煤体注水及有关参数的考察研究

李广勇

(黑龙江龙煤股份有限公司七台河分公司安监局,黑龙江 七台河 154600)

煤体注水是防治煤尘危害的有效方法,近年来国内外都在推广应用此技术,它不仅能控制回采过程中的产尘量,降低矿井空气中的粉尘浓度防止尘毒危害,而且是一种防止煤与瓦斯突出、冲击地压的有效方法,煤体注水方法应根据煤层节理裂隙发育情况、厚度、倾角、硬度、孔隙率、地质构造等条件以及注水目的来确定,才能达到预期效果。经验证明,煤体注水能够达到降尘 40%～85%的良好效果。经过注水湿润的煤体,不仅在破碎时煤尘发生量大大减少,并在整个矿井生产流程,如：转载、运输、提升,到地面筛选等破碎过程中均有防尘作用,而其他降尘方法多为局部性措施,不具备这种连续防尘作用。

为确定参考的注水标准和提高注水效果,需对注水防尘做进一步的探讨,对注水的有关参数做进一步的测试和研究。

1 测试试验

在新兴二矿六井进行了测试试验。该区位于井田的中部,水平标高为 -176.5～-220.1 m,可采储量为 90 k t。煤层倾角为 20°～50°,煤层节理、层理教发达,煤质干燥、疏松、透水性较强。煤尘爆炸指数为44.35%,预测瓦斯量为 27.93m3/t,应抽 3.7年,实抽 1.4年,瓦斯压力推算为 1.15M Pa,工作面爆破落煤。测尘、采样、注水等测试工作共用 92天。

2 注水工艺

1)钻孔布置。

钻场布置在倾斜管道两侧,每个钻场布置 2～3个平行钻孔,由钻场向溜煤道对向钻进。孔口插管长度 6m,灰浆封孔,灰砂比为 1∶3。钻场布置孔有关参数见表 1。

表 1 钻孔参数表

2)注水方式。

用低压净水水源。供水系统由地面净水池通过主井主、干、支管线,然后到注水钻场。以阀门控制水压,以钻场为计量单位。各钻孔注入水量、压力及流速等见表 2,表 3。

表 2 注水速度测算表

表 3 注水压力及流速测算表

3 效果分析

1)湿润范围与钻场间距分析。湿润范围一般系数指垂直于钻孔的煤体沿倾斜或走向被湿润的宽度。根据测试,当注水煤体的水分增值达到 1%时,即开始有明显的降尘效果。因此,可以认为水分增值达1%的煤体均属于注水的湿润范围。钻场湿润范围较大,湿润半径沿煤层倾斜向下平均为 6m,向上 4m。钻场湿润范围小的原因有：a)因注水压力达 24 kg/cm2,出现“返水现象”,有水流失。b)钻孔仰角太大,与工作面形成了一个很大的夹角,在开采第二幅时,才能测出钻孔的真正湿润范围。影响湿润范围的主要因素,除了煤层的透水性外,就是注水压力及注水时间,同时也关系到钻场间距的大小。由实验分析得知,当注水压力为 2～15 kg/cm2,注水时间不少于 25天的条件下,钻场间距以 10m为宜。如果压力调至 10～20 kg/cm2,时间保持在 1个月左右,间距可增至 15m。

2)注水压力与注水流量关系分析。注水流量随注水压力的升高而增大,随着注水压力的升高,注水流量呈一双曲线式增大。左右是随着湿润范围的扩大,注水压力被大量消耗以及瓦斯压力显现所致。实验表明,当注水压力为 8～10 kg/cm2时,流量开始上升,增至 10～15 kg/cm2时,流量增大的速率更为显著。其原因：a)注水压力超过了煤层本身对水的流动阻力与瓦斯压力所起的阻力之和。b)基于流量(Q)和压力 (P)的指数函数 (Q=CPK,式中：C为常数,K为指数,K＞1)。因此,每增加单位压力所增加的流量更为显著。但指数压力的增加并不是没有条件的,在压力达到 24 kg/cm2时,出现“返水”现象,看来,欲提高指数压力,钻孔必须布置在地质条件较好的地方,同时,还得提高封孔质量或加长封孔长度。

综上所述,注水初始压力一般不应小于 2 kg/cm2,1周后应增加到 8～10 kg/cm2。以后,可随时间的延长逐渐至 15 kg/cm2。在保证不发生“返水”的情况下,还可适当的增加压力,以提高注水效果。

3)注水流量与注水时间关系分析。实验表明,在压力相同的条件下,注水流量随时间的延长明显的降低,注水流量与时间的关系曲线见图 1。

图 1 注水流量与时间的关系曲线图

从图 1可以看出,开始 7天内注水流量较大,保持在 20 L/h以上,第 11天以后,注水流量下降到 10 L/h以下,降低 50%。流量随时间降低的情况表明,随着时间的延长,水在煤体内的流动距离加长,运动阻力加大;其次,由于钻孔周围较近范围内的瓦斯自由泄出,煤层的压力较小或消失,注水开始比较容易,流量较大,而在距钻孔较远范围的瓦斯压力却变化甚微。当注水至一定时间后,流量有降低的趋势。可见,在对瓦斯抽放不充分的煤层注水时,如果不能保证一定的注水压力,尽管延长注水时间,也不能保证注水流量的平稳。应随注水时间的延长,逐步调高注水压力。

尽管水分增值趋近 4%,降尘率已高达 92.2%(打眼)和 84.2%(放炮),但浮尘浓度相应为 40 m g/m3和 300m g/m3,距规定相差甚远。再增加水分,煤尘浓度还可以下降一些,但下降的幅度不会太大。因此,原始煤尘发生量很高的煤层,单纯用注水的方法不能彻底解决煤尘问题,必须采取综合降尘措施。关于水分增值上下限问题,实验表明,当水分增值达到 1%时,降尘率可达 30%～45%,因此,可将 1%作为下线。它是注水的最低质量标准。也是区分煤层是否被湿润的最低标准;当水分增值达到 4%时,煤尘降低的趋势变得平稳,继续增加水分,降尘效果甚小,经济上不合算,因此,可将 4%做为水分增值的上限。

4)沉积煤尘危险性分析。在通常情况下,浮尘浓度很难达到爆炸下限值的井下发生煤尘爆炸,主要危险是沉积煤尘。

以该矿一平巷掘进为例,巷道断面按 6m2计算,取 1m长的一段巷道,则空间容积为 6 m2,那么,该空间煤尘爆炸所需要最少煤尘量为：45 g/m3×6m3=270 g,从实际降尘发生量,以放炮为例,放炮积尘速度为 52.39 g/m2·h,而该段巷道能够降落积尘总面积为 7.5m2,其积尘总量为：52.39 g/m2·h×7.5 m2=392.9 g/h。将其与爆炸所需要最少量比较：392.9÷270=1.46。就是说放炮 1 h降落的积尘,在该巷道空间内,是发生爆炸所需最少的 1.46倍,可见积尘的危险性和及时清扫积尘很重要。

关于积尘的清扫周期,可用下式计算：

式中：

T—煤尘爆炸浓度下限值,g/m3;n—安全系数,一般取 2;

σ—积尘沉降速度;g/m3·h。

对该掘进平巷放炮积尘而言,其清扫周期应为：

式中：

即：各次放炮时间的总和达到 0.344 h(20.6 m in)时,就应清扫一次积尘,以使积尘浓度始终保持在爆炸下限值以下。

4 结束语

通过对低压净水钻孔注水方式的测试分析,可得出以下煤体注水有关参数结论：

1)钻场间距。当注水压力为 2～15 kg/cm2,注水时间不少于 25 d的情况下,湿润半径由钻场沿煤层倾斜向下平均为 6m,向上为 4m,因此,钻场间距以 10m为宜。如果注水压力增至 15～20 kg/cm2,时间不少于 1个月,间距可增至 15m,钻孔布置成扇形孔比平行孔效果较好。

2)注水压力。初始压力以 2 kg/cm2,为合适,逐日增高,1周会增至 8～10 kg/cm2,随时间延长可增至 15～20 kg/cm2,。在不发生“泄水”的情况下,还可适当通过注水压力,以缩短注水时间和提高注水效果。

3)注水时间。应保持在 1个月左右,以便使作用缓慢的毛细作用得到充分发挥,从而扩大湿润范围和使水分分布更为均匀。

4)水分增值标准。水分增值的范围可定为：下限 1%,上限 4%。

5)积尘清扫周期。一个采煤工作面纯放炮时间累计超过 20m in时,至少必须清扫一次。

6)对于原始煤尘发生量很大的煤层,不能只靠注水的单一手段。当水分增值达到上限值时,而煤尘浓度依然很高,应当配合以其他综合防尘手段或改善通风状况等措施,使煤尘浓度降到规定的要求。

7)煤体注水是防止煤与瓦斯突出的有效方法。它是防止冲击地压、降尘,降低回采过程中瓦斯涌出量的综合性措施,其工艺比较简单,需要设备及资金较少,值得大力推广。

8)在实施注水过程中,为防止回风流中瓦斯浓度增高超限和消除电器设备火源威胁,应将注水设备设在进风巷道中,以确保安全生产。

9)煤层注水防治煤与瓦斯突出,为有煤与瓦斯突出危险的煤层开采开辟了一条新的途径。