煤层注水防尘研究

煤层注水防尘研究

摘要:只要有煤炭开采,就会产生粉尘。而粉尘由于其自身的特点具有很大的危害性。为了减少采煤工作面的粉尘,采取了多种降尘措施,但收效甚微。本文研究了煤层注水防尘的作用机理,以期为煤层注水防尘技术的更好的应用提供帮助。

关键词:粉尘注水防尘作用机理研究润湿机理分析

1 问题的提出

只要有煤炭开采,就会产生粉尘。煤矿粉尘是指在煤矿开拓、掘进、回采和提升运输等生产过程中产生,并能长时间悬浮于空气中的岩石和煤炭的细微颗粒,也简称为矿尘,它包括岩尘和煤尘。煤矿粉尘的危害性主要表现在2个方面:一是煤尘的自燃性和爆炸性,煤尘爆炸危险普遍存在,危害严重。二是严重的职业危害,中国原国有重点煤矿现患尘肺病人数约17.5万人,而且每年还在增长,每年因尘肺死亡2500～3000人。这些数字还不包括职业危害更严重的原国有地方煤矿和乡镇煤矿。所产生的尘肺病是一个没有医疗终结的致残性职业病,严重影响生活质量,而且每隔数年病情还要升级,合并感染,最后导致心肺病、呼吸衰竭而死亡。患尘肺病死去的人,因死状悲惨,被称之为跪着死去的人。

2 煤层注水防尘机理研究

煤矿井下的粉尘有45%～80%来自采煤工作面。为了减少采煤工作面的粉尘,国内外的采矿工程师和相关专业的科技工作者进行了大量的科学研究工作,采取了多种降尘措施,如移架喷雾、煤机内外喷雾、转载点喷雾、湿式打眼、洒水等。这些综合措施虽然具有较好的防尘效果,但从控制煤尘的过程来看,是在煤尘产生后实施的,属于被动防尘。而对回采工作面实施煤层注水,则是积极的、主动的、从源头上控制煤尘产生的最有效的方法。

煤层注水就是在煤层开采之前,打若干钻孔,通过钻孔向煤体注入压力水,使其渗入煤体内部,均匀分布于煤层中无数细微的裂隙和孔隙之中,破坏煤体内原有的煤—瓦斯两相体系的平衡,使煤的物理化学性质、力学性质及热力学性质发生变化,并使煤体降低产生浮游煤尘的能力,从而达到主动降尘的效果。

煤层注水是回采工作面有效的防尘措施。煤层注水降尘机理体现在以下三个方面:

(1)水润湿了煤体内的原生煤尘。在煤体内部各种裂隙中,都或多或少存在着原生煤尘,它们随煤体破碎而飞扬于矿井空气中。水进入裂隙后,可将其中的原生煤尘在煤体未破碎前预先润湿,使其失去飞扬的能力,从而有效地消除尘源。(2)水有效地包裹了煤体的每一个细小部分。水进入煤体各类裂隙、空隙和层理之中,不仅在较大的构造裂隙、层理、节理中有水存在,而且在极其微小的孔隙内部,都有水的注入,甚至在1以下的微孔隙中也充满了毛细水,这样就使整个煤体有效

地被水包裹起来。当煤体由于开采而受到破碎时,因绝大多数破碎面均有水存在,从而消除了细微煤尘的飞扬,即使煤体破碎的极细,渗入细微孔隙的水也能使之预先润湿,预防浮游煤尘产生。(3)改变了煤体的结构和物理力学性质。水进入煤体后,能使煤体塑性增加,脆性减弱,还能使内聚力和摩擦角降低,改善煤体应力集中及支撑压力和上覆岩层对煤体的影响。当煤体受到外力作用时,许多脆性破碎变为塑性变形,因而大量减少了煤炭破碎为尘粒的可能性,降低了煤尘的产生量。

我国新汶孙村矿和本溪彩屯矿实施煤层注水后,除尘率分别达到73%和79%。表1是“三软”综放工作面通过实施煤层注水及其他防尘措施后的降尘效果。

3 煤层注水防尘过程研究

3.1 水在煤体中的运动过程

注水过程中,水不断改变煤体自身的物理力学结构和性质,从大裂隙通道中不断压裂贯通封闭状态的孔隙进入煤体,直至渗入细微孔隙中,这一过程大致分为以下三个过程。

(1)进水过程。压力水初始沿煤体原生连通裂隙通道进入煤体,是一个克服煤体内部阻力的过程。处于原始状态的煤层,原生裂隙通道只占全部裂隙的极少部分,连通的通道更少。因此初始注水时。煤层

出现明显的不进水现象,注水存在一个临界压力值。

(2)贮水过程。进水的煤体随注水压力的增高,煤体裂隙系统通道网在水的压力作用下,逐渐扩大丰富,压力水不断进入煤体,并在通道孔裂隙中滞留,这是注水渗流润湿的主要过程,煤体最终达到均匀润湿所吸收的就是这部分水。

(3)吸附水过程。在水沿渗流系统通道流动的同时,各类细微孔裂隙(孔隙直径＜10～8m)以较低的流速吸附渗流通道的水,形成吸附水过程,这一过程主要是毛细孔隙在起作用。在细微孔隙中,注水压力在这些孔道中已消耗尽,而毛细作用力增大。

煤层压力注水的全过程一方面是扩充渗透通道空间及其广度,形成输水和贮水空间,把水输送到煤体各处;另一方面靠煤体细微孔隙的毛细作用逐渐吸附这些水分,构成补给—润湿吸附的过程。

3.2 煤体润湿过程

润湿是指在固体表面上一种液体取代另一种与之不相混溶的流体的过程。煤层注水润湿过程是典型的非饱和到饱和的渗透过程。以非饱和状态为主,是压力渗流、毛细和扩散三种运动共同作用的结果,但起的作用不同,其作用结果都有利于渗透。

在细微孔裂隙中毛细扩散速度一般较慢,主要表现在横向运动上。注水压力对注水运动及润湿状态起决定性作用。常见的润湿现象

是固体表面上的气体被液体取代。水对煤体孔隙、裂隙表面的润湿实质上是水溶液取代煤体孔、裂隙固体表面气相的过程,因此,深入地研究水对煤体的润湿机理,就必须分析煤体的润湿过程。煤体润湿包括沾湿、浸湿和铺展过程。

(1)沾湿过程。煤体沾湿是指液体与煤体从不接触到接触,变液—气界面和固—气界面为固—液界面的过程。

(2)浸湿过程。浸湿是指固体浸入液体的过程。此过程的实质是固—气界面为固—液界面所代替,而液体表面在此过程中并无变化。

(3)铺展过程。铺展过程的实质是以固—液界面代替气—固界面的同时还扩展了气一液界面。

4 煤层注水防尘存在的问题

尽管煤层注水技术已经有了比较大的发展,但是,目前我国煤层注水技术中仍存在以下问题有待解决:

(1)煤层注水润湿煤体的过程和机理。目前国内外关于煤层注水润湿煤体的机理研究相对较少,而且不够系统,煤层注水缺乏理论指导。

(2)特殊煤层结构条件下的煤层注水工艺问题。如有的煤层煤结