辛置煤矿2-216采面注水降尘效率研究.pdf

煤炭与化工 Co al and Chemical Industry 第43卷第5期 2020年5月 Vo l.43 No .5 May 2020 煤矿安全环保与煤炭加工 辛置煤矿2-216采面注水降尘效率研究 赵玉玲 （霍州煤电集团辛置煤矿，山西霍州031412） 摘 要为解决辛置煤矿煤尘污染问题，以2-216采面为研究对象，从采面地质、瓦斯赋存 情况和钻孔注水消尘应用出发，验证了自由水对采面降尘的合理性。结合注水消尘应用效果, 在最佳注水压力作用下，随着注水时间和注水量的增加，有助于提高注水段煤层内自身含水 率。在此基础上，可同时减少采面和回风平巷处煤尘的浓度与含量。 关键词采煤工作面；本煤层注水；煤尘防治；注水效果 中图分类号TD714 文献标识码B 文章编号2095-5979（ 2020）05-0108-04 Study on the efficiency of water injection and dust reduction at the 2-216 mining face of Xinzhi Mine Zhao Yuling Xinzh i Mine, Huozh ou Coal and El ect ricit y Group, Huozh ou 031412, Ch ina Abstract In o rder to so lve the pro blem o f co al dust po llutio n in the Xinzhi Mine, the 2-216 mining f ace w as taken as the study o bject, based o n the analysis o f g eo lo g y o f the mining f ace, the g as sto rag e situatio n and the applicatio n o f drilling w ater injectio n to eliminate dust, to verif y the reaso nableness o f f ree w ater o n the mining f ace dust reductio n, in co mbinatio n w ith the applicatio n o f w ater injectio n and dust suppressio n, the o ptimum w ater injectio n pressure helped to increase the w ater co ntent in the seam w ith increasing w ater injectio n time and w ater injectio n. On this basis, the co ncentratio n and co ntent o f co al dust can be reduced at the mining f ace and the air return ro adw ay. Key Wo rds co al mining w o rking f ace; w ater injectio n in this co al seam; co al dust co ntro l; w ater injectio n ef f ect 0引 言 在国内井工矿生产和瓦斯治理中，面临瓦斯 （煤尘）浓度高、煤尘集中释放和人员安全生产等 难题，这使得综采、掘进工作面粉尘污染难题日益 突出。据统计资料显示，随着矿井机械化水平的提 高，综采面成为井下煤尘的主要来源。生产时，部 分采面煤尘浓度可达2 470 3 180 mg /m3,远超国 内安全生产标准。因此，如何快速减少生产时瓦斯 与煤尘释放便成为主要的生产难题。在采面煤尘治 理中，有多种治理措施，如煤层注水、转载点喷雾 和采煤机内外喷雾等。相较于其它治理方案，煤层 注水由于具有施工简便、消除突出危险性好等优 点，在现场中得到了广泛应用叫 辛置煤矿为低瓦斯矿井，但在井下一次采全高 回收煤炭资源中，仍然受采面煤尘和瓦斯涌出等难 题困扰，这对矿井高效生产有较大威胁。因此，从 2_216采面现场出发，以自由水流动特性为起点， 在探讨煤层注水防尘、降尘机理基础上，提出了 2_216采面最优化的注水方案，最后从注水煤层含水 率变化以及煤尘浓度变化2方面考察注水消峻果, 为进一步分析注水治理瓦斯灾害提供应用参考。 1 2-216综采工作面内流体赋存形态 1 ■ 1流体赋存形态与运动状态 通常而言，煤层是由地质运动所形成的构造、 断层和不同体积的孔隙所组成的双重孔隙介质。同 时，裂隙、孔隙是流体（瓦斯、自由水）主要存 责任编辑高小青 DOI 10.19286/ki.cci.2020.05.032 作者简介赵玉玲（1988-）,女，山西古县人，助理工程师。 引用格式赵玉玲.辛置煤矿2-216采面注水降尘效率研究[J].煤炭与化工，2020, 43 （5） 108-111. 108 赵玉玲辛置煤矿2-216采面注水降尘效率研究2020年第5期 储空间。在注水前，煤层处于自然干燥情形，水分 以结合水形态赋存于基质孔隙内，无明显流动。当 外部自由水进入裂隙后，逐渐向孔隙内转移并润湿 全部煤层。在此期间，煤层内流体浓度、含量会不 断发生变化叫因此，自由水、瓦斯赋存状态和渗 流过程如图1所示。 基质 裂隙 孔隙 A -瓦斯 自由. 基质「裂隙微裂隙 基质 基质 裂隙基质 游离态瓦斯 基质 图1煤层内流体赋存与流动状态 Fig . 1 Occurrence and f lo w state o f f luid in co al seam 在注水工艺中，长钻孔注水是现场最为成熟和 广泛应用的手段之一。通过在进风、回风平巷向平 行于工作面方向开掘具有一定长度的钻孔，从而完 成注水作业，最终达到提高煤层含水率的目的。在 已有注水消除煤尘灾害研究中，自由水的存在不仅 改变了煤层的固体力学性质，还进一步改变煤层内 部流体渗流特性。当外界水进入裂隙、孔隙后，封 闭了吸附瓦斯解吸通道，阻止了瓦斯向外部的释 放，降低瓦斯积聚的能量，减少动力突出危险。 在煤层润湿的过程中，自由水与煤层之间存在 复杂的物理-化学作用现象。在注水泵作用下，自 由水由钻孔封孔段向煤层深处转移，外界水的注入 提高了裂隙内流体的压力，并进一步改变裂隙开 度。当完成煤层注水作业后，自由水在毛细管凝 聚、表面吸附和湿润作用下，会进一步改变水分与 煤尘之间的黏着力，减少煤尘溢散量，从而起到降 尘的目的玖， 2 2-216综采工作面长钻孔注水工艺设计 2.1 2-216综采面概况 以山西焦煤矿业集团辛置煤矿2-216综采面作 为注水消尘应用来源，该采面布置于310水平2号 主采煤层内，采面标高208228 m,设计走向 长度892 m,平均煤厚4 m,为缓倾斜煤层。2-216 工作面位于二采区正前轨道巷左侧，东北面为正前 轨道巷，东面距离2-206工作面约310 m,其余方 向无其它工作面设计。 2-216采面直接顶为厚约3m的砂质泥岩，顶 板来压强度、步距较为稳定，因此采用全部垮落法 控制顶板。为治理煤尘灾害，采用“U型通风采 煤机喷雾”的常规手段控制采面空气中浮尘含量, 但收效甚微。经后期煤样含水率与孔隙率测试，煤 样自然含水率为3.54,孔隙率为8.57,吸水率 为12.89。基于上述实验结果，根据煤层注水 可注性鉴定方法（2006版）判定为可注水治理 瓦斯煤层叫2-216采面和钻孔布置如图2所示， 注水钻孔长度、间距与开孔高度见表1。 运输下山 2-216工作面回风巷 1号注水孔 11号注水孔 1尸W // 口 2-216工作面进风巷IS Hifc 图2 2-216采面和注水钻孔布置 Fig . 2 Layo ut o f 2-216 mining f ace and w ater injectio n drilling 表1注水钻孔设计参数 Table 1 Desig n parameters o f w ater injectio n drilling 名称钻孔长度加钻孔间距加钻孔直径/mm钻孔位置/m 注水钻孔 8010100 巷道腰线处 2.2注水系统 根据2-216采面地质情况，在井下注水应用 中，选用中煤科工集团重庆研究院所研发的矿用煤 层注水系统。该系统主要由注水动力源（BRW200 型乳化液泵）、注水管路和水流量监测组件组成， 较好解决了传统注水设备无法实时监测、传输数据 到地面调度室的弊端，可更有效的对注水设备运行 状态和注水效果进行评伸。 2.3注水钻孔封孔工艺 封孔成功与否是煤层注水评价的主要指标。为 更好的提高封孔密闭性，在注水前选用“水泥砂浆 聚氨酯15 m封孔长度”的方案进行封孔作业。 相较于传统封孔方案，不仅优化了水泥砂浆配比， 还同时提高了封孔后的密闭性。在注水试验钻孔水 压测试中，封孔耐压最高可达26 MPa,可满足后 续注水作业要求同。 2.4注水压力测试 在注水压力测试中，注水压力的选取是注水流 109 2020年第5期 煤炭与化工 第43卷 量、注水压力和注水管路三者共同决定。当所选 BRW200型注水泵、注水管路和监测设备连接完 毕，打开泵站开关，随后逐级、缓慢提高注水压 力,观察流量计内水流变化，并绘制曲线，通过记 录注水时间、注水压力和注水流量三者数据，经汇 总分析后，确定最优注水压力。其注水压力与流量 曲线如图3所示。 5 1 . . . . . . . . . . . . / O . . . . . . . . . . . . / O 5 4 .53 .52 .51 .5O 5 4 .53 .52 .51 .5O 4. 3.Z 1.O 4. 3.Z 1.O 10 1012 1214 14 6 62 24 4 图 if cJC 压力 /MPa 3注水压力与流量 Fig . 3 Water injectio n pressure and f lo w 由图3可知，注水压力与水流量呈现壽指数升 高的趋势。在注水前期，当外部自由水进入煤层, 首先向高渗透性区域转移，此时自由水流动阻力较 小，自由水流量提升较为迅速，可快速达到4.5 n。但当进入注水后期，自由水逐渐进入煤层深 部，煤层裂隙数目与开度逐渐降低，岩性较为致 密，这使得自由水流动阻力逐渐增大，最终促使自 由水流量趋于平缓。因此，为达到高效注水的目 的，选择7 9 MPa的自由水压作为长期工作压力。 3 2-216采面长钻孔注水效果 3.1注水作业后煤层含水率变化 煤层含水率的变化是注水效果评价指标之一 O 在煤样含水率测试中，沿煤层走向延伸，取4个相 邻注水钻孔之间的煤层作为数据来源，则注水后的 煤层的平均含水率与统计数据如图4和表2所示。 7 0 010 20 30 40 煤层注水时间/h 图4注水后煤层含水率变化 Fig . 4 Chang es o f co al seam mo isture co ntent af ter w ater injectio n 表2煤层含水率统计 Table 2 Statistics o f co al seam mo isture co ntent 煤样质量虫 钻孑L编号、注水间隔/m烘干前烘干后平均水分/水分含量/ 1号130.74 29.414.531.88 1号730.26 29.094.031.38 1号11 31.4730.363.640.99 2号5 29.8828.654.121.47 2号1130.6329.384.10 1.47 2号1730.3529.12 4.071.42 由图4可知，在煤层尚未注水时，煤层平均含 水率约为3。当煤层注水后，虽然煤层内含水率 有明显升高，但自由水分布受重力影响，使得煤层 内含水率曲线并不完全相同。相邻注水钻孔附近煤 体含水率多数在5以上，部分地点在6。但距 注水钻孔较远处，煤层含水率仅变化量仅为2。 由统计结果显示，煤层注水措施可明显提高煤层内 水临量。 3.2注水作业后漂浮煤尘浓度变化 为评估煤层注水对煤尘治理效果，根据煤 层注水可注性鉴定方法要求，需分别测试采煤 机和采煤机回风平巷一侧煤尘浓度。至此，注水前 后，采面处煤尘浓度变化如图5、表3所示。 QUIdE、 * 如知蟆卯蘇迟 图5注水后煤尘浓度变化 Fig . 5 Chang es o f co al dust co ncentratio n af ter w ater injectio n 表3注水钻孔设计参数 Table 3 Desig n parameters o f w ater injectio n drilling 未注水煤尘平均值注水后煤尘 浓度 /mg *m-3 浓度 /mg -m3 平均值测试地点 466.4203.6 综采煤机 588.1513227.4212 734.2259.2 422.8211.7 回风平巷 561.9507208.6157 613.7217.3 110 赵玉玲辛置煤矿2-216采面注水降尘效率研究2020年第5期 在煤尘浓度实验中，对不同测试点使用 AZF-02型粉尘浓度测试仪进行测试工作。在注水 作业前，采煤机司机处呼吸性粉尘浓度最高达986 mg /m3,平均值在513 mg /m30当向回风平巷处移 动，新鲜风流的进入，有助于稀释煤尘的浓度值, 但此时煤尘平均值仍然在400 mg /m3,此时粉尘极 大的威胁了生产人员健康。当采面推进至注水区域 后，通过数据对比，采煤司机处煤尘含量下降至 212.1 mg /m3,回风平巷处煤尘含量降低至157 mg /m3,最大下降幅度高达36。因此，煤层注水 达到了较好的润湿煤层的目的，可有效缓解采面处 煤尘污染。 4结论 （1）根据新置煤矿赋存以及井下生产条件, 在注水系统和注水试验结果基础上，确定了最优化 的注水压力、流量。通过煤层注水的措施，提高了 煤层自由水含量，从而减少2-216综采面回采过程 中的煤尘量。 （2）煤层注水效果受煤层赋存条件、注水钻 孔布置和封孔方式共同影响。通过煤层注水作业, 改善了生产人员工作环境，在降低煤尘浓度基础 上，有效的控制了采煤机、回风平巷内的煤尘浓 度，为后续安全生产提供保障。 参考文献 [1 ] 程远平，付建华，俞启香中国煤矿瓦斯抽采技术的发展[J ]. 采矿与安全工程学报，2009 , 26 （ 2） 127- 139. 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