煤層注水在煤巷掘進(jìn)防突中的應(yīng)用

胡光偉，吳擁政

（1.中煤一建公司山不拉煤礦，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000;2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013）

煤層注水在煤巷掘進(jìn)防突中的應(yīng)用

胡光偉1，吳擁政2

（1.中煤一建公司山不拉煤礦，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000;2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013）

設(shè)計了煤巷掘進(jìn)工作面前方煤層注水系統(tǒng)，測定了煤層注水前后工作面前方煤體鉆孔中的鉆屑量，以及瓦斯突出指標(biāo)K1和△h2值。結(jié)果表明:煤層注水后，鉆屑量峰值位置比注水前往深部移動約1m，說明煤體前方應(yīng)力峰值也向深部移動相應(yīng)的距離;與注水前相比，注水影響范圍內(nèi)，K1值降低了63.8%，△h2值降低了50%，說明注水有效地降低了煤體的煤與瓦斯突出危險性。

煤層注水;煤與瓦斯突出;煤巷掘進(jìn)

App lication of Water Injection into Coal-seam in Preventing Coal and Methane Burst in Coal Roadway

隨著煤炭開采技術(shù)的發(fā)展，煤炭產(chǎn)量日益增加，開采深度也不斷加深，煤礦安全生產(chǎn)問題也越來越突出，瓦斯災(zāi)害問題尤為明顯。煤層注水防治煤與瓦斯突出的工程應(yīng)用越來越受到廣大研究人員的關(guān)注［1－4］。

煤是富含大量孔隙裂隙的多孔介質(zhì)，預(yù)先在煤層中打若干鉆孔，通過鉆孔注入壓力水，使其滲入煤體內(nèi)部，增加煤體水分，從而改變煤體力學(xué)性能與煤體瓦斯釋放特性，降低煤與瓦斯突出危險性［4］。本文通過測定注水前后工作面前方煤體應(yīng)力峰值區(qū)的變化規(guī)律和突出指標(biāo)值的變化規(guī)律，研究了注水對煤體突出危險性的影響。

1 注水試驗鉆孔布置

1.1 注水鉆孔布置

試驗中，在掘進(jìn)工作面迎頭布置了3個孔徑φ42mm的注水鉆孔。其中，在迎頭前方煤壁上靠右側(cè)布置的長度7m的水平煤孔為注水孔，然后用注水泵以最小理論注水壓力對其進(jìn)行注水，注水結(jié)束后 （以煤壁滲水為標(biāo)志），再在注水孔周圍依次打2個孔號為1號，2號的考察鉆孔?？疾炜孜挥谧⑺鬃髠?cè)同一煤層層位以不同的距離間隔布置，深度均為5m，其鉆孔布置如圖1所示。

1.2 注水參數(shù)及工藝

鉆孔成型后，將高壓管與封孔器連接牢固，然后將封孔器放入注水孔，封孔器封孔深度為2m。

注水孔封孔后采用動壓注水，注水壓力為3～4MPa，平均3.8MPa。注水時間以煤壁滲水為準(zhǔn)，實際注水29min，該孔單孔注水量51.6kg。

注水所需設(shè)備有:MQS50－1.9型手持式幫錨桿鉆機(jī)1臺;1m長螺旋鉆桿10～12根 （含φ42mm鉆頭1個及鉆桿連接器）;自動膨脹式封孔管1根;QZB－50/6手持式氣動注漿泵1臺;高壓膠管若干條（含連接器）;水箱2個。

注水中水的流程為:水箱→注水泵→高壓管路→封孔器→注水孔。

圖1 煤巷掘進(jìn)高壓注水鉆孔布置

2 注水對煤體前方卸壓區(qū)的影響

煤體具有一般彈塑性軟化力學(xué)特性，因而打鉆過程中鉆屑量大小與煤體受力彈塑性變形有很大關(guān)系。研究表明，鉆屑量隨地應(yīng)力增加而增大［5］，因此，可以利用測定鉆孔打鉆時的鉆屑量間接推測煤體前方應(yīng)力分布特征。

為了測得煤層注水對掘進(jìn)工作面前方卸壓區(qū)變化，在注水前后分別打了7m的鉆孔，在打鉆過程測定其每米的鉆屑量，測定結(jié)果如圖2所示。

由于水力壓裂的作用，使應(yīng)力集中區(qū)前移，卸壓帶寬度增大，從而使工作面前方煤體抵抗發(fā)生煤與瓦斯突出的阻力增大。從圖2可明顯看出，煤巷掘進(jìn)工作面前方煤體的鉆屑量峰值由2.5m增加到3.5m，這就說明通過高壓注水，使得工作面前方煤體裂隙擴(kuò)充與發(fā)展，導(dǎo)致前方煤體應(yīng)力集中帶向煤體深處移動了1m，增加了阻礙突出發(fā)生的保護(hù)煤柱寬度，從而降低了工作面突出的危險性。

圖2 煤層注水前后鉆屑量變化曲線

3 注水對突出指標(biāo)K1和△h2的影響

煤巷掘進(jìn)工作面煤層注水前后采用打鉆取樣法，分別測定了K1值和△h2值。K1值采用ATY型突出預(yù)測儀測定，其測量方法如下:每鉆進(jìn)2m，取1次鉆屑作解吸特征測定;△h2值采用MD－2型解吸儀測定，打鉆時，在預(yù)定的位置取出鉆屑，篩分出直徑1～3mm粒度的試樣，利用儀器測定。測定結(jié)果表1所示。

表1 煤巷注水前后K1和△h2測定值

從表1可以明顯看出:注水前鉆孔的△h2值很大，都超過了該指標(biāo)的臨界值，而實施注水措施后，在注水孔影響范圍內(nèi)的1號孔 （距注水孔1m）的△h2值明顯減小，降低率平均達(dá)50%。說明該處煤體濕潤后大大降低了瓦斯解吸量。2號孔與注水孔注水前相比，也有一定程度的降低，但降低不明顯，說明注水對此孔的影響不大。

從指標(biāo)K1也可以清楚地看出:注水前，鉆孔第5m煤樣自煤體暴露后，第1分鐘內(nèi)的瓦斯解吸量最大達(dá)到0.36，而實施注水措施后在注水孔影響范圍內(nèi)的1號孔的K1值降為0.13，其降低率為63.8%。而2號孔的K1值受注水孔的影響較小。從以上分析可知，注水使瓦斯釋放壓能破壞煤體的能力大大降低，從而消除或降低了工作面突出危險性。可見，煤層高壓注水對掘進(jìn)工作面消突作用非常明顯。

4 結(jié)論

（1）煤層高壓注水使得掘進(jìn)工作面前方的裂隙帶范圍向前推移，注水前掘進(jìn)工作面前方煤體的應(yīng)力峰值在2.5m外，注水后增加到了3.5m外。

（2）煤層注水后，對注水影響范圍內(nèi)的突出指標(biāo)K1和△h2有較大的影響，試驗條件下，K1值降低了63.8%，△h2值降低了50%，說明注水有效地降低其影響范圍內(nèi)煤體的煤與瓦斯突出危險。

（3）試驗條件下，煤層注水有效范圍約1m，注水對1m外的區(qū)域的突出有一定的減弱作用，但并不明顯。

［1］孫云虎，孟鴻生.煤層注水消突及治理瓦斯、煤塵技術(shù)［J］.中州煤炭，2009（7）:103－104.

［2］肖知國，王兆豐.煤層注水防治煤與瓦斯突出機(jī)理的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報，2009，19（10）.

［3］秦來昌，孫云虎，趙寶濤.“三軟”煤層采煤工作面煤層注水消突治理瓦斯、煤塵技術(shù) ［J］.煤炭技術(shù)，2009，28 （11）:93－94.

［4］劉明舉，潘 輝，李擁軍，等.煤巷水力擠出防突措施的研究與應(yīng)用［J］.煤炭學(xué)報，2007，32（2）:168－171.

［5］孟賢正，王君得.鉆屑量指標(biāo)預(yù)測綜采面煤突出危險性研究［J］.陜西煤炭，2003（4），20－23.

TD713

B

1006-6225（2012）01-0091-02

2011－07－29

國家科技支撐計劃項目 （2008BAB36B07）:大斷面煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)與材料研發(fā)。

胡光偉 （1978－），男，江蘇銅山人，副總工程師，從事煤礦采掘技術(shù)管理工作。

［責(zé)任編輯:王興庫］