。水在煤层中的运动可以分为压
42、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
43、发生着相互作用。水在煤层中的运动，主要是注水压力、毛细管力、和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29439810kPa，高压大于9810kPa)
44、；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，当煤层孔隙率小于4%时，煤层的透水性较差，注水无效果；孔隙率为15%时，煤层的透水性最高，注水效果最佳；而孔隙率达40%时，煤层成为多孔均质体，天然水分丰富则无需注水。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主要靠
45、注水的压力，而细小孔隙中水的运动主要靠毛细管作用，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2.610-10m，因此不在注水湿润考虑范围之内25。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
46、，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
47、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是指注水压力、注水速度、注水量和注水时间。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
