矿山防尘技术 设计.doc

煤层注水防尘设计煤层注水是采煤工作面最主要的主动防尘措施。煤矿安全规程规定：采煤工作面应采取煤层注水防尘措施，有下列情况之一的除外：（1）围岩有严重吸水膨胀，注水后易造成顶板垮塌或底边变形，或者地质情况复杂，顶板破坏严重，注水后影响采煤安全的煤层。（2）注水后会影响采煤安全或造成劳动条件恶化的薄煤层；（3）原有自然水分或防灭火灌浆后水分大于4%的煤层；（4）孔隙率小于4%的煤层；（5）煤层很松软、破碎、打钻孔时易塌，难成孔的煤层；（6）采用下行垮落法开采近距离煤层群或分层开采厚煤层，上层或上分层的采空区采取防灌水防尘措施时的下一层或下一分层。煤层注水的作用除了在工作面生产前预先湿润煤炭，减少生产时的粉尘量外，对防治瓦斯突出、防治冲击矿压也有一定的作用。一、 煤层注水设计的基本要求（1）煤层注水后水分应增加1%以上（2）综采工作面注水作业应超前工作面120m;（3）工作面距注水孔15-20m时应停止注水，防止工作面出水影响生产；（4）采用长孔注水布置时，注水钻孔长度不得小于工作面倾斜长度的；（5）多孔同时注水时，应有水量分配调节、监控记录装置；（6）应设计出合适的注水压力、流量、湿润剂，以提高注水效果；（7）注水布置方式合理，便于施工和考察注水效果；（8）必须辅以煤层注水系统示意图。二、 煤层注水设计的主要内容煤层注水设计必须根据矿井生产布局和自然条件，经计算、对比，选择合理的注水系统和布置方式。煤层注水设计主要应包括以下内容：1、 矿井概况和设计基础资料主要阐述以下内容：（1）煤和煤层顶底板的物理机械性质。应说明煤和煤层顶底板的透水系数，原始水分、孔隙率、硬度、湿润角、真密度等内容。（2）煤层赋存条件说明煤层倾角、厚度、构造、夹矸及稳定性等内容。（3）开拓开采系统说明矿井开拓方法、采区巷道布置及采煤方法、开采深度、日产量、工作面推进度、工作面走向及倾斜长度。（4）矿井通风系统说明矿井通风系统的形式，工作面风量、工作面通风方式。（5）瓦斯、煤尘、火的情况说明瓦斯压力、瓦斯突出危险性、煤尘爆炸性指数、自然发火器等内容。（6）防尘水源及供水系统。2、煤层注水方式煤层注水方式包括钻孔长度、位置及方位等内容。一般分为长孔、短孔、深孔、巷道钻孔等四种注水方式。确定煤层注水方式主要是根据煤层厚度、煤层倾角、煤体硬度、透水性、围岩性质、井巷布置、采煤方法、工作面推进及地质和生产条件等。1 根据煤体作业及注水作业相互干扰程度、确定短孔还是长孔；2 根据地质构造条件、产状要素及埋藏深度和煤层赋存状态，确定钻孔布置形式及注水量；3 根据采煤方法和井巷布置条件，确定钻孔设备及钻孔布置形式；4 根据煤体的透水性及泄水的可能性，确定注水压力的大小及供水方式；5 根据水对顶底板的影响程度，确定注水量、注水压力和注水方法和时间；6 同时考虑注水作业的人力、设备、器材等条件。选择具体注水方式应参考如下因素：1 地质构造简单，煤层赋存平稳，层节理和孔隙、裂隙比较发育的厚煤层和中厚煤层采用短孔注水；2 煤层倾斜变化大，有走向断层，倾斜褶皱较多，煤层较薄，夹矸层较多的煤层采用短孔注水；3 对倾斜布置的走向工作面或倾斜回采工作面前有现成开切巷道，可沿走向或斜交走向布置长钻孔，采用走向长钻孔注水；4 在煤层中有走向断层，且靠近上风巷，采用上向孔布置；若靠近机巷，采用下向孔；如果断层落差较大，且在工作面中部时，采用上、下向孔结合的布置形式；在煤层中有斜交断层时，可扇形布置伪斜钻孔；5 在薄煤层，长钻孔易穿至顶底板，可采用上、下向孔结合的方式，以减少钻孔长度；在厚或特厚煤层则采用穿层孔、倾斜孔、走向孔等综合布置方式。6 在倾斜长壁采煤和刀柱式采煤工作面采用走向钻孔和超前注水。上述是针对一般情况而言，实际设计时，具体情况具体分析，全面综合考虑，灵活应用。3.煤层注水参数计算（1）长孔注水参数计算1）钻孔直径钻孔直径主要由钻机、钻杆直径决定。我国采用岩石电钻打孔时，孔径一般为45mm左右；用钻机打孔时，孔径为53-60mm，少数大于70mm。在选择时，也要考虑煤的硬度、破碎情况、封孔技术及注水量等因素。一般情况下，如果煤的硬度大，注水量大，封孔技术好，孔径可取较大一点，反之宜取较小的钻孔直径。根据我国目前传统的煤矿注水方式，钻孔直径均为45-75mm.2）钻孔长度确定钻孔长度要考虑下列因素：a) 煤层透水性；b) 工作面长度；c) 注水时间和注水压力；d) 钻机能力；e) 煤层倾角、厚度、构造、夹矸等情况。使确定的孔长度能够使煤体普遍湿润，避免无水区和注水时间过长等。单向钻孔注水时孔长计算式：钻孔长度；工作面长度；与煤层透水性和钻孔方向有关的数据，透水性弱的煤层上、小孔，均取20m；对透水性强的煤层，上向孔取，下向孔。根据我国的注水经验，钻孔长度最短不少于20-30m，最长不能超过100m，大体是工作面长度的。3）钻孔间距钻孔间距根据煤层润湿半径计算，即B-钻孔间距，R-润湿半径，-巷道净高（注水工作面上下风巷）在实际注水中，合理的钻孔间距一般通过实践来确定。我国煤层注水矿井多数取孔间距为10-25m，设计时按15-20m考虑。第一个钻孔与回采工作面煤壁间的距离-第一钻孔与工作面煤壁间的距离，m-打钻孔和对其注水的时间，d-回采工作面的平均推进速度，m/d4）封孔深度封孔深度因其影响因素不同，取值不等，必须满足下列要求：a) 不从孔口及其附近煤壁返水、泄水、渗水；b) 在润湿半径未达到设计要求前不发生泄水、渗水现象；c) 操作方便，工艺简单。影响封孔深度的因素及选择：a) 注水压力。压力越大，封孔深度也越深；b) 煤层裂隙发育程度。裂隙发育，要求封孔深度达；c) 沿巷边缘煤体破碎带宽度。封孔深度必须大于破碎带宽度；d) 煤的硬度。煤越软，要求封孔深度越深。我国煤层注水封孔深度一般为2.5m-10m。通常该参数是通过试验和生产实践确定的。5）单孔最大注水量按水分增量计算：式中：-单孔最大注水量，-煤的真密度-注水后要求达到的水分（一般取4%），%-煤层自然含水率，%-煤层厚度，-考虑围岩吸收水分，水的损失和注水不均匀系数，一般取值1.5-2.0。按吨煤注水量计算式中：-吨煤注水量，它根据注水时的水分流失率，煤的孔隙率，以及注水时间中的经验确定，一般按照6）注水速度与单位长度注水速度注水速度是指单位时间内的注水量；单位长度注水速度是指每米钻孔单位时间内的注水量。可用经验公式计算：式中：-单位长度钻孔注水速度；-注水有效压力，；-钻孔内水的压力，；-煤层瓦斯压力，；-单位长度钻孔的渗透系数。一般是根据煤层孔隙率、润湿边角和饱和含水率3个物理参数及注水泵生产能力估算，然后由注水试验确定。7）单孔注水时间式中:-注水时间，；-注水速度，；-单孔注水量，。8）注水压力设计时，根据对煤层特征的观察、测定及参考煤层注水矿的经验，粗略估计注水压力，即根据煤层的种类、成因类型、煤岩类型、变质程度和煤层的地质构造环境等条件分析煤层的裂隙空隙发育程度；以及测定的瓦斯压力、水对煤的润湿边角、煤的坚固性系数和计算出的煤层满仓深度等数据，综合分析煤层注水的难易程度，粗略估计出注水压力。静压注水：动压注水：式中：-煤层瓦斯压力，；-渗透阻力损失，；-地层压力，；-钻孔斜长，-钻孔倾角，-在上向注水取“+”，下向注水时取“-”9）全矿井日注水量按水分增值计算：按吨煤注水量计算：式中：-矿井日注水量，；-注水系数，一般取1.5-2.0；-矿井计划注水的所有采掘工作面日产量，；-吨煤注水量，。10）全矿煤层注水时间总耗量式中：-昼夜有效注水时间，；-全矿注水单位时间总耗水量，（2）短孔煤壁注水参数计算短孔煤壁注水参数确定一般均按经验取1）钻孔直径一般取，在炮采工作面，注水钻孔也可与爆破炮眼共用。2）钻孔长度式中：-钻孔长度，；-工作面日推进度，3）封孔长度，一般为0.6-1.0m。4）钻孔间距B,一般取5）注水压力对于软煤，对于硬煤，对于坚硬煤，6）注水速度;式中，-注水速度，一般取10-20;-单位钻孔长度上的注水速度，；-有效注水的钻孔长度，7）单孔注水量;式中：-单孔注水量，;-漏水系数，一般取1.2；-润湿系数，取2%-2.5%；-如实煤体的体积，；-钻孔长度，。（3）深孔注水参数计算1）钻孔直径。一般取2）钻孔长度：一般取式中：-深孔钻孔长度，-工作面日推进速度，。3）封孔长度；式中：-封孔深度，；-破碎带宽度，。4）钻孔间距5）注水压力;式中：-初始注水压力，；-给定条件下的最小注水压力，；-单位长度注水速度，；-煤层透水性系数。；式中：-开采深度，；-煤的硬度系数，。最佳初始注水压力值的波动范围按照确定。6）注水速度;式中：-注水速度，-钻孔透水部分长度（），；-单位长度注水速度;一般为10-25。7）单孔注水量式中：-单孔注水量，；-吨煤耗水量（一般取15-30）（8）单孔注水时间：（4）巷道钻孔注水1）钻孔直径根据岩层性能及打钻能力具体确定。2）钻孔长度：式中：-巷道钻孔长度，；-岩石内钻孔长度，；-煤层内钻孔长度,;-煤层厚度，。3）封孔位置一般在岩石与煤层界面附近的岩石中。4）钻孔间距一般取20-30。5）注水压力。同长孔注水的压力计算。6）注水速度：;7)单孔注水流量：;式中：-润湿系数；-空间距，；-倾斜方向的润湿长度，；8）单孔注水时间4.设备选型应根据计算出的注水参数，结合煤层倾角、煤的硬度等因素选择合适的钻机、封孔器、注水泵、供水管材，并设计出注水动力控制和考察注水效果的有关仪表和设施。5.煤层注水系统图的绘制煤层注水系统图可以在矿井采掘工程平面图的基础上绘制，也可以再矿井通风系统示意图的基础上绘制。一个完整的煤层注水系统图应符合以下要求：（1）标明防尘水源，干、支管及控制阀门的位置；（2）标明注水泵及吸、排支管和控制阀门及仪表的位置；（3）绘制出钻孔布置形式及位置，采用多孔注水时应标出其同时注水示意图；（4）应辅以钻孔剖面图；（5）图例清楚且规范。三、某矿煤层注水设计任务书某矿是一个年设计能力为150万t的高瓦斯、易自燃矿井，现实际生产能力为150万t。井田内有五组煤，仅第三组可采，地质构造简单，为单斜构造，煤层赋存较稳定。煤层厚度为2.8-3.5m，煤层倾角为16-22，煤的自然含水率为1.3%，煤的饱和含水率为6%，煤层灰分30-40%，煤的硬度为1.8-2.0，煤层孔隙率为5%-8.8%，煤尘浓度为320mg/m3，煤层的透水性系数为1.1610-6-12.8810-6，煤层润湿边角56-75，煤尘爆炸指数为39%，煤层含夹层数3-4，煤的真密度1.42t/m3,相对瓦斯涌出量为21.54m3/t。煤层顶板岩性为砂泥岩，厚10m；煤层底板岩性为砂泥岩，厚25m；伪顶为泥岩，厚0.