CN101092879B - 一种向煤体中注入阻化剂的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种向煤体中注入阻化剂的方法，它包括以下步骤：1)在煤矿采煤工作面煤层的中部平行开钻出若干个钻孔；2)采用乳化液泵向每个钻孔中注入阻化剂溶液；3)利用高压橡胶快速自动封孔器进行封孔；所述阻化剂溶液中的阻化剂浓度为5％～20％；所述阻化剂选自水玻璃、氢氧化钙、纯碱、小苏打、氯化钙和氯化镁中的一种。采用本发明方法，能够取得延长煤炭自然发火期的效果；在高硫煤中注入碱性阻化剂溶液还可以消除煤体中的硫化氢气体；可在煤层开采时降低产尘量40％～50％以上。

Description

一种向煤体中注入阻化剂的方法

技术领域

本发明涉及一种在煤炭开采过程中防止煤炭自燃的方法，特别是关于一种向煤体中注入阻化剂的方法。

背景技术

煤炭因为表面积大导致其化学活性增高，属于在常温常压下可以通过氧化生热而引起自身燃烧的物质。在煤炭开采过程中，国内外一般都在煤矿中采用阻化剂防止煤炭自燃，其方法是向采空区遗留煤炭喷洒高浓度(20％)阻化剂。这种方法的致命缺点是不能保证阻化剂均匀地包裹煤体，阻化剂不能完全发挥阻化作用。另外综采放顶煤工作面的采空区浮煤较厚，煤体表面的阻化不能防止下部浮煤的自燃发火，因此一般向采空区煤炭表面喷洒阻化剂的方法效果不能令人满意。国内煤矿采用阻化剂防火不够成功的案例，都是由于阻化剂不能均匀湿润与包裹煤体造成的。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种阻燃效果更好的向煤体中注入阻化剂的方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种向煤体中注入阻化剂的方法，其特征在于，它包括以下步骤：

1)在煤矿综采放顶煤工作面煤层的中部平行钻出若干个钻孔；所述钻孔的孔径为65～75mm，所述钻孔的孔间距和钻孔深根据具体的煤层而定，所述钻孔具有1～2°仰角；所述综采放顶煤工作面的两个端头与相邻的所述钻孔的距离至少为10m；

2)采用乳化液泵向每个所述钻孔中注入阻化剂溶液；所述钻孔中注入阻化剂溶液的量按以下公式计算确定：

Q＝L·B·M·γ·ΔW·K，

其中，Q：注入阻化剂溶液量，t；

L：工作面长度，m；

B：钻孔间距，m；

M：煤层厚度，m；

γ：煤的密度，t/m³；

ΔW：水分增加平均值＝1％；

K：湿润范围内不均衡系数＝1.2；

所述钻孔中注入阻化剂溶液的时间按以下公式计算确定：

其中，τ：注液时间，h；

Q：注入阻化剂溶液量，t；

q：单位时间内每孔注入阻化剂溶液量，t/h；

所述钻孔中注入阻化剂溶液的最终压力按以下公式计算确定：

其中，P：注入阻化剂溶液最终压力，kg/cm²；

b：渗透系数随注入阻化剂溶液压力增加的指数系数，b＝0.0161；

r_h：水的比重，r_h＝0.001kg/cm³；

q₁＝Q/L′/M/τ/2，其中

L′：单位注液孔长度，m；

a：渗透系数初值＝0.0381cm/h；

L_注：注液区域半径，cm；

K：湿润范围内不均衡系数＝1.2；

3)将高压橡胶快速自动封孔器伸入经步骤2)后的每个所述钻孔中进行封孔；所述封孔器伸入所述钻孔内的深度为8～10m。

所述阻化剂溶液是阻化剂的水溶液，阻化剂浓度为5％～20％。

所述阻化剂为水玻璃、氢氧化钙、纯碱、小苏打、氯化钙和氯化镁中的一种。

对于高硫煤，其氧化自燃的机理及在煤体中注入阻化剂阻止煤炭自燃的机理如下：硫在煤中以FeS₂形式存在，在潮湿供氧环境下发生缓慢氧化反应，其化学反应式为：

2FeS₂+2H₂O+7O₂→2FeSO₄+2H₂SO₄+Q₁，

随着热量的聚集，将进一步发生如下氧化反应：

12FeSO₄+6H₂O+3O₂→4Fe₂(SO₄)₃+4Fe(OH)₃+Q₂。

只要有供氧环境和聚热环境，上面两种反应将同时继续进行，使热量进一步积聚，从而发生以下反应：

FeS₂+Fe₂(SO₄)₃+3O₂+2H₂O→3FeSO₄+2H₂SO₄+Q₃。

上面三个反应过程同时进行的结果，使热量不断增加，最终可引起煤炭自燃。

本发明向煤体注入阻化剂的目的就是抑制煤在空气下氧化，降低煤氧化活性。高硫煤中促使煤氧化的物质——黄铁矿和煤体本身的表面存在许多活性中心，当O₂到达这些活性中心时，受到表面自由力场的强烈作用，氧分子发生变形而活化，使氧的活化能降低，便发生了黄铁矿或煤体与氧之间的氧化反应。当向煤层灌注阻化剂(例如氢氧化钙)后，氢氧化钙分子和煤体及黄铁矿表面的活性物质分子之间将相互吸引，破坏了表面自由力场，促使氧原子恢复到分子状态，提高氧的活化能，同时减少了反应物分子之间的有效碰撞机会，使氧化反应速度放慢或受到抑制，起到了一种负催化作用。阻化剂进入煤层后，具有很好的包裹、充填作用，减少了煤层以及采空区浮煤接触氧气的表面积，降低了浮煤与氧气的接触几率，从而降低了煤表面的吸氧能力和表面氧化速度，起到了阻化作用。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明方法向煤体中注入阻化剂可以保证阻化剂均匀湿润煤体，选择良好的阻化剂也能同时降低水的表面张力，起到表面活性剂的作用，增强降尘效果。2、由于本发明方法有效地解决了阻化剂均匀湿润与包裹煤体的问题，致使所需阻化剂的浓度也大大降低。3、实施本发明方法后，能够取得延长煤炭自然发火期的效果；在高硫煤中注入碱性阻化剂还可以同时消除煤体中的硫化氢气体。4、采取本发明方法可在煤层开采时降低产尘量40％以上，如果选择带有表面活性剂效果的阻化剂，降尘效果可达到50％以上。本发明可以广泛用于各种煤矿的开采中。

附图说明

图1是采用本发明方法在综采放顶煤工作面煤层钻孔孔洞分布示意图

图2是本发明采用自动封孔器进行封孔的示意图

图3是本发明向煤体中注入阻化剂的设备系统示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明方法进行详细的描述。

如图1所示，本发明方法包括以下步骤：

1、在煤矿综采放顶煤工作面1煤层2的中部平行开出若干个钻孔3，钻孔3孔径为65～75mm，各钻孔3之间的孔间距4为15m，钻孔3深度为90米。为了方便钻孔排出钻屑，钻孔3具有1～2°仰角；为了防止综采放顶煤工作面1两端煤壁片帮，工作面1两个端头与相邻最近钻孔3的距离5不少于10m。

2、采用乳化液泵向每个煤层钻孔3中注入阻化剂溶液；

每个钻孔3中注入阻化剂溶液量按以下公式计算确定：

Q＝L·B·M·γ·ΔW·K    (1)

公式(1)中Q：注入阻化剂溶液量，t；

L：工作面长度，m；

B：钻孔间距，m；

M：煤层厚度，m；

γ：煤的密度，t/m³；

ΔW：水分增加平均值；ΔW＝1％；

K：湿润范围内不均衡系数，K＝1.2；

每个钻孔3中的注液时间按以下公式计算确定：

$\mathrm{\τ}=\frac{Q}{q}---\left(2\right)$

公式(2)中τ：注液时间，h；

Q：注入阻化剂溶液量，t；

q：单位时间内每孔注入阻化剂溶液量，t/h；

每个钻孔3中的注入阻化剂溶液压力(终压)按以下公式计算确定：

公式(3)中P：注入阻化剂溶液压力(终压)kg/cm²；

b：渗透系数随注入阻化剂溶液压力增加的指数系数，b＝0.0161；

r_h：水的密度，r_h＝0.001kg/cm³；

q₁：单位注水孔长度，单位煤层厚度，单位时间内的1/2注水量，g/h·cm²

q₁＝Q/L′/M/τ/2，其中

L′：单位注液孔长度，m；

a：渗透系数初值(cm/h)，a＝0.0381；

L_注：注液区域半径，cm，L_注＝1500/2＝750；

K：湿润范围内不均衡系数，K＝1.2。

3、如图2所示，采用高压橡胶快速自动封孔器6对已经完成注入阻化剂溶液的每个钻孔3进行封孔；封孔器6伸入钻孔3内的深度为8～10m(称为封孔长度8～10m)，即封孔器6外端距煤壁7的距离为8～10m。

上述阻化剂溶液是阻化剂的水溶液；所述阻化剂溶液中的阻化剂浓度为5％～20％；所述阻化剂选自水玻璃(Na₂O·nSiO₂)、氢氧化钙(Ca(OH)₂)、纯碱(Na₂CO₃)、小苏打(NaHCO₃)、盐类(CaCl₂和MgCl₂)中的一种。

在煤层2中注入阻化剂可以保证均匀湿润煤体，选择良好的阻化剂也能同时降低水的表面张力，起到表面活性剂的作用，增强降尘效果。向煤体注入阻化剂的目的就是抑制煤在空气下氧化，降低煤氧化活性。高硫煤中促使煤氧化的物质——黄铁矿和煤体本身，其表面存在许多活性中心，当O₂到这些活性中心时，受到表面自由力场的强烈作用，氧分子发生变形而活化，使氧的活化能降低，便发生了黄铁矿或煤体与氧之间的氧化反应。当向煤层灌注阻化剂(例如氢氧化钙)后，氢氧化钙分子和煤体及黄铁矿表面的活性物质分子之间将相互吸引，破坏了表面自由力场，促使氧原子恢复到分子状态，提高氧的活化能，同时减少了反应物分子之间的有效碰撞机会，使氧化反应速度放慢或受到抑制，起到了一种负催化作用。阻化剂进入煤层后，具有很好的包裹、充填作用，减少了煤层以及采空区浮煤接触氧气的表面积，降低了浮煤与氧气的接触几率，从而降低了煤表面的吸氧能力和表面氧化速度，起到阻化作用。

本发明方法能够将阻化剂注入到煤体的孔隙之中，其可以达到三个目的：一是防止煤炭自然发火；二是消除煤层2中的硫化氢气体；三是降低煤层2开采时工作面的煤尘浓度。

本发明方法可以达到以下效果：

1、延长煤炭自然发火期到设计长度；

2、高硫煤中注入碱性阻化剂可以同时消除硫化氢气体；

3、煤层开采时产尘量降低40％以上(如果选择带有表面活性剂效果的阻化剂，降尘效果可达到50％以上)。

下面选择高阳煤矿下组煤S1105综采放顶煤工作面作为试验对象，采用本发明方法对煤矿综采放顶煤工作面煤层进行注入阻化剂试验，该试验仅为实施本发明的一实施例，其不应限制本发明的保护范围。

一、S1105综采放顶煤工作面的一般状况如下：新阳煤矿下组煤开采煤层为太原组9^#、10^#、11^#煤合并层，有自然发火倾向性。各煤层均具有爆炸性，9^#煤尘爆炸指数为18.32％，10^#煤尘爆炸指数为18.70％，11^#煤尘爆炸指数为18.44％。各煤层的孔隙率分别为9^#煤层5.35％、10^#煤层5.33％、11^#煤层5.04％。下组煤各煤层平均含硫量为2.8％，开采煤层埋藏深度360米。

高阳煤矿下组煤9#煤属于瘦煤，煤质密实，强度中等，孔隙不发育，渗透性低；10^#煤层属于焦煤，煤质密实，强度中等，孔隙，裂隙不发育，渗透性底；11^#煤层属于焦煤，煤质密实，孔隙，裂隙不发育，渗透性低。

S1105综采放顶煤工作面的主要参数为：工作面长度：199.5米；顺槽平均长度：1200米；煤层厚度：8.92米；煤层倾角：3～7度，平均倾角4°；采煤高度：2.8米；放煤高度：5.8米。

S1105是综采放顶煤工作面，其主要特点是：采煤高度大，放煤高度大，采空区内小煤窑漏风严重，煤层含硫量高，自然发火期短，煤炭自燃的危险十分严重。而且，煤层中有硫化氢气体涌出。工作面煤尘的飞扬性很好，开采过程中工作面风流中的煤尘浓度也较高。

上述S1105综采放顶煤工作面在具有供氧环境和聚热环境条件下，可使热量进一步积聚而发生自然。

二、阻化剂的筛选：经试验证实，现有阻化剂中的水玻璃(Na₂O·nSiO₂)、氢氧化钙(Ca(OH)₂)、纯碱(Na₂CO₃)、小苏打(NaHCO₃)、盐类(CaCl₂)、(MgCl₂)等，对高硫煤有明显的阻化效果，可以抑制煤在空气下氧化和降低煤氧化活性。试验结果如表1所示。

表1：

从上述表1可以看出，各种阻化剂性能如下：

(1)水玻璃的阻化率为最高，但水玻璃模数n严格要求在1～2之间，且由于水玻璃的成本较高，要处理的煤体较大，吨煤成本高。

(2)氢氧化钙成本不高，阻化率高，但由于氢氧化钙溶解度小，和水混合而成是混浊液，且碱性强，具有很强的腐蚀性。对注液设备的防腐蚀性要求高，又因为其溶液是颗粒悬浮状混浊液，颗粒大小对使用泵和封孔器的正常运行产生影响，颗粒的大小如果大于煤层的孔隙，那阻化剂溶液很难均匀注入煤体。

(3)纯碱(Na₂CO₃)、小苏打(NaHCO₃)、CaCl₂、MgCl₂溶解度大，来源广，成本低。在煤矿湿度很大的条件下，当将其注入煤体，会在煤体表面，形成一种液膜，可阻止煤体表面与空气接触，抑制煤的低温氧化，又由于它们的溶液含有很多水分，煤体在井下发生低温氧化时产生微量氧化热，水分就会将它吸收，并发生蒸发，使煤的低温氧化温度难以升高而起到降温和阻化作用。而且，纯碱(Na₂CO₃)在20℃时的溶解度为21.5g/100g水，可以满足注入煤体的要求。

根据实验结果，本实施例结合高阳矿的实际情况和注液吨煤成本，选择纯碱(Na₂CO₃)作为阻化剂。阻化剂溶液浓度可控制在5％～20％之间，考虑到成本问题，暂定把浓度控制在10％，以后根据阻化效果进行适当调整。

三、在S1105综采放顶煤工作面煤层中注入阻化剂的具体方法：

本实施例选择在S1105综采放顶煤工作面进、回风巷进行煤层注入阻化剂的操作，其具体方法如下(如图1所示)：

1、在综采放顶煤工作面1煤层2的中部平行钻孔3，钻孔3孔径为65～75mm，钻孔3的孔间距4为15米，各钻孔3深90米，为方便排出钻屑，钻孔3具有1～2°仰角；为防止工作面1两端煤壁片帮，工作面1两个端头与相邻最近钻孔3的距离5各保留10m宽煤层2不打钻孔3。

本实施例采用ZL-750(原K-200)型钻机，在回风巷道8和皮带巷道9的煤层2进行平行钻孔3，各巷道8、9分别钻孔3计79个，两巷道8、9的钻孔3数量相同并对称。

2、采用表1所示阻化剂中的一种作为溶剂，本实施例采用纯碱(Na₂CO₃)，配制成水溶液，其中阻化剂的浓度为5～25％，本实施例采用的阻化剂浓度为10％，制成阻化剂溶液。

3、采用向煤体中注入阻化剂的设备系统，向每个煤层钻孔3中注入阻化剂溶液。如图3所示，向煤体中注入阻化剂溶液的设备系统包括：阻化剂罐11，连接阻化剂罐11的乳化液泵，乳化液泵11的出口连接一高压钢丝胶管13，高压钢丝胶管13上设置有通过溢流阀14返回阻化剂罐11的一支路。高压钢丝胶管13上设置有压力表15、安全阀16，并通过多个三通阀17分成几个分流支路，各分流支路的高压钢丝胶管13上连接分别连接有分流控制器18，截止阀19、双功能高压水表20和堵头21等。各分流支路的高压钢丝胶管13通入煤层中的各钻孔3中实施注入阻化剂溶液(图3中22为采空区)，分流控制器18可以控制注液流量，本实施例的注液流量q＝1.5t/h

每个钻孔3中注入的阻化剂溶液量按公式(1)计算确定，本实施例每个钻孔3中的注入阻化剂溶液量Q＝216.8t。每个钻孔3中的注液时间按公式(2)计算确定，本实施例中单孔注液泵流量为1.5t/h，每个钻孔3内的注液时间τ＝144h。每个钻孔3中的注液压力(终压)按公式(3)计算确定，本实施例中取注液孔长度L′＝90m，单孔注液泵流量1.5t/h，煤层厚度：8.92米，则：

q₁＝Q/L′/M/τ/2，

＝216800000÷9000÷892÷144÷2

＝0.094g/h·cm²

本实施例中取L_注＝1500/2＝750(cm)；因高阳矿所采煤层的埋藏深度约为400米，故a值为：

a＝0.0381exp(-0.004845×400)

＝0.265(md)

＝0.0036×0.256

＝5.93×10^-4(cm/h)

根据上述取值，本实施例每个钻孔3中的注液压力(终压)为：

$P=\frac{1}{0.0161}\ln (1+\frac{0.0161\×0.001\×0.094}{5.93\×{10}^{-4}}\×750\×1.2)$

$=74\mathrm{kg}/{\mathrm{cm}}^2$

此终压为实验室对煤样的实验结果，在现场实际注液中，由于煤层和煤样有差距，注液终压可视具体情况适当调整。

综上所述，本实施例向每个煤层钻孔3中注入阻化剂的参数如下：

平均每个孔注入阻化剂溶液量为216.8t；单孔注液时间为144h；采用动压注液，泵压保证实际注液压力在7～9.0MPa之间。

实际操作中，打眼可与注液平行作业，不占用注液时间。实际单孔注液时间可以煤壁出水时为准。

本实施例中阻化剂的用量：

阻化剂的单孔用量：按浓度为5％需10.84t.

阻化剂总用量：按浓度为5％需1712.72t.

4、采用高压橡胶快速自动封孔器对已经完成注入阻化剂溶液的每个钻孔3进行封孔。如图2所示，封孔器6长1m，封孔器6伸入钻孔3内的深度为8～10m，即封孔器6外端距煤壁7的距离为8～10m。

本实施例采用的ZF-A22高压橡胶快速自动封孔器6，是现有技术产品，可由市场购得，其内径22mm，外径39mm，适用孔径42～50mm。

Claims (3)

1.一种向煤体中注入阻化剂的方法，其特征在于，它包括以下步骤：

1)在煤矿综采放顶煤工作面煤层的中部平行钻出若干个钻孔；所述钻孔的孔径为65～75mm，所述钻孔的孔间距和钻孔深根据具体的煤层而定，所述钻孔具有1～2°仰角；所述综采放顶煤工作面的两个端头与相邻的所述钻孔的距离至少为10m；

2)采用乳化液泵向每个所述钻孔中注入阻化剂溶液；所述钻孔中注入阻化剂溶液的量按以下公式计算确定：Q＝L·B·M·γ·ΔW·K，

其中，Q：注入阻化剂溶液量，t；

L：工作面长度，m；

B：钻孔间距，m；

M：煤层厚度，m；

γ：煤的密度，t/m³；

ΔW：水分增加平均值＝1％；

K：湿润范围内不均衡系数＝1.2；

所述钻孔中注入阻化剂溶液的时间按以下公式计算确定：

其中，τ：注液时间，h；

Q：注入阻化剂溶液量，t；

q：单位时间内每孔注入阻化剂溶液量，t/h；

所述钻孔中注入阻化剂溶液的最终压力按以下公式计算确定：

其中，P：注入阻化剂溶液最终压力，kg/cm²；

b：渗透系数随注入阻化剂溶液压力增加的指数系数，b＝0.0161；

r_h：水的比重，r_h＝0.001kg/cm³；

q₁＝Q/L′/M/τ/2，其中

L′：单位注液孔长度，m；

a：渗透系数初值＝0.0381cm/h；

L_注：注液区域半径，cm；

K：湿润范围内不均衡系数＝1.2；

3)将高压橡胶快速自动封孔器伸入经步骤2)后的每个所述钻孔中进行封孔；

所述封孔器伸入所述钻孔内的深度为8～10m。

2.如权利要求1所述的一种向煤体中注入阻化剂的方法，其特征在于：所述阻化剂溶液是阻化剂的水溶液；所述阻化剂溶液中的阻化剂浓度为5％～20％。

3.如权利要求1或2所述的一种向煤体中注入阻化剂的方法，其特征在于：所述阻化剂选自水玻璃、氢氧化钙、纯碱、小苏打、氯化钙和氯化镁中的一种。

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