優(yōu)化注水參數(shù)完善注水工藝提高煤層注水效果

楊　磊，程　詳,2

(1.淮南礦業(yè)集團新莊孜煤礦，安徽 淮南 232072；2.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001)

優(yōu)化注水參數(shù)完善注水工藝提高煤層注水效果

楊磊1，程詳1,2

(1.淮南礦業(yè)集團新莊孜煤礦，安徽 淮南 232072；2.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001)

[摘要]煤層注水是綜采工作面防塵、預(yù)防煤壁片幫的有效措施之一。以新莊孜煤礦62211綜采工作面為工程背景，通過分析煤層注水作用機理和影響注水效果的因素，提出了相互交叉網(wǎng)格式注水新思路，并優(yōu)化注水參數(shù)及工藝?，F(xiàn)場實踐表明，采取優(yōu)化后的注水參數(shù)和工藝后工作面降塵效果顯著，煤壁穩(wěn)定性得到改善，給安全生產(chǎn)創(chuàng)造良好條件，注水效果較好。

[關(guān)鍵詞]煤層注水；防片幫；降塵；注水工藝

煤層注水是綜采工作面防塵、提高煤體強度、預(yù)防煤壁片幫的一項經(jīng)濟實用措施，能夠有效改善工作面作業(yè)環(huán)境，防止生產(chǎn)過程中出現(xiàn)大面積片幫掉頂事故[1-2]。此外，煤塵注水后還能抑制工作面瓦斯涌出、減少沖擊地壓危害、降低礦井高溫熱害[3-4]，是保證礦井安全生產(chǎn)的有效途徑。

新莊孜礦62211綜采工作面為“三軟”煤層大采高工作面，風巷標高-630m，煤層厚度2.6～5.0m，平均4.3m，走向平均長1138m，傾向平均長158m。工作面原始瓦斯含量12m3/t，殘余瓦斯涌出量4.55m3/t，煤塵具有爆炸危險性?；夭善陂g，煤層平均傾角28°。煤層抗壓強度為4.5MPa，上階段62111工作面由于煤質(zhì)較為松軟，煤體承載力差，回采期間，煤壁片幫嚴重，且割煤時，煤塵較大，制約著綜采面安全生產(chǎn)效能的發(fā)揮。

62211工作面自開采以來，吸取上階段回采經(jīng)驗，提出采取強化煤層注水措施，優(yōu)化注水參數(shù)，改善注水工藝，保證了工作面的正常安全回采。本文以62211工作面為工程背景，探討了煤層注水作用機理和影響煤層注水效果的因素，針對62211工作面現(xiàn)場實際，對注水參數(shù)和工藝進行優(yōu)化，提出相互交叉網(wǎng)格式煤層注水的新思路，取得了良好的注水效果。

1煤層注水作用機理

煤層注水為預(yù)先在煤層中施工若干鉆孔，通過鉆孔注入壓力水，水依靠注水壓力和毛細管力，克服裂隙面和孔隙通道的阻力以及煤層瓦斯壓力，使其滲入煤體內(nèi)部，增加煤體水分的過程。合理的煤層注水可增加煤體內(nèi)的水分和煤體顆粒之間的黏聚力，增加煤壁的整體性，煤體中含有的黏性物質(zhì)，遇水后易膠結(jié)，在礦山壓力和超前支承壓力的作用下，煤體的力學(xué)性質(zhì)增強；同時，由于煤體中含水率增大，從根源上杜絕了煤塵飛揚，能有效降低回采過程中煤塵的產(chǎn)生數(shù)量，是一種治本的防塵方法。

2影響煤層注水效果的因素

2.1煤層裂隙、孔隙的發(fā)育程度

研究表明[5-6]，當煤層的孔隙率小于4%時，煤體透水性較差，注水效果不明顯，孔隙率大于15%以上時，注水效果比較明顯。在超前支承壓力作用下形成的外生和次生裂隙對煤層注水有重要的影響。62211工作面回采時，根據(jù)風巷礦壓顯現(xiàn)的規(guī)律，利用煤壁前方受超前支承壓力作用導(dǎo)致裂隙發(fā)育增加的特點，在長孔注水的基礎(chǔ)上，工作面在風巷新增施工淺孔注水孔。

2.2煤層內(nèi)的瓦斯壓力

煤層內(nèi)的瓦斯壓力越大，水只有克服瓦斯壓力后才能進入煤體內(nèi)部。62211工作面原始瓦斯壓力2.8MPa，在風巷和運巷布置施工了順層抽采鉆孔，抽采工作面瓦斯，抽采后殘余瓦斯壓力為0.2MPa。抽采后，煤層內(nèi)瓦斯壓力明顯降低，利于煤層注水。抽采鉆孔拆除后，布置注水孔，實現(xiàn)“一孔多用”。

2.3鉆孔布置

鉆孔布置的方式?jīng)Q定著注水壓力和注水參數(shù)的選擇。根據(jù)礦井煤層注水經(jīng)驗，62211工作面采用相互交叉網(wǎng)格式鉆孔布置方式。

2.4封孔方式

封孔方式?jīng)Q定了封孔的質(zhì)量，封孔方式選擇不合理，易在注水過程中出現(xiàn)跑漏水現(xiàn)象，影響著煤層注水的效果。

3注水工藝和注水參數(shù)的選擇

3.1注水方式的選擇

合適的注水方式直接影響煤層注水效果。62211工作面采取了工作面短孔注水、風巷短孔注水和兩巷長孔注水相結(jié)合的注水方式。長孔注水利用工作面前方的本煤層中的瓦斯抽放鉆孔注水，達到綜合設(shè)計施工，一孔多用的目的。長、短孔注水相互交叉，隨著工作面的推進依次向前，形成相互交叉網(wǎng)格式鉆孔布置方式，具體如圖1所示。

圖1　62211工作面煤層注水方式

3.2注水參數(shù)的選取

根據(jù)新莊孜礦生產(chǎn)條件及煤層注水經(jīng)驗，形成一套適合于62211工作面煤層注水相關(guān)參數(shù)。

3.2.1鉆孔相關(guān)參數(shù)

(1)鉆孔直徑兩巷長鉆孔為瓦斯抽放鉆孔，鉆孔直徑為113mm。風巷短孔注水和面內(nèi)短孔注水采用氣動手持式鉆機施工，鉆桿的直徑為42mm。

(2)鉆孔深度風巷抽采鉆孔的長度為90m，工作面巷道抽采鉆孔的長度為78m，上下鉆孔保證10m的重疊長度。風巷淺孔和工作面淺孔的孔深為10m。

(3)鉆孔間距兩巷長鉆孔和風巷淺孔注水孔的間距保持為5m。工作面內(nèi)淺孔注水的間距為3m一個(每2架1個鉆孔)。鉆孔布置在距頂板1～1.5m位置處或靠近中部明顯的軟分層中，采用單排眼布置。為強化端頭管理，上下端頭各留5m不施工注水孔。工作面內(nèi)鉆孔布置如圖2所示。

圖2　工作面內(nèi)鉆孔布置

(4)鉆孔傾角確定鉆孔傾角的基本原則是使鉆孔始終保持在煤層之中。風巷淺孔鉆孔的傾角可按照下式計算：

θ=α+β

式中，θ為鉆孔傾角；α為煤層傾角，β為鉆桿最大下沉角，β=arctanδ，其中δ為鉆桿下沉率，一般取0.3%～1.0%。62211工作面煤層平均傾角28°，φ42mm的鉆桿下沉率根據(jù)經(jīng)驗取0.8%[7]，經(jīng)過計算得出鉆孔傾角為θ=27.54°。

工作面內(nèi)淺孔注水傾角主要垂直于煤壁，可略向上巷方向帶2～4°的俯角。

3.2.2注水壓力選擇

煤層物理力學(xué)性質(zhì)不同，注水壓力也不相同。注水壓力在注水工作中并不是一成不變的。根據(jù)相關(guān)研究[8]，水的壓力P應(yīng)小于地層壓力，即

P<γ·H

式中，γ為上覆巖層的平均體積力，淮南礦區(qū)平均取2.4kN/m3，H為煤層埋藏深度，平均取630m。根據(jù)計算，P=15.1MPa。

理論研究表明，煤層注水的初期是以壓裂為主，后期以濕潤和粘結(jié)為主。根據(jù)注水流量的條件，經(jīng)過反復(fù)試驗，考慮壓力損耗等因素，確定在壓裂階段，注水泵的壓力設(shè)定為12MPa，后期注水壓力設(shè)置為6MPa。

3.2.3超前工作面預(yù)注水位置

考慮注水工作的重要部分之一就是超前工作面預(yù)注水位置。合適的預(yù)注水位置能夠促進煤層注水工作的順利進行。

經(jīng)過實踐，62211工作面最終確定風巷長鉆孔注水超前工作面煤壁為150m，終止注水超前煤壁20m。風巷短孔注水位置的選擇主要考慮煤體在前方支承壓力作用下裂隙發(fā)育的情況和注水的時間。風巷礦壓資料表明，超前支承壓力對風巷的影響范圍約為30～35m，而峰值壓力超前煤壁的距離為15～20m。選擇注水超前距離為20m，終止注水超前距離為5m(即超前一個原班循環(huán))。

3.3注水工藝

注水工藝主要分為3個工序，分別為打鉆、封孔和注水。工作面打鉆主要使用氣動手持式鉆機或輕型液壓鉆機進行施工。

3.3.1封孔方式的選擇

煤層注水的效果很大程度上依賴于封孔的方法和質(zhì)量。常用的封孔方法有封孔器、水泥砂漿、化學(xué)合成材料封孔等。根據(jù)礦井生產(chǎn)條件及設(shè)備供應(yīng)情況，62211工作面長鉆孔封孔方法采用水泥砂漿進行封孔，封孔的長度為12m，下管的深度14～15m。淺孔采用可膨脹封孔器封孔，封孔器的直徑為38mm，封孔器的長度為1m，封孔時封孔器外端距離煤壁在1.5m以上，使用可膨脹封孔器封孔時具有方便快捷，可重復(fù)使用的優(yōu)點。工作面淺孔注水時安排專人負責觀察孔口出水情況，及時使用黃泥等材料進行封堵，杜絕注水孔口附近跑漏水，影響注水的效果。

3.3.2注水

封孔完成后，即可開始注水。注水方案的實施：工作面內(nèi)淺孔注水采用波動的注水方式，即在12MPa左右的高壓下持續(xù)一段注水時間，已達到預(yù)裂煤體的效果，形成煤體內(nèi)的導(dǎo)水裂隙，之后將壓力維持在6MPa。工作面內(nèi)注水利用早班檢修班時間，待中班割煤前，取出鉆孔內(nèi)的注水器。風巷長鉆孔和風巷淺孔注水實行全天間斷式注水方式。長孔注水和風巷淺孔注水可以提前注水，具有不干擾正常生產(chǎn)，注水時間長，注水量大且煤體濕潤均勻等特點。當煤壁出現(xiàn)“冒汗”、“掛汗”、鉆孔附近出現(xiàn)大面積滲水現(xiàn)象時，暫時停止注水，待停止一段時間后，繼續(xù)注水，實現(xiàn)間斷復(fù)注水模式。

4煤層注水現(xiàn)場效果考察

4.1防塵效果考察

為了考察煤層注水后的降塵效果，在采煤機割煤期間，對采煤機處、采煤機下風口10m位置處和上出口向外5m位置處對煤塵濃度進行測定。具體測定結(jié)果如表1所示。

從數(shù)據(jù)可以看出，工作面優(yōu)化了注水方式及工藝后工作面割煤期間的防塵效果顯著，大大優(yōu)化了作業(yè)環(huán)境。

表1　62211工作面注水前后煤塵濃度測定

4.2煤壁穩(wěn)定性考察

62211工作面自施工煤層注水后，現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)煤壁煤質(zhì)較濕潤，煤體經(jīng)濕潤后，煤壁的整體性得到了改善，片幫的范圍和深度明顯減少，相對于上階段同煤層工作面支護材料損耗大大減少，工人的勞動強度降低，實現(xiàn)了工作面正規(guī)循環(huán)，保證了每原班8刀的推進度，日產(chǎn)量平均達5800t，給工作面安全生產(chǎn)創(chuàng)造了很好的條件。

5結(jié)論

(1)煤層注水是預(yù)防工作面煤壁片幫和防塵的一項積極有效的措施之一，應(yīng)用廣泛。

(2)影響煤層注水效果的因素主要有煤層裂隙和孔隙的發(fā)育程度、煤層內(nèi)瓦斯壓力、鉆孔的布置和封孔方式，62211工作面針對影響注水效果的因素提出了相應(yīng)的改善方法。

(3)經(jīng)過反復(fù)摸索和實踐，新莊孜62211工作面形成一套完善的注水工藝，可為具有類似地質(zhì)條件的工作面煤層注水提供參考。

(4)煤塵注水參數(shù)優(yōu)化非常復(fù)雜，62211工作面經(jīng)過不斷的反復(fù)試驗，得到一套注水參數(shù)及工藝，目前對于參數(shù)優(yōu)化選擇的數(shù)值研究較少，需在此領(lǐng)域進一步加強研究，以對現(xiàn)場試驗提供參考。

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[責任編輯：鄒正立]

Improving Coal Seam Water Injection Effect under Optimized Water Injection Parameters and Technology

[收稿日期]2015-09-10[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.03.035

[作者簡介]楊磊(1981-)，男，黑龍江呼蘭人，工程師，現(xiàn)任淮南礦業(yè)集團新莊孜礦綜采隊隊長，從事采煤生產(chǎn)及技術(shù)管理工作。通訊作者：程詳(1984-)，男，安徽淮南人，在讀博士研究生。

[中圖分類號]TD712.62

[文獻標識碼]B

[文章編號]1006-6225(2016)03-0132-03

[引用格式]楊磊，程詳.優(yōu)化注水參數(shù) 完善注水工藝 提高煤層注水效果[J].煤礦開采，2016，21(3)：132-134.