振興二礦煤層注水技術(shù)應(yīng)用及效果分析

郭軍杰,鄒友平,周和軍,田錦州

(1.河南工程學院 安全工程學院，河南 鄭州 451191；2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013；3.煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京 100013)

受嵩山地質(zhì)構(gòu)造影響，振興二礦煤層屬于三軟不穩(wěn)定厚煤層，工作面煤巖體松軟破碎。開采時，工作面粉塵較大，礦壓顯現(xiàn)劇烈，煤壁易片幫，這些問題對該礦的安全生產(chǎn)影響較大，也嚴重危害工人的身體健康。為此，該礦采取煤層注水技術(shù)措施，積極探索煤層注水對這些問題的改善作用，保障礦井安全生產(chǎn)和工人身心健康。

眾多學者對煤層注水技術(shù)進行了大量的研究，取得了豐富的研究成果。張九零[1]等認為煤層注水具有降塵和防瓦斯的效果；盧國斌[2]等對東榮二礦煤層的注水參數(shù)進行數(shù)值模擬，確定了合理的工藝參數(shù)，提高了煤層注水效果；李宗翔[3]等對段王礦煤層的可注性指標進行了實驗，制定了利用瓦斯抽采鉆孔進行煤層注水的方案；李偉國[4]等對軟煤層綜采工作面實施動靜壓間隔式混合注水方式，取得了良好的降塵效果；韓紅強[5]等利用煤層注水技術(shù)觀察了對三軟不穩(wěn)定煤層的工作面煤壁片幫改善效果，認為煤層注水具有一定的防片幫作用；楊志祥[6]采用包括煤層注水在內(nèi)的綜合粉塵防治技術(shù)，對工作面粉塵防治進行了研究；張健[7]等采用分段封孔注水技術(shù)，有效提高了綜掘工作面粉塵防治效果；任文濤[8]對深部低孔隙率煤層高壓注水防治沖擊地壓進行研究，認為煤層注水具有防治沖擊地壓的作用；楊磊[9]等認為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；彭亞[10]等基于煤體物理化學實驗，優(yōu)化注水參數(shù)，提高了防塵效果；謝建林[11]等對煤層注水的效果及對綜采工作面粉塵濃度和粒徑分布的影響進行了研究；孫亮[12]對煤層注水降低礦井工作面礦塵濃度進行了論證；徐恒恒[13]對新橋礦業(yè)2502采煤工作面進行煤層注水實驗，對采煤工作面的濕潤范圍與注水的壓力大小進行了研究。這些研究成果豐富了煤層注水技術(shù)理論，具有很好的現(xiàn)場指導(dǎo)作用，但是對在三軟不穩(wěn)定厚煤層條件下利用煤層注水技術(shù)研究降塵、卸壓和防片幫綜合效果還不多。

根據(jù)振興二礦的煤層地質(zhì)條件，積極探索適合該礦的煤層注水技術(shù)，綜合治理該礦工作面粉塵較大、支承壓力大、煤壁片幫嚴重的問題，具有重要的安全意義和社會價值。

1 煤層地質(zhì)條件

振興二礦可采煤層為山西組的二1煤層，顏色大體為暗黑，色澤較暗，硬度小。由于斷層對此處的影響，二1煤層底部不平坦，高低起伏，整體上煤層呈現(xiàn)為西厚東薄的態(tài)勢，質(zhì)地松軟，手能碾碎。試驗工作面大體上構(gòu)造為單斜態(tài)勢，煤硬度較小，松散不易結(jié)塊。工作面走向長780m，傾向長110m，面積約85800m2。

2 注水工藝方法及參數(shù)

2.1 煤層注水方式及其選擇

根據(jù)振興二礦煤層的可注水性結(jié)論可知，該礦綜采面可以進行注水。煤層注水有多種方式，大致可分為長孔注水、短孔注水、深孔注水和巷道鉆孔注水4種類型[14]，且不同煤層宜選用合理的注水方式。在查閱相關(guān)注水資料和綜合考慮該煤層的實際情況的基礎(chǔ)上，本煤層應(yīng)用深孔高壓注水。

2.2 注水工藝方法的確定

2.2.1 煤層注水鉆孔位置的確定

參考振興二礦工作面巷道的斷面大小、煤體自然滲透率等情況，一般鉆孔位置不超過該工作面煤厚的3/5,具體鉆孔位置與底板的關(guān)系可參考表1。

表1 不同厚度煤層注水孔主體位置距底板高度

根據(jù)表中的標準可得，注水孔主體位置距底板高度為4.57×0.6=2.742(m)，取2.8m。

2.2.2 鉆孔直徑

煤的堅固性系數(shù)、煤體裂隙、注入水的多少等條件是影響鉆孔直徑的因素。根據(jù)該礦工作面煤層硬度較小、手捏即碎等特征，選擇50mm孔徑較合適。

2.2.3 鉆孔長度

考慮該工作面的實際情況采用單向偽傾斜下向孔，鉆孔長度計算公式為:

L=Lg-M

(1)

試驗工作面長度為110m，故鉆孔長度為80m。

2.2.4 鉆孔間距

在實際煤層注水應(yīng)用中，一般通過實踐來確定鉆孔間距。我國煤層注水采用的鉆孔間距多為10～25m，綜合考慮布置鉆孔間距為15m。

2.2.5 鉆孔角度

為了防止工作面煤壁片幫，一般取注水孔的水平傾角為60°～70°[14]。根據(jù)實際情況，取70°。鉆孔角度大約為13°，使鉆孔一直保持在煤層內(nèi)，避免鉆穿底板。

煤層注水鉆孔布置平面見圖1。

圖1 煤層注水鉆孔布置平面

2.2.6 封孔方式及深度

封孔是否合理直接影響綜采面注水的效果，在參考水泥砂漿封孔的條件下，選用水泥水玻璃進行封孔。國內(nèi)外通常是根據(jù)實驗或者實地檢測來確定合理的封孔深度，設(shè)計封孔深度10m。

2.3 注水參數(shù)

2.3.1 注水壓力

考慮到綜采面埋藏深度較大，且煤的硬度較小，根據(jù)相關(guān)的統(tǒng)計資料整理出一個注水壓力與開采深度的關(guān)系式：

P0=156-78/(0.0001H+0.5)=9.6(MPa)

(2)

式中，P0為煤層注水的最小壓力，MPa；H為開采深度，m。

計算出的注水壓力最小為9.6MPa，考慮到工作面的實際情況，故將注水壓力設(shè)為5～20MPa。

2.3.2 噸煤注水量

噸煤注水量的取值與多個因素相關(guān)，包括煤的自然透水率、煤的軟硬程度、降塵和卸壓效果等。通常，厚煤層q=0.025～0.04m3/t、中厚煤層取q=0.015～0.03m3/t。根據(jù)煤層的實際情況，取噸煤注水量q=0.02～0.025m3/t。

(1)單孔注量

Q上限=LgBMρq=120×15×4.57×1.48×0.025=304.4(m3)

(3)

Q下限=LgBMρq=120×15×4.57×1.48×0.02=243.5(m3)

(4)

式中，Q為1個鉆孔的注水量，m3；Lg為工作面長，m；B為鉆孔間距，m；M為煤層厚度，m；ρ為煤的密度，t/m3；q為噸煤注水量，m3/t。

(2)每米鉆孔有效流量

參考振興二礦其他工作面的每米鉆孔有效流量以及結(jié)合試驗工作面的具體情況，該工作面每米鉆孔有效流量定為40～50L/h。

(3)注水時間

T上限=Q/V=Q/LU=304.4/(80×0.05)=36(h)

(5)

T下限=Q/V=Q/LU=243.5/(80×0.07)=15(h)

(6)

式中，T為注水時間，h；Q為鉆孔注水量，m3；U為每米鉆孔有效流量，(m3/(m·h-1))；L為鉆孔長度，m；V為鉆孔流量，m3/h。

3 注水效果綜合分析

3.1 煤層注水降塵效果

3.1.1 測塵位置選取

采樣的一般選擇規(guī)則如下：樣點一般設(shè)在井下作業(yè)人員易接觸且較典型的地方；采樣點位置，通常設(shè)在井下工人工作區(qū)域，該區(qū)域要大體滿足礦塵沉積在巷道或者懸浮在空中都比較均勻的條件；移動式產(chǎn)塵點的測塵區(qū)域選擇，通常將采樣器放在移動設(shè)備上或置于工作面上具有代表性的地點。采樣點示意見圖2。

圖2 采樣點示意

3.1.2 監(jiān)測結(jié)果分析

在井下選取6個采樣點來評價煤層注水的降塵效果，檢測各個采樣點注水前后的粉塵量，然后計算其降塵率大小。測定結(jié)果見表2。

表2 注水前后粉塵濃度測定平均結(jié)果及降塵率

根據(jù)表2得出，煤層長孔注水能有效降低工作面產(chǎn)生的粉塵，有一定的降塵效果。6個測點的降塵率在67.2%～71.6%之間，平均降塵率是69.2%。

3.2煤層注水卸壓效果

在工作面選取6個測點，分別測量注水前后應(yīng)力大小，從而可知該工作面實施注水后對煤體卸壓的效果大小。測定結(jié)果見表3，并得到注水前后采面前方支承壓力分布情況變化折線圖3。

表3 注水前后測定結(jié)果

圖3 注水前后支承壓力分布情況變化

由圖3可知，煤層注水前壓力峰值是38MPa，注水后壓力峰值是25MPa。由此可知，通過對該工作面進行煤層注水可以起到一定的卸壓效果。注水后，工作面煤壁片幫問題得到一定程度的改善。

4 結(jié) 論

通過現(xiàn)場實施煤層注水技術(shù)措施，并分析了注水后降塵率及煤體卸壓等方面的效果，為解決三軟不穩(wěn)定厚煤層綜采工作面煤塵高、支承壓力大的問題提供經(jīng)驗。

(1)具體分析了試驗工作地質(zhì)條件，合理確定了注水工藝和參數(shù)。

(2)通過對綜采工作面實施煤層注水后，很好地解決了工作面煤塵過大的問題，6個測點的降塵率在67.2%～71.6%之間，平均降塵率是69.2%。

(3)通過支承壓力測定，煤層注水后煤體的物理性質(zhì)發(fā)生顯著改變，注水前煤體壓力峰值為38MPa，注水后為25MPa，煤體卸壓達到34.2%，工作面煤壁片幫現(xiàn)象得到較好的改善。