九里山礦中低壓綜合煤層注水應(yīng)用與效果分析

馬樂輝,李 鋒，2

(1.河南能源焦煤公司九里山礦，河南 焦作 454100；2.河南能源化工集團(tuán)研究總院，河南 鄭州 450046)

隨著煤礦經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，煤礦職業(yè)健康安全問題日益突出，而煤礦職業(yè)健康最主要的危害來源于粉塵[1-3]。特別是煤礦井下采掘作業(yè)場所，隨著采掘作業(yè)機(jī)械化程度的提高，綜采工作面單產(chǎn)不斷提高，產(chǎn)塵量也不斷增加，一線員工在粉塵嚴(yán)重環(huán)境中的作業(yè)時間也比炮采作業(yè)時間大大增加，從而增加了職工患塵肺病的幾率，嚴(yán)重威脅礦井的安全生產(chǎn)和危害職工的身心健康。為了降低煤炭開采作業(yè)場所內(nèi)粉塵對人員的威脅，我國早在20世紀(jì)60年代就在陽泉、撫順等礦區(qū)進(jìn)行了煤層注水降塵防突試驗(yàn)，國內(nèi)外學(xué)者也針對煤層注水降塵防突的機(jī)理進(jìn)行了研究[4-6]。

工作面煤層注水技術(shù)在鄭州[7]、義馬[8]、淮南[9]、大同[10]等國內(nèi)許多礦區(qū)都取得了顯著效果[11-12]，但大多數(shù)研究集中在注水降塵和提高煤體強(qiáng)度等方面，對煤層注水后工作面的瓦斯涌出情況研究較少。為此，筆者結(jié)合九里山礦煤層具有嚴(yán)重突出危險性的特點(diǎn)，充分考慮巷道中存在的大量瓦斯抽采鉆孔，探索出回風(fēng)巷長孔低壓滲透注水工藝，摸索出一種中壓和低壓綜合煤層注水模式，并在九里山礦16051綜采工作面進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，有針對性地考察了不同注水效果的工作面瓦斯涌出情況，結(jié)果表明中、低壓煤層注水在降低粉塵質(zhì)量濃度和瓦斯涌出量方面效果顯著。

1 工作面概況

九里山礦屬于煤與瓦斯突出礦井，可采煤層為二疊系山西組二1煤層，為優(yōu)質(zhì)無煙煤，煤塵無爆炸危險性，煤層不易自燃。16051回采工作面走向長度650 m、傾向長度112 m，煤層厚度4.5～7.2 m，平均煤層傾角12°；該工作面采用走向長壁分層采煤法，綜合機(jī)械化采煤工藝，全部垮落法控制頂板。

九里山礦16采區(qū)二1煤層層理普遍紊亂，煤質(zhì)整體酥軟、易碎，為糜棱構(gòu)造。煤層及頂板存在層間滑動的擦痕，且煤層厚度變化較為急劇，靠近頂板部分一般存在厚0.8～1.3 m軟分層，為粉末狀、鱗片狀；軟分層以下的亮型硬煤為塊狀，呈灰黑色、黑色，條帶狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，其真密度(TRD)為 1.58 g/cm3，視密度(ARD)為1.48 g/cm3。該煤層堅固性系數(shù)小于0.5，煤層透氣性系數(shù)為0.200～0.457 m2/(MPa2·d)，煤層原始水分平均值為2.42%，屬于低水分煤。

2 中低壓綜合煤層注水工藝

根據(jù)九里山礦16051工作面煤層的滲透特性，以及煤層的厚度，探索出一種新型煤層注水模式，即回風(fēng)巷長孔低壓滲透注水控制+工作面短孔中壓注水補(bǔ)充的綜合煤層注水模式。其中回風(fēng)巷長孔低壓滲透注水是在回風(fēng)巷利用80 m深的順層抽采鉆孔，超前工作面回采區(qū)域50 m進(jìn)行長時間滲透超前注水；工作面短孔中壓注水是在工作面內(nèi)利用15 m深的區(qū)域驗(yàn)證鉆孔或超前探孔進(jìn)行循環(huán)注水。實(shí)現(xiàn)了空間上交叉組合注水的新型注水模式。

2.1 回風(fēng)巷長孔低壓滲透注水工藝

回風(fēng)巷低壓滲透注水是利用突出煤層瓦斯區(qū)域治理時施工的順層抽采鉆孔，配合靜壓水槽進(jìn)行的超前注水措施。

注水鉆孔參數(shù)：回風(fēng)巷低壓滲透注水是利用瓦斯區(qū)域治理鉆孔，鉆孔設(shè)計A、B 2排，三花眼布置覆蓋全煤厚，鉆孔孔深80 m、孔徑94 mm，孔間距1.0 m、排距0.3 m，其中A排傾角-12°，B排傾角-14°30′；采用?50 mm封孔管配合聚氨酯“兩堵一注”法封孔，封孔長度25 m，孔口設(shè)有閥門，通過三通及抽采支管與?150 mm抽采主管路連接。

根據(jù)16051工作面現(xiàn)場情況，采用長時間小流量的方式對煤層進(jìn)行滲透性注水。工作面回采前，對超前煤壁50～100 m段順層抽采鉆孔進(jìn)行改造，斷開其與抽采主管路的連接，改為與低壓注水系統(tǒng)連接?？蛇x5～10個抽采單孔為一組，在其上方約 1 m 處設(shè)置儲水槽(儲水槽長度10 m，利用?150 mm抽采管改制，儲水槽的一端留進(jìn)水口，兩端與該組的抽采單孔連接，儲水槽呈水平布置，進(jìn)水口端向上)。在儲水槽的進(jìn)水軟管上安裝有水表和截止閥，時常觀察和調(diào)整進(jìn)水量，使儲水槽始終保持滿槽狀態(tài)。當(dāng)儲水槽灌滿水后，水在重力作用下進(jìn)入抽采鉆孔，沿鉆孔周圍的孔隙和裂隙向煤體內(nèi)部滲透。低壓注水孔的連接方式如圖1所示。

圖1 回風(fēng)巷長孔低壓滲透注水孔連接方式示意圖

2.2 工作面短孔中壓注水工藝

工作面短孔中壓注水是充分利用突出煤層工作面的區(qū)域驗(yàn)證鉆孔和超前探孔，配合煤層注水泵進(jìn)行的循環(huán)注水措施。

16051工作面每推進(jìn)5 m需要進(jìn)行一次區(qū)域驗(yàn)證并施工超前探孔。鉆孔參數(shù)：①區(qū)域驗(yàn)證鉆孔孔深15 m，孔徑42 mm，間距5.0 m；②超前探孔孔深 15 m，孔徑89 mm，間距1.5 m。采用FSKK-38/4型或FSKK-63/4型水力膨脹封孔器進(jìn)行封孔，封孔深度不小于3 m，封孔器與注水主管路連接，由設(shè)置在運(yùn)輸巷的煤層注水泵提供動力，泵站壓力不低于 10 MPa。中壓注水孔的連接方式如圖2所示。

注水時間及注水量要求：在實(shí)施煤層注水期間，單孔注水初期15 min內(nèi)應(yīng)使用小流量，15 min后可逐步加大注水流量。但單孔注水總時間不得少于 40 min，總注水量不得小于0.5 t，以保證鉆孔周圍1.5 m范圍內(nèi)煤體濕潤又無水從鉆孔口溢出為原則。當(dāng)孔口封堵物有擠出現(xiàn)象或大量漏水時，可暫停注水，間歇一定時間(30 min)后繼續(xù)注水。

圖2 工作面短孔中壓注水系統(tǒng)示意圖

3 注水效果分析

為了考察不同注水工藝的降塵和防突效果，于2018年1月11日在16051工作面開始回采后，設(shè)計了3個區(qū)域分時段進(jìn)行試驗(yàn)，分別是1月 11日至 1月 20日為初采階段，考察原始數(shù)據(jù)；1月 21日至 2月 20日為短孔中壓注水試驗(yàn)階段；2月 21日至 3月 20日為長孔低壓滲水階段；3月21日之后為中、低壓綜合注水階段。每個階段都考察煤層含水率、采煤期間的煤塵濃度，以及瓦斯涌出情況。

3.1 煤層含水率對比分析

煤層含水率是考察不同注水工藝效果最直接的參數(shù)。為測試煤層的含水率真實(shí)變化規(guī)律，在含水率測定取樣時，在工作面內(nèi)均勻布置10個取樣孔(取樣孔不能與注水孔貫通)，分別位于7#、14#、21#、28#、35#、42#、49#、56#、63#、70#支架位置，每個取樣孔在5 m和10 m位置各取2個煤樣，取其平均值作為測試值。根據(jù)GB/T 211—2007《煤中全水分的測定方法》對煤層含水率進(jìn)行測定，結(jié)果如圖3所示。

(b)取樣孔10 m位置

由圖3可以看出，煤層原始含水率較低，平均含水率僅為2.42%；短孔中壓注水后煤層含水率明顯提高，平均煤層含水率達(dá)到了5.32%，煤層含水率提高了2.19倍，但存在煤層含水率波動大、不均勻的問題；長孔低壓滲水試驗(yàn)后煤層含水率進(jìn)一步提高，煤層平均含水率達(dá)到了6.16%，較煤層原始含水率提高了2.54倍，且波動性較短孔注水減??；綜合注水試驗(yàn)后煤層含水率最大，煤層含水率平均值達(dá)到了7.12%，較煤層原始含水率提高了2.94倍。

回風(fēng)巷長孔低壓滲透注水可實(shí)現(xiàn)多孔連續(xù)注水，注水時間較長，可使煤體充分濕潤，煤層含水趨于飽和狀態(tài)，但由于受到裂隙和孔隙的影響存在一定的空白區(qū)。而工作面短孔中壓注水雖然也可以提高煤層含水率，但煤層含水率不均勻。這是因?yàn)槊簩幼⑺^程中，水進(jìn)入煤體后，首先沿較大的裂隙以較快的流速，逐漸包圍被裂隙所分割的煤體；然后再以較低的流速滲透進(jìn)入各種細(xì)微孔隙之中[13]。水通過煤層注水孔周邊的孔隙和裂隙向煤體內(nèi)部緩慢滲透，受煤層孔隙的阻滯作用，水在煤層中的運(yùn)動只能保持層流運(yùn)動狀態(tài)[14]。

3.2 粉塵濃度對比分析

為考察不同注水工藝后工作面粉塵質(zhì)量濃度變化情況，試驗(yàn)階段分別在轉(zhuǎn)載機(jī)頭、采煤機(jī)后方10～15 m位置和上安全口3個地點(diǎn)進(jìn)行總粉塵質(zhì)量濃度測試(測塵時間段暫時關(guān)閉其他所有除塵設(shè)施，測塵數(shù)據(jù)為正常回采時的3次瞬時平均值)，結(jié)果如圖4所示。

圖4 注水前后粉塵質(zhì)量濃度對比圖

由圖4可以看出：采用煤層注水技術(shù)能有效濕潤煤體的原生煤塵，使水分子團(tuán)包裹煤體的每個細(xì)小部分，當(dāng)煤體開采破碎時避免細(xì)粒煤塵飛揚(yáng)。實(shí)測數(shù)據(jù)表明，工作面采取回風(fēng)巷長孔低壓滲透注水控制+工作面短孔中壓注水補(bǔ)充的綜合注水工藝后，采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)降塵效率為82.5%，而回風(fēng)巷降塵效率可達(dá)到81.4%。

3.3 瓦斯涌出量對比分析

為考察16051工作面中、低壓注水對工作面瓦斯涌出量的影響，統(tǒng)計了16051工作面T2甲烷傳感器1月15日至5月1日所測甲烷濃度(體積分?jǐn)?shù))的日最大值和日平均值，共提取57組114個甲烷數(shù)據(jù)點(diǎn)，對比分析工作面瓦斯涌出量情況，如圖5所示。

圖5 甲烷濃度變化圖

由圖5可知：無論是短孔中壓注水還是長孔低壓滲透注水，煤層中的水分含量均增加，減緩了工作面落煤釋放瓦斯的速度，從而降低甲烷濃度即減少了工作面瓦斯涌出量。但由于短孔中壓注水存在注水時間短、注水不均勻的問題，當(dāng)采煤機(jī)回采至注水效果不好的區(qū)域時，就會出現(xiàn)當(dāng)日的瓦斯涌出量最大值，所以工作面平均瓦斯涌出量雖明顯降低，但日最大值下降不明顯，且波動較大。而長孔低壓滲水由于注水時間長，滲透較為均勻，所以日最大值有明顯下降，但日平均瓦斯涌出量降幅不明顯。綜合注水試驗(yàn)后，工作面短孔中壓注水和回風(fēng)巷長孔滲水相互補(bǔ)充，能有效控制工作面瓦斯均勻釋放，且效果最為穩(wěn)定。

3.4 中低壓注水機(jī)理分析

秦躍平教授提出煤層注水過程中，水進(jìn)入煤體的形式有2種：壓力滲流和自然滲流。壓力滲流以水壓差為動力，利用煤層注水泵提供的壓力使水通過煤體中較大的孔裂隙由高壓區(qū)向低壓區(qū)滲流；自然滲流是水在煤體中的毛細(xì)管力主導(dǎo)作用下產(chǎn)生的滲流運(yùn)動，是影響煤體內(nèi)在水分的主要運(yùn)動形式[15]。

中、低綜合注水將壓力滲流和自然滲流有機(jī)地結(jié)合在一起。在工作面內(nèi)使用的中壓注水，其原理為壓力滲流，可以快速將水壓入到煤體中較大的孔裂隙中；在回風(fēng)巷采用的低壓滲透注水，其原理為自然滲流，可以長時間進(jìn)行自然滲流使水分充分潤濕煤體，進(jìn)入煤體中小裂隙中，與中壓注水相互補(bǔ)充[16]。

煤層注水后，一部分水進(jìn)入煤體的孔隙和裂隙中，使煤體被水包裹，當(dāng)煤體被開采破碎時，因孔裂隙中存在水，水分子將較小的煤粉結(jié)合在一起，從而大大降低了煤塵的飛揚(yáng)，達(dá)到降塵的效果；同時由于水進(jìn)入煤體的微孔中，堵塞瓦斯運(yùn)移的通道，從而增大了瓦斯在煤體內(nèi)的滲流阻力，降低了煤體滲透率和瓦斯解吸速度，有效降低了工作面絕對瓦斯涌出量[17]。煤層注水還使煤體彈性能發(fā)生改變，消耗煤體能量，降低煤體內(nèi)能，增加煤體強(qiáng)度，改善煤體結(jié)構(gòu)，有利于防治煤與瓦斯突出。

4 結(jié)論

1)根據(jù)九里山礦16051工作面的現(xiàn)場情況，通過改造已有的瓦斯治理鉆孔，探索出回風(fēng)巷長孔低壓滲透注水工藝，并與工作面短孔中壓注水工藝相結(jié)合，建立了回風(fēng)巷長孔低壓滲透注水控制+工作面短孔中壓注水補(bǔ)充的綜合注水模式。

2)考察了短孔中壓、長孔低壓不同注水工藝和綜合注水模式下煤層含水率的變化情況，兩種工藝均使煤層含水率有了明顯提高，但對比分析后，綜合注水模式下煤層含水率最均勻，含水率增幅最大，煤層含水率提高了2.94倍。

3)考察了注水后工作面粉塵質(zhì)量濃度和瓦斯?jié)舛茸兓闆r，綜合注水后工作面粉塵質(zhì)量濃度降低了80%以上；工作面瓦斯解吸速率降低，甲烷濃度降低，瓦斯涌出量明顯減小，有效降低了工作面粉塵質(zhì)量濃度和瓦斯涌出量。