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1、第三章 煤层注水设计第一节 设计根底资料和主要内容一、设计根底资料1. 煤的物理机械特征(煤的透水性、原始水分、孔隙率、潮湿边角、硬度、裂隙发育情 况、煤的饱和含水率)、顶底板的物理力学性质(透水性、孔隙率、硬度、自然含水率、饱和含水率)、煤尘爆炸指数。2. 煤的赋存条件，包括倾角、厚度、构造及稳定性等。3. 矿井开拓系统、采区巷道布置及采煤方法。4. 工作面产量、推动度、通风方式，进、回风巷几何尺寸和支护形式。5. 水源及供水系统。二、煤层注水设计主要内容1. 煤层注水方式选择。2. 煤层注水工艺及参数计算。3. 煤层注水设备及供水管径的选择。4. 绘制煤层注水系统图。5. 编写煤层注水设计
2、说明书。 三、煤层注水设计应留意的问题1. 煤层厚度小于 06m 时，不宜注水。2. 煤层孔隙率小于 4时，其透水性接近于零，此时不宜注水。3. 煤层孔隙率大于或等于 40时，煤层成为多孔均质体，自然含水率已达 1，此时已无需注水。4. 煤层潮湿边角90时，为不行潮湿煤体，注水防尘效果不好。5. 长孔注水，孔长不能小于待注水煤层工作面倾斜长的23。6. 应有比较充裕的注水时间。其次节煤层注水方式及其选择一、煤层注水方式煤层注水方式是指钻孔的位置、长度和方向。我国目前使用的注水方式有长孔注水、短孔注水浅孔注水，深孔注水和巷道钻孔注水四种方式。1. 长孔注水在采煤工作面前方的进风巷，或回风巷沿煤层
3、倾斜方向平行于煤层工作面打钻。长孔注水分为单向和双向长孔注水两种形式，如图31 所示。图 31长孔注水示意图a 上向孔； b下向孔 ；c双向长钻孔注水方式示意图1回风巷；2开切眼；3运输巷2. 短孔注水(浅孔注水)沿采煤工作面与煤壁垂直或或斜交打钻孔孔注水,孔长一般为 2m3.5m，如图 32a 所示。32短孔、深孔注水方式示意图a短孔b深孔1回风巷；2运输巷3. 深孔注水沿采煤工作面、垂直工作面煤壁打孔,孔长一般为 525m，如图 32b 所示。4. 巷道钻孔注水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注水,在一个钻场可打多几个垂直于煤层或扇形布置方式的钻孔,通过钻孔进展注水，如
4、图 33 所示。图 33 巷道钻孔注水示意图1巷道；2、3钻孔；4上煤层；5下煤层二、注水方式的选择长孔注水是一种先进的注水方式，钻孔能潮湿较大区域的煤体，获得较长的注水时间， 煤体潮湿均匀，采、注无干扰，所以为各国广泛承受。缺点是打长钻孔的难度大，定向打钻困难，对地质条件的适应性差。短钻孔注水适用于煤层赋存不稳定、地质构造简单、煤层薄、产量较低的采煤工作面， 或者工作面顶、底板为易吸水膨胀岩性时。由于短孔注水压力低，所以其工艺装备简洁，具 有较大的适应性和敏捷性。缺点是钻孔数量多，潮湿范围小，钻孔长度短，易跑水；由于注水必需在预备班进展，简洁与回采作业发生冲突，对生产力量高的工作面不适用，加
5、上降尘效率不如深孔和长孔注水，所以正规工作面已较少承受。深孔注水钻孔较长，要求煤层赋存稳定。它可适用于各种工作面顶、底板状态。与短孔 注水比较，其钻孔数量少，潮湿范围大且均匀，降尘效果较好。但它对注水压力要求较高， 注水工艺装备较简单，而且承受这种方式的前提是作业循环中要有预备班。巷道钻孔注水费用高，尽管可以小流量长时间注水，注水效果好，但承受较少。第三节 注水工艺及参数确定一、长孔注水工艺及参数确定1. 钻孔直径钻孔直径主要由钻机、钻杆直径所打算。我国承受岩石电钻打孔时，孔径一般为 45mm左右，用钻机打钻时，孔径为 5360mm，少数大于 70mm。在孔径选择时，要考虑煤的硬度、裂开状况、
6、封孔技术及注水量等因素。通常，假设煤的硬度大、注水量大、封孔技术好孔径可取较大一些，反之宜取较小的钻孔直径。依据我国 目前统配煤矿注水实情，钻孔直径均在4575mm 之间。2. 钻孔长度单向钻孔注水时孔长的计算。LL M(3-1)l式中 L钻孔长度，m；L 工作面长度，m；1M与煤层透水性和钻孔方向有关的参数，透水性弱的煤层上、下向孔，M 均取 20m；对透水性强的煤层，上向孔取M20m，下向孔M(1323)L1。依据我国的注水阅历，钻孔长度为 30100m，即工作面长度的 13910 的范围。3. 钻孔间距在实际注水中，合理的钻孔间距一般通过实践来确定。我国矿井注水承受的钻孔间距大多为 10
7、25m，设计时可按 1520m 考虑。4. 钻孔角度钻孔角度原则上与煤层倾角保持全都，使钻孔始终保持在煤层内，以免穿透顶底板； 考虑到钻杆的下沉，开口位置宜靠近煤层上部；煤层有夹矸时，应使钻孔穿透夹石，以使各自然分层均被潮湿。5. 封孔深度封孔深度一般通过试验和生产实践确定，我国煤矿封孔深度一般为2510m。6. 封孔方式煤层注水是通过密封在钻孔内的注水管将水注入钻孔并渗入煤体。封孔即把注水管封在钻孔内。封孔方法有两种，即水泥砂浆封孔和封孔器封孔。(1) 水泥砂浆封孔这种封孔方式的具体操作及留意事项如下：a. 注水管机采工作面注水应承受外径为 25 mm、壁厚为 25mm，或外径为 20mm、
8、壁厚为 2mm 的聚氯乙烯硬管作为注水管。管长 2m，管与管之间通过用同类材料制成的接头连接起来。最终一根注水管，应承受一样直径、长为 08m 的钢管。当注水压力较高并承受SLB-1 型水泥砂浆封孔泵向钻孔注入水泥砂浆时，为确保塑料注水管能被水泥砂浆均匀地包裹起来，使其具有牢靠的耐压强度，可在管的一端，距端头 200mm 处圆周上焊上塑料板条或黏上木条以扶正注水管。塑料板条或木条长 80mm、宽 10mm，与管接触的一面呈凹弧形，曲率半径与管的曲率半径一样。3 条板条或木条在管的圆周上互成 120，在轴线方向上，各板条或木条首尾相距 30mrn。黏木条后的分布圆直径应比钻孔直径小3mm4mm。
9、水泥砂浆层厚不得小于13mm。炮采工作面注水既可承受聚氯乙烯硬管，亦可承受外径为 17mm 或 21mm 的钢管作为注水管。承受钢管时可不焊接板条。b. 泥浆堵头常用方法是在注水管上距前端管口 150mm 处横插一个比封孔直径短的棒，将布条或棉纱均匀分布在管的圆周上，在棒的前头用钢丝捆紧。捆有布条处的直径要比封孔直径小一些， 以保证能顺当送进孔内。c. 封孔施工将捆有布条的注水管先送进钻孔，随后逐根送入孔内。管接头的螺丝扣要缠上密封胶带 或涂上白铅油并加麻绳，严密连接。送完注水管后，将注水管轻轻向后拉一下，使布条在孔内固紧。向封孔段送水泥砂浆的方法根本上有以下四种：图 34 水泥砂浆封孔后的状
10、况示意图1 一钢丝；2 一棉纱；3-水泥砂浆；4 一塑料管；5支撑板；6-管接头；7-钢管；8 一堵孔木塞；9注浆管接头；10连接螺母；11 一注浆夹布胶管水泥砂浆封孔泵注浆。向孔内注浆前 1d2d，先在孔口用水泥固定一个木塞。木塞上有两个通孔，一个孔穿过注水管，一个孔安装注浆接头。注浆时，用夹布胶管将注浆接头与 特地用于封孔的SLB1 型水泥砂浆封孔泵连接起来。封孔后的状况如图 34 所示。水泥砂浆的水、灰、砂比为 05：1：1。为使水泥砂浆固化后的收缩量尽可能小一些，水的用量应以水泥砂浆呈稠状为准。当封近水平钻孔时，为确保封孔质量，最好承受硅酸盐膨胀水泥。砂子要过筛，掌握粒径在 2mm 以
11、下。承受水泥砂浆封孔泵注浆，只要能满足水泥砂浆层厚不小于 13mm，就可不再扩孔。灌注水泥砂浆。该方法主要用于钻孔倾角大、封孔深度浅的下向孔。将灰砂比为 1：2的稀水泥砂浆倒入注水管与钻孔之间的环形空间即可完成封孔。灌浆时，封孔段不得有积水。图 3 一 5 送泥器示意图1拉杆；2-接头；3套筒；4 一垫圈；5-活塞；6-密封圈；7 一螺栓送泥器送泥封孔。将灰砂比为 1：2 的灰砂掺合均匀，用水拌成炮泥状，然后填入如图35 所示的送泥器中。把送泥器送进钻孔，将接头 2 与钻杆连接起来，始终接到扩孔段的孔底，再通过高压软管将钻杆与注水泵连接起来。开动水泵即可将灰砂泥送进钻孔预定位置。送泥时需用力抵
12、住钻杆后退。如此反复进展，直至填满钻孔。每送进两次，需沿钻孔拨动一 下注水管，以转变具位置。承受的注水管以g15 的一般钢管为宜。人工送泥。当钻孔倾角较小和封孔深度较浅时，可承受此法。即用水将水泥和砂拌成炮泥状，用月牙形铁铲送进孔内并捣实即可。(2) 封孔器封孔主要介绍以下两种方式：a. YPA 型水力膨胀式封孔器封孔。将这种封孔器(见图 36)与注水管连接起来，送至预定的封孔位置，通过高压软管与水泵连通。开泵后，封孔器胶管在水压作用下膨胀，封住 钻孔，水从喷嘴经挡水罩流出，进入钻孔。注水完毕后，封孔器胶管将随压力下降和消逝而渐渐恢复原状，然后取出再用。使用时，有时会因地压大造成钻孔缩小或塌孔
13、，使封孔器难以取出。机采工作面使用时应留意，一旦取不出封孔器，要保证不造成采煤障碍。图 36YPA 型水力膨胀式封孔器1 一挡水罩；2喷嘴；3O 型封圈；4外套；5芯子；6胶b. MF 型摩擦式封孔器封孔将这种封孔器(见图 37)与注水管(钢管)连接起来，送至钻孔的封孔位置，顺时针旋动注水管使其向前移动，橡胶密封筒被压缩膨胀，封住钻孔，然后注水。注水完毕后，逆时针旋转注水管，密封胶筒卸压并恢复原形，然后取出再用。图 37MY 型摩擦式封孔器1 一注水管；2连接器；3推压器；4 一垫圈；5橡胶密封；6中间隔垫；7 一短管螺母；87. 注水压力我国注水阅历，一般静压注水水压不超过 2450kPa，
14、动压注水水压一般可到达 4900 19600kPa 左右。8. 注水流量静压注水流量一般为：0.0010.027m3/hm；动压注水量一般为：0.020.24 m3/hm。9.注水量一般地煤层注水每个钻孔的注水量为：Q=L1BMrq(32)式中：Q 每孔的注水量， m3；r煤的密度，t/ m3； L1 工作面长度，m； B钻孔间距，m； M煤层厚度， m；q吨煤注水量。一般为 0.03m3/t。在实际工作中，要依据实际状况来来确定钻孔间距和注水量，而且还可以在水中参加潮湿剂，以提高潮湿速度和范围，从而到达好的防尘效果。如阳泉一煤矿，在水中参加 0.5% 浓度的洗衣粉，注水速度会提高 25%，前
15、苏联广泛用专用潮湿剂，潮湿范围扩大50%。10.注水时间实践工作中应避开消灭等待注水的现象。一般来讲，采煤工作面深孔注水，应有半个月 左右的提前量。过早注水，采煤时煤体会失水枯燥；过晚注水，煤体不能充分潮湿，会影响防尘效果。单孔注水实践中以煤壁渗水为参照，阅历公式如下：单孔注水时间为： TQ(33)V式中： T 注水时间，h； Q钻孔注水量，m3； V注水速度，m3/h。二、短孔注水工艺及参数确定(一般按阅历取) 1.钻孔直径一般取 4050mm。2. 钻孔长度一般取LL +0.25(3-4)d式中 L钻孔长度，m；L 工作面日推动度，m。d3. 钻孔间距一般等于钻孔长度4. 封孔深度封孔深度一般为 061m。5.注水压力软煤 0.6.0MPa；硬煤 1.0.8MPa；很硬煤可取 2.5
