注水防尘技术.docx

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注水防尘技术

矿井综合防尘技术

根据我国煤矿现阶段的防尘技术条件和装备，矿井防尘措施大致可归纳为5大类，即减尘、降尘、除尘和阻尘（个体防护）。

1、减尘措施。

一是减少各产尘工序的产尘总量和产尘强度，从产尘数量上把关；二是减少对人体危害性最大的呼吸性粉尘所占的比重，在降尘质量上设防。

例如，煤层注水或注入化学试剂、上分层采空区灌水注浆、湿式凿岩和充填水炮泥等都属于减尘措施。

2、降尘措施。

降尘是使浮尘尽早沉降，以降低浮尘浓度。

现阶段煤矿主要是使用喷雾洒水、喷洒泡沫和其他方法（湿润剂降尘）加速矿尘的沉降。

3、除尘措施。

除尘（捕尘）是一项利用除尘设备将空气中的浮尘聚集起来处理的聚歼性措施。

主要采用吸尘器和捕尘器利用扩散、碰撞、直接拦截、重力、离心力等原理使粉尘与空气分离，以降低空气中的浮游粉尘浓度；或者采用湿式除尘器将粉尘捕捉、收集、沉淀排除。

4、排尘措施。

排尘是指以加强通风为手段，利用新鲜风流稀释、排除采用前述粉尘措施未能沉降的那部分浮尘。

5、个体防护措施。

个体防护是指通过佩戴各种防护工具以减少矿尘吸入量的一项补救性措施。

它是防止尘害的最后一道防线。

一、煤层注水防尘机理

1、通过物理化学作用润湿煤层

煤层的湿润过程实质上是水在煤层裂隙和孔隙中的运动过程，是一个复杂的水动力学和物理化学过程的综合。

水在煤层中的运动可以分为压差所造成的运动和它的自运动。

压差所造成的运动是水在煤层中沿裂隙和大的孔隙按渗流规律流动。

自运动与注水压力无关，它取决于水的重力和水与煤炭的化学、物理化学的作用。

自重使水在裂隙与孔隙内向下运动；化学作用是水作用于煤层内的无机的和有机的组分，使之氧化或溶解；物理化学作用包括毛细管凝聚、表面吸着和湿润等。

压差和重力造成的水渗透流动，时间不长，范围不大，湿润效果不高，一般只能达到10%～40%。

物理化学作用是煤层湿润的主导作用，可以持续很长时间，并能使煤体均匀、充分地湿润，将湿润效果提高到70%～80%。

此外，煤层注水破坏了煤体内原有的煤瓦斯体系的平衡，形成了煤-瓦斯-水三相体系，这个体系内各个介质间发生着相互作用。

在煤体内部的各种裂隙中，或多或少存在着原生煤尘，水进入裂隙后，将其中的原生煤尘在煤体未破碎前预先润湿，使其失去飞扬性。

2、注入水可有效地包裹煤体内的每一细小部分

水进入煤体各种裂隙和层理后，在极其微小的孔隙内部，都有水的注入，这就使整个煤体有效地被水包裹起来。

当煤体由于开采而受到破碎时，因绝大多数的破碎面中充满着水，可以达到减少煤尘飞扬的目的。

3、通过改变煤体的物理力学性质减尘

通过钻孔注入压力水，使其渗入煤体内部，增加煤的水分和尘粒间的黏着力，并降低煤的强度和脆性，增加塑性，减少采煤时煤尘的生成量；同时将煤体中原生细尘黏结为较大的尘粒，使之失去飞扬能力。

二、煤层注水

《煤层注水可注性鉴定方法》（MT/T1023-2006）规定：

煤样测试结果原有水分W≤4%、孔隙率K≥4%、吸水率δ≥4%和坚固性系数ƒ≥4%，则判定取样煤层为可注水煤层；否则判定为不可注水煤层。

《煤矿井下粉尘综合防止技术规范》要求，采煤工作面应有国家认定的机构提供的煤层可注水鉴定报告。

（一）煤层注水方式

1、按钻孔分类

注水方式按钻孔的位置、长度和方向，可分为工作面短孔注水、深孔注水和工作面走向长孔注水三种方式。

（1）短孔注水。

短孔注水是在采煤工作面垂直煤壁或与煤壁斜交打钻孔注水，孔长伟工作面一个循环的长度，一般为2~3.5米,采用低压注水，如图1中a钻孔所示。

（2）深孔注水。

它是在采煤工作面垂直煤壁打钻孔注水，孔长为采煤工作面数个循环进度，一般为5~25米，如图1中b孔所示。

（3）巷道钻孔注水。

这种注水方式是由上邻近煤层的巷道向下煤层打钻注水或由底板巷道向煤层打钻注水，如图2所示。

在一个钻场可打多个垂直于煤层或扇形布置方式的钻孔。

巷道钻孔注水采用小流量、长时间的注水方法，湿润效果良好；但打岩石钻孔不经济，而且受条件下你只，所以极少采用。

（4）长孔注水。

它是从采煤工作面的运输巷或回风巷，沿煤层倾斜方向平行于工作面打上向孔注水（如图3），孔长30~100米；当工作面长度超过120米而单向孔不到设计深度或煤层倾角有变化时，可采用上向、下向孔联合布置钻孔注水（如图4）。

由于长钻孔注水作业超前于工作面，使注水有充足时间，给水在煤体孔隙中的毛细渗透创造了条件，水可以长时期地缓慢地进入煤体的细微孔隙，湿润的效果较好。

综放开采工艺开采厚煤层时，较为典型的有单向及双向两种，如图5及图6所示。

上部钻孔于下不钻孔的孔口间距为1~3米，钻孔间距视煤层透水性而定，一般取10~25米。

透水性强的煤层钻孔间距大些，反之，则小些。

2、按供水动力方式分类

按照供水的动力方式，煤层注水又可分为静压注水和动压注水两种。

静压注水是利用地面或上水平的静水压力，通过矿井防尘管网直接将水引入钻孔向煤体注水的方式。

动压注水是利用水泵提供的压力向煤体注水。

动压注水通常有以下3种方法：

（1）固定泵（泵站）注水。

水泵固定在井上或井下某地点，由固定管路将压力水送到注水地点。

（2）移动泵注水。

水泵设在注水工程地点，随注水工作的移动而移动，我国目前大多采用这种方式。

（3）注水器注水。

注水方式是使用专用的注水器直接在孔口注水。

注水器是一种包括水的加压、水的传送和自动封孔装置的联合机具。

3、按注水压入分类

在煤层注水工程中，根据注水压力数值的高低又分为低压注水、中压注水和高压注水。

这种分法目前尚无统一规定，目前习惯上认为小于2.45MPa（5kg/cm2）为低压注水；大于2.45MPa、小于7.84MPa为中压注水；大于7.84MPa为高压注水。

我国目前煤层注水实际使用的水压最高不超过14.7MPa（150kg/cm2），其中大多属于中、低压注水。

根据上述各种注水方法的特点，在选择注水方式时一定要考虑下列因素：

（1）煤体的透水性及泄水的可能性，主要决定注水压力的大小及供水方式；

（2）采煤作业和注水作业相互的干扰程度，决定采用短孔，还是采用长孔；

（3）采煤方法和井巷布置条件，决定钻孔的布置形式；

（4）煤层地质构造条件、产状要素及埋藏深度；

（5）水对顶底板的影响程度；

（6）注水作业的人力、设备、器材等客观条件。

三、煤层注水设备及参数

1、煤层注水设备

煤层注水所用的主要设备有钻机和水泵。

1）钻机

目前一般用矿用地质钻机和岩石电钻钻孔，短孔注水则多采用煤电钻打眼。

常见的有红旗—150型探水钻、TXU—75型油压钻等地质探水钻机，EZ—2.0、YZ—2S等岩石电钻及MZ—1.2等煤电钻。

2）注水泵

煤层注水泵大多属于高压力、低流量的往复泵类型。

国内各矿区所用的注水泵多为与地质钻机配套的泥浆泵或水压机械中的高压泵等。

常见的注水泵有以下几种：

（1）5D—2/150型煤层注水泵。

该泵是我国煤层注水专用设备，体积小、重量轻、移动方便、工作可靠。

其压力和流量适合煤层注水要求，性能稳定、结构简单、易于维修，泵的温升低、声响小，适于煤矿井下使用。

该泵为五缸柱塞泵，柱塞借助于和主轴相连的摆动盘与回程盘的摆动而实现往复运动，达到吸、排水的目的。

每小时流量为2m3，工作压力可达150χ980Pa。

（2）TBW型地质钻机配套泥浆泵。

该类型泵原设计供地质钻机配套使用，煤矿可用于进行煤层注水。

最大的可供静物注水压力为40×980Pa，超过该压力值的钻机配套泵由于体积大而不便于井下使用。

（3）水压机械泵类。

水压机械所配套的高压泵可作为矿井中、高压煤层注水设备。

3DS-1.8/200型往复水泵为各类水压机械供水用泵，常温下可输送各种无腐蚀性液体（清水、油或乳化液等），国内许多矿井注水均使用此泵。

此泵压力、流量能满足注水要求，但其与电机安装后，在井下占用面积大，移设不方便。

（4）其他泵类。

除上述几种主要的泵类外，还有农用三联泵（流量为5m3/h，压力为20×980Pa）、3D-5/40型清水往复泵（三缸单作用泵压力为40X980Pa，流量为5m3/h）、1½GC型锅炉用泵（流量为6m3/h，扬程为180~300m）等均可用于低压注水；3DT-1/150型水泵（压力为150×980Pa，流量为1m3/h）及一些油泵可适用于中、高压注水。

3）封孔器

我国煤矿长钻孔注水鑫采用YPA型水力膨胀式封孔器和MF型摩擦式封孔器。

YPA型在使用时，将封孔器与注水钢管连接起来送至封孔位置，通过高压胶管与水泵连通，开泵后压力水进入封孔器，水流从封孔器前端的喷嘴流出进入钻孔，产生压力降，膨胀胶管内的水压升高，将胶管膨胀，封住钻孔。

注水结束后，封孔器胶筒将承受压力下降而恢复原状，可取出复用。

MF型在使用时，将封孔器与注水钢管连接起来送至钻孔内的封孔位置，顺时针转动注水管使其向前移动，这时橡胶密封筒被压缩而径向胀大，封住钻孔。

注水结束后，逆时针旋转注水管，密封胶管卸压，胶筒随即恢复卸压，胶筒随即恢复原状，可取出复用。

4）分流器

分流器是动压多孔注水不可缺少的器件，它可以保证各孔的注水流量恒定。

煤炭科学研究总院重庆研究院研制的DF-1型分流器，压力范围0.49~14.7MPa，节流范围0.5、0.7、1.0m3/h。

5）水表及压力表

当注水压力大于1MPa时，可采用DC-4.5/200型注水水表，耐压20MPa，流量4.5m3/h；注水压力小于1MPa时，可采用普通自来水水表。

注水压力表为普通压力表，选择时要求压力表量程应为注水管中最大压力的1.5倍，水泵出口端压力表的量程应为泵压的1.5~2倍。

2、注水参数

1）注水压力

注水压力的高低取决于煤层透水性的强弱和钻孔的注水速度。

通常透水性强的煤层采用低压（小于3MPa）注水，透水性较弱的煤层采用中压（3~10MPa）注水，必要时可采用高压（大于10MPa）注水。

2）注水速度（注水流量）

注水速度是指单位时间内的注水量。

为了便于对各钻孔注水流量进行比较，通常以单位时间内每米钻钆的注水量来表示。

一般来说，小流量注水对煤层湿润效果最好，只要时间允许，就应采用小流量注水。

静压注水速度一般为0.001~0.027m3/（h.m），动压注水速度为0.002~0.24m3/（h.m）。

若静压注水速度太低，可在注水前进行孔内爆破，提高钻孔的透水能力，然后再进行注水。

3）注水量

注水量是影响煤体湿润程度和降尘效果的主要因素。

它与工作面尺寸、煤厚、钻孔间距、煤的孔隙率、含水率等多种因素有关。

确定注水量首先要确定吨煤注水量，各矿应根据煤层的吨煤注水量为0.015~0.03m3/t。

机采工作面及水量流失率大的煤层取上限值，炮采工作面及水量流失率小或产量较小的煤层取下限值。

4）注水时间

每个钻孔的注水时间与钻孔注水量成正比，与注水速度成反比。

在实际注水中，常把在预定的湿润范围的煤壁出现均匀“出汗”（渗出水珠）作为判断煤体是否全面湿润的辅助方法。

“出汗”后或在“出汗”后再过一段时间便可结束注水。

通常静压注水时间长，动压注水时间短。

3、煤层注水参数设计

1）长钻孔注水

（1）钻孔直径。

主体钻机直径一般为44~60mm。

如果采用封孔器封孔，则孔径应适合封孔器的要求；如果采用水泥砂浆封孔，封孔段的直径应扩大到75~95mm。

（2）钻孔间距与长度。

根据我国煤炭行业标准（MT501-1996），长孔注水钻孔的间距应为10~25m。

当采用扇形钻孔布置方式时，上部孔与下部孔间距应为1~3m。

单向钻孔长度应比工作面长度短20~40m；双向钻孔长度应比1/2工作面长度短5~8m;扇形钻孔长度上部孔按双向钻孔长度确定，下部孔按单向钻孔长度确定。

（3）注水压力。

注水压力按下式计算：

（1.2~1.5）Pw≤Ps≤Py

式中Ps——水的压力，MPa;

Pw——煤层内的与其压力，MPa;

Py——上覆岩层的压力，MPa;

（4）注水流量也注水量。

静压注水时可不控制注水