采煤工作面短孔注水實用技術研究①

石俊生

(唐山開灤集團趙各莊礦，河北 唐山 063000)

采煤工作面短孔注水實用技術研究①

石俊生②

(唐山開灤集團趙各莊礦，河北 唐山 063000)

采煤工作面在回采過程中會產(chǎn)生大量的煤塵，而煤層注水是采煤工作面最有效的防塵措施之一。本文對趙各莊礦3197工作面進行短孔注水的技術方法及應用效果進行了闡述，并對短孔注水的方法進行了分析。結合現(xiàn)場進行的注水實測，對現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行了深入的分析，得出短孔注水對于3197工作面防塵有很好的效果。

動壓注水;煤層注水;短孔注水;液壓鉆機

0 引言

趙各莊礦于1906年建礦，至今已開采100多年，2008年核定生產(chǎn)能力200萬噸/年，設計選礦能力 220 萬噸/年，主要開采煤層為 5、7、9、11、12-1、12-2煤層，礦井開采深度已達到1179m。從工作面已開采的情況看，煤塵的飛揚性很好，采煤過程中也會產(chǎn)生很多煤塵，嚴重影響了礦井的安全生產(chǎn)。針對趙各莊礦3197工作面煤塵濃度較高的實際情況，決定采用煤層注水進行降塵治理。

1 3197工作面概況

本工作面位于13水平西翼1～2石門之間。煤層結構復雜，局部發(fā)育厚度0.2～2.6 m的夾矸，煤層傾角變化較大，在9°～35°之間，平均傾角22°，煤層走向290°左右，煤層厚度在3.1～8.3米之間，平均厚度4.6m。工作面傾斜長度111.8m，走向長度524 m。3197工作面老頂為深灰色中砂巖，厚8.94 m;直接頂為深灰色粉砂巖，厚0.9 m;直接底為灰色粉砂巖，厚2.24m;老底為深灰色粉砂巖，厚8.7m。預計瓦斯絕對涌出量3.72m3/min。煤塵爆炸指數(shù)為40.05%。煤層的自燃傾向性等級為自燃，自然發(fā)火期6個月。另外，本工作面局部處于未保護區(qū)域。

2 3137工作面深部煤層注水技術

煤層注水的目的是增加煤層中水的飽和度，即煤層中的含水率，達到降塵作用［1］。根據(jù)趙各莊礦3197工作面煤層的具體條件，確定在采煤工作面采用短孔注水方案［2］。短孔煤層注水布置在采煤工作面，工作面由于采動原因，煤層疏松，所以不需要進行可注性鑒定即可達到注水的效果。具體技術方案如下。

2.1 鉆孔布置及施工

1)采用煤電鉆機打眼，孔高1.5 m，孔徑42 mm，孔深大約6 m，孔間距4 m。

2)鉆孔布置及施工:沿工作面傾斜方向，斜孔孔長度為6 m，傾斜度為大約22°。為防止工作面兩端煤壁片幫，工作面兩個端頭各留9.9 m不打孔注水。工作面注水孔的總數(shù)為24個。其布置如圖1所示。

圖1 工作面注液孔布置示意圖

2.2 封孔參數(shù)及封孔工藝

封孔采用橡膠快速封孔器封孔，封孔器長1 m。封孔深度1m，即封孔器外端距煤壁1m。封孔如圖2所示。

圖2 注水孔封孔示意圖

2.3 注液參數(shù)

注液壓力:工作面開采初期，BRW-200/31.5乳化液泵壓控制在10 MPa，工作面長度采到一半時可適當將泵壓控制到9 MPa。泵壓最大不能超過10 MPa。

總注水時間:據(jù)了解，檢修班實際只能有8h的時間。因此必須在8h內完成全部24個孔的注水，即總注水時間為8 h。打眼可與注水平行作業(yè)，不占用注水時間。

單孔注水時間:為了盡可能延長單孔注水時間，以提高注水效果，決定分三組注水，即有三個孔同時注水。單孔注水時間為:8×60/24×3=60(min)。實際單孔注水時間以煤壁出水時為準計算。

一個循環(huán)總注水量:按t煤注水量10 L(即煤體水份增量2%)考慮，該總工作面一個循環(huán)進尺需要的總注水量約為:149×2.5×5×1.40×2%=52.15(m3)。

單孔注水量:平均每個孔注水量為52.15/24=2.17(m3)。需要說明的是:煤體實際能注進去的水量與封孔深度、注水壓力、注水流量、煤體的孔隙率等有關，待注水工作開展起來以后再行考察確定。

總注水流量:總注水流量=一個循環(huán)總注水量/總注水時間=52.15/8=6.52(m3/h)。

單孔注水流量:單孔注水流量=總注水流量/同時注水孔數(shù)=6.52/3=2.17(m3/h)

注水分組情況:根據(jù)單孔注水流量的計算結果，選擇流量為12 m3/h的BRW-200/31.5乳化液泵，額定流量12 m3/h，額定壓力31.5 MPa。一個BRW-200/31.5乳化液泵擔負3個組(第一組:1#到 8#孔，第二組:9#到 16#孔，第三組:17#到24#孔)的注水，能滿足3個孔，由3部煤電鉆機負責打注水孔，一部煤電鉆機負責1個組的打眼工作。這樣就能保證每個注水孔有60 min(含3-5 min的準備時間)的注水時間，凈注水時間能保證在55 min以上。

2.4 注水系統(tǒng)

注水系統(tǒng)由BRW-200/31.5乳化液泵(含壓力泵、水箱、壓力表、安全閥、溢流閥等)、高壓鋼絲膠管、雙功能高壓水表、高壓橡膠自動封孔器組成。

注水系統(tǒng)主要設備的數(shù)量及規(guī)格如下:

1)BRW200/31.5的乳化液泵:2臺，額定流量12 m3/h，額定壓力31.5 MPa。布置在運順內，一臺使用，一臺備用。

2)自動封孔器:6支(三支使用，三支備用)，型號ZF-A22，內徑22mm，外徑39mm，適用孔徑42-50 mm。

3)雙功能高壓水表:3塊，型號SGS，最大流量5 m3/h，最小流量0.1 m3/h，額定壓力18 MPa。

4)高壓水管:干管規(guī)格3×25×18(鋼絲層數(shù)×內徑×壓力)，每根長10 m，總長度根據(jù)水泵位置至采面注水孔的距離而定。支管規(guī)格3×16×26，每根長10 m，需要6根，即60 m。

5)減壓閥:3只，直徑25 mm?？梢栽?-20 MPa之間任意調節(jié)。

6)截止閥:3只。

7)變徑接頭:25mm變16mm三個，16mm變22 mm 3個。

表1 短孔煤體注水所需設備與材料匯總表

續(xù)表

2.5 短孔煤體注水施工安全技術措施

1)人員進入煤幫作業(yè)時必須嚴格執(zhí)行敲幫問頂制度，及時用不少于1.0 m的長柄工具搗去浮煤浮矸，防止掉落傷人，并安設專人監(jiān)護頂板、煤壁，發(fā)現(xiàn)異常情況及時撤人并采取措施進行處理。

2)人員進入煤幫作業(yè)前必須先將工作面刮板輸送機閉鎖，煤機停止運轉，支架護幫板護至煤幫，并檢查作業(yè)地點附近的頂板和支護情況，防止架間掉矸傷人，確認安全后方可進入作業(yè)。

3)人員進入電纜槽以里煤壁側作業(yè)時，必須停車閉鎖，并安專人監(jiān)護頂板及煤壁情況，發(fā)現(xiàn)問題立即停止作業(yè)，采取措施進行處理。

4)在煤機前后20 m范圍內作業(yè)時，煤機必須脫開離合，并切斷電源，煤機機身處不進行打眼。

5)工作面片幫嚴重處，片幫深度超過0.8 m或片幫長度超過3 m區(qū)域不進行打眼。

6)工作面受斷層影響區(qū)域及斷層上、下10 m范圍內不進行打眼。

7)施工中必須對風、水軟管注意保護，防止被擠壞、砸壞。

8)用煤電鉆機打孔時，應控制鉆桿不要劇烈晃動，防止形成扁形孔。

9)為解決打鉆過程中煤塵飛揚嚴重污染環(huán)境的問題，下風側移架噴霧開啟三道。

10)打眼人員的作業(yè)位置距離正在注水的注水孔至少16 m以上。

11)注水孔打夠深度后，要來回抽動，排盡煤粉。注水器插入鉆孔深度不得小于0.5 m。

12)注水前要檢查注水系統(tǒng)和注水管線的密封性，在高壓管路密封性不好或破損時，禁止注水。當高壓管路處于承壓狀態(tài)時，禁止連接、拆卸和修理高壓管件。

13)注水時嚴禁人員站在正對封孔器的位置，防止封孔器串出傷人。

14)注水試驗期間，要加強采煤工作面的瓦斯地質管理工作，地質構造帶處應停止注水工作。遇到斷層時應觀察注水量，發(fā)現(xiàn)跑水時應停止注水。

15)注水開始時，應有瓦斯檢查員檢查工作面及回風流的瓦斯?jié)舛龋绻咚節(jié)舛冗_到0.8%，由瓦檢員通知注水施工人員減少同時注水的孔數(shù)。

16)注水泵必須由專人負責操作和看管，注水泵的壓力不能超過10 MPa。

17)注水過程中若發(fā)現(xiàn)孔口附近一定范圍內的煤壁滲水，應先關閉截止閥，停止注水，待注水孔內水壓降下來后再抽出封孔器，防止封孔器突然噴出傷人［3］。

其他未提情況，均按《煤礦安全規(guī)程》和《注水操作規(guī)程》規(guī)定進行作業(yè)。

3 趙各莊礦煤層注水技術應用及效果

2011年9月在趙各莊礦3197工作面開始實行了短孔注水，采用煤電鉆打孔，孔距為4 m，鉆孔沿煤層傾角方向實施，采用膨脹式封孔器封孔，封孔長度為1 m，孔徑Ф42 mm，詳細情況見表2。

表2 趙各莊礦3197工作面煤層注水部分鉆孔記錄簡表

續(xù)表

經(jīng)測定趙各莊礦3197工作面煤層未注水之前含水量為1.71%，注水之后含水量為3.41%。對比注水前與注水后的煤層時，3137工作面機組割煤時粉塵濃度由293 mg/m3下降為119 mg/m3，放煤時由338 mg/m3下降為126 mg/m3，整個工作面環(huán)境的粉塵濃度降低約62%;煤層注水后濕潤煤體中的水分對瓦斯的運動也起阻礙作用，降低了落煤與放煤工序的瓦斯涌出量，對改善3197工作面通風緊張的狀況很有幫助［4］。

4 應用分析

經(jīng)本次應用的分析研究發(fā)現(xiàn)，趙各莊礦3137工作面煤層注水后破壞了煤體原有結構的完整性，改變了煤體的物理力學性質，進而軟化了煤體，工作面機組割煤時粉塵濃度由293 mg/m3下降為 119 mg/m3，放煤時由 338 mg/m3下降為126 mg/m3，整個工作面環(huán)境的粉塵濃度降低約62%。綜上可得出:動壓短孔注水是趙各莊礦3197工作面最有效的防塵措施之一，對降低采煤工作面的粉塵濃度，減小粉塵對井下工人及作業(yè)場所的危害程度起到了至關重要的作用，此外煤層注水還可起到延長煤的阻化時間、防治瓦斯和煤體卸壓等方面的作用［5］。

［1］ 張設計，等.煤層注水試驗及效果分析［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2006，(6)

［2］ 胡冠宇，等.淺孔高壓煤層注水參數(shù)確定及效果分析［J］.煤礦開采，2008，(12)

［3］ 張永吉，等.煤層注水技術［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2001

［4］ 瞿濤寶.試論煤層注水處理瓦斯的效果［J］.西部探礦工程，1994，(3)

［5］ 李俊龍.唐安煤礦煤層注水技術的應用［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2006，(S1)

Working face short hole infusion of practical technology research

SHI Junsheng

(Zhaoge Zhuang kailuan Group Corporation Ltd.in Tangshan，Tangshan Hebei 063000)

Coal mining working face in mining process will produce a large amount of coal，and coal seam water injection is the most efficient coalface dustproof measures.The Zhaogezhuang mine 3197 working face short hole water injection technique and its application effect is elaborated，and the short hole infusion method were analyzed.Combining with the field of water injection test，the measured data are analyzed，concluded in 3197 working face short hole injection for dustproof effect is very good.

Dynamic pressure water injection;coal seam water injection;short hole;hydraulic drilling rig

TD713+.33

A

1672-7169(2012)03-0043-04

2012-03-16

石俊生(1965-)，男，河北滄州人，大學畢業(yè)，開灤集團趙各莊礦總工程師。