高瓦斯易自燃煤层一注三防计划任务书 1文档格式.docx
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经过阅读，我们选取其中有代表性的38篇作了进一步研读。
这38篇论文大体上可分为四类：
（1）试验研究类
这类工作一般包括煤层情况介绍、注水工艺、注水参数选择、注水效果检验等，为我们全面了解煤层注水的物理过程及应用情况提供了宝贵的感性材料。
（2）解析研究类
这类文章一般包括注水机理分析、建立模型、求解、结果分析等，主要应用了渗流理论，但没有考虑煤层变形的影响等，具有一定的理论参考价值。
（3）数值模拟类
这类文章伸缩性较大。
为了能够真正发挥计算机数值模拟的作用，需要对注水过程进行详细分析、建立正确的数学力学模型（所做假设必须符合实际，一些重要的物理过程不能随意忽略）、提供符合煤层实际的参数等。
（4）其它
主要是与煤层注水有关的一些工作，如含水煤样的冲击倾向性试验、表面活性剂的作用、煤吸附水的微观机制、煤层导水系数试验、注水过程中水分的蒸发、封孔技术、孔隙分布与注水增量的关系、应用聚类分析理论分析煤层注水的难易性等等。
这些工作为我们进一步开展煤层注水的研究提供了丰富的信息资源。
我国虽然从很早就开始煤炭开采，但由于煤炭开采量小，产生的粉尘量也较小，没有引起足够的重视。
随着煤炭需求量急剧增加，逐渐实现采掘机械化，工作面粉尘大量增加，逐渐引起工程技术人员的关注。
因此，一些大的矿务局就用煤层注水的方法来降低工作面粉尘浓度。
我国到1990年已有40%的采煤工作面实施煤层注水防尘技术。
1956年抚顺煤炭科学研究所、北票矿务局采用煤层注水防治瓦斯突出，先后进行了石门煤层注水、巷道煤层注水、区域煤层注水的试验研究，于1976年经过全面总结并自行研制了胶塞封孔器进行封孔和用水泥封孔方法进行封孔，至今仍在我国煤层注水中应用。
通过试验，研究了注水时的注水压力、注水流量、单孔注水时间及总流量对瓦斯突出、煤体变形的影响，并得出了注水后如不能达到使煤层均匀湿润反而更有利于发生突出的结论，经鉴定认为研究是成功的，但以后并未在我国煤矿中推广用煤层注水方法防治煤和瓦斯的突出。
煤炭科学研究总院在20世纪80年代后期通过煤炭部立项将注水技术应用于坚硬顶板下煤层的开采，解决了由于顶板坚硬不易冒落、形成大面积塌顶而产生的大面顶板垮落的问题。
20世纪90年代，山西矿业学院在晋城矿务局采用注水技术软化煤层，解决了放顶煤开采中，煤层大块冒落、影响生产甚至大块煤压死支架的问题，因而得以实现放顶煤的高产高效开采。
2）国外研究概况
国外煤层注水研究工作起步较早，1890年德国首次在萨尔煤田进行实验，随后，煤体预注水减尘技术逐步引起各国重视，自上世纪50年代迅速在世界各国推广应用。
第二次世界大战期间，苏联实现了采煤机械化，工作面煤尘浓度很大，不得不向煤层洒水，后改成向煤层注水，以增加煤的含水率、减小扬尘，防止工作面作业人员患尘肺病。
开始时采用的方法是从地面接管线，依靠静压进行注水。
在二次世界大战后，此方法被列入了前苏联煤矿安全作业规程。
法国从1943年开始短孔煤层注水的试验研究和应用。
1960年前后，德国、英国、前苏联、美国和比利时等几个主要产煤国家对煤层注水做了大量的试验研究，并将实验结果在井下推广应用。
1943年德国鲁尔煤田开始使用短钻孔注水，发现降尘效果显著，1948年在该煤田的所有矿井推广使用。
但由于短钻孔存在一些难以克服的困难，后又改用长钻孔注水。
波兰从1950年开始试用煤层注水，到1963年75%的工作面采用了该项技术。
目前，已普及到几乎所有的矿井。
注水压力16～30个大气压，水中加入硫酸铜溶液，孔深2~4米，封孔深1米，注水时间2～15分钟。
这种方法不仅能降尘，而且还能有效的防治瓦斯突出等问题。
英国西南产煤区1961年开始使用煤层长钻孔注水的方法，发现注水压力达到35MPa方能克服煤层的原始阻力。
高压注水压力为42MPa，注水后采煤工作面的降尘效果比较理想。
为了使煤层注水状况适应于被湿润煤体的渗透特点，前苏联乌克兰科学院矿山力学研究所等研制出能自动调节注水参数的0F型注水泵，它能根据煤层的渗透性和注水压力自动调整注水量，实现最佳的煤层注水参数，提高了液体在煤体中分布的均匀性。
法国煤炭中心研制了流量控制器和连续注水装置，使煤层注水实现了自动化。
煤层注水技术的广泛使用，有效地控制了井下粉尘浓度，根据日内瓦国际防尘会议的资料，在条件合适的煤层里，正确使用煤层注水会使空气中的含尘量比综合使用所有其它防尘措施（不包括煤层注水）时要低3～4倍，而且利用煤层注水时，采煤的生产效率还可以提高25%。
3）“一注三防”研究现状
（1）注水防尘
关于注水防尘的效果，国内外已开展了大量试验工作，早有定论，并在煤矿获得了广泛应用，煤层注水的实质是通过煤壁向煤体深部打钻孔的办法用压力水湿润尚未开采的煤体，在开采过程中大大减少或基本抑制浮游粉尘的产生。
动压水被压入煤体后，沿着煤层中裂隙或层、节理通道缓慢渗透流动，水均匀分布于煤层无数细微的裂隙和孔隙之中，使煤体采前充分预湿。
这种方法既能抑制回采过程中伴生的大量煤尘，又能使煤层的构造裂隙中原生煤尘丧失飞扬能力，是一种最为积极而有效的防尘技术，是一种治本性的防治方法。
实践证明，煤炭浸润的水分增值达1%以上时，可使开采时的降尘率达到50%以上。
所需进一步研究的工作是针对实施煤矿的具体条件对其进行具体参数优化、测定等。
（2）注水防自燃
水份对煤的氧化能力的影响，是一个长期有争议的问题，最普遍的观点是水份对煤只起物理机械作用，直接结果是煤与空气的接触条件发生了变化。
实际上水对煤的作用是两种对立作用的统一，即水对煤的阻化作用与助氧化作用的统一。
采空区内破碎的浮煤与空气接触充分有利于其氧化进程，但是，当注入的水浸湿这些碎煤，由于毛细作用，水份进入煤的孔隙和裂隙，水份充足时，还可在煤块的表面形成水膜。
这就阻碍了氧在浮煤中的扩散，破坏了煤与空气的接触，因此随水份的增加，煤的氧气吸附能力下降，从而形成了水对煤的阻化作用。
据苏联N.O.契尔诺夫等人的研究，经过40天后水份为4.97%的煤的氧吸附速度为0.18cm3/g·
d，水份为9.53%的煤的氧吸附速度为0.06cm3/g·
d，水份含量增加不足一倍，但氧吸附速度却减少了三分之二。
水对煤及岩石有明显的破碎作用。
一是水对煤和岩石原有裂隙的扩张作用，二是水的渗透使煤和岩石内部膨胀产生应力，既扩张了原有裂隙，并有可能产生一些新裂隙，这样煤与空气的接触面积的增加将促进煤的氧化，这就是水对煤的助氧化作用。
水对煤是起阻化还是助氧化作用，决定于煤中水分含量的多少。
许多试验证明：
若水分充足，尽管水对煤有破碎作用，但对氧气扩散与接触的阻碍仍起着主要作用，因此能阻止煤的氧化。
（3）注水防瓦斯
关于注水防瓦斯一种说法为：
注水后水分占据着煤体内部分空间，减少了煤孔隙的有效容积，导致透气性能降低。
由于水形成的薄膜覆盖在孔隙内表面上，封闭了瓦斯排放，煤层瓦斯排放量减少，使注水湿润后的煤体比干煤的瓦斯放散速度小、放散瓦斯量少，从而起到注水对煤层瓦斯涌出的抑制作用。
同时，注水后顶部煤体的整体稳定性增强，煤的坚固性相对增加，可降低掘进巷道迎头顶煤片帮、冒顶发生的机率，消除因顶煤冒落造成的瓦斯超限。
另一种理论解释为：
在工作面煤壁上布置钻孔，钻孔后立即注入压力水，使工作面前方应力集中带通过高压水的注入，压裂破坏煤层，增加煤层透气性，使工作面煤壁内游离瓦斯大量释放和放散出来，集中应力向煤层深部推移，导致煤体细微裂隙扩大，有利于瓦斯的提前释放，起到了瓦斯防治作用。
李永刚等人在郑煤集团公司超化煤矿22061综采工作面上副巷实验证明，注水后沿底煤巷掘进工作面进行掘进期间迎头顶煤易于控制，松散干燥的煤体注水后增强了顶煤及煤壁的整体性、稳定性，片帮、冒顶得到了有效控制；
巷道内瓦斯涌出量明显减少，平均减少0.6m3/min，瓦斯超限问题得到了有效控制。
鹤煤公司十矿11091工作面采用浅孔煤壁注水之后，工作面采空区、上隅角瓦斯涌出量明显下降，回风流瓦斯由原来的0.85%降低到0.56%，炮后瓦斯由原来的0.95%降低到0.66%，煤体内瓦斯在回采前提前得到释放，每月平均瓦斯超限次数不足2次，煤层瓦斯绝对涌出量由原来的10~15m3/min降低到6~9m3/min，瓦斯涌出量较大的隐患问题得到了有效解决。
关于注水能否排放瓦斯的问题，答案是肯定的。
但其排放瓦斯的量占煤体原始瓦斯含量的比例需要进行具体研究与测定。
注水排放瓦斯过程中有可能造成工作面或巷道内局部瓦斯浓度超限，因此，需要对注水参数进行控制。
（4）注水添加剂研究现状
为了提高煤层注水防尘效果，国内外都开展了添加剂方面的试验。
1805年T.Young提出的润湿方程为研究液体对固体表面的润湿作用奠定了理论基础。
联邦德国首先开始了润湿剂方面的研究。
1968年德国的鲁尔矿区试验了在注水中添加Relatin819，RelatinFS62等增粘剂，力图改善该矿区高压注水带来的跑水问题，并在一些煤矿取得了较好的效果，但由于药剂的添加工艺复杂、受煤质影响较大等原因而未能进一步推广应用。
此后，德国（1969年）和法国（1978年）还曾在注水中添加氯化镁和氯化钙等吸湿性无机盐防止注入水的蒸发等问题，虽然取得了一定效果，但因操作工艺复杂而未能推广应用。
前苏联研制的低毒性、高效率CHTAHOT-7液体湿润剂和CTC固体湿润剂都具有良好湿润煤的能力，配合适宜的注水工艺，可使采煤工作面的粉尘浓度降低70％～80％，比预注纯水降尘率提高了10％～20％，湿润剂的使用浓度一般为0.01％～0.15％，极大的降低了煤尘产生量。
1985年日本的村田逞详细研究了水及表面活性剂溶液对混合煤成型体表面的润湿性问题，并研究了动态润湿值随煤质变化的规律性等。
波兰进行润湿剂的研究也比较早。
曾使用别国的润湿剂但是并未达到工业要求指标。
后经长期研究，推出第一代在波兰广泛使用的湿润剂——Alfenol-8，后改名为Rokafenol-N8，属于非离子湿润剂。
但在常温下，Alfenol-8的溶解度很低，在水中溶解后成为不规则的乳浊液，实际上不可能用这种表面活性剂来提高湿润用水的湿润能力。
所以，不能将它加入水中作为湿润水配料。
继Alfenol-8的第二代湿润剂是KBS，有固态和液态两种，在工业上获得了广泛的应用。
固态的KBS主要是用来作为添加剂湿润原始煤体，或在个别情况下用作湿润水的添加剂，但是它在水中的溶解度有限，不能达到预期的湿润效果。
但是，液态KBS就没有上述的弊病，甚至在水温较低时也可溶解，因此，成为表面活性剂的首选。
六十年代初，经过长期研究和反复现场实验，研制成功一种新型固态湿润剂CaBO，成为使用最广泛的一种表面活性剂。
进入90年代，各国煤矿应用于煤层注水的添加剂专利产品已达几十种，其中较著名的有：
StokopolC2475，KMP-60，KBS-1，SintanolDT-7，DB等。
据文献报道，前苏联煤矿在注水时采用SintanolDT-7性表面活性剂，使煤的润湿效率提高了50％～60％。
与国外相比，我国煤矿在此领域的研究相对落后。
20世纪80年代初，阳泉一矿曾在注入煤层的水中加入0.5％浓度的洗衣粉，使注水速度提高了24％，成为国内第一家在煤层注水中添加化学药剂的煤矿。
进入90年代后，煤炭科学研究总院合肥研究所、重庆分院等科研部门进行了煤层注水中添加表面活性剂的研究，并在大屯、英岗岭、郑州等矿区进行了工业性实验，取得了较好的效果。
其中，张超英等人在英岗岭建山矿进行的现场实验表明：
突出煤层是一种低能表面物质，水不能自行在煤体上展开，要想提高煤层注水的效果必须在水中添加表面活性剂；
煤层注水时，只能在水中加入阴离子和非离子表面活性剂，阳离子和含有有机胺结构的表面活性剂不能在煤层注水中使用；
表面活性剂能够提高煤对水的亲和能力，使煤样的吸水速度加快1～7倍；
影响煤层注水速度的因素不仅与表面活性剂的表面张力和接触角有关，而且还与其分子结构和煤层的基本结构单元及组分有关。
1994年，张延松等人通过实验室和现场实际煤层注水的研究，提出：
表面活性剂提高煤层注水效果是由于水中加入湿润剂后水的表面张力和湿润边界减小，提高了水溶液的毛细和扩散运动能力，从而提高了煤层注水的效果；
湿润剂水溶液与清水注水相比，可使水分提高17.4％～22.4％，同时还促使了煤层中水的均匀分布。
淮南矿院在大屯煤电公司姚桥矿7号煤层进行的表面活性剂煤层注水实验表明：
当添加表面活性剂后，煤层注水速度增加近1倍，注水压力降低近20％，全年平均降尘率提高5％以上，对0～2um的呼吸性粉尘量平均降低了20％～30％，并有效地防止了煤矿瓦斯突出。
1999年，北京科技大学金龙哲等人研制成功了具有降低注入水表面张力和防止注入水分蒸发双重功效的注水添加剂——粘尘棒。
在煤矿现场进行的对比试验结果表明，添加粘尘棒可使煤层注水的水分增加1.76倍；
润湿半径达到40m以上；
煤中蒸发量降低4.2～9.8倍；
采煤机附近的降尘率达到86.4～88.2%。
综合以上论述，通过煤层注水实现防火、防尘、防瓦斯是完全可行的，在注入水中加入添加剂有助于提高治理效果，国内外科学家和工程技术人员对煤层注水研究较为广泛和深入，这也为本项目的研究奠定了良好的基础。
主要研究、实验内容、目标、技术关键及主要技术经济指标
研究目标：
山煤国际所属煤矿既有高瓦斯矿井，个别矿井还有瓦斯动力现象，许多矿井煤层有自燃倾向性，尤其是回采过程中采空区遗煤发生自燃的可能性也较大。
本项目拟采用煤层注水并在水中添加试剂的方法，通过“一孔多用”（抽放孔兼做注水孔）、“一注三防”（防尘、防自燃、防瓦斯），解决回采过程中的瓦斯超限、采空区遗煤自燃以及煤尘等问题，降级煤矿职业危害，提高安全保障程度。
主要研究、实验内容：
本项目立足山煤国际所属煤矿实际条件，充分发挥煤炭科学研究总院煤层注水方面的优势，主要开展如下内容的研究：
1）矿井粉尘运移规律、遗煤自然发火特点及规律、瓦斯赋存涌出规律研究
收集、整理煤矿各开采煤层技术资料，通过归纳及总结日常的测尘结果以及现场直接测定粉尘浓度、分散度的方式，系统地总结煤矿粉尘运移规律。
分析煤矿井下采煤工作面自然发火危险性影响因素，通过对主采煤层不同粒度的煤样在氧气气氛中进行程序升温实验，测试不同温度下、不同粒度煤样的耗氧特性，CO、CO2、乙炔、乙烯、丙烷等气体产生规律，分析自燃特性，确定出各号煤层的标志气体及其指标体系，为煤层注水防火考核提供依据。
研究瓦斯涌出的影响因素，掌握采掘工作面瓦斯涌出的规律，为煤层注水部分参数的确定提供依据。
2）注水添加剂配方、最佳配比实验研究
在进行广泛调研、收集资料的基础上，确定10种左右有机单体和吸湿性材料，通过正交复配试验及其溶解性、浸润性、溶液的力学性质和吸湿平衡规律、增粘效果等性能的测定，兼顾经济实惠、无毒无害等矿用产品安全标准确定注水添加剂的配方。
在实验室改变注水添加剂与水的配比，考察每种配比的防火抑尘效果，确定效果较佳的配比。
3）注水参数的确定研究
根据煤层厚度、倾角、煤岩普氏系数等现场实际条件，通过煤层注水相关理论，分析确定钻孔布置方法、注水方法、钻孔直径、钻孔长度、钻孔间距、注水压力、注水流量、超前工作面距离及封孔方法等参数。
4）煤层注水配套装置的研制与开发
煤层注水使用的设备器材主要包括钻机、注水泵、自动配比仪、封孔器、分流器及注水水表等。
根据注水流量、压力参数要求研制合适的注水泵，并尝试使用空压机加压的方法进行注水以适应较硬煤层注水所需的压力。
为实现添加剂的自动添加，研制配套的自动配比仪器，实现高效便捷加料，减轻工人的劳动强度。
研究开发合适的封孔方法及封孔器确保注水钻孔不跑水，保证注水效果。
5）井下工业性试验研究暨注水效果考察
工作面实施煤层注水并添加注水添加剂后，对煤层水分、工作面的粉尘浓度、煤炭吸氧量、自然发火特征、煤层瓦斯赋存涌出规律进行测定，以检验注水效果。
考察的主要内容有：
（1）注水参数随注水时间的变化规律；
（2）传统注水泵与新型空压机注水方式的注水效果比较；
（3）封孔工艺技术及参数对封孔质量的影响；
（4）钻孔布置方式对煤层注水参数及效果的影响；
（5）煤层注水后不同水份增量对煤硬度、产尘特性、自然发火特征的影响；
（6）煤层注水对煤层瓦斯赋存涌出及工作面瓦斯分布的影响；
（7）煤层注水对矿井动力灾害现象的影响等。
通过以上效果考察，分析项目实施煤矿的注水规律，并确定适合煤矿的注水工艺及装备技术。
技术关键及主要技术经济指标：
技术关键：
1）注水添加剂配方、最佳配比的确定
2）注水参数的确定及煤层注水配套装置的研制与开发
主要技术经济指标：
1）项目完成后，可使工作面粉尘浓度达到或接近《煤矿安全规程》的要求（10mg/m3）
2）回采过程中上隅角瓦斯浓度超限的次数降低25%以上
3）采空区同样地点煤岩混合物的温度降低3°
C以上。
得出项目实施煤矿的注水规律，并确定适合煤矿的配套注水工艺及装备技术。
达到的技术水平，经济、社会效益及推广应用的前景：
1、技术水平
本项目拟达到国内领先水平，通过现场踏勘、调研、系统的理论分析和实验室实验、现场工业性试验研究，形成合理的配套注水工艺及装备技术，实现“一注三防”的目的。
为煤矿有效地进行防火、防尘、防瓦斯提供基础保证和技术支持，达到安全高效优质生产的目的。
2、经济、社会效益及推广应用前景
据调研，尽管煤层注水是最重要的“一通三防”技术措施之一，但由于重视程度、技术水平及管理水平等多方面原因，迄今尚未发挥其应有的作用。
本研究在针对实施矿井进行调研的基础上，以注水并在水中添加添加剂实现防火、防尘、防瓦斯为主要研究目标，对煤层注水综合配套措施进行系统的研究与试验，并将形成煤层注水及在注水中添加添加剂的综合成套技术，必将有力地推动矿井的安全、高效生产，具有良好的推广应用前景。
采用的研究、试验方法和技术路线（包括工艺流程）：
1、研究、试验方法
本项目拟通过实验测试、现场观测、实地踏勘及检测和理论分析、专家咨询等研究方法，对本项目开展相关的研究工作。
2、技术路线
本项目实施技术路线如图1所示。
现有技术基础及条件（包括本课题作了哪些工作和现有仪器设备条件等）：
煤炭科学研究总院是我国煤炭行业唯一的大型综合性科研开发机构和技术创新基地，是原煤炭工业部直属的科研事业单位。
具有雄厚的科技资源优势，建有24个煤炭工业重点实验室、7个国家级和10个行业级产品质量监督检验中心，12个国家安全生产检测检验机构和2个国家矿山计量检定机构，设有国家煤矿安全技术工程研究中心和水煤浆国家工程技术研究中心等2个国家级工程技术研究中心以及安标国家矿用产品安全标志中心等机构。
煤科总院一直是行业科技攻关的主要承担单位，也是行业技术进步的主要支撑力量。
建院50多年来，共取得科研成果5600余项，获得国家和省部级科技进步奖、发明奖1000余项，截至2008年获国家级奖211项，占煤炭行业获奖的52%。
获得各种专利500多项。
承担了煤炭行业73%的国家科技攻关项目、煤炭行业70%的重点科研项目。
科技攻关的成果形成了系统、配套、完整、先进的工艺技术和装备，先进和完备的试验和检测手段，为煤炭工业的进步提供了强有力的科技支撑，为集团公司的发展提供了新技术、新产品，培养了新产业。
近年来，煤炭科学研究总院在煤层注水方面也开展了大量的研究工作。
例如，2007年与河南新密恒泰煤业公司合作，研究了煤层长孔注水防尘以及煤巷维修过程中利用注水防止顶煤溜煤的问题，获得了煤炭工业协会科技进步三等奖；
2009年与轩岗煤电公司合作，研究了煤巷掘进过程中煤层注水防冒综合利用技术，既解决了掘进过程中的煤尘问题，又解决了顶煤冒落问题；
目前正在和河南义煤集团合作，研究注水防尘、防自燃、防冲问题，从目前已有的结果看，在注入的水中添加适量的阻燃剂（例如，溶于水的干粉灭火剂），的确能够抑制采空区遗煤的自燃。
与传统的向采空区注氮、注黄泥浆等方法相比，注水添加剂法类似于“内服”，而注氮、注黄泥浆等类似于“外涂”，通常“内服”的效果要好于“外涂”。
依托以上研究，煤炭科学研究总院已配备煤层注水研究所需的各类测试仪器（部分可外协）、具备了进行本项目研究的理论、技术基础和仪器设备等条件，形成了具有相当优势的煤层注水研究团队，具备了承担此类研究项目的技术装备和智力支持。
地点、试验规模和进度安排：
本项目实施地点为山煤国际所属有代表性的煤矿的采煤工作面。
本项目涉及购买、加工、制造设备等，井下试验周期也较长，总时间约需12个月。
进度安排如下所示：
2011.3～2011.5项目论证及调研，项目立项；
2011.5～2011.7矿井粉尘运移规律、遗煤自然发火特点及规律、瓦斯赋存涌出规律研究；
2011.6～2011.8注水添加剂配方、最佳配比实验研究；
2011.8～2011.9注水参数的确定研究；
2011.9～2011.12煤层注水配套装置的研究，井下工业性试验暨注水效果考察；
2012.1～2012.3进行项目总结，编制项目研究报告；
进行项目验收。
承担单位和主要协作单位及分工（包括研究、试制、试验各阶段的各单位的分工和承担的责任）：
承担单位分工及责任：
协助进行现场踏勘及调研、提供煤矿相关基础资料、试验场地、负责组织现场试验和提供相关的试验经费支出
协作单位：
协作单位分工及责任：
承担理论分析，现场考察及测定、实验室实验、提出工艺设想，研制煤层注水系统，指导现场进行工业性试验，并提交项目研究报告。
经费概算（包括总概算和分年度预算的项目和费用及偿还经费和年度）：
项目总经费概算为256万元，项目经费预算明细见下表：
序号
材料/项目名称
单价
数量
总价/万元
备注
1
高压注水泵
80000元/台
4台
32
包运费
2
空压机
400000元/台
1台
40
试验用
3
高压水管
90元/m
1000米
9
4
封孔器
800元/个
10个
0.8
5
流量计
20000元/个
2个
6
自动配比仪
50000元/台
20
7
压力表
500元/台
0.2
8
水箱
1000元/台
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