利用瓦斯预抽钻孔进行煤层注水降尘技术应用研究_师占峰.pdf

利用瓦斯预抽钻孔进行煤层注水降尘技术应用研究 师 占 峰 （霍州煤电集团洪洞亿隆煤业有限责任公司 ，山西 临汾 041600 ） 摘要 亿隆煤业 1 煤层粉尘具有爆炸性， 严重威胁着工作面安全高效生产和井下工人的安全， 因此 设计在该矿的 1- 101 应用煤层注水降尘技术，通过理论分析对顺层瓦斯抽采钻孔的布置方式进行优 化， 数值模拟研究确定煤层注水的湿润半径为 5m， 确定顺层钻孔合理布置间距为 7m， 煤层注水前后 进行煤体含水率和粉尘浓度的监测， 结果表明， 注水钻孔 0～4m范围内的煤体含水率提高在 1以上， 注水前后， 1- 101 回风巷内总粉尘浓度降低率达到 70以上，呼吸性粉尘浓度降低率达 65以上， 取 得了显著的降尘效果。 关键词 煤层注水 ； 高瓦斯 ； 粉尘 ； 综采工作面 中图分类号 TD713文献标志码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 02- 0142- 04 Application Research on Coal Seam Water Injection and Dust Reduction Technology by Gas Pre-drilling SHI Zhanfeng （Hozhou Coal and Power Group HongdongYilongCoal Co., Ltd. , Shanxi Linfen 041600 ） Abstract The 1 coal seam dust ofYilongCoal Industryis explosive, and the excessive dust concentration will seriouslythreaten the safe and efficient mining of the working face and the health of the workers in the underground. Therefore, the design of the coal seam water injection and dust reduction technology in the mine is designed. Theoretical analysis optimizes the arrangement of gas wells in bedding gas drainage. The numerical simulation studydetermines that the wettingradius ofcoal seamwater injection is 5m, and determines the reasonable spacingof bedding drilling holes to be 7m. The coal body water content and dust concentration before and after coal seam water injection The monitoring results showthat the water content of coal in the range of 0～4m is increased by more than 1. Before and after water injection, the total dust concentration in the 1- 1- 10 return airway decreases by more than 70, and the concentration ofrespiratory dust decreases. The rate reached more than 65 and achieved significant dust reduction. Keywords Coal seamwater injection ; high gas ; dust ; fullymechanized miningface 1工程概况 西焦煤霍州煤电集团亿隆煤业 1- 101 工作面 地面标高 600～640m，工作面标高 200～275m， 为 1 煤 层 1 采 区 的 首 采 工 作 面 ， 煤 层 厚 度 1.6～1.75m， 均厚 1.67m， 煤层倾角为 2～5， 平均倾 角 3， 1- 101 综采工作面开采的 1 煤最短自然发 火期为 73 天，煤层自燃倾向性等级为 II 类自燃煤 层， 煤层具有爆炸性。 1- 101 综采工作面采用 “U“ 型 通风方式， 通风系统独立， 1- 101 综采工作面的正巷 长为 1029.1m， 副巷长为 801.9m， 切巷长为 170m。 滚 筒割煤、 落煤过程中， 将产生大量的粉尘， 严重威胁 工作面的安全高效生产， 湿式防尘是现阶段矿井综 合防尘的主要措施， 在产尘源进行粉尘治理效率较 高， 煤层注水现已成为一种工作面粉尘防治的常规 方法， 1- 101 工作面为高瓦斯工作面， 采用顺层钻孔 进行瓦斯预抽， 可利用瓦斯预抽钻孔对煤体进行注 水， 本文以 1- 101 工作面顺层钻孔预抽瓦斯和煤层 注水降尘为背景展开相关研究。 2钻孔布置与注水参数的研究与优化 通常情况下， 顺层瓦斯抽采钻孔的布置未考虑 煤层注水防尘的作用[1]， 瓦斯抽采钻孔密度较大， 间 距较小， 直接利用抽采钻孔进行注水时， 易出现临 近钻孔互相贯通，不仅不能发挥注水降尘的效果， 而且将严重影响瓦斯抽采的效率， 因此为了使抽采 钻孔达到 “一孔两用” 的目的， 需首先对钻孔的布置 间距、 方位及注水参数等进行优化。 2.1钻孔布置方式的优化 “一孔两用” 技术在工作面回采期间， 首先需要 考虑注水钻孔和瓦斯抽采钻孔的布置方式， 若在工 作面前方进行煤层注水期间仅需考虑注水降尘的 效果， 可在一定范围内的原有瓦斯抽采钻孔进行煤 层注水， 即瓦斯预抽钻孔连续注水方式， 若兼顾煤 层注水降尘和对于瓦斯抽采效果的影响， 可在工作 面前方瓦斯抽采钻孔间隔进行煤层注水， 根据现有 煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 142 ChaoXing 研究成果， 在煤层注水期间， 临近瓦斯抽采孔抽采 瓦斯的浓度和流量均明显增大， 水在煤层内的渗流 具有驱替瓦斯的作用， 煤层高压注水能够提高瓦斯 抽采的效率， 因此设计采用 “顺层钻孔间隔注水” 方 式。 顺层瓦斯预抽钻孔施工过程中难免会出现角 度的偏差， 导致瓦斯抽采钻孔在煤层中出现交差、 重 叠等现象[2]， 这种现象并不影响瓦斯抽采钻孔的正 常使用，但是当对工作面前方煤层进行注水降尘时， 注水钻孔与瓦斯抽采钻孔相互导通， 造成注水钻孔 失压、 降压等现象， 导致注水降尘效果较差， 且严重 影响瓦斯的正常抽采， 因此瓦斯抽采钻孔平行布置 的方式不适用于煤层注水降尘。为减少瓦斯抽采钻 孔交叉、 重叠的概率， 在钻孔设计时， 将钻孔角度设 计为向上和向下两种交替布置， 且在两侧回采巷道 交错布置， 即一侧注水孔向上， 一侧注水孔向下， 瓦 斯预抽钻孔 （注水钻孔） 的布置详情如图 1 所示。 图 1优化后钻孔布置方式 2.2钻孔的间距布置 设计 1- 101 工作面顺层钻孔的布置间距时需 兼顾瓦斯抽采和煤层注水的效果， 仅考虑瓦斯抽采 的效果时， 钻孔间距较近， 煤层注水作业时易造成 瓦斯抽采钻孔大量产水； 钻孔间距过大时， 易出现 注水和瓦斯抽采的空白带， 降低降尘和瓦斯抽采的 效果， 因此合理的钻孔间距对于降尘和瓦斯抽采的 效果非常关键。钻孔的合理间距主要由钻孔注水的 润湿半径和瓦斯抽采半径决定。根据临近矿井的研 究成果，该矿区内 1 煤层的顺层钻孔抽采半径为 2.5m， 通常情况下钻孔间距为 4m， 由于煤层注水对 于瓦斯具有驱替作用， 钻孔间距设计时需考虑煤层 注水对于瓦斯的促抽作用， 因此采用数值模拟研究 1- 101 工作面煤层注水的湿润半径。 依据 1- 101 工作面具体的地质条件，采用 FLUENT 的解算器实现水和瓦斯渗流的数值模拟 [3～4]， 将模型简化为平面模型， 模型尺寸长宽 12 10m， 数值模型网格划分如图 2 所示。 边界条件选用 k- e 紊流模型， 煤层渗透率为 9.145and， 顺层钻孔直 径 94mm， 钻孔长度为 6m， 煤层瓦斯压力 0.7MPa， 煤 层初始含水率 1.1， 注水压力为 10MPa， 模拟注水 时间为 0.5h、 1h、 2h、 3h、 8h、 9h，将不同注水时间条 件下的模拟结果整合到一起， 得到图 3 所示的模拟 结果。 图 2数值计算模型 图 3不同注水时间条件下煤体内水分含量 根据图 3 所示的模拟结果可知， 随着注水时间 的延长， 煤层内高压水覆盖的面积逐渐增大， 沿钻 孔径向的扩散速度大于沿钻孔轴向的扩散速度， 注 水时间在 0.5～5h 之间时，高压水的覆盖半径由 0.5m 增大到 4.5mm，注水早期润湿半径增长较快， 注水时间有 5h 延长到 7h 时，润湿半径由 4.5m 增 大至 4.6m，此时润湿半径的增长速度已趋近于零， 考虑现象应用中的时效性，最终确定 1 煤层的湿 润半径为 5m。综上研究可知， 仅考虑煤层注水湿润 半径的情况下， 钻孔的布置间距应为 10m， 仅考虑 煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 143 ChaoXing 瓦斯抽采半径的情况下， 钻孔间距应为 5m， 综合经 济效益与安全考虑， 择中选择 1- 101 工作面 “一孔 两用” 的布孔间距为 7m 。 3现场应用实验及效果考察 3.1注水应用实验 1- 101 工作面回采前首先进行本煤层顺层钻孔 瓦斯预抽， 顺层钻孔间距为 7m， 钻孔的布置方式采 用上下交替的方式，钻孔直径为 94mm，钻孔长度 120m， 工作面回采期间进行采空区裂隙带和上隅角 瓦斯埋管抽采，在地面建立永久瓦斯抽采泵站， 顺 层钻孔支管联结专回主管，顺层钻孔抽采期间， 在 工作面进行注水实验，煤柱注水系统如图 4 所示， 采用精诚 3ZSB- 105/11 型高压注水泵，动静压切换 方式对煤层进行注水，最大注水压力为 10MPa， 当 钻孔抽采一段时间后， 瓦斯流量和浓度明显降低后 开始注水，将膨胀式封孔器插入图 3 中的 3 抽采 钻孔， 封孔器长度为 1.5m， 将封孔器和高压注水系 统相连， 2 和 4 钻孔继续进行瓦斯抽采。 1- 煤体； 2～4- 顺层瓦斯抽采钻孔 （3 钻孔作为注水孔） ； 5、 6- 瓦斯抽采管路； 8～10- 砂浆封孔段； 11- 膨胀式封孔器； 12- 注水高压管； 13～15- 高压注水系统； 16- 供水管； 17、 18- 流量计； 19、 20- 瓦斯抽采主管 图 4煤层注水系统示意图 3.2煤层注水效果考察 为考察 1- 101 工作面煤层注水后煤层水分的 增量情况和舒润半径， 首先测得实验区域煤层内的 自然含水率为 1.1， 然后再注水孔周围进行取样测 定其含水量， 共对 4 个注水钻孔进行考察， 得到煤 体水份增量沿钻孔两侧的分布状况如图 5 所示。由 图可知， 钻孔周围煤体内全水的含量随着与钻孔距 离的增大而逐渐减小，全水水分的含量最大达 4.6， 在距钻孔约 4～6m 处， 煤体内的含水率降低为 自然含水率， 依据相关规定， 注水后煤层内的含水 率大于等于 4或者将含水率提高 1， 即表明注水 降尘效果良好，距实验钻孔 0～4m 范围内的煤体内 含水率提高在 1以上，据此可知此次注水效果良 好， 且湿润半径与数值模拟结果 5m 一致。 图 5注水后钻孔周边煤体水分变化规律 3.3降尘效果分析 为分析 1- 101 工作面煤层注水降尘的效果， 在 1- 101 回风巷每间隔 15m 布置粉尘浓度检测点， 采 用直读式粉尘浓度测试仪进行测定， 得到工作面回 采未注水区域和注水区域时， 回风巷内全尘和呼吸 性粉尘的浓度如表 1 所示。由表 1 所示监测结果可 知， 注水前后全尘的降尘率均在 70以上， 呼吸性 粉尘的降低率在 65以上， 降尘效果明显。 表 11- 101 工作面粉尘浓度测试结果 4结论和建议 为了降低霍州煤电集团亿隆煤业采煤工作面 煤尘对于煤矿安全和工人健康的威胁， 设计利用顺 层瓦斯抽采钻孔进行煤层注水降尘， 通过理论分析 对钻孔的布置方式进行优化， 模拟研究确定煤层注 水湿润半径为 5m，设计瓦斯预抽钻孔间合理间距 为 7m， 在现场应用过程中， 监测注水钻孔周围煤体 内的含水率表明， 注水效果良好， 对煤层注水前和 注水后工作面内煤尘总浓度和呼吸性粉尘浓度进行 监测， 结果表明， 注水前后 1- 101 回风巷内总粉尘浓 （下转第 147 页 ） 煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 测点 编号 与工作面 面距离 （回 风巷内 ） 总粉尘浓度 （mg/m3 ）呼吸性粉尘浓度 （mg/m3 ） 注水前 注水后 降低率 （ ） 注水前 注水后 降低率 （ ） 115m3659873.2702367.1 230m3348574.6642068.8 345m3268075.5541866.7 460m3127476.3511766.7 144 ChaoXing （上接第 144 页 ） 度降低率在 70以上，呼吸性粉尘浓度降低率在 65以上， 取得了非常显著的降尘效果。 参考文献 [1] 薛纬.综放工作面煤层注水工艺优化与应用[J].江西煤炭 科技,201903） 169- 171. 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[4] 王英杰.综采工作面煤层注水软化试验研究[J].山东煤炭 科技,2019 （07） 105- 107. 作者简介 师占峰 （1982-） ， 男， 山西洪洞县人， 2016 年 1 月毕业于 中国矿业大学采矿工程专业， 中级职称， 现从事煤矿生产技 术工作。（收稿日期 2019- 10- 28） 各材料消耗量有合理的分析与预判， 同时还可对异 常消耗有快速的预警与应对。当材料消耗出现异常 时， 需对该月材料消耗从技术层面到管理层面进行 分析。 材料消耗曲线的建立及预警制的应用实现了 选煤厂材料消耗潜在异常的超前管控及显现异常 的实时管控。推行以来， 共成功预警 3 次， 有效节约 材料费用 20 余万元。 2.6应用边角料废料再利用流程图 选煤厂在生产实际中会产生大量的边角料、 废 料。对更换下来的旧材料， 按照 “能用则用、 可用则 留” 的原则进行维修、 整理、 分类， 并根据生产需要 进行二次分配。通过新旧材料的交换使用， 使其发 挥最大效能， 降低企业材料支出。 以带式输送机胶带为例， 每条胶带安装时都会 富裕 8- 10m 的接头， 胶带安装完成后这些结构全部 成为边角料。但这些边角料确是输送机导料槽档 皮、 挡帘的原材料。胶带使用期满报废后成为废料， 而这些废料却可成为主洗车间溜槽内衬， 这样 “变 废为宝” ， 使一个地方的边角料、 废料成为另一个地 方的原材料。可极大的杜绝浪费， 减少材料消耗量。 选煤厂发动广大职工不断探索发现新的再利 用流程， 截止目前全厂共建立了边角料、 废料再利 用流程 12 项， 年累计节约材料资金 30 余万元。 2.7深化选煤厂节电管理 1） 摸清全厂各个环节机电设备的耗电情况， 包 括装机功率， 实际功率消耗， 空载时间及耗电量， 启 停车耗电量。找出薄弱环节， 提高整个系统能力的 匹配状态， 达到节电效果。 2） 对耗电大的系统进行测定和分析， 寻找降低 电耗的途径。比如选煤厂泵类设备可采用皮带轮有 级调速或无极调速装置， 根据需要随时调整泵的转 速， 达到最好的工况点。 3） 减少停车次数， 减少开空车时间。生产过程 中的电耗是由启停机电耗、 正常生产电耗和开空车 电耗三部分组成， 启停车电耗较大。因此， 要提高系 统和设备运行的可靠性，准确掌握产品库存情况， 根据运力和库存合理组织生产， 尽量减少启停车次 数。同时某台设备故障会造成整个生产线设备的空 转， 因此需减少故障率， 减少开空车时间。 3结语 运用精益化思维对选煤厂材料消耗各技术环 节进行优化， 对出现的技术难题以技术创新方式不 断尝试解决，以使各材料消耗主要指标低位运行。 精确计算各种耗材的消耗量并绘制消耗曲线， 重点 管控异常消耗， 建立材料消耗预警制。建立边角料、 废料再利用网络流程图， 跟踪其利用走向。同时材 料二维码识别可实现选煤厂材料的数字化管理， 提 高企业的现代化管理水平。 参考文献 [1] 王伟.新庄孜选煤厂降低介耗的经验总结[J].煤炭加工与 综合利用,2019 （4） 34- 36. [2] 郑业群.杨涧.选煤厂降低介耗的探索与实践[J].煤炭加工 与综合利用， 2015 （1） 22- 24. [3] 路迈西.选煤厂技术管理[M].徐州.中国矿业大学出版社， 2008. [4] 匡亚莉.选煤厂管理[M].徐州.中国矿业大学出版社， 2011. [5]谢广元.选矿学[M].徐州.中国矿业大学出版社， 2011. 作者简介 武磊 （1983-） ， 男， 山西襄垣人， 2009 年毕业于中国矿业 大学矿物加工工程专业， 工学硕士， 潞安集团李村煤矿选煤 厂常务副厂长， 工程师。 （收稿日期 2019- 11- 27） 煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 147 ChaoXing