第4章 粘塵棒煤層注水減塵技術(shù)

第4章粘塵棒煤層注水減塵技術(shù)4煤層注水減塵技術(shù)

煤層注水的實(shí)質(zhì)是通過(guò)煤壁向煤體深部打鉆孔的辦法用壓力水濕潤(rùn)尚未開采的煤體，在開采過(guò)程中大大減少或基本抑制浮游粉塵的產(chǎn)生。動(dòng)壓水被壓入煤體后，沿著煤層中裂隙或?qū)印⒐?jié)理通道緩慢滲透流動(dòng)，水均勻分布于煤層無(wú)數(shù)細(xì)微的裂隙和孔隙之中，使煤體采前充分預(yù)濕。這種方法既能抑制回采過(guò)程中伴生的大量煤塵，又能使煤層的構(gòu)造裂隙中原生煤塵喪失飛揚(yáng)能力，是一種最為積極而有效的防塵技術(shù)，是一種治本性的防治方法[1]。

該技術(shù)廣泛應(yīng)用于潞安礦區(qū)王莊煤礦、漳村煤礦、石圪節(jié)礦等礦井并取得良好效果。下面將以王莊煤礦4339綜采工作面為例介紹長(zhǎng)鉆孔煤層注水在潞安礦區(qū)的應(yīng)用情況；以漳村煤礦2202綜采工作面為例介紹粘塵棒煤層注水在潞安礦區(qū)的應(yīng)用情況。

4.1長(zhǎng)鉆孔煤層注水

4.1.1工作面概況

4339面北臨4337已采工作面，南為4341未采工作面，西為嶺上村村莊煤柱，東接43三下山皮帶和軌道。工作面所采3#煤，賦存于二疊系山西組地層中下部，為陸相湖泊型沉積；在本工作面范圍內(nèi)，煤層厚度穩(wěn)定，煤層總厚7.06～7.30m，平均7.18m，煤層傾角一般為0°～15°，平均7.5°。全煤含夾矸五層，上部?jī)蓪?，下?層，累計(jì)厚度0.45m；煤層結(jié)構(gòu)（m）：0.25（0.10）0.30（0.14）4.2（0.03）0.45（0.15）

0.85（0.03）0.68；可采指數(shù)：Km=1；變異系數(shù)：8.42%。該煤屬低磷、低硫、中灰，高發(fā)熱量之貧瘦煤，動(dòng)力用煤。工作面傾斜長(zhǎng)185.5m；走向長(zhǎng)：730～710m，平均720m；總面積133560m2。煤層厚度6.79m，容重為1.35t/m3，回采率為93%。

4.1.2鉆孔布置

長(zhǎng)鉆孔注水主要用于長(zhǎng)壁式采煤法，鉆孔沿煤層的走向布置傾向打鉆孔。單向鉆孔能濕潤(rùn)工作面全長(zhǎng)的煤體時(shí)，直接從回風(fēng)巷或運(yùn)輸平巷平行于工作面打下向或上向鉆孔，如圖4-1所示，當(dāng)單向鉆孔不能濕潤(rùn)工作面全長(zhǎng)的煤體時(shí)，則采用雙向鉆孔注水，如圖4-2所示[2]。

圖4-1單向長(zhǎng)鉆孔注水方式示意圖

（a）上向孔；（b）下向孔

1——上平巷；2——開切跟；3——下平巷

圖4-2雙向長(zhǎng)鉆孔注水方式示意圖

1——回風(fēng)巷；2——開切眼；3——運(yùn)輸巷

4.1.3注水方法

因煤層透水性較差，如果水壓較低，很難取得良好的防塵效果。因此，必須采取動(dòng)壓注水方法[3]（圖4-3），采用5D-2/150型煤層注水泵進(jìn)行注水，動(dòng)壓注水系統(tǒng)如圖4-4所示。

圖4-3動(dòng)壓多孔注水示意圖

1——水泵；2——截止閥；3——中高壓水表；4——單向閥；5——流量調(diào)節(jié)閥；

6——水表；7——注水鋼管；8——封孔器

圖4-4長(zhǎng)鉆孔動(dòng)壓注水系統(tǒng)示意圖

1——煤幫；2——壓力表；3——截止閥；4——封孔器；5——高壓膠管；6——三通；7——截

止閥；

8——安全閥；9——快速接頭；10——膠管；11——水表；12——壓力表；13——水表；14

——水泵；

15——膠管；16——水管；17——水桶

4.1.4注水參數(shù)的確定

1）鉆孔直徑

主體鉆機(jī)直徑一般為44～70mm。如果采用封孔器封孔，則孔徑應(yīng)適合封孔器的要求；如果采用水泥砂漿封孔，封孔段的直徑應(yīng)擴(kuò)大到75～95mm。

2）鉆孔長(zhǎng)度

單向鉆孔長(zhǎng)度按下式計(jì)算；

L=Lg-S（4-1）式中：L——鉆孔長(zhǎng)度，m，

Lg——采煤工作面長(zhǎng)度，m，

S——保留煤體寬度，一般情況下。均取S=20m，而煤層透水性很強(qiáng)的向下孔，可取S=Lg，m。

雙向鉆孔的各向鉆孔長(zhǎng)度按下式計(jì)算：

（4-2）3）鉆孔間距

鉆孔間距的大小取決于煤層的透水性、滲透的向異性、煤層厚度及傾角、鉆孔方向等因素，鉆孔間距為15～20m。

4）注水流量與注水量

動(dòng)壓注水時(shí)，單孔注水流量qd=0.3～2.0m3/h。噸煤注水量在0.02～0.04m3/t之間，單孔注水量按下式計(jì)算：

Qz=k·hm·Lj·Lz·ρm·δ（4-3）式中：Qz——單孔注水量，m3；

k——鉆孔前方煤體濕潤(rùn)系數(shù)，1.1～1.3；

hm——煤層厚度，m；

Lj——鉆孔間距，m；

Lz——鉆孔長(zhǎng)度，m；

ρm——_煤的密度，t/m3；

δ——噸煤注水量，m3/t。

注水量的計(jì)算，關(guān)鍵在于噸煤注水量δ的選取。

5）注水壓力

注水壓力低于地層壓力而高于煤層瓦斯壓力。常以鉆孔的注水流量調(diào)節(jié)注水壓力，一般按下式計(jì)算：

（1.2～1.5）pw≤ps≤py，（4-4）式中：py——上覆巖層的壓力，MPa。

6）注水時(shí)間

注水時(shí)間按下式計(jì)算：

或（4-5）

式中：T——注水時(shí)間，h；

V——一個(gè)鉆孔的注水流量，m3/h。

在實(shí)際注水中，常把在預(yù)定濕潤(rùn)范圍內(nèi)的煤幫出現(xiàn)均勻“出汗”（滲出水珠）的現(xiàn)象，作為判斷煤體是否全面濕潤(rùn)的輔助方法?！俺龊埂焙蠡蛟凇俺龊埂焙笤龠^(guò)一段時(shí)間，便可結(jié)束注水。動(dòng)壓注水一般都為幾天，短的僅幾十個(gè)小時(shí)。

7）同時(shí)注水鉆孔數(shù)量

（4-6）式中：n——同時(shí)注水的鉆孔數(shù)量；

vm——工作面日推進(jìn)速度，m/d。

8）超前工作面的距離

（4-7）式中：Lc——注水超前工作面距離，m；

Lt——停止注水時(shí)鉆孔距工作面的距離，應(yīng)為8～20m。

4.1.5封孔方法及封孔深度

長(zhǎng)孔注水封口問(wèn)題是注水的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，要保證壓力水不從孔口及其附近的煤壁泄漏，就必須在一定的封孔深度下；將孔口封閉嚴(yán)密、堅(jiān)固。王莊煤礦目前綜合采用人工水泥封孔和封孔器封孔兩種方法。

1）人工水泥封孔法

（1）水泥砂漿灌注法[4]

這種方法用于下向孔。先在注水管首端距管口100mm處焊一比擴(kuò)孔直徑略小的圓盤，在管前端100mm位置捆扎少量棉紗等物，并將注水管插入孔內(nèi)，用以固定注水管和防止漏漿。注水管露出煤壁0.5m。如圖4-5所示。

圖4-5人工水泥砂漿封孔

1一鉆孔；2一擋盤；3一注水管；4一水泥砂漿

（2）人工裝填搗實(shí)法

當(dāng)封孔長(zhǎng)度較短（不超過(guò)5m），煤層傾角不太大，可采用此方法。其作法是：將普通水泥摻入一定量的砂子拌均勻，摻入少量水搓成炮泥狀，同裝填炮泥一樣，或用鏟式工具送入孔內(nèi)。為了增加填入后的密實(shí)性，每次送0.5～1.0m的填料到眼底，就應(yīng)用木楔搗實(shí)，以保證封孔質(zhì)量。此法較費(fèi)工，勞動(dòng)強(qiáng)度大且效率低下。

（3）送泥器封孔法

這種方法是通過(guò)送泥器（圖4-6）把稠水泥漿送到10m多深的鉆孔內(nèi)，所用的稠水泥與人工裝填搗實(shí)法相同。送泥器送到鉆孔內(nèi)預(yù)定位置，送泥器接頭工與鉆桿相連，鉆桿通過(guò)高壓膠管與高壓水泵連接，利用水的壓力，推動(dòng)活塞將稠水泥砂漿送進(jìn)鉆孔，反復(fù)進(jìn)行直至達(dá)到計(jì)劃的封孔長(zhǎng)度為止。

圖4-6送泥器示意圖

1——拉桿；2——接頭；3——套筒；4——壓墊；5——活塞；6——密封圈；7——螺桿這種方法的封孔長(zhǎng)度一般在10m以內(nèi)，若煤層較堅(jiān)硬，可少封。

（4）壓氣封堵法

這種方法主要用于上向孔。該法采用壓風(fēng)罐或井下壓風(fēng)管網(wǎng)的壓氣，把水泥砂漿送入鉆孔。

（5）泥漿泵封堵法。

此方法亦用于上向孔，采用諸如TBW5C/15型泥漿泵將水泥砂漿注入鉆孔。要采用不易沉淀的砂漿，這樣便于泥漿泵吸進(jìn)與排出。對(duì)孔口封堵，可采用木楔固緊、黃泥封堵的方法。

水泥封孔法勞動(dòng)強(qiáng)度較大，耗工費(fèi)料，特別是注水鋼管被埋人煤層內(nèi)會(huì)給采煤機(jī)割煤時(shí)帶來(lái)麻煩；但由于比較可靠，該礦基本上采用這種方法。

2）封孔器封孔方法

在長(zhǎng)鉆孔的封孔中，因封孔深度比較大，所以多采用封孔器封孔。使用封孔器封孔，對(duì)鉆孔質(zhì)量要求較高，孔徑要圓，孔壁要平，彎度要小，孔壁直徑比封孔器膠筒直徑大5～10mm為宜。

如圖4-7所示，螺旋式封孔器由帶螺桿的內(nèi)管、外管，螺母膠筒等組

成。封孔時(shí)旋轉(zhuǎn)手柄，帶動(dòng)螺母旋轉(zhuǎn)，使內(nèi)、外管相向運(yùn)動(dòng)，通過(guò)托盤將橡膠筒壓縮膨脹，將孔壁封住。水經(jīng)封孔器內(nèi)管進(jìn)入鉆孔，注水結(jié)束后，松退螺母，橡膠筒靠本身彈力恢復(fù)原形，從鉆孔取出。如果封孔較深，操作時(shí)時(shí)可增加內(nèi)外套管長(zhǎng)度和膠筒數(shù)量。

圖4-7螺旋式封孔器

1——接頭；2——螺母；3——手柄；4——墊板；5——定向銷；6——套管；7——螺桿；8一

傳力墊；

9一外管；10——內(nèi)管；1l——托盤；12——膠球；13——螺帽；14——手柄水力膨脹封孔器由噴咀1、脹芯接頭2、“O”型密封圈3、螺套4及膨脹膠管5組成（圖4-8）。其工作原理是：壓力水進(jìn)入封孔器，水流從噴咀流出時(shí)產(chǎn)生壓力降，膨脹膠管內(nèi)的水壓升高，將膠管膨脹，封住鉆孔。

圖4-8膨脹式封孔器

1——噴咀；2——脹芯接頭；3——“O”型密封圈；4——螺套；5——膨脹膠管3）封孔深度

封孔深度取決于注水壓力、煤層的裂隙發(fā)育程度、沿巷道邊緣煤體的破碎帶寬度、煤的透水性及鉆孔方向等。一般注水壓力高、煤層裂隙發(fā)育及煤層滲透水性能強(qiáng)的上向鉆孔，其封孔深度要大。原則上封孔深度必須超過(guò)破碎帶寬度，而且在煤層的濕潤(rùn)范圍未達(dá)到預(yù)計(jì)的濕潤(rùn)半徑之前，不得從巷道滲水，更不得跑水。一般是通過(guò)實(shí)驗(yàn)定出合理的封孔深度。王莊煤礦4339工作面的封孔深度通常是2.5～10m，有的大于

10m。

4.1.6注水設(shè)備器材

煤層注水所使用的設(shè)備器材主要包括鉆機(jī)、水泵、封孔器、分流器及注水水表等。[5]

1）鉆機(jī)

王莊煤礦注水常用的鉆孔設(shè)備如表4-1所列。

表4-1常用煤層注水用鉆機(jī)一覽表

鉆機(jī)名稱功率（kw）最大鉆孔深度（煤

層）（m）

備注

KHYD40KBA型原YDX40A

礦用隔爆電動(dòng)巖

石鉆280型旋轉(zhuǎn)式巖

石電鉆

2）注水泵

注水泵是動(dòng)壓注水的主要設(shè)備，按注水條件和供水方式分為2類：一類是由固定集中泵站供水的大流量注水泵；另一類是移動(dòng)式的小流量注水泵。后者因可以節(jié)省大量高壓供水管路，且較經(jīng)濟(jì)和方便，故采用較多。

該礦廣泛使用5D-2/150型或5BG-2/160型煤層注水泵。

3）封孔器

在長(zhǎng)鉆孔煤層注水中采用以下2種封孔器進(jìn)行封孔：

（1）YPA型水力膨脹式封孔器，如圖4-9所示。這是常用的一種水力驅(qū)動(dòng)封孔器。使用時(shí)，將封孔器與注水鋼管連接起來(lái)送至封孔位置，通過(guò)高壓膠管與水泵連通。開泵后壓力水進(jìn)入封孔器，水流從封孔器前端的噴嘴流出后進(jìn)入鉆孔，同時(shí)產(chǎn)生壓力降，膨脹膠管內(nèi)的水壓升高，將膠管膨脹，封住鉆孔。注水結(jié)束后，封孔器膠筒將隨壓力下降而恢復(fù)原狀，可取出備用。

圖4-9YPA型水力膨脹式封孔器

1——擋水罩；2——噴嘴；3——“O”形密封圈；4——外套；5——芯子；6——膨脹膠管（2）MF型摩擦式封孔器，如圖4-10所示。封孔時(shí)將封孔器與注水管（鋼管）連接起來(lái)，送至鉆孔內(nèi)的封位置。順時(shí)針旋動(dòng)注水管，使其向前移動(dòng)，這時(shí)橡膠密封筒被壓縮而徑向脹大，封住鉆孔。注水結(jié)束后，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)注水管，密封膠管卸壓，膠筒即恢復(fù)原狀，可從孔中取出。

圖4-10MF型摩擦式封孔器

1——注水管；2——連接器；3——推壓器；4——墊圈；

5——密封膠筒；6——中間隔墊}7——短管螺母；8——安全銷4）分流器

分流器是動(dòng)壓多孔注水不可缺少的器件，其動(dòng)作原理是根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)壓力平衡原理設(shè)計(jì)制成的。流量調(diào)節(jié)是由滑閥及其支撐的彈簧完成的。水進(jìn)入后，閥體由于前后的壓力變化而移動(dòng)，將一個(gè)環(huán)形閥隙擴(kuò)大或縮小從而保持恒定的流量。

5）水表

當(dāng)注水壓力大于1MPa時(shí)，應(yīng)采用高壓水表，如DC-4.5/200型注水水表，耐壓20MPa，流量4.5m3/h；注水壓力小于1MPa時(shí)，可采用一般的自來(lái)水水表，如LXS-67型旋翼濕式水表等。

6）壓力表

煤層注水壓力表為普通壓力表，壓力表表面的指示壓力應(yīng)為注水管中最大壓力的1.5倍，水泵出口端的壓力表，其最大指示壓力應(yīng)為泵壓的1.5～2倍。

7）注水器材

煤層注水由于選擇的參數(shù)不同，選用的器材也不相同。動(dòng)壓高壓注水采用高壓截止閥、鋼絲編織作襯墊的高壓膠管及接頭，供水管路采用無(wú)縫鋼管。

4.2粘塵棒煤層注水

4.2.1粘塵棒制作工藝

為提高注水效果，在研究粘塵棒配方的基礎(chǔ)上，制作出了一種能直接插入注水鉆孔的