三软突出煤层钻进作业瓦斯喷孔123Word文档下载推荐.docx
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单位代码：
10460
“三软”突出煤层钻进作业瓦斯喷孔
及煤尘处理
Thetreatmentofgassprayholesandcoaldustindrillingoperationsof"
Threesoft"
coalseam
申请人姓名
谢劲松
申请学位
工程硕士
学科专业
矿业工程
研究方向
煤层气（瓦斯）抽采理论与技术
导师
魏平儒
职称
教授
提交日期
2015.10
答辩日期
2015.12
致谢
在“好学力行，勤勉求是”的学习氛围中，两年半的研究生学习生涯即将结束。
感谢母校为我的成长提供优良的育人环境，感谢能源科学与工程学院的各位老师为我的学业尽心尽责，在今后的学习和工作中我会谨记你们的教导，继续学习，努力奋进!
感谢我的导师魏平儒教授在我学业上给予的悉心指导，在我的生活上给予的莫大帮助，真心祝福您工作顺利、身体健康!
感谢郑煤集团通风管理部翟华、尚政杰，工程技术研究院张建甫在我撰写论文过程中的热心指导，你们严谨认真的治学态度使我受益匪浅；
论文数据搜集过程中，得到郑煤集团领导的大力支持，在此表示衷心的感谢!
在我的毕业论文撰写过程中，感谢魏风清老师的热心指导；
另外，我的师兄弟马恒远在论文的谋篇布局、数据的筛选等方面给予的帮助；
真心地祝愿他们学业有成、前程似锦!
感谢我的家人几十年如一日默默地支持我、鼓励我，你们辛苦了!
最后，向百忙之中审阅论文的各位专家、教授致以崇高的敬意，衷心地感谢参加论文答辩的各位评委!
摘要
郑州矿区所采二1煤层为“三软”不稳定突出煤层，透气性差，属较难抽放煤层，煤层瓦斯抽放钻孔施工效率低，抽放浓度低，抽放影响半径小，钻孔施工工程量大，抽放效果差。
为及时处理钻孔时喷出的煤与瓦斯以及合理的收集所产生煤尘粉尘，结合郑州矿区所采二1煤层特点建立独立的抽放系统，综合运用多相流流动理论、弹性力学理论、水射流理论等结合流体动力学计算，通过理论计算和现场试用改进完善的设计思路，研制出了“三软”突出煤层钻进作业瓦斯喷孔治理装备和煤尘处理系统装备。
设计出了一套完善的防喷孔系列装备，将钻孔施工和水力增透过程中异常喷出的水、煤及高瓦斯混合气体收集到一个封闭空间内安全排出，达到抑制瓦斯超限和保证连续施工的目的。
同时实现防喷孔处理瓦斯超限时能达到系统自动关闭，加入粉尘收集装置，以改善井下工作环境，提高工人工作效率，减少煤尘对精密机械设备寿命的影响。
最终研制出了钻孔三防密封瓦斯处理器和高突矿井钻孔的三防装置以及气机双联封闭装置的整套程序，对高突矿井钻孔施工过程中的瓦斯防治和煤尘防治具有极大帮助，完全满足煤矿安全生产需要，解决了煤矿安全生产的重大问题。
关键词：
三软煤层；
瓦斯喷孔；
粉尘收集；
密封;
瓦斯超限
Abstract
No.II1coalseaminZhengzhoucoalminingarea,asanunstable"
threesoft"
outburstcoalseam,hasthecharacteristicsofpoorpermeability,difficultyingasdrainage,lowinefficiencyindrillingconstruction,lowdrainagedensity,
smallinfluencingradiusofdrainage,heavyengineeringquantityofdrillingconstructionandpooreffectofgasdrainage.Forthetimelydisposalofcoalandgasaswellasthereasonablecollectionofdustandcoaldustgeneratedfromthedrillingprocess，thisstudybuiltanindependentdrainagesystembasedonthecharacteristicsofNo.II1coalseaminZhengzhoucoalminingarea,thenbytheintegrateduseofMultiphaseFlowTheory，ElasticityTheoryandWaterJetTheory，thedesignideawasimprovedthroughtheoreticalcalculationandfieldtests,thisstudyfinallydevelopedtheequipmentsforgasorificecontrollingandcoaldustdisposalingasdrillingoperationsof"
outburstcoalseam.Thisstudydesignsacompletesetoforificepreventionequipment,whichsafelyreleasesthewater，coalandgasabnormallyejectedduringtheprocessesofdrillingconstructionandhydraulicantireflectionwhichiscollectedintoanenclosedspace,forthepurposeofsuppressingGasConcentrationExceedingLimitsandensuringunremittingconstruction.Meanwhile,ifGasConcentrationExceedingLimitwasreached,thesystemwouldautomaticallyshutdown，andstartupthedustcollectiondevice,itwillimprovetheundergroundworkingenvironment，workerefficiencyandreducetheimpactofcoaldustonthelifeofprecisionmachineryandequipment.ThisstudyeventuallydevelopedathreeAnti-sealinggasprocessorindrillingprocess,three-defenseequipmentforhighdensityminesandasetofprogramsfordoubleclosedequipment,whichwillbeconsiderablyhelpfulingasandcoaldustpreventionindrillingprocessofhighdensitymines,fullymeetthesafetyneedscoalofmineproductionandsolveamajorproblemofcoalmineproductionsafety.
Keywords：
Threesoftseam；
Gasinjectionholes;
dustcollection;
seal;
GasConcentrationExceedingLimit
目录
摘要I
目录V
1绪论1
1.1研究背景及目的1
1.2国内外研究现状2
1.2.1防喷孔技术及装备2
1.2.2煤尘处理技术及装备3
1.3主要研究内容6
1.3.1研制适应“三软”煤层的防喷孔处理技术及装备6
1.3.2顺层钻孔施工煤尘处理成套装备6
1.4防喷孔防尘装置6
1.4.1防喷孔处理成套装备6
1.4.2防尘处理成套装备6
2试验区基本情况9
2.1大平煤矿简介9
2.1.1矿井基本情况9
2.1.2实验区瓦斯及煤尘11
2.2白坪煤矿简介11
2.2.1矿井基本情况11
2.2.2实验地点的瓦斯和煤尘13
3“三软”煤层钻进作业防喷孔防煤尘技术及装备15
3.1技术及装备研究的关键15
3.2解决方法16
3.2.1封孔集流装置设计和材料选择16
3.2.2瓦斯喷孔动量及封孔强度18
3.2.3储煤仓容积24
3.2.4储煤仓的泄煤速度26
3.2.5自动闭锁装置的解决方案29
3.3样机制造和工业性试验30
3.3.1样机制造30
3.3.2工业性试验30
3.4设备原理及技术参数32
3.4.1工作原理32
3.4.2设备技术参数和使用方法33
3.5本章小结34
4顺层钻孔煤尘处理系统35
4.1设备研制的关键技术35
4.2解决方案36
4.2.1体积小重量轻的解决方案36
4.2.2煤尘的收集处理装置36
4.2.3煤尘自动排放装置的解决方案45
4.2.4微尘处理装置45
4.3样机制造与试验50
4.4煤尘处理设备工作原理及安装使用过程52
4.5本章小结53
5工业性试验及效果55
5.1“三软”煤层防喷孔设备试验及效果55
5.1.1工业性试验55
5.1.2达到的技术指标55
5.2顺层钻孔施工煤尘处理设备试验及达到的技术指标56
5.2.1工业性试验56
5.2.2达到的技术指标56
5.3本章小结57
6设备的技术特点59
6.1防喷孔技术及装备的特点59
6.2顺层钻孔煤尘处理系统的特点60
6.3社会经济效益分析60
6.4推广前景61
6.5本章小结61
7论文结论63
参考文献65
作者简历67
1绪论
1.1研究背景及目的
瓦斯和煤尘是煤矿井下生产过程中主要的安全隐患，是影响煤矿安全生产及职工健康的主要因素。
随着煤矿开采深度的进一步增加，开采强度的加大，机械设备的大量使用，瓦斯和煤尘的危害越来越严重，给矿工的生命安全造成极大的威胁。
郑州矿区所采二1煤层为“三软”不稳定突出煤层，透气性系数为0.000472～0.0467m2/（mPa2.d），属较难抽放煤层，煤层瓦斯抽放钻孔施工效率低，抽放浓度低，抽放影响半径小，穿层钻孔工程量大，瓦斯抽采成本高，预抽时间长、浓度低。
为解决该问题，郑煤集团大力推进底板岩石巷道穿层钻孔卸压增透技术，在实施水力冲孔或其他水力增透技术时，经常遇到喷孔、瓦斯超限等不安全因素，影响穿层钻孔工程进度，限制同一底抽巷水力冲孔泄煤增透作业点个数，不能有效保证底板岩巷施工人员和水力冲孔作业人员安全。
同时集团公司所属的突出矿井，煤巷掘进工作面、采煤工作面均要采取底板岩石巷道穿层钻孔卸压增透措施，在穿层钻孔水力增透作业时，由于“三软”煤层的自然特性，钻孔中注入高压水，松软的煤粉随之冲出，煤层中瓦斯也随之释放，煤层中形成空洞。
在煤层和钻孔空洞之间压力梯度作用下，煤体进一步松动、垮塌，造成煤层中的瓦斯进一步释放。
由于瓦斯分布的不均匀性，极易在施工过程中出现煤与瓦斯共同喷出，造成瓦斯超限，对现场施工造成隐患。
各矿在施工水力冲孔时，也采取了不少防喷孔和防瓦斯超限措施，但是效果都不够理想。
2012年白坪矿11231底抽巷、张沟矿16091下付巷底抽巷等均发生过喷孔引起的瓦斯超限。
开采二1煤层为“三软”煤层的郑州矿区，煤质松软（f值为0.1～0.3），顺层钻孔施工过程中，为保证正常钻进及成孔率，目前大都采用风力排粉方式，这样就造成巷道内粉尘到处飞扬，施工钻孔时巷道风流中粉尘浓度500～1200mg/m3。
作业场所风流中粉尘浓度增高，能见度低，环境变差，导致钻孔施工零打碎敲事故较多。
当钻孔施工地点风流中煤粉浓度达到爆炸界限易造成煤尘爆炸群死群伤恶性事故。
钻孔施工从员长期在高浓度场作业，影响作业人员人身健康，易诱发尘肺病等慢性职业病。
此外高浓度的粉尘还会影响其矿山机电设备的使用寿命和大修周期，造成经济损失。
以上问题给郑煤集团所属矿井的瓦斯煤尘防治工作造成很大压力，郑煤集团瓦斯防治技术人员设计加工了防喷孔、防尘装置，但效果不理想，以上问题如果不及时解决，钻孔施工水力增透措施和顺层钻孔打钻释放瓦斯措施就难以实现高效，从而影响矿井正常的生产接替。
为此，郑煤集团公司与河南碧源科技公司、河南理工大学合作，选择郑煤集团大平矿、白坪矿开展瓦斯抽采钻孔施工防喷孔及粉尘治理项目研究，我作为集团公司通风管理部技术人员全程参与了该项目。
针对上述问题进行多次论证及反复研究，通过建立独立的抽放系统，研制完善的防喷孔系列装备，将钻孔施工和水力增透过程中异常喷出的水、煤及高瓦斯混合气体收集到一个封闭空间内安全排出，保证作业场所瓦斯抽采钻孔安全、快速、连续施工。
同时研制粉尘收集装置，以改善井下工作环境，提高工人工作效率，减少煤尘对精密机械设备寿命的影响。
综上所述，项目研究的目的和意义为：
①当钻孔施工过程中出现喷孔时，及时控制喷出的煤体和瓦斯，杜绝喷孔引起的瓦斯超限事故。
②在底抽巷及顺层钻孔施工作业过程中，大幅降低作业场所风流中的粉尘浓度，增大作业场所的清晰度，有效提高作业人员的环境质量，降低员工职业病的发病概率，同时减少煤尘对井下精密设备的磨损，提高其使用寿命。
③减少作业环境粉尘量，防止产尘作业中的煤尘弥散，杜绝瓦斯和煤尘等恶性事故的发生。
1.2国内外研究现状
1.2.1防喷孔技术及装备
喷孔是“三软”煤层钻孔施工中常见的现象，无预兆，速度快，有一定的动力现象，就像小型的煤与瓦斯突出，严重威胁作业人员安全，这种现象主要是煤岩应力、瓦斯压力和构造软煤等因素联合作用的结果[1-2]，在同一条标高相近的走向底抽巷或顺层煤巷中，主要是构造软煤和瓦斯压力的作用[3-4]。
钻孔喷孔主要有两种。
（1）主要由瓦斯和应力引起的喷孔
当钻头接触到“三软”煤层软煤分层时，钻头的旋转切削作用，对软煤产生一种挠动和冲击、破碎力，这种强大的外力迫使软煤体破裂、粉碎，从原始煤体脱落了的碎煤，立即发生瓦斯析出，随着钻孔钻进，孔周边挠动煤体的瓦斯加速的从吸附状态变为游离状态，瞬时间钻孔中的瓦斯大量涌出，由于瓦斯快速解析，钻孔周围煤体就出现了较大的瓦斯梯度，形成显著的瓦斯流动，带压的瓦斯流体对切削的软煤粒推移运动，与此同时还连续向孔洞周围扩大影响半径，这时如果钻孔与钻杆之间间距小和钻孔内煤屑排出不及时，瓦斯流体与煤颗粒混合气体不能顺利的排出孔外，形成钻孔梗阻，进一步加大了钻孔内外的压力差，导致钻孔瓦斯正常涌出转变为爆发性的孔内瓦斯向巷道空间激流，造成喷孔。
（2）由钻孔堵塞引起的喷孔
由于打钻采用水力排粉或煤层中本身有裂隙水，钻头钻进从煤体中剥离的碎煤颗粒不能顺利排到孔外会造成钻杆与钻孔之间排粉通道堵塞，一般会在钻孔的浅部（10-20m的范围内）出现堵孔现象。
造成堵孔的原因也有因供风风压和风量不够、水量不足，排渣不畅，出现堵孔。
因堵孔形成钻孔挠动煤体内向外解析的瓦斯无法顺畅排出，孔内瓦斯混合气体压力不断增大，孔内与巷道空间形成较大的压力差，堵塞力阻挡不住孔内高压气体时，就会瞬时喷孔。
为研制防喷孔装置及防尘装置，我们查阅了大量的技术资料，多次请教专家教授，并到重庆煤科院、西安煤科院、中国矿业大学、山东、安徽等科研院校调研。
大量的前期调查发现：
①淮北矿业集团公司、重庆市能源投资集团公司和淮南矿业集团公司研发过打钻防喷孔装置，但因煤体强度和煤层赋存的差别大，其装置在“三软”煤层中并不实用。
②国外如法国、澳大利亚、美国、德国等对突出矿井基本不进行开采，没有类似设备。
国内较大科研生产机构如重庆煤科院、西安煤科院、沈阳煤科院等也无研究生产针对郑州矿区“三软”煤层的防喷孔装置及防尘装置。
③与郑州矿区相邻的义煤集团、平煤集团煤层赋存条件与郑煤集团所属矿井相似，在底抽巷穿层钻孔、煤巷顺层钻孔施工过程中有使用自制防喷孔、防煤尘装置的矿井，但在使用过程中存在问题较多，主要问题汇总如下：
（1）所用防喷孔设备大都为矿井自己加工，功能简单，操作繁琐，设备粗糙；
（2）大多采用密封箱体保存打钻过程中排出的煤与水，箱体充满后需人工清空箱体，浪费大量的工时和劳动力，且不能保证连续作业。
（3）安全性不能保证，相关设备设计均没有考虑防静电的要求；
（4）不具备喷孔自动闭锁功能，大量的煤与瓦斯涌入密封箱体后，高压力的瓦斯容易从钻孔孔口处喷出，造成瓦斯超限事故。
1.2.2煤尘处理技术及装备
国际标准化组织规定，对于颗粒直径小于75微米的固体悬浮空气中的物质定义为粉尘。
按矿尘粒径划分①粗尘，粒径大于40微米，这种尘粒在空气中容易沉降；
②细尘；
粒径10－40微米之间，人眼可观察到，若处于静止空气会加速沉降；
③微尘；
颗粒直径0.25－10微米，利用光学显微镜能观察到，若处于静止空气会等速沉降；
④超微尘；
颗粒直径小于0.25微米，利用电子显微镜能见，具有扩散的动力。
当矿井巷道风流中煤岩粉尘浓度达到一定范围的时候，化验有有煤尘爆炸危险的煤尘遇高温火源会产生煤尘爆炸。
郑煤集团公司主要生产的山西组二1煤层普遍具有煤尘爆炸危险性，当煤尘浓度达到爆炸范围时不可避免的会发生煤尘爆炸[5]。
人员在高浓度粉尘环境作业，经呼吸系统进入人体肺部，长期吸入大量的粉尘会增加人体患尘肺病的概率[6]。
罹患了尘肺病，不仅给尘肺病人造成极大的痛苦，寿命也将因此而缩短，给企业、个人、集体和国家造成重大的经济损失[7]。
2005年我国新增尘肺病9173例，其中煤炭行业占到4477例，占比48.8%[8]。
通过以上数据，煤尘防治工作必须是煤炭企业的重点和难点，尘（矽）肺病时刻威胁煤矿作业人员的健康和生命[9]。
煤矿企业如不采取有效措施预防和治疗措施，尘肺病的肆虐将严重损害煤矿生产力[10]。
据国家职业病预防和控制中心、职业病与中毒控制所首席研究员李德鸿统计，全国每年尘（矽）肺病引起的直接经济损失高达80亿元，间接损失达300～400亿元。
由此可见，煤矿企业必须将粉尘治理工作作为日常工作的重点，按规定标准投入一定的财力和人力、设备、设施对粉尘进行防治，这是煤矿企业应该尽到的社会责任。
据职业病与中毒控制所统计，悬浮在空气中的粉尘最大粒径达到80微米，而占80%以上比例的粉尘粒径处于40微米以下。
根据研究，1毫米以下粒径的具有爆炸性的煤尘在相应爆炸浓度范围内具有爆炸性，而粒径10－75微米的煤尘具有最强的爆炸性。
煤矿巷道风流中浮游的煤尘和巷道周边沉积煤尘粒径正处于最强爆炸性的范围之内，因此具有极大的爆炸危险性[11]。
如1942年本溪湖煤矿发生特大瓦斯煤尘爆炸，死亡1594人，2004年10月20日发生在郑州煤炭（集团）有限责任公司大平矿的“10.20”特大瓦斯爆炸事故，148名矿工兄弟遭到不兴。
分析其原因，“瓦斯”是主谋，“煤尘”是帮凶，瓦斯爆炸引起煤尘爆炸造成重特大灾难事故为大家所共识。
郑州矿区目前共有直管矿井14对（个），生产能力2700万吨/年，整合矿井生产能力1541万吨/年，直管矿井多数为突出矿井。
整个集团公司每年施工顺层钻孔达210万米，局部措施钻孔150万米，打钻产生的粉尘远远超过《煤矿安全规程》作业地点全尘浓度规定的10mg/m3，作业环境中严重超标的煤尘浓度给煤矿工人吸入煤尘的几率大大增加，严重危害作业人员的生存与健康，使涉尘职工得尘肺病的数量增加。
而一个尘肺病患者，一年需要的治疗费用在20万元左右，给煤矿企业带来经济的负担日益增长，严重影响了煤矿企业的快速发展。
同时因打钻引起作业场所煤尘飞扬、瓦斯超限[12]，甚至引起瓦斯抽采钻孔瓦斯燃烧、瓦斯煤尘爆炸事故问题。
同时钻进作业过程中所产生的粉尘弥散使巷道风流中的能见度降低，打钻地点粉尘浓度升高，相应的其能见度不清，容易导致操作失误，增加了零打碎敲事故发生的几率。
矿尘对机械设备也有严重影响，会加速机械零件磨损[13]，减小井下精密仪器的使用寿命等。
煤炭企业必须报控制煤矿尘害当作头等大事抓，关键是要预防尘害，采取有效的措施大幅降低巷道风流中的粉尘浓度[14-16]。
研究表明：
对于同一钻进作业地点，粉尘的产生量随着钻进工艺的不同而不同。
打钻进度快相对进度慢时的钻孔产尘量大，正坡度钻孔比负坡度钻孔产粉量大，钻孔孔径大则出粉量大，钻头与钻杆直径比小则出粉量相应减少，螺旋钻孔、三角形钻杆比圆形钻杆在钻进时出粉量大。
当前，煤矿钻进作业除尘方式分为干式除尘法和湿式除尘法，所用装置各有特点，优缺点也各不相同。
因此需要进行综合研究，确定出适合“三软”突出煤层钻进作业的煤尘处理系统，有效减少煤尘飞扬，给员工创造良好的作业环境，降低工伤事故和职业病发生的概率，杜绝瓦斯煤尘爆炸。
（1）干式除尘装置
抽采钻孔施工过程中，煤粉随钻杆周围空隙径向排出，其中粒径较大的粉尘由于质量大会直接落地，粒径较小的粉尘在风流吹动下快速飘散到巷道风流中。
钻孔施工的干式除尘器通常由通风机、沉降室、捕尘网、袋式除尘器等组成，干式除尘装置的优点集中表现在孔底排碴快，打钻不用外接水源，孔径规则。
但缺点也很多，主要表示在钻机系统后期维护困难，排出的粉尘在空气中弥散，稍受挠动就会形成二次扬尘，作业环境差。
对
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