瓦斯抽放钻孔动静压煤层注水降尘技术研究_张文康.pdf

第42卷第03期2023年03月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.03Mar.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.03.0370引言现代化煤矿开采机械化水平不断提升，粉尘污染问题愈加严重，井下工作面特别是综采工作面粉尘浓度高达3 000 mg/m3，不仅危害井下工人身体健康，也不利于煤矿井下的安全生产。为解决粉尘污染问题，众多学者对煤层注水降尘、喷雾降尘、气幕控除尘、个体防护等技术开展了大量的研究。其中煤层注水通过增加煤层的水分含量，降低了煤体在破碎、掉落时的产尘能力，同时降低了粉尘的飞扬能力，从源头上减少了粉尘的产生，并广泛用于煤矿粉尘治理。但是由于我国部分煤矿的煤层润湿性较差，传统的静压注水注水量低，不能使煤体充分润湿，降尘效率只有30%40%，降尘效果差。针对上述问题，本文在一定的研究基础上开展瓦斯抽放钻孔动静压煤层注水降尘技术的研究。1工程概况陈四楼煤矿21210采煤工作面主采2煤层，走向长度855897 m，倾向长度62.6175.8 m，面积140 839 m2，平均厚度2.48 m，煤层倾角316，平均8，煤层水分含量（2.24%）较低，煤层孔隙率（9.49%）较高、坚固性系数（0.84）较为坚固、亲水性差（弱亲水性煤层），属于不可注煤层。在进行采煤机截煤作业时，司机位置原始总粉尘浓度达1 862.5 mg/m3，司机后10 m处粉尘浓度也达到了1 321.3 mg/m3，粉尘污染严重，严重威胁作业场所人员身心健康。为了解决综采工作面粉尘污染严重的问题，在煤层注水的理论基础上，利用原有瓦斯抽放钻孔与新打钻孔开展瓦斯抽放钻孔动静压联合煤层注水的瓦斯抽放钻孔动静压煤层注水降尘技术研究张文康1，丁志权2，刘涛2，颜鸽来2（1.河南龙宇能源股份有限公司 陈四楼煤矿，河南 商丘476600；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400037）摘要：为了解决综采工作面难湿润煤层注水效果差、粉尘浓度高的问题，以陈四楼煤矿21210采煤工作面主采2#煤层为研究背景，开展基于瓦斯抽放钻孔动静压煤层注水降尘试验研究。采用瓦斯抽放钻孔动静压联合注水工艺进行煤层注水，通过计算及现场试验得到了适合该煤层的注水参数，注水压力8 MPa，按1.5%的水分增量来计，煤层湿润半径达到4 m，司机处以及司机后10、15、20、30 m处的降尘效率分别达到了62.1%、59.0%、55.6%、53.9%、51.1%，该工艺取得了良好的降尘效果。关键词：瓦斯抽放钻孔；动静压；注水参数；湿润半径；降尘效率中图分类号：TD714文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）03 196 04Study on Water Injection and Dust Reduction Technology of Dynamicand Static Pressure Coal Seam in Gas Drainage BoreholeZHANG Wenkang1，DING Zhiquan2，LIU Tao2，YAN Gelai2（1.Chensilou Coal Mine,Henan Longyu Energy Co.,Ltd.,Shangqiu 476600,China；2.China Coal Technology andEngineering Group Chongqing Research Institute,Chongqing 400037,China）Abstract:In order to solve the problems of poor water injection effect and high dust concentration indifficult to wet coal seam in fully mechanized mining face,taking No.2 coal seam in 21210 coal face ofChensilou coal mine as the research background,the experimental research on water injection and dustreduction in dynamic and static pressure coal seam based on gas drainage borehole is carried out.Thedynamic and static pressure combined water injection process of gas drainage borehole is used for coalseam water injection.Through calculation and field test,the water injection parameters suitable for thecoal seam are obtained.The water injection pressure is 8 MPa.According to the water increment of1.5%,the wetting radius of the coal seam reaches 4 m,and the dust reduction efficiency at the driverand 10 m,15 m,20 m and 30 m behind the driver reaches 62.1%,59.0%,55.6%,53.9%and 51.1%respectively.The process has achieved good dust reduction effect.Key words:gas drainage drilling；dynamic and static pressure；water injection parameters；wettingradius；dust suppression efficiency196第42卷第03期Vol.42 No.03瓦斯抽放钻孔动静压煤层注水降尘技术研究张文康，等研究。2瓦斯抽放钻孔动静压煤层注水工艺研究2.1钻孔选择及布置为了减轻煤层注水钻孔施工量，陈四楼煤矿综采工作面注水工作依托瓦斯抽放钻孔进行。陈四楼煤矿综采工作面顺槽有下巷、上巷和中间巷，3条巷道均布置有瓦斯抽放钻孔。为了减少泵站安装和高压管路铺设工程量，煤层注水实验地点选择在有喷雾泵站的那条巷道进行。例如21210综采工作面，其设备列车和喷雾泵站均靠近综采工作面中间巷，因此煤层注水试验工作选择在21210综采工作面中间巷8方位（工作面巷道右帮，Z下行系列钻孔）进行。同时为了安全起见，试验在综采工作面中间巷右帮的瓦斯浓度较低区域进行，并且要求试验用抽放孔瓦斯涌出浓度低，达到无需抽放方可开展试验工作。陈四楼煤矿井下顺煤层瓦斯抽放钻孔间距有0.6、1.8、2.3、3.3、4、4.5、4.7 m，考虑到钻孔过近一般意味着该地点瓦斯浓度较高，同时容易导致串孔现象发生，因此间距小于3 m的瓦斯抽放钻孔均不用于注水试验。钻孔使用CMS1-4500型履带式液压钻车、73 mm1m三棱钻杆、94 mm钻头施工。钻孔方位角188，倾角-12，与巷道夹角90，孔深100 m，距离底板1.4 m。钻孔布置如图1所示，同时扇形抽放孔区域不注水。图1瓦斯抽放钻孔用于煤层注水布置示意图2.2封孔封孔工艺来自于陈四楼煤矿 21210工作面施工瓦斯抽采钻孔安全技术措施（中间巷）。在综采工作面已有瓦斯抽放钻孔条件下，有2种封孔工艺，其中“防静电筛管+封孔器”封孔工艺由于瓦斯抽放管内放置有直达孔底的筛管，抽放管内难以放置橡胶注水封孔器，不能用于煤层注水作业。采用“防静电直管+合成树脂”封孔工艺。“防静电直管+合成树脂”封孔工艺中瓦斯抽放管长33 m；孔内水泥砂浆封孔位置分别在孔深3 m和23 m处，水泥砂浆封孔长度20 m；考虑到瓦斯抽放管内径40 43 mm，因此选用FKSS-33/40/6注水用橡胶封孔器，其外径33 mm，自由膨胀范围4560 mm，适应孔径40 mm，工作压力6 MPa，试验压力9 MPa，最小爆破压力12 MPa。瓦斯抽放管钻孔处锯断后橡胶封孔器插入抽放管深度610 m处，此处抽放管外部为实体水泥砂浆，能够防止抽放管爆裂现象发生。2.3煤层注水系统布置及参数2.3.1系统布置煤层注水系统主要包括水箱、喷雾泵、双功能水表（监测注水压力和流量）、注浆管等组成。系统布置如图2所示。图2煤层注水系统布置示意图1.井下静压水管2.水箱3.喷雾泵4.巷道供水管5.注水支管6.截止阀7.SGS双功能水表8.注浆管（瓦斯抽放管）9.煤体靠近21210综采工作面中间巷布置有设备列车，设备列车上安装有1套喷雾泵站，为2泵1箱配置，喷雾泵型号为BPW320/10型矿用喷雾泵。喷雾泵的承压能力和喷雾流量，可以用于瓦斯抽放孔煤层注水。为了避免与采煤机冷却系统相互干涉，其中1个泵用于采煤机冷却供水，另外1个泵专门用于煤层注水。煤层注水时单独安装1趟高压管路通往采煤机高压喷雾降尘装置，与原有采煤机冷却用水管路并行铺设。在此情况下，用于煤层注水的泵可以同时用于采煤机高压外喷雾，需要保证喷雾泵运行可靠，能够长期运行。2.3.2工艺参数根据现场的试验条件及钻孔布置参数，通过经验公式计算得出煤层注水的工艺参数如下：（1）试验条件及钻孔布置参数煤的密度=1.4 t/m3；采高H=2.75 m；钻孔间距B=4 m；钻孔长度L=80 m；工作面推进进度S=7.2 m/d；停止注水时钻孔距工作面的距离X=2030 m；单孔注水流量V=0.6 m3/h。（2）工艺参数根据经验公式计算得到，单孔注水量Q=20.3 m3；动压注水压力p=8 MPa；注水时间：按每天2班注水、1班检修，每天注水时间不少于16 h计算，得出注水的天数Td=2.1 d，实际为3 d以上；注水超前工作面距离Xc=3040 m，为了保证有充足的注水1.4 m回采面2803中间巷抽采钻孔-断面图4 mZ279Z2782803中间巷右帮1.4 m4 mZ277工作面煤体123456789197时间，实际按50 m考虑；同时注水钻孔数量N=5个。3注水及效果考察3.1煤层湿润半径考察（1）注水方法将注水孔注水套管接头与注水系统的注水支管连接稳固，并检查各管路部件是否连接可靠；开启注水泵注水前，确保注水泵出水口与水箱相连的回水阀门处于开启状态。开启注水泵注水时，通过缓慢调节注水系统中的回水阀门开度大小，使注水压力达到预定注水压力，注水压力由注水泵上的压力表读出。当煤壁、邻近注水孔出水或注水压力下降30%时停止注水；注水过程中，若在较短注水时间内（1015 min）煤壁或邻近孔就出水，则该注水孔报废，应提高封孔效果并合理选择注水孔位置；若注水时间较长（30 min），且通过监控装置读出注水流量变化较小时，说明注水压力较小，应提高注水压力。（2）测试方法注水时间在设计的注水压力条件下，用秒表记录注水孔或相邻注水孔或者煤壁渗出水的时间T。注水压力及注水量利用连接在注水管路上的监控装置进行读取并记录注水压力p及注水量Q。煤体原始水分含量在进行注水前，采用螺旋钻杆对煤壁每10 m的位置进行取样，取样50 g左右即可，并进行编码，再在实验室采用全水分法测量煤的全水分含量。注水后煤体全水分含量在煤体注水后，依据图3测试钻孔布置图依次打孔，并按照原始水分测量法进行取样测量全水分含量。煤体注水后的湿润半径分析计算注水后不同距离测试孔的水分增量，按照水分增量1.5%来判定煤体的湿润半径。（3）测试结果在8 MPa煤层注水情况下，1#、2#、3#、4#、5#孔为测试孔，分别距离注水孔2.5、3、3.5、4、4.5 m，设计孔深均为80 m，钻孔布置图如图3所示。注水时间3 d（每天检修班8 MPa注水压力注水，动压注水时间68 h，其余时间静压水注水）。对不同距离测试孔下水分增量测试数据进行分析，结果如图4、图5所示。图3测试钻孔布置示意图图4平均水分增量与距注水钻孔距离的关系图图5距注水钻孔不同距离水分增量与孔深的关系图由图4、图5可以看出，随着测试孔距离注水孔越远，所测试的水分增量越来越低；在孔深2070 m内，水分增量最高；按照1.5%的水分增量标准，该试验条件下注水后煤体湿润半径可达4 m。3.2降尘效果考察为了考察综采工作面注水降尘效果，在综采工作面开展了8 MPa注水压力条件下的降尘效率测试。采用中煤科工集团重庆研究院有限公司生产的CCZ20型呼吸性粉尘采样器，采样流量误差2.5%；根据AQ 10202006煤矿井下粉尘综合防治技术规范对采煤机司机位置及机组下风侧1030 m处的粉尘浓度进行采样；根据工作面粉尘浓度大小采样持续1 min，采样流量20 L/min，采样期间不开启喷雾，测试结果如表1所示。表1煤层注水降尘效率考察可以看出，通过煤层动静压联合注水方式，粉尘的降尘效率提高至50%60%，尤其是司机处粉尘降尘效率达到62.1%，大大改善了掘进机司机的作业第42卷第03期瓦斯抽放钻孔动静压煤层注水降尘技术研究张文康，等Vol.42 No.03测试位置原始粉尘浓度/mgm3注水后粉尘浓度/mgm3降尘效率/%司机处1 862.5705.062.1司机后10 m1 321.3541.359.0司机后15 m983.8436.755.6司机后20 m592.5273.353.9司机后30 m412.5201.751.1109876543212.5 m3.0 m3.5 m4.0 m4.5 m5#孔4#孔3#孔2#孔1#孔注水孔距注水孔左侧距离/m水分增量/%765432102.53.01.53.54.04.5水分增量/%1.5100孔深/m2030405060708090198环境，该工艺取得了良好的效果。4结语（1）采用瓦斯抽放钻孔煤层注水，降低了钻孔的工程量及成本，提高了煤层注水的效率，保证工人身体健康和矿井安全高效的运行。（2）通过煤层动静压联合注水方式，得到煤体钻孔湿润半径达到了4 m，提高了煤体的水分含量，极大地减少了注水孔的施工，进而提高了降尘效率。（3）测尘结果表明，通过煤层动静压联合注水方式，粉尘的降尘效率提高了1倍左右，该注水工艺在综采工作面取得了良好的降尘效果。参考文献：1王维虎.煤层注水防尘技术的应用现状及展望J.煤炭科学技术，2011,39(1):57-60.2陈芳，刘勇，马威，等.综放工作面动静压联合注水降尘技术研究J.煤炭科学技术，2015，43(5):67703尚玮炜，赵辉.综放工作面煤层注水试验研究J煤炭技术，2010,29(12):60-61.4徐恒恒，刘涛，鲁轲，等.综采工作面煤层注水系统及粉尘治理效果研究J煤矿机械，2017,38(7):23-25.5曹康康.综放工作面煤层注水参数与效果研究J山东煤炭科技,2020(4):98-100.6李张晋.分段封孔动压注水降尘技术应用研究J山东煤炭科技,2019(6):93-95,98.7张劲松,武腾飞.综采工作面煤层注水降尘技术试验研究J.煤炭技术，2016,35(10):173-175.8闫东东.综采工作面注水降尘技术应用J江西煤炭科技,2019(3):45-47.9熊祖强，袁广玉，陶广美.综放工作面注水降尘技术J西安科技大学学报,2013,33(4):394-399.10刘涛，郭胜均，李爱菊，等分段式注水对湿润半径影响的试验研究J矿业安全与环保，2009，36(S1):810,1311张健，徐明，刘涛，等分段封孔注水提高煤层注水效果的应用研究J矿业安全与环保，2016，43(2):79 8312高世宁.万家庄煤业煤层注水降尘试验研究J山东煤炭科技,2020(10):130-132.13杨磊，程详.优化注水参数 完善注水工艺 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