山东科技大学硕士论文深部开采煤层注水防尘卸压工艺技术研究321资料.docx

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山东科技大学硕士论文深部开采煤层注水防尘卸压工艺技术研究321资料

分类号：

TD714密级：

公开

UDC：

单位代码：

10424

学位论文

深部开采煤层注水防尘卸压工艺

技术研究

王绪友

申请学位级别：

硕士学位专业名称：

矿业工程

指导教师姓名：

程卫民职称：

教授

山东科技大学

二〇一四年六月

论文题目：

深部开采煤层注水防尘卸压工艺技术研究

作者姓名：

王绪友入学时间：

2012年9月

专业名称：

矿业工程研究方向：

矿井通风与安全

指导教师：

程卫民职称：

教授

论文提交日期：

2014年5月

论文答辩日期：

2014年6月

授予学位日期：

STUDYONTECHNOLOGYOFWATERINJECTIONFORDUSTPROOFANDDEPRESSURIZATIONINDEEPCOALMINE

ADissertationsubmittedinfulfillmentoftherequirementsofthedegreeof

MASTEROFPHILOSOPHY

from

ShandongUniversityofScienceandTechnology

by

WangXuyou

Supervisor:

ProfessorChengWeimin

CollegeofMiningandSafetyEngineering

June2014

声明

本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。

该论文资料尚没有呈交于其它任何学术机关作鉴定。

硕士生签名：

日期：

AFFIRMATION

Ideclarethatthisdissertation,submittedinfulfillmentoftherequirementsfortheawardofMasterofPhilosophyinShandongUniversityofScienceandTechnology,iswhollymyownworkunlessreferencedofacknowledge.Thedocumenthasnotbeensubmittedforqualificationatanyotheracademicinstitute.

Signature:

Date:

摘要

近年来，随着煤炭开采深度的不断延深，“三高一扰”问题突出，同时综放、综采技术也在迅猛发展，煤尘、瓦斯、冲击地压、煤与瓦斯突出、地温等自然灾害危害程度也不断升级。

国内外研究、实践证明，煤层注水是从根本上综合解决上述安全问题的有效办法之一，然而深部高地应力、低孔隙率、难渗透开采环境严重制约了传统的煤层注水工艺应用及其防灾效果。

针对上述问题，本论文依托兴隆庄煤矿现开采综放工作面的实际情况，运用系统工程的观点，采用理论分析、实验室测试、现场观测等方法和手段，采用MTS815.03电液伺服岩石试验系统以及压汞孔隙分析实验，对注水煤层的基本力学性质、孔隙特征、煤岩渗透特性进行分析，得出煤岩在水的润滑、软化、泥化、干湿、冻融等物理作用过程与溶解、水化、水解、酸化、氧化等化学作用过程以及孔隙水压的力学作用下，其力学性能参数出现下降现象，有利于煤层所受应力的卸载。

在此基础上，探讨煤层注水润湿防尘卸压机理与采动裂隙网络演化以及固液耦合渗流规律，研究注水渗透以及应力—裂隙孔隙—渗流之间的内在关系，分析煤层注水中的应力分布与裂隙孔隙动态演化过程以及流体渗流、运移特征。

论文根据理论分析和基本力学实验结果，结合兴隆庄煤矿B10302综放工作面注水现状与采动裂隙流固耦合变化规律，优化设计煤层注水防尘卸压工艺技术参数，确定工作面采用高压混合式煤层注水方式，即在相应静压区采用高压注水，在动压区采用静压注水。

通过对注水前后粉尘浓度的测定，注水后工作面落煤、移架、放煤等高浓度粉尘作业工序其粉尘浓度有了较大的降低。

微地震系统监测数据显示，工作面存在的冲击地压危险得到了有效地遏制，煤层注水防尘卸压工艺技术对工作面防灾减灾起到了显著的积极作用，达到提高注水效果进而防治粉尘、减少冲击地压的目的。

关键词：

深部开采，煤层注水，MTS，冲击地压，粉尘防治，高压混合式注水

Abstract

Inrecentyears,withtheminingdepthcontinuousdeepening,“threehighandoneinterference”issuesisoutstanding,andatthesametime,mechanizedcavingandminingtechnologyisinrapiddevelopment,thedamageextentincludingdust,gas,rockbrust,coalandgasoutburst,geothermalandothernaturaldisastersisalsoescalating.Domesticandforeignresearchhasprovedthatwaterinjectionisoneoftheeffectivewaystosolvethesecurityproblem.Butdeephighstress,lowporosity,difficultpermeabilityminingenvironmentseverelyrestrictedtheapplicationoftraditionalwaterinjectiontechnologyanddisasterpreventioneffect.

Fortheaboveproblem,paperbasedontheactualsituationofXingLongzhuangcavingminingworkingface,usedtheviewofsystemengineering,adoptedmethodsoftheoreticalanalysis,laboratorytesting,fieldobservations,usedMTS815.03electro-hydraulicservo-controlledrockmechanicstestingsystemandmercuryintrusionporeanalysisexperimenttoanalyzethebasicmechanicalpropertiesofcoalseamwaterinjectionandporecharacteristics,coalpermeabilitycharacteristics,andconcludedthatinphysicalprocessofwaterlubrication,softening,mudding,wet,freezingandthawing,inchemicalreactionprocessofdissolution,hydration,hydrolysis,acidification,oxidationandunderthemechanicaleffectofporewaterpressure,itsmechanicalperformanceparameterscamedeclinephenomenonandwasconducivetounloadthestress.Onthisbasis,thepaperinvestigatewaterinjectionfordustproofanddepressurizationmechanismandmining-inducedfracturenetworkevolutionandsolid-liquidcouplingseepagerule,researchonwaterinfiltrationandtheintrinsicrelationshipofstress,fractureporosityandseepage,analysiswaterinjectionstressdistribution,fractureporedynamicevolutionprocessandfluidseepage,migrationcharacteristics.

Papersbasedontheoreticalanalysisandbasicmechanicsexperimentalresults,combinedwiththewaterinjectionstatusquoofXingLongzhuangB10302mechanizedcavingfaceandminingfissurefluid-structureinteractionchangingrule,optimizationdesignwaterinjectionfordustproofanddepressurizationparameters,determineusinghigh-pressurewaterinjectionhybridmodewhichusinghighpressurewaterinjectioninthecorrespondingstaticpressureareaandusingstaticpressurewaterinjectioninthedynamicpressurearea.Bymeasuringdustconcentrationbeforeandafterinjection,dustconcentrationisgreatlyreducedafterinjectioninthehighconcentrationoperationprocesssuchascoaldrop,shiftingplanes.Micro-seismicsystemmonitoringdatashowsthatthedangerofrockburstexistsinworkingfacehasbeencurbedeffectively,waterinjectionfordustproofanddepressurizationtechnologyplaysasignificantpositiveroleforfaceofdisasterpreventionandmitigationandachievesagoalofimprovingtheeffectofwaterinjectionthuspreventingdust,reducingrockburst.

Keywords:

deepcoalmine,waterinjection,MTS,rockburst,dustproof,high-pressurehybridwaterinjection

目录

1绪论1

1.1问题的提出与意义1

1.2国内外研究现状3

1.3论文的研究内容与方法8

2注水煤岩基本物理性质与孔隙特征试验11

2.1MTS815.03岩石伺服试验系统简介11

2.2自然状态下煤岩单轴力学性能试验14

2.3注水煤岩孔隙特征试验17

2.4注水煤岩基本物理性质测定20

2.5本章小结23

3煤层注水润湿防尘卸压机理研究24

3.1煤层注水润湿过程与机理分析24

3.2煤层注水防治粉尘作用机理分析30

3.3注水煤岩基本力学性能对比试验33

3.4煤层注水润湿卸压机理分析37

3.5本章小结39

4煤岩采动裂隙网络演化与流固耦合分析40

4.1采动过程工作面前方应力状态演化规律40

4.2采动煤岩裂隙场演化规律43

4.3采动煤岩流固耦合渗流特性试验45

4.4采动煤岩破裂过程中的渗流—应力耦合分析48

4.5本章小结50

5深部开采煤层注水防尘卸压工艺技术研究与应用51

5.1工作面概况51

5.2煤层注水防尘卸压工艺技术设计51

5.3煤层注水防尘卸压效果分析56

5.4煤层注水对支架工作的影响分析65

5.5本章小结67

6结论68

6.1主要结论68

6.2研究展望69

致谢71

参考文献72

攻读硕士学位期间主要成果77

Contents

1Introduction1

1.1Presentationandsignificanceofquestions1

1.2Researchstatusathomeandabroad3

1.3Researchcontentsandmethod8

2Basicphysicalpropertiesandporecharacteristicstestofcoalrockwaterinjection11

2.1IntroductiontoMTS815.03rockservotestsystem11

2.2Coalandrockuniaxialmechanicalpropertiestestunderthenaturalstate14

2.3Porecharacteristicstestofcoalandrockwaterinjection17

2.4Basicphysicalpropertiesdeterminationofcoalandrockwaterinjection20

2.5Chaptersummary23

3Wettingdustproofpressurereliefmechanismofcoalandrockwaterinjection24

3.1Thewettingprocessandmechanismanalysisofcoalseamwaterinjection24

3.2Thedustpreventionmechanismanalysisofcoalseamwaterinjection30

3.3Basicmechanicalperformancecomparisontestofcoalandrockwaterinjection33

3.4Wettingreliefmechanismanalysisofcoalseamwaterinjection37

3.5Chaptersummary39

4Miningfracturenetworkevolutionandfluid-structureinteractionanalysisofcoalandrock40

4.1Thestressstateevolutioninminingprocessbeforetheface40

4.2Crackfieldevolutionofminingcoalandrock43

4.3Fluid-solidcouplingseepagecharacteristictestofminingcoalandrock45

4.4Seepage-stresscouplinganalysisintheprocessoffracture48

4.5Chaptersummary50

5Waterinjectionanddust-proofpressurerelieftechnologyresearchandapplicationofdeepminingcoalseam51

5.1Workingsituation51

5.2Dust-proofpressurerelieftechnologydesignofcoalseamwaterinjection51

5.3Dust-proofpressurereliefeffectanalysisofcoalseamwaterinjection56

5.4Theinfluencetosupportanalysisofcoalseamwaterinjection65

5.5Chaptersummary67

6Conclusions68

6.1Chaptersummary68

6.2Researchprospect69

Acknowledgement71

References72

ScientificResearchandPapers77

1绪论

1.1问题的提出与意义

综采放顶煤采煤法在我国已广泛应用，由于放顶煤开采的产尘量较高，又增加了放煤、放煤溜子转载点等产尘源，致使综放工作面粉尘污染问题相当严重，据测定采煤机割煤时的原始总粉尘浓度最高可达1000~3000mg/m3。

粉尘危害是众所周知的，一方面粉尘浓度高，可使长期处于该工作环境下的工人患上职业尘（矽）肺病。

据不完全统计，目前我国煤矿约有尘肺病人40多万人，每年死于尘肺病约2500人，每年不要花费大量的人力和物力来进行治疗，也给患者及家属带来了很大的痛苦；另一方面煤尘爆炸隐患严重威胁矿井的安全生产。

我国93%以上的粉尘具有爆炸危险性，粉尘一旦爆炸，会危及工人和矿井安全，造成重大损失。

随着对能源需求量的增加和开采强度的不断加大，浅部资源日益减少，国内外矿山都相继进入深部资源开采阶段[1-4]。

与此同时，煤炭开采深度的不断延深，带来了较为突出的“三高一扰”问题，煤尘、瓦斯等自然灾害的危害程度不断升级，灾害事故越来越严重，此外，冲击地压、高温热害也日益凸显，势必将会严重影响生产安全及职工健康。

兖州煤业有限公司兴隆庄煤矿于1975年2月破土动工，1981年12月21日建成投产。

矿井设计能力为300万t/a；2003年核定生产能力为680万t/a。

兴隆庄煤矿井田位于兖州煤田的东北隅，横跨兖州、曲阜两市，矿井北距兖州市8km，东距程家庄2.5km，东南距邹城市14km。

井田内地势平坦、村庄密集，地势自东北向西南缓慢倾斜。

海拔标高在＋52~44m之间，工业广场标高＋49.20m。

矿井划分为两个水平：

第一水平为-350m，通过水平大巷开拓3层煤的全部上、下山采区，第二水平为-500m。

地应力测试结果显示，矿井地应力环境为中等至高应力区，最大主应力为16.50~18.03MPa，最大水平应力方向大致为120°，垂直应力为12.11~12.68MPa，水平应力大于垂直应力，最大水平主应力为垂直应力的1.2~1.4倍，对井下岩层的变形破坏方式及矿压显现规律会有很大的影响。

经冲击倾向性鉴定报告分析，兴隆庄煤矿3煤的煤质较硬，单轴抗压度为15.93~39.07MPa，且3煤基本呈脆性破坏，破坏后，残余试件呈小圆锥状，说明此类煤在破坏时能以较高的比例将存储的变形能释放出来，因而煤样测出的弹性能量指数都较高，其平均值都大于5，按标准属于强冲击倾向范围。

历年瓦斯鉴定结果均为低瓦斯矿井，矿井可采煤层均有煤尘爆炸危险，爆炸指数一般为37~42%。

因此，兴隆庄煤矿3煤综采、综放工作面安全高效开采面临着高浓度煤尘爆炸、高地应力破坏作用，强冲击地压危害等重大灾害的重重威胁。

为此，要保障兴隆庄煤矿长久安全高效生产，需要采取相关先进技术措施进行有关灾害的治理工作。

国内外研究、实践证明，煤层注水是从根本上综合解决上述安全问题的有效办法之一，它不仅能降低割煤粉尘，而且能降低放煤开采工艺中放煤及由于自移支架升、降、移过程中触煤而产生的大量粉尘，同时能够提高其他防、降尘措施的使用效率。

煤层注水不仅是一种积极主动减少粉尘产生的有效方法，而且能预防煤与瓦斯突出、防治冲击地压，同时对预防自然发火、提高煤炭开采回收率等都起到一定的积极作用[5-6]。

目前的注水系统一般采用井下静压注水或高压水泵加压注水。

静压注水对于透气性很好的煤层效果良好，但静压水的压力有限，不适用于透气性较差的煤层。

采用高压水泵加压注水虽然拓宽了常压注水的适用范围，但水泵提供的压力也是有限的，对于透气性很差的煤层，也难以达到理想效果，同时注水泵的压力越高，设备的运行、维护和管理要求也越高[7]。

目前，兖州煤业股份有限公司兴隆庄煤矿随着采煤方法的不断改进和创新，煤矿开采深度的加大和煤的变质程度增加，其开采煤层所受原煤岩应力越来越高、原始孔隙率较低、渗透性能差，同时煤尘爆炸、冲击地压危险等自然灾害的危害程度也不断升级。

据此，兴隆庄煤矿乃至全国深部开采矿井迫切需要一种新型的注水方法和技术，能够快速、有效地将水注入煤层，特别是透气性较差的“难注水”煤层中。

煤层注水主要通过向煤体预注压力水，利用其对弱面的压裂、冲刷以及楔入作用和水对煤体的物理、化学作用，使煤岩体扩大原有裂隙、产生新裂隙，破坏煤岩体整体性，降低其强度，释放煤体压力，以有效预防冲击地压事故的发生。

注入煤体的水，沿着煤的裂隙向被裂隙分割的煤块渗透并储存于裂隙和孔隙中，增加煤体水分，湿润煤体内原生煤尘，使其失去飞扬能力，减少采煤时产生浮游粉尘的能力[8-10]。

目前，虽然煤层注水技术已较为成熟，但是长期以来人们对煤层注水的认识一直停留在定性认识阶段，而传统的注水方式是将注水压力固定在某一定值进行注水，此种注水方式虽然较为简单，但单孔注水量较少，水分在煤层中的渗透效果较差，影响煤层注水效果[11]。

煤层孔隙率大小是表征注水难易程度的重要指标，煤层裂隙、孔隙的发育程度是影响煤层注水难易的首要因素，但是由于兴隆庄煤矿以及我国其他部分矿井相继进入深部开采，煤岩原应力高、孔隙裂隙不发育、渗透率低、瓦斯含量高且压力大等突出问题影响着煤层注水技术的应用与发展。

我国较多矿区的煤层为高地压低孔隙率煤层，煤体节理裂隙不发育且较为坚硬，煤层注水困难，不能达到预期的灾害防治效果，并且随着我国煤矿开采深度的增加，注水困难的问题更加突出，严重制约了煤层注水技术在我国深部高地压煤层中的应用，影响了其对冲击地压、高浓度粉尘危害的防治效果。

因此，进行“深部开采煤层注水防尘卸压技术”研究，以高压注水渗透与采动应力分布的理论分析为基础，使用动压区注水与静压区注水、动压注水与静压注水相结合的高压混合式煤层注水