同忻煤礦特厚煤層注水濕潤半徑控制因素的研究與應(yīng)用

崔貴龍

（大同煤礦集團(tuán)安全監(jiān)管五人小組管理部，山西 大同 037003）

在煤炭生產(chǎn)過程中，煤塵的產(chǎn)生是不可避免的，過量的煤塵可能引發(fā)燃燒甚至爆炸，給煤礦企業(yè)高效安全生產(chǎn)帶來不良后果。另外，吸入過量煤塵會給員工健康帶來不利影響。因此，對于井下煤塵的控制是十分必要的。

礦井煤塵防治的主要手段是煤層注水技術(shù)。這一技術(shù)既能有效控制煤塵，還可以預(yù)防瓦斯突出等情況。目前煤層注水所用的鉆機(jī)、封孔器等鉆孔設(shè)備和注水泵、恒流閥、輸送管路、壓力表等水壓設(shè)備已經(jīng)基本發(fā)展成熟，也可以根據(jù)現(xiàn)場需要采用靜壓注水、動壓注水等不同方式，對于煤塵防治起到很好的效果。在此基礎(chǔ)上，本文針對特厚煤層注水技術(shù)進(jìn)行研究，通過數(shù)值模擬的方法確定效果更好的注水方法與參數(shù)。

1 8103工作面概況

同忻煤礦8103工作面所采煤層為3#煤層，煤層厚度約15.2～25.92m，屬于特厚煤層，煤層多為半亮型、半暗型的低硫低揮發(fā)型原煤。工作面整體走向長1895.5m，工作面傾向長200m，工作面內(nèi)布置有2103巷、5103巷、8103頂板抽放巷，并與3#、5#煤層頂?shù)装逑嘟樱渲?013頂板抽放巷位于煤層頂板布置，而2103巷、5103巷的兩順槽則布置在煤層的底板。

2 特厚煤層注水技術(shù)研究

在現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，使用COMSOL multiphysics數(shù)值模擬的方法分別研究不同注水壓力條件、不同傾角、不同鉆孔布置方式、以及單、雙側(cè)部孔對特厚煤層濕潤半徑的影響規(guī)律。以此確定工作面實(shí)際注水作業(yè)中鉆孔布置方式、深度、間距、傾角、水壓以及水量等參數(shù)。

2.1 不同壓力條件下濕潤半徑的分布

模擬均質(zhì)煤體中注入1～5MPa壓力條件下水壓對煤體浸潤的狀況。匯總不同壓力條件下煤體的濕潤半徑如下圖1所示。

圖1 不同注水壓力條件下的濕潤半徑

根據(jù)數(shù)據(jù)，煤體所處環(huán)境空氣、瓦斯壓力一定，1MPa的注水壓力條件下煤體中飽和度達(dá)到0.33的點(diǎn)位于離注水孔大約6m處，含水率5.25%；2MPa的注水壓力條件下，飽和度達(dá)到0.33的位置處于距離注水孔10m處，含水率6.14%；3MPa的注水壓力條件下，所確定的濕潤半徑位于注水孔15m處，含水率6.86%；4MPa的注水條件下，所確定的濕潤半徑為距注水孔大約18m處，含水率7.35%；在注水壓力增加到5MPa時，濕潤半徑增加到了20m左右，含水率7.75%。

從上述數(shù)據(jù)規(guī)律可以看出，煤體基質(zhì)的含水率會受到注入水壓的影響，開始增加較明顯，達(dá)到一定壓力時增速減緩，濕潤半徑逐步增加，濕潤半徑變化速率呈現(xiàn)非線性變化，水壓在1～3MPa時濕潤半徑的變化速率逐步加快，3～5MPa時開始降低。根據(jù)變化速率確定選擇的注水壓力適宜選取3MPa。

2.2 不同傾角條件下濕潤半徑的分布

8103工作面全長200m，根據(jù)測算得出當(dāng)鉆孔傾角大于6°時，鉆孔頂端將超出煤層范圍，故為了便于現(xiàn)場測定，選擇模擬6°以內(nèi)六種角度，并從水平鉆孔開始，每次增加1°（即0°、+1°、+2°、+3°、+4°、+5°時），分別模擬和測量不同傾角的鉆孔對煤層注水的濕潤半徑影響范圍，而濕潤半徑的臨界值為飽和度0.33時。將數(shù)據(jù)匯總?cè)缦聢D2所示。

圖2 不同傾角注水對濕潤半徑的影響

從上述匯總數(shù)據(jù)中所反應(yīng)的規(guī)律可以看出，不同傾角的注水鉆孔對煤體濕潤半徑的影響規(guī)律與不同壓力下濕潤半徑影響規(guī)律基本相同，呈現(xiàn)出濕潤范圍在傾角增加的過程中先增加，到達(dá)一定范圍后增加的幅度開始降低。在傾斜注水過程中從注水孔進(jìn)入煤體的水會在壓力作業(yè)下浸潤煤體，水同時也會在受到重力和毛細(xì)作用下增加影響范圍。由于煤體的空間限制，+5°時所施的鉆孔頂端會達(dá)到煤層頂板，相對毛細(xì)作用所能影響范圍較小，限制毛細(xì)作用對水的擴(kuò)散作用，因此雖然煤層注水過程中濕潤范圍會隨傾角增加而增加，但隨毛細(xì)作用的減弱，當(dāng)注水鉆孔傾角在大于+4°開始降低，因此為了適應(yīng)8103工作面的作業(yè)環(huán)境，為了達(dá)到最大濕潤范圍，注水鉆孔適應(yīng)選擇+4°，方能達(dá)到最大濕潤半徑。

2.3 鉆孔的布置方式對濕潤范圍的影響

煤體注水孔中的水流在重力作用下，向下的滲透作用致使水在煤體中呈現(xiàn)倒錐形，類似漏斗形狀，在同等間距不同高度的注水孔下水體分別易與兩側(cè)低位的鉆孔形成的注水裂隙相貫通，繼而增加鉆孔注水濕潤范圍，增加煤體中水的飽和度，相對于平行分布的注水鉆孔，煤體中的水飽和度高，以及孔隙間的貫通增加毛細(xì)作用，致使擴(kuò)散范圍增加。

鑒于同忻煤礦8103工作面的煤層狀況，適宜采用一定高程差的高低鉆孔布置方式，選取合理鉆孔間高差有效提高水在煤體中向四周的浸潤效果，繼而降低開采中的煤塵。

2.4 雙向打孔與單側(cè)打孔對比

與上述原理相同，在單向打孔、雙向打孔時，兩種不同的鉆孔布置方式明顯會增加煤體間形成裂隙，增加水在煤體中的貫通，在飽和度增加下，通過毛細(xì)作用向四周擴(kuò)散。單向打孔、雙向打孔兩種不同形式的注水方式下煤體含水率明顯不同，雙向打孔影響范圍明顯增大，濕潤效果更好。

3 現(xiàn)場煤層注水方案

將上述模擬數(shù)據(jù)結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)確定煤層注水中各項(xiàng)參數(shù)狀況如下：

（1）鉆孔布置方式。結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果及現(xiàn)場施工條件，8103工作面的注水鉆孔選用雙向高低位布置方式，在2103巷、5203巷分別布置注水鉆孔。

（2）鉆孔傾角。考慮到煤層傾角+5°，為了避免煤層注水通過煤壁向機(jī)巷滲透，鉆孔盡量與煤層傾角相同。由數(shù)據(jù)模擬結(jié)果，為提高濕潤效果將鉆孔角度調(diào)整為+4°，并且方位角90°。

（3）鉆孔深度。根據(jù)雙向鉆孔相關(guān)規(guī)定計(jì)算：

式中：

L-鉆孔長度，m；

Lg-采煤工作面長度，m。

即注水鉆孔施工時應(yīng)長于85m，注水鉆孔深度越大，濕潤范圍增加，提高降塵效果，考慮到工作面全長200m，鉆孔長度選取150m。

（4）鉆機(jī)選擇。選取TXU-65型煤體注水鉆配合Ф65mm鉆頭。

（5）鉆孔間距。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)，同忻煤礦煤層注水最大濕潤半徑在15～20m。考慮到鉆孔布置方式調(diào)整為高低位布置，相對平行鉆孔濕潤影響范圍增加，鉆孔間距選取25m，低位鉆孔布置在底板1m處，高位鉆孔與低位鉆孔保持20cm的高差。

（6）注水加壓方式。8103工作面處煤體松散具有良好的透水性。先進(jìn)行靜壓加壓，后動壓加壓，循環(huán)多次加壓。靜壓加壓起到軟化煤體的作用，注水流量降低后開啟動壓加壓，循環(huán)加壓提高水、電利用率。注水以煤層煤壁掛汗或無水壓為止。

（7）數(shù)據(jù)管理。各個注水管路都設(shè)置專用水量、水壓表，及時記錄數(shù)據(jù)，統(tǒng)一匯總，跟蹤監(jiān)測。

4 應(yīng)用情況

8103工作面在選擇雙向高低鉆孔布置，調(diào)整注水水壓、鉆孔傾角，并根據(jù)計(jì)算選取合理鉆孔間距后，通過半年實(shí)際作業(yè)的數(shù)據(jù)跟蹤，相較于傳統(tǒng)的單孔注水方式只有80m3，增加到1000m3。注水效率整體提高，工作面煤塵濃度只有原注水作業(yè)方式的60%左右，對煤塵治理起到良好的作用。