马堡煤矿煤层脉动注水降尘技术.pdf

第 6 期 山 西 焦 煤 科 技 No. 6 2020 年 6 月 Shanxi Coking Coal Science 2. 煤科集团 沈阳研究院有限公司, 辽宁 抚顺 113122; 3. 煤矿安全技术国家重点实验室, 辽宁 抚顺 113122 摘 要 采煤工作面开采时因粉尘防治不到位易造成安全隐患,根据抑尘和降尘原理,以马堡煤 矿 8煤层 8204 工作面为研究对象,分析了该矿 8煤层注水性差,采用了脉动注水技术进行降尘。 现 场试验表明,脉动注水可很好地润湿煤体,具有良好的降尘除尘效果。 关键词 降尘;注水性;脉动注水;静压注水 中图分类号TD714 . 4 文献标识码B 文章编号1672-0652202006-0028-03 煤矿粉尘不但会影响矿井安全生产,而且严重威 胁职工的人身健康。 采煤工作面是矿井的最大粉尘 来源之一,在生产时未采取有效防尘措施时,粉尘质 量浓度能够升至 2 500 3 000 mg/ m3,即便实施防尘 措施,仍有工作面回采时粉尘质量浓度超过 1 000 mg/ m3,明显大于国家标准。 煤层注水是从粉尘源头 上采取的防治措施,降低粉尘的生成[1]. 煤层注水是 通过向煤层打一系列的注水钻孔将压力水注入煤体, 水均匀分布于煤层的孔裂隙空间,使得煤体得以湿 润,增加煤的含水率,是国内外广泛采用的最积极有 效的防尘措施。 煤层注水的主要作用体现在水进入 煤体后,可将原生煤尘湿润并黏结,使煤尘在破碎时 失去飞扬能力,有效地消除粉尘;其次,水进入煤体 后,其塑性增强,使得煤体的物理力学性质发生了变 化,当煤体因开采而破碎时,脆性破碎变为塑性变形, 减少了煤尘的产生量[2]. 郭军杰等在振兴二矿工作 面实施煤层注水技术后,工作面粉尘浓度降尘率高达 68. 7,有助于降低煤壁片帮现象[3];张小涛在高瓦 斯突出煤层综采面注水后,通过抽采钻孔实施动静压 相结合的注水减尘技术,煤体的水分增加了 1 以 上,降尘效率提高 50以上[4]. 现有的注水方式中,静压注水由于注水压力有 限,难以满足“难注”煤层的增透降尘需求,主要应用 于润湿透气性好的煤层。 采用高压水泵对煤层注水, 虽然能够提高煤层的透气性,但效果不能持久,对于 透气性差的煤层,达不到理想的效果,且注水泵的压 力越高,设备的运行、维护和管理要求也越高。 为了 解决煤层可注性差、注水设备体积大、注水效果不佳 的难题,近年来出现了脉动注水技术[5]. 结合马堡煤 矿 8204 工作面的实际条件,研究了脉动注水机理及 脉动注水技术的抑尘降尘效果,为邻近工作面的煤层 注水提供指导。 1 脉动注水机理 脉动注水机理是通过脉动注水设备产生具备周 期性反复变化特点的高压水,此高压水凭借持续反复 变化的交变水压产生荷载施加在煤体上,使煤体内部 形成疲劳损伤积累,最终使煤体内部的裂隙裂纹发生 失稳破坏。 其过程主要为脉动高压水流至煤体的原 级裂纹裂隙中,持续增加的脉动水充满于裂纹裂隙 中;当煤体内充满水后,脉动水以一定频率的水压对 煤体原级裂隙裂纹表面产生挤压,在煤体内部形成疲 劳损伤[6];逐步提高脉动水压,当水压接近或超过起 裂临界压力时,煤体的原级裂隙裂纹开始起裂延伸; 在连续不断的脉动水压影响下,煤体生产大量的裂隙 裂纹,一直到裂隙相互贯通,形成无数条相互贯通的 网络,为脉动水流进入煤体运移提供便利条件[7]. 脉动注水方式下水的流动渠道主要是煤层割理, 而脉动方式水力压裂的裂隙诞生位置主要是这些煤 层割理中比较脆弱的“弱面”,提高了割理的连通性 和开度。 在脉动注水泵的作用下,凭借一定频率的高压液 体多次压裂煤体,迫使煤体发生损伤并逐渐碎裂。 脉 动水流通过钻孔注入煤体,起初流入煤体内的一级裂 隙,接着流入煤体内的二级、三级和四级裂隙,裂隙得 到充分贯通并产生新生裂隙,见图 1,2,3. 图 1 煤体结构模型图 图 2 压裂液进入煤层情况图 图 3 水平直裂隙模型图 煤体自身内部拥有大量的各种不同规模和尺度 的裂隙裂缝,由于煤层受应力作用以及采掘活动的影 响,裂隙裂缝发育地点形成了尺度各异的应力弱面, 为压裂液的进入提供了良好的渠道,压裂液以一定的 先后顺序进入到煤层裂隙中。 在工作面生产时,脉动注水钻孔围岩裂隙分布见 图 4,在钻孔附近存在无数的裂缝裂隙,从远到近沿 径向,将裂隙区域划分为 3 个区域Ⅰ区破碎区、Ⅱ 区塑性区和Ⅲ区弹性区。 裂隙的数量和宽度伴 随着径向距的增加开始减小。 图 4 脉动注水钻孔围岩裂隙分布图 测定马堡煤矿 8204 工作面 8煤层的相关参数, 测试结果符合可注水煤层的 4 个条件全水分 W 2. 18≤4、总孔隙率 n 2. 63≤4、普氏系数 f 0. 92≥0. 4 和自然饱和吸水率 δ 0. 72≤1,判断 该煤层可注水孔隙率较低,导水性较差,属极难注水 煤层。 2 现场试验 在马堡煤矿 8204 工作面同时开展脉动注水和静 压注水,验证两种注水方式的注水效果。 脉动注水使 用 2BZ- 125/ 20 型注水泵,主要参数脉 冲频率为 1 060 次 / min,输 出流量为 125 L/ min,脉 冲强 度 为 220 MPa,分析单次注水速度和注入最大注水量时 所用的时间。 8204 工作面煤层注水钻孔布置见图 5. 图 5 8204 工作面煤层注水钻孔布置情况图 2. 1 单次注水速度对比 单次注水量指的是每次煤层注水时不间断持续 一定时间注入煤层中的水量,8204 工作面单次注水 922020 年第 6 期萧煜宏等马堡煤矿煤层脉动注水降尘技术 量情况见表 1,单次注水速度见图 6. 表 1 两种不同注水方式的单次注水量对比表 注水方式注水孔号 注水压力 / MPa 单次注水时间 / h 单次注水量 / m3 脉动 动-14. 03. 010. 0 动-24. 56. 57. 0 动-35. 04. 54. 0 平均4. 54. 77. 0 静压 静-10. 84. 52. 0 静-21. 05. 01. 5 静-31. 55. 01. 2 平均1. 14. 81. 6 图 6 两种注水方式下的单次注水速度图 由图 6 可知,脉动注水速度明显比静压注水速度 快,脉动注水速度是静压注水速度的 2. 61 6. 48 倍, 煤层注水速度的加快能够为水分在煤层的扩散、运移 提供了足够的时间,显著提高煤层注水的均匀性。 2. 2 注入极限注水量时所用的时间 钻孔极限注水量是指随时间的推移,向一个煤层 钻孔注入的水量不在升高时的注水量,即钻孔的最大 注水量,通常认为单孔的注水速度小于 0. 1 m3/ h 时, 注水量达到极限。 钻孔注入最大注水量时所用时间 见表 2. 达到最大注水量时两种注水方式下的平均注 水速度见图 7. 表 2 钻孔注入最大注水量时所用时间表 注水方式注水孔号 注水压力 / MPa 实际注水时间 / h 单孔最大注水量 / m3 脉动 动-44. 05. 58. 0 动-54. 533. 520. 5 静压 静-41. 08. 08. 0 静-51. 553. 520. 5 图 7 达到最大注水量时两种注水方式下的平均注水速度图 由表 2 和图 7 可知,与单次注水速度相比,注入 最大注水量时脉动注水的速度并不是明显快于静压 注水,速度增加幅度有限,但是仍比静压注水要快,4 钻孔采用脉动注水方式注入极限注水量时的速度比 静压注水方式快 46. 23,5钻孔脉动注水的速度比 静压注水快 58. 91. 2. 3 降尘效果对比 煤层注水的目的是减少工作面在回采过程中所 产生的煤尘,对比煤层在静压注水和脉动注水后马堡 煤矿 8204 工作面在割煤时和移架时粉尘质量浓度, 结果见图 8,9. 图 8 顺风割煤时粉尘质量浓度图 图 9 移架时粉尘质量浓度图 下转第 34 页 03山 西 焦 煤 科 技2020 年第 6 期 图 8 煤柱体大直径钻孔卸压示意图 5 结 论 1 基于山西潞安集团余吾矿 N2105 工作面回采 期间发生的 2 次底板冲击地压事故,并结合煤层底板 等高线图可知,底板冲击地压事故的发生与较高的水 平构造应力有关。 2 较高的水平构造应力为底板冲击地压的发生 提供了基础条件,而 N2105 工作面回采形成的动载 扰动为底板冲击地压的发生提供了诱发条件,两者动 静载叠加作用下巷道底板发生了较为严重的底板冲 击显现。 3 提出了采用微震监测和围岩监测系统的综合 在线监测方法,对 N2105 工作面回采期间进行实时 的矿压监测,并根据监测结果对危险区域较为薄弱的 煤柱体进行大直径钻孔卸压,实现弱化动静载叠加诱 发冲击的效果。 参 考 文 献 [1] 初明祥,王清标,夏均民,等. 采空侧巷道底鼓形成机制与防治技术研究[J]. 岩土力学,2011,322413-417. [2] 齐庆新,窦林名. 冲击地压理论与技术[M]. 徐州中国矿业大学出版社,200847-50. [3] 刘 畅,杨增强,弓培林,等. 工作面过空巷基本顶超前破断压架机理及控制技术研究[J]. 煤炭学报,2017,4281932-1940. [4] 杨增强. 复杂地质构造区诱发冲击矿压机理及防控研究[D]. 北京中国矿业大学,2018. [5] 吕长国,窦林名,何 江,等. 桃山煤矿 SOS 微震监测系统建设及应用研究[J]. 煤炭工程,20101186-90. [6] 杨增强. 煤体高压射流钻割卸压原理及其防冲研究[D]. 徐州中国矿业大学,2014. 上接第 30 页 由图 8 和图 9 可知,实施煤层脉动注水技术后,顺 风割煤和移架时的产尘量比静压注水有明显减少。 顺 风割煤时8204 工作面的最大全尘质量浓度为391. 7 mg/ m3,而静压注水为 559. 6 mg/ m3,全尘降尘效率增加 26. 38,呼尘降尘效率增加 27. 16;在推移液压支架 时,最大全尘质量浓度为 409. 6 mg/ m3,而静压注水为 631. 8 mg/ m3,全尘降尘效率增加 24. 13,呼尘降尘效率 增加 26. 15,表明在 8204 工作面实施煤层脉动注水技 术后,降尘效果得到显著提升,工作面环境明显改善。 3 结 论 1 煤体裂隙的数量和宽度伴随着径向距的增 加开始减小;受到 煤体原生裂 隙和脉动注水 泵的 共同作用,压裂液 以一定的先 后顺序流至煤 体裂 隙中。 2 对比两种煤层注水技术发现8204 工作面采 用脉动注水技术后,割煤时工作面的全尘除尘效率增 大 26. 38,呼尘的除尘效率增大 27. 16;推移液压 支架时,工作面的全尘除尘效率增大 24. 13,呼尘 的除尘效率增大 26. 15,工作面的作业环境得到明 显改善。 3 脉动注水速度很快,超过静压注水速度,脉动 注水可很好地润湿煤体,具有良好的降尘效果。 参 考 文 献 [1] 李德文,隋金君,刘国庆,等. 中国煤矿粉尘危害防治技术现状及发展方向[J]. 矿业安全与环保,2019,4661-7,13. [2] 彭 亚,蒋仲安,付恩琦,等. 综采工作面煤层注水防尘优化及效果研究[J]. 煤炭科学技术,2018,461224-230. [3] 郭军杰,邹友平,周和军,等. 振兴二矿煤层注水技术应用及效果分析[J]. 煤矿开采,2018,236122-124,107. [4] 张小涛. 高瓦斯突出煤层综采工作面注水降尘技术应用研究[J]. 煤炭科学技术,2019,471231-236. [5] 林传兵. 煤层脉动注水渗透与瓦斯解吸实验研究[J]. 煤炭工程,2019,5110108-112. [6] 王倩男,周晓华,刘 浩,等. 高家堡煤矿高压注水封孔长度研究[J]. 煤矿安全,2019,506149-152,157. [7] 林传兵. 寺河矿煤层脉动注水降尘技术研究[J]. 中国矿业,2020,291171-175. 43山 西 焦 煤 科 技2020 年第 6 期