專利名稱：一種向煤體中注入阻化劑的方法
技術領域：
本發明涉及一種在煤炭開采過程中防止煤炭自燃的方法，特別是關于一種向煤體中注入阻化劑的方法。
背景技術：
煤炭因為表面積大導致其化學活性增高，屬于在常溫常壓下可以通過氧化生熱而引起自身燃燒的物質。在煤炭開采過程中，國內外一般都在煤礦中采用阻化劑防止煤炭自燃，其方法是向采空區遺留煤炭噴灑高濃度(20％)阻化劑。這種方法的致命缺點是不能保證阻化劑均勻地包裹煤體，阻化劑不能完全發揮阻化作用。另外綜采放頂煤工作面的采空區浮煤較厚，煤體表面的阻化不能防止下部浮煤的自燃發火，因此一般向采空區煤炭表面噴灑阻化劑的方法效果不能令人滿意。國內煤礦采用阻化劑防火不夠成功的案例，都是由于阻化劑不能均勻濕潤與包裹煤體造成的。
發明內容
針對上述問題，本發明的目的是提供一種阻燃效果更好的向煤體中注入阻化劑的方法。
為實現上述目的，本發明采取以下技術方案一種向煤體中注入阻化劑的方法，其特征在于，它包括以下步驟1)在煤礦綜采放頂煤工作面煤層的中部平行鉆出若干個鉆孔；所述鉆孔的孔徑為65～75mm，所述鉆孔的孔間距和鉆孔深根據具體的煤層而定，所述鉆孔具有1～2°仰角；所述綜采放頂煤工作面的兩個端頭與相鄰的所述鉆孔的距離至少為10m；2)采用乳化液泵向每個所述鉆孔中注入阻化劑溶液；所述鉆孔中注入阻化劑溶液的量按以下公式計算確定Q＝L·B·M·γ·ΔW·K，其中，Q注入阻化劑溶液量，t；L工作面長度，m；B鉆孔間距，m；M煤層厚度，m；γ煤的密度，t/m3；
ΔW水分增加平均值＝1％；K濕潤范圍內不均衡系數＝1.2；所述鉆孔中注入阻化劑溶液的時間按以下公式計算確定τ=Qq,]]>其中，τ注液時間，h；Q注入阻化劑溶液量，t；q單位時間內每孔注入阻化劑溶液量，t/h；所述鉆孔中注入阻化劑溶液的最終壓力按以下公式計算確定 其中，P注入阻化劑溶液最終壓力，kg/cm2；b滲透系數隨注入阻化劑溶液壓力增加的指數系數，b＝0.0161；rh水的比重，rh＝0.001kg/cm3；q1＝Q/L′/M/τ/2，其中L′單位注液孔長度，m；a滲透系數初值＝0.0381cm/h；L注注液區域半徑，cm；K濕潤范圍內不均衡系數＝1.2.
3)將高壓橡膠快速自動封孔器伸入經步驟2)后的每個所述鉆孔中進行封孔；所述封孔器伸入所述鉆孔內的深度為8～10m。
所述阻化劑溶液是阻化劑的水溶液，阻化劑濃度為5％～20％。
所述阻化劑為水玻璃、氫氧化鈣、純堿、小蘇打、氯化鈣和氯化鎂中的一種。
對于高硫煤，其氧化自燃的機理及在煤體中注入阻化劑阻止煤炭自燃的機理如下硫在煤中以FeS2形式存在，在潮濕供氧環境下發生緩慢氧化反應，其化學反應式為2FeS2+2H2O+7O2→2FeSO4+2H2SO4+Q1，隨著熱量的聚集，將進一步發生如下氧化反應12FeSO4+6H2O+3O2→4Fe2(SO4)3+4Fe(OH)3+Q2。
只要有供氧環境和聚熱環境，上面兩種反應將同時繼續進行，使熱量進一步積聚，從而發生以下反應FeS2+Fe2(SO4)3+3O2+2H2O→3FeSO4+2H2SO4+Q3。
上面三個反應過程同時進行的結果，使熱量不斷增加，最終可引起煤炭自燃。
本發明向煤體注入阻化劑的目的就是抑制煤在空氣下氧化，降低煤氧化活性。高硫煤中促使煤氧化的物質——黃鐵礦和煤體本身的表面存在許多活性中心，當O2到達這些活性中心時，受到表面自由力場的強烈作用，氧分子發生變形而活化，使氧的活化能降低，便發生了黃鐵礦或煤體與氧之間的氧化反應。當向煤層灌注阻化劑(例如氫氧化鈣)后，氫氧化鈣分子和煤體及黃鐵礦表面的活性物質分子之間將相互吸引，破壞了表面自由力場，促使氧原子恢復到分子狀態，提高氧的活化能，同時減少了反應物分子之間的有效碰撞機會，使氧化反應速度放慢或受到抑制，起到了一種負催化作用。阻化劑進入煤層后，具有很好的包裹、充填作用，減少了煤層以及采空區浮煤接觸氧氣的表面積，降低了浮煤與氧氣的接觸幾率，從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。
本發明由于采取以上技術方案，其具有以下優點1、本發明方法向煤體中注入阻化劑可以保證阻化劑均勻濕潤煤體，選擇良好的阻化劑也能同時降低水的表面張力，起到表面活性劑的作用，增強降塵效果。2、由于本發明方法有效地解決了阻化劑均勻濕潤與包裹煤體的問題，致使所需阻化劑的濃度也大大降低。3、實施本發明方法后，能夠取得延長煤炭自然發火期的效果；在高硫煤中注入堿性阻化劑還可以同時消除煤體中的硫化氫氣體。4、采取本發明方法可在煤層開采時降低產塵量40％以上，如果選擇帶有表面活性劑效果的阻化劑，降塵效果可達到50％以上。本發明可以廣泛用于各種煤礦的開采中。
圖1是采用本發明方法在綜采放頂煤工作面煤層鉆孔孔洞分布示意2是本發明采用自動封孔器進行封孔的示意3是本發明向煤體中注入阻化劑的設備系統示意圖具體實施方式
下面結合附圖和實施例，對本發明方法進行詳細的描述。
如圖1所示，本發明方法包括以下步驟1、在煤礦綜采放頂煤工作面1煤層2的中部平行開出若干個鉆孔3，鉆孔3孔徑為65～75mm，各鉆孔3之間的孔間距4為15m，鉆孔3深度為90米。為了方便鉆孔排出鉆屑，鉆孔3具有1～2°仰角；為了防止綜采放頂煤工作面1兩端煤壁片幫，工作面1兩個端頭與相鄰最近鉆孔3的距離5不少于10m。
2、采用乳化液泵向每個煤層鉆孔3中注入阻化劑溶液；每個鉆孔3中注入阻化劑溶液量按以下公式計算確定Q＝L·B·M·γ·ΔW·K(1)公式(1)中Q注入阻化劑溶液量，t；
L工作面長度，m；B鉆孔間距，m；M煤層厚度，m；γ煤的密度，t/m3；ΔW水分增加平均值；ΔW＝1％；K濕潤范圍內不均衡系數，K＝1.2；每個鉆孔3中的注液時間按以下公式計算確定τ=Qq---(2)]]>公式(2)中τ注液時間，h；Q注入阻化劑溶液量，t；q單位時間內每孔注入阻化劑溶液量，t/h；每個鉆孔3中的注入阻化劑溶液壓力(終壓)按以下公式計算確定 公式(3)中P注入阻化劑溶液壓力(終壓)kg/cm2；b滲透系數隨注入阻化劑溶液壓力增加的指數系數，b＝0.0161；rh水的密度，rh＝0.001kg/cm3；q1單位注水孔長度，單位煤層厚度，單位時間內的1/2注水量，g/h·cm2q1＝Q/L′/M/τ/2，其中L′單位注液孔長度，m；a滲透系數初值(cm/h)，a＝0.0381；L注注液區域半徑，cm，L注＝1500/2＝750；K濕潤范圍內不均衡系數，K＝1.2。
3、如圖2所示，采用高壓橡膠快速自動封孔器6對已經完成注入阻化劑溶液的每個鉆孔3進行封孔；封孔器6伸入鉆孔3內的深度為8～10m(稱為封孔長度8～10m)，即封孔器6外端距煤壁7的距離為8～10m。
上述阻化劑溶液是阻化劑的水溶液；所述阻化劑溶液中的阻化劑濃度為5％～20％；所述阻化劑選自水玻璃(Na2O·nSiO2)、氫氧化鈣(Ca(OH)2)、純堿(Na2CO3)、小蘇打(NaHCO3)、鹽類(CaCl2和MgCl2)中的一種。
在煤層2中注入阻化劑可以保證均勻濕潤煤體，選擇良好的阻化劑也能同時降低水的表面張力，起到表面活性劑的作用，增強降塵效果。向煤體注入阻化劑的目的就是抑制煤在空氣下氧化，降低煤氧化活性。高硫煤中促使煤氧化的物質——黃鐵礦和煤體本身，其表面存在許多活性中心，當O2到這些活性中心時，受到表面自由力場的強烈作用，氧分子發生變形而活化，使氧的活化能降低，便發生了黃鐵礦或煤體與氧之間的氧化反應。當向煤層灌注阻化劑(例如氫氧化鈣)后，氫氧化鈣分子和煤體及黃鐵礦表面的活性物質分子之間將相互吸引，破壞了表面自由力場，促使氧原子恢復到分子狀態，提高氧的活化能，同時減少了反應物分子之間的有效碰撞機會，使氧化反應速度放慢或受到抑制，起到了一種負催化作用。阻化劑進入煤層后，具有很好的包裹、充填作用，減少了煤層以及采空區浮煤接觸氧氣的表面積，降低了浮煤與氧氣的接觸幾率，從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。
本發明方法能夠將阻化劑注入到煤體的孔隙之中，其可以達到三個目的一是防止煤炭自然發火；二是消除煤層2中的硫化氫氣體；三是降低煤層2開采時工作面的煤塵濃度。
本發明方法可以達到以下效果1、延長煤炭自然發火期到設計長度；2、高硫煤中注入堿性阻化劑可以同時消除硫化氫氣體；3、煤層開采時產塵量降低40％以上(如果選擇帶有表面活性劑效果的阻化劑，降塵效果可達到50％以上)。
下面選擇高陽煤礦下組煤S1105綜采放頂煤工作面作為試驗對象，采用本發明方法對煤礦綜采放頂煤工作面煤層進行注入阻化劑試驗，該試驗僅為實施本發明的一實施例，其不應限制本發明的保護范圍。
一、S1105綜采放頂煤工作面的一般狀況如下新陽煤礦下組煤開采煤層為太原組9#、10#、11#煤合并層，有自然發火傾向性。各煤層均具有爆炸性，9#煤塵爆炸指數為18.32％，10#煤塵爆炸指數為18.70％，11#煤塵爆炸指數為18.44％。各煤層的孔隙率分別為9#煤層5.35％、10#煤層5.33％、11#煤層5.04％。下組煤各煤層平均含硫量為2.8％，開采煤層埋藏深度360米。
高陽煤礦下組煤9#煤屬于瘦煤，煤質密實，強度中等，孔隙不發育，滲透性低；10#煤層屬于焦煤，煤質密實，強度中等，孔隙，裂隙不發育，滲透性底；11#煤層屬于焦煤，煤質密實，孔隙，裂隙不發育，滲透性低。
S1105綜采放頂煤工作面的主要參數為工作面長度199.5米；順槽平均長度1200米；煤層厚度8.92米；煤層傾角3～7度，平均傾角4°；采煤高度2.8米；放煤高度5.8米。
S1105是綜采放頂煤工作面，其主要特點是采煤高度大，放煤高度大，采空區內小煤窯漏風嚴重，煤層含硫量高，自然發火期短，煤炭自燃的危險十分嚴重。而且，煤層中有硫化氫氣體涌出。工作面煤塵的飛揚性很好，開采過程中工作面風流中的煤塵濃度也較高。
上述S1105綜采放頂煤工作面在具有供氧環境和聚熱環境條件下，可使熱量進一步積聚而發生自然。
二、阻化劑的篩選經試驗證實，現有阻化劑中的水玻璃(Na2O·nSiO2)、氫氧化鈣(Ca(OH)2)、純堿(Na2CO3)、小蘇打(NaHCO3)、鹽類(CaCl2)、(MgCl2)等，對高硫煤有明顯的阻化效果，可以抑制煤在空氣下氧化和降低煤氧化活性。試驗結果如表1所示。
表1
從上述表1可以看出，各種阻化劑性能如下(1)水玻璃的阻化率為最高，但水玻璃模數n嚴格要求在1～2之間，且由于水玻璃的成本較高，要處理的煤體較大，噸煤成本高。
(2)氫氧化鈣成本不高，阻化率高，但由于氫氧化鈣溶解度小，和水混合而成是混濁液，且堿性強，具有很強的腐蝕性。對注液設備的防腐蝕性要求高，又因為其溶液是顆粒懸浮狀混濁液，顆粒大小對使用泵和封孔器的正常運行產生影響，顆粒的大小如果大于煤層的孔隙，那阻化劑溶液很難均勻注入煤體。
(3)純堿(Na2CO3)、小蘇打(NaHCO3)、CaCl2、MgCl2溶解度大，來源廣，成本低。在煤礦濕度很大的條件下，當將其注入煤體，會在煤體表面，形成一種液膜，可阻止煤體表面與空氣接觸，抑制煤的低溫氧化，又由于它們的溶液含有很多水分，煤體在井下發生低溫氧化時產生微量氧化熱，水分就會將它吸收，并發生蒸發，使煤的低溫氧化溫度難以升高而起到降溫和阻化作用。而且，純堿(Na2CO3)在20℃時的溶解度為21.5g/100g水，可以滿足注入煤體的要求。
根據實驗結果，本實施例結合高陽礦的實際情況和注液噸煤成本，選擇純堿(Na2CO3)作為阻化劑。阻化劑溶液濃度可控制在5％～20％之間，考慮到成本問題，暫定把濃度控制在10％，以后根據阻化效果進行適當調整。
三、在S1105綜采放頂煤工作面煤層中注入阻化劑的具體方法本實施例選擇在S1105綜采放頂煤工作面進、回風巷進行煤層注入阻化劑的操作，其具體方法如下(如圖1所示)1、在綜采放頂煤工作面1煤層2的中部平行鉆孔3，鉆孔3孔徑為65～75mm，鉆孔3的孔間距4為15米，各鉆孔3深90米，為方便排出鉆屑，鉆孔3具有1～2°仰角；為防止工作面1兩端煤壁片幫，工作面1兩個端頭與相鄰最近鉆孔3的距離5各保留10m寬煤層2不打鉆孔3。
本實施例采用ZL-750(原K-200)型鉆機，在回風巷道8和皮帶巷道9的煤層2進行平行鉆孔3，各巷道8、9分別鉆孔3計79個，兩巷道8、9的鉆孔3數量相同并對稱。
2、采用表1所示阻化劑中的一種作為溶劑，本實施例采用純堿(Na2CO3)，配制成水溶液，其中阻化劑的濃度為5～25％，本實施例采用的阻化劑濃度為10％，制成阻化劑溶液。
3、采用向煤體中注入阻化劑的設備系統，向每個煤層鉆孔3中注入阻化劑溶液。如圖3所示，向煤體中注入阻化劑溶液的設備系統包括阻化劑罐11，連接阻化劑罐11的乳化液泵，乳化液泵11的出口連接一高壓鋼絲膠管13，高壓鋼絲膠管13上設置有通過溢流閥14返回阻化劑罐11的一支路。高壓鋼絲膠管13上設置有壓力表15、安全閥16，并通過多個三通閥17分成幾個分流支路，各分流支路的高壓鋼絲膠管13上連接分別連接有分流控制器18，截止閥19、雙功能高壓水表20和堵頭21等。各分流支路的高壓鋼絲膠管13通入煤層中的各鉆孔3中實施注入阻化劑溶液(圖3中22為采空區)，分流控制器18可以控制注液流量，本實施例的注液流量q＝1.5t/h每個鉆孔3中注入的阻化劑溶液量按公式(1)計算確定，本實施例每個鉆孔3中的注入阻化劑溶液量Q＝216.8t。每個鉆孔3中的注液時間按公式(2)計算確定，本實施例中單孔注液泵流量為1.5t/h，每個鉆孔3內的注液時間τ＝144h。每個鉆孔3中的注液壓力(終壓)按公式(3)計算確定，本實施例中取注液孔長度L′＝90m，單孔注液泵流量1.5t/h，煤層厚度8.92米，則q1＝Q/L′/M/τ/2，＝216800000÷9000÷892÷144÷2＝0.094g/h·cm2本實施例中取L注＝1500/2＝750(cm)；因高陽礦所采煤層的埋藏深度約為400米，故a值為a＝0.0381exp(-0.004845×400)＝0.265(md)＝0.0036×0.256＝5.93×10-4(cm/h)根據上述取值，本實施例每個鉆孔3中的注液壓力(終壓)為P=10.0161ln(1+0.0161×0.001×0.0945.93×10-4×750×1.2)]]>=74kg/cm2]]>此終壓為實驗室對煤樣的實驗結果，在現場實際注液中，由于煤層和煤樣有差距，注液終壓可視具體情況適當調整。
綜上所述，本實施例向每個煤層鉆孔3中注入阻化劑的參數如下平均每個孔注入阻化劑溶液量為216.8t；單孔注液時間為144h；采用動壓注液，泵壓保證實際注液壓力在7～9.0MPa之間。
實際操作中，打眼可與注液平行作業，不占用注液時間。實際單孔注液時間可以煤壁出水時為準。
本實施例中阻化劑的用量
阻化劑的單孔用量按濃度為5％需10.84t.
阻化劑總用量按濃度為5％需1712.72t.
4、采用高壓橡膠快速自動封孔器對已經完成注入阻化劑溶液的每個鉆孔3進行封孔。如圖2所示，封孔器6長1m，封孔器6伸入鉆孔3內的深度為8～10m，即封孔器6外端距煤壁7的距離為8～10m。
本實施例采用的ZF-A22高壓橡膠快速自動封孔器6，是現有技術產品，可由市場購得，其內徑22mm，外徑39mm，適用孔徑42～50mm。
權利要求
1.一種向煤體中注入阻化劑的方法，其特征在于，它包括以下步驟1)在煤礦綜采放頂煤工作面煤層的中部平行鉆出若干個鉆孔；所述鉆孔的孔徑為65～75mm，所述鉆孔的孔間距和鉆孔深根據具體的煤層而定，所述鉆孔具有1～2°仰角；所述綜采放頂煤工作面的兩個端頭與相鄰的所述鉆孔的距離至少為10m；2)采用乳化液泵向每個所述鉆孔中注入阻化劑溶液；所述鉆孔中注入阻化劑溶液的量按以下公式計算確定Q＝L·B·M·γ·ΔW·K，其中，Q注入阻化劑溶液量，t；L工作面長度，m；B鉆孔間距，m；M煤層厚度，m；γ煤的密度，t/m3；ΔW水分增加平均值＝1％；K濕潤范圍內不均衡系數＝1.2；所述鉆孔中注入阻化劑溶液的時間按以下公式計算確定τ=Qq,]]>其中，τ注液時間，h；Q注入阻化劑溶液量，t；q單位時間內每孔注入阻化劑溶液量，t/h；所述鉆孔中注入阻化劑溶液的最終壓力按以下公式計算確定 其中，P注入阻化劑溶液最終壓力，kg/cm2；b滲透系數隨注入阻化劑溶液壓力增加的指數系數，b＝0.0161；rh水的比重，rh＝0.001kg/cm3；q1＝Q/L′/M/τ/2，其中L′單位注液孔長度，m；a滲透系數初值＝0.0381cm/h；L注注液區域半徑，cm；K濕潤范圍內不均衡系數＝1.2.3)將高壓橡膠快速自動封孔器伸入經步驟2)后的每個所述鉆孔中進行封孔；所述封孔器伸入所述鉆孔內的深度為8～10m。
2.如權利要求1所述的一種向煤體中注入阻化劑的方法，其特征在于所述阻化劑溶液是阻化劑的水溶液；所述阻化劑溶液中的阻化劑濃度為5％～20％。
3.如權利要求1或2所述的一種向煤體中注入阻化劑的方法，其特征在于所述阻化劑選自水玻璃、氫氧化鈣、純堿、小蘇打、氯化鈣和氯化鎂中的一種。
全文摘要
本發明涉及一種向煤體中注入阻化劑的方法，它包括以下步驟1)在煤礦采煤工作面煤層的中部平行開鉆出若干個鉆孔；2)采用乳化液泵向每個鉆孔中注入阻化劑溶液；3)利用高壓橡膠快速自動封孔器進行封孔；所述阻化劑溶液中的阻化劑濃度為5％～20％；所述阻化劑選自水玻璃、氫氧化鈣、純堿、小蘇打、氯化鈣和氯化鎂中的一種。采用本發明方法，能夠取得延長煤炭自然發火期的效果；在高硫煤中注入堿性阻化劑溶液還可以消除煤體中的硫化氫氣體；可在煤層開采時降低產塵量40％～50％以上。
文檔編號E21F5/08GK101092879SQ20071011959
公開日2007年12月26日 申請日期2007年7月26日 優先權日2007年7月26日
發明者康懷宇 申請人:康懷宇