兖矿综合机械化放顶煤工作面粉尘防治技术.docx

兖矿综合机械化放顶煤工作面粉尘防治技术 综放工作面降尘问题是采掘工作面临的技术难题之一。在不实行任何降尘措施的状况下，每割1t煤通常要产生100150g煤尘。采纳滚筒内外喷雾、煤层提前注水等降尘措施后，每割1t煤的产尘量可降低到1012g。20世纪80年月中期以前，综采面生产力量较低，生产力量一般不超过10t/min，向风流中排放的粉尘不超过100120g/min，风流中粉尘的浓度一般不超过500mg/m3。80年月中期以后，综采（放）面实现高产高效，瞬时生产力量增至2030t/min以上。90年月以来，我国快速进展了综采放顶煤技术，该技术具有高产、高效、低耗的优点，但同时带来了产尘点多、产尘量大、粉尘污染严峻的问题。因此，在综放工作面采煤机四周、放煤口及移设支架的下风侧，粉尘浓度经常高达10001200mg/m3以上。采煤工人长期处在这样条件下工作，极易患煤肺病，严峻危害身体安康。高浓度粉尘恶化了矿井的工作条件，不仅降低了工人的生产效率，增加了发生各种工伤事故的机率，而且还潜存着发生煤尘爆炸的可能性，威逼矿井安全生产。 1、国内外防尘技术概况 1.1综放工作面粉尘产生气理 1.1.1粉尘的分类 在煤矿开拓、掘进、采煤、运输、提升等生产过程中产生的、并能较长时间悬浮于空气中的岩石和煤炭的微小颗粒统称为煤矿粉尘。煤矿粉尘主要包括岩尘和煤尘，外形不规章，颗粒大小分布范围很广。按矿尘颗粒的大小可分为： (1)粗尘。直径大于40m的粉尘，是一般筛分的最小直径，极易沉降。 (2)细尘。直径为1040m,在光明的光线条件下肉眼可以看到，在静止空气中呈加速沉降。 (3)微尘。直径为0.2510m，用一般光学显徽镜可以观看到，在静止空气中呈等速沉降。 (4)超微粉尘。直径小于0.25m，要用超显微镜才能观看到，可长时间悬浮于空气中，能随空气分子作布朗运动。 针对粉尘对人体的危害程度，又将煤矿粉尘分为呼吸性粉尘和非呼吸性粉尘以及全尘。呼吸性粉尘是指粒径在7m以下的，可以进入人体呼吸系统和肺部，并会导致尘肺病变的那局部细徽尘粒。呼吸性粉尘对人体的安康危害最大，是粉尘防治工作的重点。粒径大于7m的粉尘则是非呼吸性粉尘；呼吸性粉尘和非呼吸性粉尘之和就是全尘。 一般来说，为了考察各种降尘措施的实施效果，在科研和生产过程中均需测定呼吸性粉尘浓度和全尘浓度。 1.1.2综放工作面粉尘的来源 综放工作面粉尘的来源可分为： (1)原始粉尘。在开采前因地质作用和地质变化等缘由而生成的粉尘，存在于煤体和岩体的层理、节理和裂隙之中。 (2)矿压产尘。在开采过程中，由于采动影响，在矿压的作用下，煤层中伴随大量裂隙的消失而产生的粉尘。 (3)工艺产尘。煤体在破、装、运等过程中受碰撞、挤、压等作用而产生的粉尘。 (4)采煤机滚筒割煤产尘。这是由截齿的齿尖对煤体的巨大压应力而产生的粉尘。 在综放面开采过程中，对于强度较大的煤层，原生粉尘及矿压产尘较少而工艺产尘和割煤产尘是粉尘的主要来源，尤其是采煤机割煤产尘，是粉尘的最主要来源。反之，对于松散煤层，原生粉尘及矿压产尘是主要尘源。鲍店煤矿综放面煤层强度系数3.54.7，强度较大，采煤机割煤产尘约占综放面总产尘量的60%-70%，而其他尘源产尘量仅占30%-40%。 1.1.3综放面粉尘的分布状况 在综放面，原生粉尘及矿压产尘主要是通过放顶煤及支架前移时释放的，多为粗尘，细尘以下颗粒占的比例较少，而且由于架间及放煤道风速较低，粉尘简单沉降，其影响范围一般在下风侧10-15m以内，超过此范围，80%-90%的粉尘已经沉降，因而，侧定支架放煤产尘和移架时架间产尘应在此范围内进展。 采煤机割煤产尘不仅量大，而且颗粒细多为细尘及微尘，加之采煤机道的风速远高于架间及放煤道，因此采煤机产尘难于沉降，影响范围大。从前滚筒（即进风端滚筒）中心的前方3m处起，采煤机产尘开头影响风流，然后从前滚筒至后滚筒（下风流端的滚筒），风流中粉尘浓度渐渐加大，自后滚筒中心起至机后15m范围内，是采煤机产尘导致风流中粉尘浓度最大的区域，超出此范围，粉尘浓度渐渐下降。因此在测定采煤机产尘时，测点应设56个，以便全面把握采煤机四周粉尘分布状况。 在综放面的回风巷口处，采煤机道、人行道（架间）、放煤道的风流合在一起，此处粉尘浓度代表了全工作面风流中粉尘平均浓度。假如割煤、放煤、移架3个主要工序距回风巷口较远（大于20m），则回风巷口处粉尘浓度一般较低，这是由于粉尘在随风前移中，大局部粗尘及一局部细尘渐渐沉降或附着于设备外表所致。 在综放面机道、人行道、放煤道，三者的风流并非是隔离的，因此割煤、放煤、移架三者产尘也是相互影响的。为了防止粉尘浓度益加，采煤机顺风割煤时放煤与移架距采煤机的距离应大于15m，逆风割煤时应大于20m而移架与放煤两者应相距15m以上。 1.1.4滚筒采煤机产尘机理 (1)滚筒采煤机产尘缘由 a截齿切割煤炭，也就是截齿从煤体上剥落煤炭的过程。在这个过程中截齿与煤体接触处产生很大的接触应力（图431)，使煤体内局部粉碎，随着截齿切割运动的进展，粉碎的范围扩大并被压实，即形成“密实核”，密实核体积受压缩，在它的四周产生挤压区、弹性变形区，并产生裂纹，当裂纹集中到边界，大块煤崩落，同时密实核溢散，煤尘以肯定速度溢出。在滚筒割煤的整个过程中，这个过程反复进展，煤尘连续产出。 740)this.width=740“ border=undefined> b在螺旋叶片运煤过程中，螺旋叶片与剥落下的煤炭相互碰撞，被粉碎成大小不等的各种碎块，这些碎块均按肯定比例（比例大小与煤的性质有关），粉尘也随之按比例产生。 c螺旋叶片装煤时，叶片尾端对煤炭的抛射作用、叶片与煤炭的相互摩擦作用也将产生局部粉尘，同时煤尘随煤炭的抛出将会在空气中扬起，漂移于空气中。 (2)影响煤尘产出量的主要因素 采煤机割煤时不产尘是不行能的，但正确处理各产尘因素，实行适当技术措施，产尘量是会削减的。 a截齿的形式、数量、几何参数和磨钝程度是主要因素。试验证明，大型镐型齿可以削减煤尘。近来讨论的盘形滚刀也可削减煤尘产出率。滚筒上配置的截齿愈少，煤尘产量愈少。采纳锐利的截齿割煤时，大块剥落的煤炭增加，密实核减小，产生的煤尘就相对削减。 b螺旋滚筒参数也是影响产尘量的重要因素。首先是运动参数，即滚筒转速和牵引速度。降低滚筒转速是削减煤尘的主要措施之一。目前，中厚煤层采煤机滚筒转速大多降至40r/min以下，有的甚至不到30r/min.增大牵引速度，提高了煤的块度，也增大了采煤机的生产率，在采煤机电动机功率和运输系统能满意要求的状况下，截煤时的牵引速度目前可达10m/min左右，这就大大削减了煤尘产出比例。螺旋滚筒的构造参数对大块煤的产出比例和煤尘的产出率都有很大影响，要视矿山地质条件和煤岩性质而定。一般状况下，割脆性煤时，滚简截齿的截距可以增大，密度可以减小，从而可使产尘量削减；而对于韧性煤以及截割阻抗大的煤，滚筒上截齿排列密度必需增大，导致产尘量增加。 (3)采煤机采煤过程中产尘量与煤层的性质、煤层厚度、煤层中含水量等因素有关。 1.2国外综采面降尘技术 1.2.1文丘里管高压水吸尘技术 图432所示为德国研制的文丘里管高压水吸尘技术示意图。在滚筒螺旋叶片内加工出“V“形孔道，其内装上文丘里管，管内装有喷嘴，当20MPa的高压水通过喷嘴时，喷嘴喷出的水雾在文丘里管内形成负压，含尘气流被吸入，粉尘与水雾在管内快速而充分地结合、潮湿，喷出管后极易沉降，到达降尘的目的。而从文丘里喷射管内喷出的水雾、空气、湿尘的混合气雾流又起到一般外喷雾的作用，到达二次降尘的目的，同时也冷却了截齿、潮湿了煤岩。试验证明，文丘里管高压水雾吸尘的降尘效果优于滚筒高压水雾内喷雾的降尘效果。 1.2.2采煤机吸尘滚筒 近年来，德国和英国分别研制出了采煤机吸尘滚筒。图433为德国研制的采煤机吸尘滚筒剖面图，图434为英国研制吸尘滚筒立体图。两者原理和构造根本一样，只是德国吸尘滚筒水压高达20MPa左右，而英国为l0MPa左右。 740)this.width=740“ border=undefined> 以英国吸尘滚简为例，工作原理如下： 在滚筒筒毂内装有若干集尘管，当来自中心管的高压水进入工作面煤壁侧喷水圈后，经若干喷嘴向集尘管喷射，将产生与之成比例的气流，在集尘管的进口从截割区吸入含有煤尘的空气。含尘空气被净化后，排放到滚筒的采空侧一端，然后借助于安装在采煤机滚筒的采空侧一端上的一块折流板，使雾、气流再返回截割区进展二次降尘。图434为一中等直径的吸尘滚筒示意图，滚筒内装有9根集尘管，管径l00mm，每秒可吸入含尘空气17m3，耐磨的锥形喷嘴在l0MPa压力下每分钟可喷射60L水。试验说明，70%的风流可循环使用，但有0.5m3s的新奇空气可以进入吸尘滚筒，以稀释瓦斯。对于直径为lm左右的滚筒，可采纳较扁的矩形断面集尘管。在直径为1.5m以上的滚筒内可装16个尘管（管径为l00mm），以加大流入截割区的风流速度，以便在产生煤尘多和瓦斯涌出量大的工作面加大除尘风量。采纳16根集尘管时，风流可超过3m3s。 吸尘滚筒为产尘量高的工作面供应了一种新的解决途径。吸尘滚筒最大的优势表现在切割断层，即牵引速度低时，由于此时进入滚筒的破裂煤较少，截割区的空气阻力相对较小，从而增大了含尘空气的收集率。吸尘滚筒与一般内喷雾滚筒相比，割煤期间空气中煤尘含量可削减40%-80%（在耗水量相近的条件下），发生摩擦起火的次数也大大下降。吸尘滚筒所需高压水由装在采煤机上或布置在工作面巷道内的高压水泵供应。 1.2.3综采工作面排尘技术 传统的外喷雾逆风喷雾方式，使操作司机常处于高浓度粉尘条件下工作。对此，美国矿业局进展了大量的试验与讨论，研制出了滚筒采煤机新型外喷雾净扮装置。这种新型外喷雾装置的根本原理是采纳顺风引射排尘的方式，将滚筒采煤机割煤时产生的高浓度含尘气流引向沿煤壁流淌，阻挡割煤时产生的粉尘向采煤机司机工作位置集中，使含尘气流和新奇风流分道运行，克制了传统外喷雾系统逆风喷雾时所产生的涡流效应。这种新型外喷雾净扮装置对含尘气流的掌握和净化如图435所示。它比逆风喷雾方式在操作司机位置的粉尘浓度低50%左右，在美国已广泛推广使用。 740)this.width=740“ border=undefined> 滚筒采煤机新型外喷雾净扮装置主要有引射分流局部、抑制含尘气流并净化局部和跟踪净化局部组成，各局部的构造、名称及作用分述如下。 （1）引射分流局部。包括分流臂及臂上安装的15号喷嘴及采煤机上安装的69号喷嘴。通过引射风流的作用，把工作面的风流分成沿煤壁和人行道两局部，沿煤壁风流捕集并携带采煤机滚筒割煤时产生的粉尘，使其沿煤壁运动，在外喷雾水的作用下将局部粉尘沉降下来，并使输送机内的煤外表得到潮湿。 （2）抑制含尘气流并净化局部。包括采煤机箱体上安装的1012号喷嘴，通过此局部的作用，进一步掌握含尘气流连续沿煤壁流淌，抑制其向人行道集中，加强对含尘气流的净化并对煤壁进展潮湿，阻挡吸附于煤壁上的粉尘重新飞扬。 （3）跟踪净化局部。包括采煤机后端面上安装的13、14号2个喷嘴。通过此局部的作用，对沿煤壁携带粉尘的风流进一步进展净化，包括对由机体下面空间流过的含尘气流的净化，掌握采煤机回风侧滚筒割煤时产生粉尘的飞扬，并对运输的煤炭进展喷雾，阻挡运输过程中二次尘源的产生。 美国煤矿井下长壁综采面采纳多巷布置，即上、下顺槽至少各布置3条，因此可设特地排尘巷道，其内既无人也无设备，尽管粉尘并未降下来，但对人员无危害，对矿井不构成威逼。在工作面内，为了协作排尘技术，采煤机采纳单向顺风割煤，使跟机作业人员均处在新奇风流中工作。 1.2.4喷吸结合降尘技术 喷吸结合降尘法是20世纪80年月前苏联国家煤矿机械设计院与马凯耶夫煤矿技术安全讨论所提出的。喷吸结合降尘法的根本原理如图436所示。在采煤机3上的2个螺旋滚简（1和5)之间安设了数组喷嘴40在采煤机的侧面固定有护板2,护板2从采煤机上外表伸向顶板。前滚筒1通过之后，由工作面煤壁、滚筒新割出的煤台上外表以及护板2围成一个通道。此时喷嘴4向图示方向喷射水雾，上述通道内的含尘空气被喷吸器吸入，粉尘被潮湿后局部沉淀下来，粉尘与空气的混合物由喷吸器管道向采煤机的后滚简5喷去，因此又将后滚筒产生的煤尘降下。采煤机反向截煤时，喷吸器反向喷射。经分析并由试验证明，当采煤机顺着风流方向牵引截煤时，喷吸器的降尘效果比在逆风流方向牵引截煤时差。但在这种状况下，采煤机司机和移架工人是在新奇风流处工作。喷吸结合降尘装置能将综采面风流中含尘量降低70一80。 740)this.width=740“ border=undefined> 为保证对含尘空气的抽吸效果，在工作面风速为4m/s的条件下，喷吸器的吸风量应为100m3/min。喷吸器的实际给风量与喷嘴数量、喷嘴型号以及水压有关。当水压为1.62.8MPa,耗水量为2755L/min时，采纳12个圆锥型喷嘴（喷嘴直径为2.25mm)就可以保证100m3min以上供风量。 1.3国内综放面常用降尘方法 1.3.1降尘措施分类 根据国内综放面粉尘防治技术机理的不同，大体可将综放面防尘技术措施分为减尘、降尘、排尘、除尘和个体防护（阻尘）措施5类。 (1)减尘措施：a煤层注水；b采空区及巷道灌水；c选择相宜的放煤方法和放煤参数，改良放煤工艺；d改良采煤机切割机构及选择合理截割参数。 (2)降尘措施：a采煤机内外喷雾；b架间及放煤口自动喷雾；c运输设备转载点及装载点喷雾洒水；d防尘用水中添加潮湿剂；e喷雾泡沫降尘；f喷雾水幕净化风流。 (3)排尘措施：a综放面采纳W型、E型通风系统或U型顺流（下行）通风系统，选择最正确排尘风速；b隔尘措施，例如采煤机安设纵向隔尘帘幕、回风巷切口风帘、破裂机密封罩等。 (4)除尘措施：包括干式捕尘器、湿式除尘器、过滤式除尘器等。 (5)个体防护：如工人戴防尘口罩、防尘面罩、防尘矿帽等。 1.3.2主要降尘方法 (1)采煤机滚筒外喷雾与内喷雾降尘 目前综放面滚筒采煤机降尘的主要方法是采纳滚简内外喷雾系统，即以雾状压力水射流冲击截齿和截齿产尘空间，潮湿破裂煤体捕获飞扬的粉尘。 采煤机滚筒内喷雾系统的喷嘴一般都设在螺旋滚筒适当的位置上，喷雾射流轴线正对截齿的截割区。采煤机开动时喷嘴喷雾，截齿实现湿式截割，这样能将煤尘歼灭在产生处四周。外喷雾的喷嘴一般设在截割部靠煤壁一侧，采煤机截煤时喷雾器向飞扬在滚筒四周的煤尘喷雾。假如供水参数选择适宜，外喷雾也能取得好的降尘效果。实践证明，内外喷雾同时并用比单独采纳内喷雾或外喷雾的效果好，降尘率可提高25%-30%。 内喷雾的优点是雾化水直射截齿切割点，能把煤尘尽量毁灭在产生处四周，其降尘率比外喷雾高30%。此外，内喷雾还可降低截齿温度，预防摩擦火花，延长截齿使用寿命。 目前采纳的内喷雾一般均属于低压灭尘方式，水压约为2MPa。压力不能提高的主要缘由是受到供水管旋转密封的限制。实际上在喷水出口处压力远低于2MPa，甚至在0.5MPa以下。由于水压较低，雾化质量较差，喷嘴堵塞后不能自动清理，所以目前采煤机的内喷雾大多达不到预期效果。 采煤机外喷雾主要是采纳喷雾器（或喷嘴）向截割区喷雾。保证喷雾效果的途径是选择高效能喷雾器和确定合理的安装位置、供水参数。 采煤机的喷雾系统一般与其电机和液压牵引部的水冷系统合为一体。外喷雾用水是经减压阀减压的电机及液压牵引部冷却水，压力掌握在11.5MPa，以爱护电机，这就限制了外喷雾的降尘效果。内喷雾在喷嘴处一般不低于22.5MPa，工作面供水压力需在4MPa以上。 (2)改良采煤机的截割参数，削减产尘量 采煤机的产尘量与滚筒的外形、截齿数量和外形及布置方式、滚筒转速以及由此而打算的截割速度、滚筒的截深和它的输送力量等参数有关。通过对滚筒运动参数和构造参数的改良措施，可削减粉尘的生成。 a当生产率较高时，滚筒外形对产尘量影响极大，如滚筒筒轱（叶片内径的回转面外形）的影响。通常筒轱外表为圆柱形，叶片高度和运煤断面是不变的。而将简轱外表改为圆锥形和指数回转体形，叶片高度往卸载端渐渐变大，输送空间也渐渐变大，以适应不同的运煤量，保证由滚筒向输送机运行的煤流稳定，煤的二次破裂较少，二次粉尘产出量也较低。 b当前的滚筒端盘大多采纳碟形，取代过去的平面形，端盘与煤壁之间的间隙增大，大大削减了煤尘的产生量，最新讨论的无端盘滚简将会使煤尘产出量进一步削减。 c滚筒转速、截齿的切削速度以及切削厚度也是影响煤尘产出量的重要因素。切削厚度较大时粉尘产出量相对较少，一般认为当滚简转速降至40r/min以下时，煤尘产出量就会显著削减。但对薄煤层用小直径（lm以下）螺旋滚筒来说，由于运煤力量较低，转速小时剥落下的煤炭运不出去，屡次粉碎严峻，煤尘将会大大增加。 d采纳大型镐型截齿，削减截齿数量，采出的煤块粒度增大，煤尘产出量则会大大削减。试验证明，一条截线配置一个截齿的反向排列方式对削减煤尘产出量的效果影响最正确。 采纳机械方法可以使单位产尘量降低，但降幅是有限度的。随着采煤机生产率的提高，只靠机械方法降尘是不能解决工作面空气中含尘量超标问题的，特殊是高产高效工作面的进展，采煤机功率大为提高，生产率相应提高，并有可能截割围岩和夹石，这样工作面的粉尘浓度有可能高达40008000mg/m3,有的甚至更高。 (3)煤体注水减尘 煤层预湿注水是煤炭开采中一项有效的预防性减尘措施。早在20世纪40年月，国外已开头采纳此法减尘，至今已成为德国、俄罗斯、美国、英国、比利时和波兰等主要产煤国家广泛采纳的减尘措施。我国的煤层注水试验工作从20世纪50年月中期开头，近两年来很多综放工作面都已推广了煤层注水技术。 煤层注水的实质概括为：通过钻孔并利用水的压力将水注入马上开采的煤层中，注入煤层中的水沿着煤的裂隙向被裂隙分割的煤块渗透并储存于裂隙与空隙之中，增加煤体水分，使煤体得到预先潮湿，以削减采煤时产生浮游粉尘的力量。 理论和实践都已证明，并非全部煤层和全部工作面都适合于注水，为此提出了衡量注水难易程度的综合评价方法和指标。其方法是通过注水试验，把煤层单位吸水量作为整体指标，对各类煤层的渗透性及潮湿性作出综合评价。所谓单位吸水量，指压力梯度等于1时，单位时间内1cm2钻孔外表积上的吸水量。由于煤层注水的难易程度还与可燃挥发分Vdaf有亲密关系，因此在应用煤层单位吸水量时应考虑Vdaf这一因素。按此两类指标，将煤层注水的难易程度分成3类： a第一类煤层简单注水煤层： 0.040.08cm/MPas Vdaf1030 b其次类煤层较简单注水煤层： 0.030.06cm/MPas Vdaf30 c第三类煤层难注水煤层： 0.010.05cm/MPas Vdaf10 表431是全国局部综采（放）工作面煤层注水防尘效果的统计值，从表中的数据可见，煤层注水后综采（放）面风流中肯定含尘量仍很高，因此查找更好的防尘、降尘技术是当务之急。 表4-3-1煤层注水对综采（放）面主要尘源的降尘效果 平均全尘浓度（mg/m3） 注水后削减的全尘浓度（mg/m3） 平均水分增量（） 降尘率（） 采煤机司机处顺风 原始产尘量 424635161.12482.8注水后粉尘量 730采煤机司机处逆风 原始产尘量 2447.516951.12469.25注水后粉尘量 752.5采煤机下风流10m处顺风 原始产尘量 2584.22271.871.12487.9注水后粉尘量 312.3采煤机下风流10m处逆风 原始产尘量 2073.81770.41.12485.3注水后粉尘量 303.4回风巷 原始产尘量 474.5115.751.12424.4注水后粉尘量 358.75 (4)液压支架喷雾降尘 液压支架移架也是工作面粉尘防治的主要对象。利用液压支架和放煤动作联动的自动喷雾降尘装置，一旦移架，就能自动喷雾降尘，既能准时有效地捕集移架时产生的粉尘，又不增加工作的操作工序，取得了较好的降尘效果。煤科总院重庆分院为此研制胜利的多功能阀构造简洁、动作灵敏牢靠、易损件寿命较长。液压支架移架和放煤自动喷雾降尘系统在鲍店煤矿1303工作面试验，移架时司机处与未采纳防尘措施比拟总粉尘降尘率到达81。 (5)放煤口的粉尘掌握 放煤口也是综采放顶煤工作面的主要尘源之一，目前放煤口的防尘措施主要还是喷雾降尘，少数个别煤矿实行物理化学方法（潮湿剂或泡沫）降尘。从掌握方式看，大多是手动喷雾，只有少数煤矿使用了与放煤同步的联控自动喷雾降尘技术。鲍店煤矿1303工作面采纳自动喷雾降尘后，放煤时放煤口下风流5-7m人行道处与未采纳降尘措施相比拟总粉尘降尘率到达84.2。 (6)破裂机的防尘技术 破裂机产尘部位主要在破裂部。防尘的方法是将破裂机的尘源全封闭，在出口处安设压气喷雾喷头，手动阀门掌握。采纳压气喷雾提高了水的雾化效果，同时也提高了降尘效果，实测破裂机处的总粉尘降尘率到达了85.1。另外也对破裂机使用声波雾扮装置前后的总粉尘和呼吸性粉尘浓度进展了考察，结果说明使用声波雾化降尘技术，可以有效地降低破裂机处的粉尘浓度，特殊是呼吸性粉尘的浓度，其降尘率到达了93.5。 2、煤层注水技术与装备 煤层注水是综合防尘措施中一项预防性治本措施，能预防冲击地压；软化煤体，降低切割能量；软化顶煤，削减大块煤量，提高回收率；在注水煤体的水中参加防火阻化剂，可以预防火灾，使发火周期延长，削减火灾的危害；还可以降低工作面环境的温度等。目前应用最多和最普遍的是煤层注水预湿煤体，可削减采煤各环节的粉尘产生量。 兖州矿业集团多年来对综放工作面煤层注水技术进展了系统的讨论，用三维非线性渗流描述了厚煤层注水的机理，用扇形钻孔解决了顶煤潮湿，用水泥石膏浆解决水平封孔问题，实现了全自动注水掌握系统，解决了最正确注水问题。 2.1煤层注水的原理 2.1.1煤层构造 煤层可以认为是孔隙介质组成的煤块群和裂隙系统所组成的孔隙一裂隙构造。孔隙构造是煤在成型过程中排出气体和液体后形成的很多微小气孔所组成。裂隙系统是由煤层的层理、节理和裂隙所组成，它也是在成煤过程中形成的，特殊是在地质构造运动过程中，煤层被强大的构造应力所挤压、错动而破裂，形成了裂隙系统。煤的孔隙一裂隙构造见图437所示。依据水在煤层孔隙中的流淌特性，将煤层中孔隙分成5类，见表432。 740)this.width=740“ border=undefined> 水在裂隙中，为渗透层流运动，而在小煤块的微孔隙中是毛细和集中运动，并且两者之间有剧烈的质量传递。由于被裂隙分割的小煤块与渗透带的尺寸相比可以说很小，因此可看作在空间上是连续分布的，这样就可用连续介质的方法来处理。即可用裂隙的渗透与裂隙和多孔煤块间的液体传递的规律来描述这种介质，由煤层的构造可以看出，这种裂隙一孔隙介质作为讨论水在煤层中的渗透是比拟合理的。 由于煤层有各向异性的特点，所以假定裂隙一孔隙介质应当在肯定程度上是各向异性的。裂隙一孔隙介质的模型如图438所示。 依据水在孔裂隙中的流淌状况，有裂隙、组合孔隙、死端孔隙和微孔隙之分。水在裂隙中作层流渗透运动，在组合孔隙中既有渗透又有毛细和集中运动；在死端孔隙和微孔隙中主要是毛细和集中运动。 2.1.2水在煤层中的运动原理 水在煤层中的运动包括水在沟通裂隙中的渗透运动、死端孔隙和微孔隙中水的毛细运动、水在微孔隙中的集中运动。因此煤层注水潮湿煤体，使水分增加，就由裂隙中渗透、压差、毛细和分子集中运动几局部水分增加量组成。理论讨论说明，裂隙渗透、压差与裂隙中水的压力有关，是压力的函数；毛细和分子集中运动则与液体和孔隙的性质有关，而与孔隙中的水压关系不大。只有从理论上搞清各参数之间的相互关系，才能够弄清煤层注水的机理，指导实际煤层注水取得好的效果。 2.2厚煤层注水工艺 2.2.1煤层注水方式 “工作面超前动压区长钻孔双巷注水”是近几年来充矿在实践中摸索出的注水方式，是依据工作面超前压力使工作面前方肯定宽度内的煤体产生较多的次生裂隙这一特点，在该区域内实施长钻孔注水。这种注水方式要确定合理的注水区域，即确定合理的“注水超前距离”和“终止注水超前距离”。如注水超前距离过大，在非动压区内煤体导水性差，注水困难；如注水超前距离过小，煤体破裂度大，次生裂隙过于发育，注水易沿较大裂隙流出煤体，达不到较好的注水效果。综放面矿压及深基孔观测资料说明，超前支承压力对沿空测顺槽的影响范围约5060m，对实体侧顺槽的影响范围约为4050m，而在距离工作面约6m内，次生裂隙过于发育，所以选择的注水超前距离为3040m，终止注水超前距离为46m。 2.2.2钻孔布置 钻孔布置是在考虑到综放厚煤层的特别条件下来制定的，布置是依据煤层层理、节理、裂隙及孔隙分布等状况，采纳能较好潮湿顶煤的穿裂隙钻孔布置，钻孔长度及方向依据工作面长度、钻孔布置方式、煤层厚度及裂隙和孔隙等条件而定（兴隆庄煤矿5319工作面煤的孔隙率平均5.8696）。依据兴隆庄煤矿详细条件，选择双向扇形钻孔布置方式。一方面双向钻孔布置钻孔长度相对较短，钻孔简单实施，钻孔质量易保障；另一方面也有利于煤层及顶煤的充分潮湿，见图439所示。 740)this.width=740“ border=undefined> (1)钻孔直径。钻孔直径的选择应与封孔方式相适应。当采纳封孔器封孔时，应按封孔器的要求确定钻孔直径。如采纳串球式封孔器封孔，钻孔直径应为65mm；采纳水泥封孔器，钻孔直径一般为76110mm，通常取90mm。对于双向扇形钻孔，钻孔直径取5255mm。 (2)钻孔长度。钻孔长度取决于工作面长度、煤层透水性及钻孔方向。单向钻孔的钻孔长度按下式计算： LL1一S （431） 式中L钻孔长度，m; L1工作面长度，m； S注水常数。 注水常数S按以下原则取值：透水性弱的煤层，上向孔、下向孔（从下顺槽施工的钻孔为上向孔，反之为下向孔）均取S20m；透水性强的煤层，上向孔取S20m，下向孔取S（1/32/3）L1。 双向钻孔的钻孔长度按下式计算： LL1/2-15 （432） (3)钻孔间距。钻孔间距的大小取决于煤层的透水性、煤层厚度及煤层倾角等因素。合理的钻孔间距等于钻孔的润湿直径。通过注水试验证明，充州矿区的钻孔间距以10-15m为宜。 (4)钻孔倾角。确定钻孔倾角的根本原则是使钻孔始终保持在煤层之中。施工中影响钻孔移位的主要因素是钻杆的下沉。 钻孔倾角按下式计算： a士 （433） 式中钻孔倾角； a煤层倾角； 钻杆最大下沉角，arctgh/l，打上向孔时取“”，打下向孔时取“”； h钻杆下沉距离，m； l钻孔长度，m; h/l钻杆下沉率，一般为0.3一1.0，倾角大的硬煤层及刚度大而每米重量小的钻杆，下沉率低，反之则高。 2.2.3.封孔方式及其选择 煤层注水效果的好坏，封孔是关键。封孔有封孔器、水泥砂浆和水泥石膏浆等多种方式。封孔器封孔示意图见图4310所示，其缺点是封孔的有效长度短，抗高压水的力量较弱，但低压连续注水效果较好，封孔简洁，因此适用于连续静压注水。水泥砂浆和水泥石膏浆封孔的关键是水平孔，因倾斜孔由于砂浆自重的作用，会自动填满因砂浆收缩产生的空隙。而水平孔往往产生月牙状的空隙，造成钻孔跑水，如图4311所示。依据这一事实，对水泥砂浆和水泥石膏及加膨胀剂等各种成分组成和配比在试验室进展了系统的试验讨论，试验说明采纳水泥石膏浆封水平孔较抱负。水泥砂浆和水泥石膏浆等封孔方式一旦封好，强度高，有效封孔长度大，经久耐用，既能很好地适用于长时间原始应力带注水，又能较好地适用于动压带的注水，因此动压注水采纳了该封孔方式。 740)this.width=740“ border=undefined> 2.2.4.注水参数 （1）注水系统。由于兖州矿区开采深度较深，工作面防尘用水静压能到达3.0MPa以上，加之是在动压区注水，因此采纳静压注水方式。煤层注水系统主要由注水流量表、分流器、高压阀门、注水管及封孔器等组成，如图4312所示。 740)this.width=740“ border=undefined> (2)注水参数。单孔注水量Q按下式确定： QKLBh （434) 式中Q单孔注水量，m3； K注水系数，取1.1； L钻孔长度，m； B钻孔间距，m； h煤层厚度，m； 煤密度，t/m3； 吨煤注水量，m3t，取0.025 m3t。 注水压力按下式确定： （1.2一1.5）pwpZ0.75pt (435) 式中pZ煤层注水压力，MPa; pw煤层瓦斯压力，MPa; pt上覆岩层压力及煤层剪切强度之和，MPa。 注水压力反映钻孔的注水阻力。鉴于兖州矿区开采煤层深度较大，在不超过0.75 pt，及泵的额定压力（动压注水时）条件下，注水压力以能满意钻孔注水流量为宜。通常静压水水压在3.04.0MPa之间能满意上述要求。 若日注水时间Tr按24h连续注水计，总注水时间T可按下式确定： T（D一d）/i （436) 式中T总注水时间，d; D开头注水时钻孔到工作面的距离，取35m； d完毕注水时钻孔距工作面的距离，取5m； i工作面日推动度，m/d. 单孔注水流量q按下式计算： q1000Q（T×Tr×60） （437) 式中q单孔注水流量，L/min。 2.3煤层注水自动化掌握系统 煤层注水自动化掌握系统与装备属于典型的机电液一体化设备，它包括液压系统、电气系统和计算机测控系统。为了保证系统能够牢靠工作，各子系统均具有手动和自动掌握功能。 2.3.1液压系统 液压系统的主要作用是为煤层注水供应肯定压力和流量的水源，它主要由水泵、电机、比例电磁阀、流量传感器、压力传感器和管路等组成。为了便于设备维护，设置了必要的截止阀。 2.3.2电气系统 电气系统的主要作用是：供应压力掌握开关与电机及计算机之间的电气线路；供应比例电磁阀等与计算机之间的电气线路；供应流量传感器、压力传感器与计算机之间的电气线路。它主要由电机、变频器、比例电磁阀以及计算机外围电气线路等组成。 2.3.3计算机测控系统 计算机测控系统是煤层注水设备的核心。它的主要作用是：采集注水流量、注水压力、水泵入口压力；掌握比例电磁阀阀芯开度，从而掌握静压注水流量或压力；为压力掌握开关供应动静压自动切换、缺水停泵爱护、高压停泵爱护等掌握；钻孔跑水断水掌握；显示各路注水流量、注水压力，累计注水量等参数；可以实现无人看管的自动注水。 该系统主要由硬件和软件系统组成。计算机测控系统的工作原理如下。 2.3.3.1闭环掌握系统 无论是恒压注水还是恒流注水，都对应着静压注水和动压注水2种方式，因此具有4个闭环掌握系统。 (1)压力闭环掌握。在静压注水和动压注水时，压力掌握的方法是不同的，静压注水时的执行元件是比例电磁阀，而动压注水时的执行元件不仅仅是比例电磁阀，还有压力掌握开关等。压力闭环掌握的原理如下所述： 静压注水压力闭环掌握系统的工作原理是：首先将系统的设定压力值与压力测量值进展比拟，然后将此差值输入掌握器中，经处理后的差值信号进入比例电磁阀的伺服放大器，从而掌握阀芯开度，进而掌握比例电磁阀的出口端压力（即煤层注水压力）。压力闭环系统工作原理如图4313所示。 740)this.width=740“ border=undefined> 动压注水压力闭环掌握系统的工作原理是：首先将系统的设定压力值与测量值进展比拟，然后将此值翰入掌握器中，经处理后的差值信号进入泵流量调整阀，从而掌握泵的出水流量或压力，即注水压力。动压注水压力闭环系统工作原理如图4314所示。 740)this.width=740“ border=undefined> (2)流量闭环掌握。在静压注水和动压注水时，流量掌握方法亦不同。静压注水时的执行元件是比例电磁阀，而动压注水时的执行元件是泵及流量掌握阀。流量闭环掌握的原理如下。 静压注水流量闭环系统的工作原理是：首先将系统的设定流量值与流量测量值进展比拟，然后将此差值输人掌握器中，经处理后的差值信号进入比例电磁阀的伺服放大器，从而掌握阀芯开度进而掌握比例阀的流量（即煤层注水流量）。静压注水流量闭环掌握系统的工作原理如图4315所示。 740)this.width=740“ border=undefined> 动压注水压力闭环系统的工作原理是：首先将系统的设定流量值与流量侧量值进展比拟，然后将此差值输入掌握器中，经处理后的差值信号送人泵流量调整阀，从而掌握水泵水流量即煤层注水流量。动压注水流量闭环掌握系统的工作原理如图4316所示。 740)this.width=740“ border=undefined> 2.3.3.2硬件组成 计算机测控系统由以下几局部组成： (1) 8031单片机。它是测控系统的核心，完成数据的采集、处理、运算、存档、系统总控与治理。 (2)LED显示器、键盘。是系统的对话部件，实现