煤體注水及有關參數的考察研究

李廣勇

(黑龍江龍煤股份有限公司七臺河分公司安監局,黑龍江 七臺河 154600)

煤體注水是防治煤塵危害的有效方法,近年來國內外都在推廣應用此技術,它不僅能控制回采過程中的產塵量,降低礦井空氣中的粉塵濃度防止塵毒危害,而且是一種防止煤與瓦斯突出、沖擊地壓的有效方法,煤體注水方法應根據煤層節理裂隙發育情況、厚度、傾角、硬度、孔隙率、地質構造等條件以及注水目的來確定,才能達到預期效果。經驗證明,煤體注水能夠達到降塵 40%～85%的良好效果。經過注水濕潤的煤體,不僅在破碎時煤塵發生量大大減少,并在整個礦井生產流程,如：轉載、運輸、提升,到地面篩選等破碎過程中均有防塵作用,而其他降塵方法多為局部性措施,不具備這種連續防塵作用。

為確定參考的注水標準和提高注水效果,需對注水防塵做進一步的探討,對注水的有關參數做進一步的測試和研究。

1 測試試驗

在新興二礦六井進行了測試試驗。該區位于井田的中部,水平標高為 -176.5～-220.1 m,可采儲量為 90 k t。煤層傾角為 20°～50°,煤層節理、層理教發達,煤質干燥、疏松、透水性較強。煤塵爆炸指數為44.35%,預測瓦斯量為 27.93m3/t,應抽 3.7年,實抽 1.4年,瓦斯壓力推算為 1.15M Pa,工作面爆破落煤。測塵、采樣、注水等測試工作共用 92天。

2 注水工藝

1)鉆孔布置。

鉆場布置在傾斜管道兩側,每個鉆場布置 2～3個平行鉆孔,由鉆場向溜煤道對向鉆進。孔口插管長度 6m,灰漿封孔,灰砂比為 1∶3。鉆場布置孔有關參數見表 1。

表 1 鉆孔參數表

2)注水方式。

用低壓凈水水源。供水系統由地面凈水池通過主井主、干、支管線,然后到注水鉆場。以閥門控制水壓,以鉆場為計量單位。各鉆孔注入水量、壓力及流速等見表 2,表 3。

表 2 注水速度測算表

表 3 注水壓力及流速測算表

3 效果分析

1)濕潤范圍與鉆場間距分析。濕潤范圍一般系數指垂直于鉆孔的煤體沿傾斜或走向被濕潤的寬度。根據測試,當注水煤體的水分增值達到 1%時,即開始有明顯的降塵效果。因此,可以認為水分增值達1%的煤體均屬于注水的濕潤范圍。鉆場濕潤范圍較大,濕潤半徑沿煤層傾斜向下平均為 6m,向上 4m。鉆場濕潤范圍小的原因有：a)因注水壓力達 24 kg/cm2,出現“返水現象”,有水流失。b)鉆孔仰角太大,與工作面形成了一個很大的夾角,在開采第二幅時,才能測出鉆孔的真正濕潤范圍。影響濕潤范圍的主要因素,除了煤層的透水性外,就是注水壓力及注水時間,同時也關系到鉆場間距的大小。由實驗分析得知,當注水壓力為 2～15 kg/cm2,注水時間不少于 25天的條件下,鉆場間距以 10m為宜。如果壓力調至 10～20 kg/cm2,時間保持在 1個月左右,間距可增至 15m。

2)注水壓力與注水流量關系分析。注水流量隨注水壓力的升高而增大,隨著注水壓力的升高,注水流量呈一雙曲線式增大。左右是隨著濕潤范圍的擴大,注水壓力被大量消耗以及瓦斯壓力顯現所致。實驗表明,當注水壓力為 8～10 kg/cm2時,流量開始上升,增至 10～15 kg/cm2時,流量增大的速率更為顯著。其原因：a)注水壓力超過了煤層本身對水的流動阻力與瓦斯壓力所起的阻力之和。b)基于流量(Q)和壓力 (P)的指數函數 (Q=CPK,式中：C為常數,K為指數,K＞1)。因此,每增加單位壓力所增加的流量更為顯著。但指數壓力的增加并不是沒有條件的,在壓力達到 24 kg/cm2時,出現“返水”現象,看來,欲提高指數壓力,鉆孔必須布置在地質條件較好的地方,同時,還得提高封孔質量或加長封孔長度。

綜上所述,注水初始壓力一般不應小于 2 kg/cm2,1周后應增加到 8～10 kg/cm2。以后,可隨時間的延長逐漸至 15 kg/cm2。在保證不發生“返水”的情況下,還可適當的增加壓力,以提高注水效果。

3)注水流量與注水時間關系分析。實驗表明,在壓力相同的條件下,注水流量隨時間的延長明顯的降低,注水流量與時間的關系曲線見圖 1。

圖 1 注水流量與時間的關系曲線圖

從圖 1可以看出,開始 7天內注水流量較大,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%。流量隨時間降低的情況表明,隨著時間的延長,水在煤體內的流動距離加長,運動阻力加大;其次,由于鉆孔周圍較近范圍內的瓦斯自由泄出,煤層的壓力較小或消失,注水開始比較容易,流量較大,而在距鉆孔較遠范圍的瓦斯壓力卻變化甚微。當注水至一定時間后,流量有降低的趨勢。可見,在對瓦斯抽放不充分的煤層注水時,如果不能保證一定的注水壓力,盡管延長注水時間,也不能保證注水流量的平穩。應隨注水時間的延長,逐步調高注水壓力。

盡管水分增值趨近 4%,降塵率已高達 92.2%(打眼)和 84.2%(放炮),但浮塵濃度相應為 40 m g/m3和 300m g/m3,距規定相差甚遠。再增加水分,煤塵濃度還可以下降一些,但下降的幅度不會太大。因此,原始煤塵發生量很高的煤層,單純用注水的方法不能徹底解決煤塵問題,必須采取綜合降塵措施。關于水分增值上下限問題,實驗表明,當水分增值達到 1%時,降塵率可達 30%～45%,因此,可將 1%作為下線。它是注水的最低質量標準。也是區分煤層是否被濕潤的最低標準;當水分增值達到 4%時,煤塵降低的趨勢變得平穩,繼續增加水分,降塵效果甚小,經濟上不合算,因此,可將 4%做為水分增值的上限。

4)沉積煤塵危險性分析。在通常情況下,浮塵濃度很難達到爆炸下限值的井下發生煤塵爆炸,主要危險是沉積煤塵。

以該礦一平巷掘進為例,巷道斷面按 6m2計算,取 1m長的一段巷道,則空間容積為 6 m2,那么,該空間煤塵爆炸所需要最少煤塵量為：45 g/m3×6m3=270 g,從實際降塵發生量,以放炮為例,放炮積塵速度為 52.39 g/m2·h,而該段巷道能夠降落積塵總面積為 7.5m2,其積塵總量為：52.39 g/m2·h×7.5 m2=392.9 g/h。將其與爆炸所需要最少量比較：392.9÷270=1.46。就是說放炮 1 h降落的積塵,在該巷道空間內,是發生爆炸所需最少的 1.46倍,可見積塵的危險性和及時清掃積塵很重要。

關于積塵的清掃周期,可用下式計算：

式中：

T—煤塵爆炸濃度下限值,g/m3;n—安全系數,一般取 2;

σ—積塵沉降速度;g/m3·h。

對該掘進平巷放炮積塵而言,其清掃周期應為：

式中：

即：各次放炮時間的總和達到 0.344 h(20.6 m in)時,就應清掃一次積塵,以使積塵濃度始終保持在爆炸下限值以下。

4 結束語

通過對低壓凈水鉆孔注水方式的測試分析,可得出以下煤體注水有關參數結論：

1)鉆場間距。當注水壓力為 2～15 kg/cm2,注水時間不少于 25 d的情況下,濕潤半徑由鉆場沿煤層傾斜向下平均為 6m,向上為 4m,因此,鉆場間距以 10m為宜。如果注水壓力增至 15～20 kg/cm2,時間不少于 1個月,間距可增至 15m,鉆孔布置成扇形孔比平行孔效果較好。

2)注水壓力。初始壓力以 2 kg/cm2,為合適,逐日增高,1周會增至 8～10 kg/cm2,隨時間延長可增至 15～20 kg/cm2,。在不發生“泄水”的情況下,還可適當通過注水壓力,以縮短注水時間和提高注水效果。

3)注水時間。應保持在 1個月左右,以便使作用緩慢的毛細作用得到充分發揮,從而擴大濕潤范圍和使水分分布更為均勻。

4)水分增值標準。水分增值的范圍可定為：下限 1%,上限 4%。

5)積塵清掃周期。一個采煤工作面純放炮時間累計超過 20m in時,至少必須清掃一次。

6)對于原始煤塵發生量很大的煤層,不能只靠注水的單一手段。當水分增值達到上限值時,而煤塵濃度依然很高,應當配合以其他綜合防塵手段或改善通風狀況等措施,使煤塵濃度降到規定的要求。

7)煤體注水是防止煤與瓦斯突出的有效方法。它是防止沖擊地壓、降塵,降低回采過程中瓦斯涌出量的綜合性措施,其工藝比較簡單,需要設備及資金較少,值得大力推廣。

8)在實施注水過程中,為防止回風流中瓦斯濃度增高超限和消除電器設備火源威脅,應將注水設備設在進風巷道中,以確保安全生產。

9)煤層注水防治煤與瓦斯突出,為有煤與瓦斯突出危險的煤層開采開辟了一條新的途徑。