采煤工作面煤層注水參數(shù)試驗研究

王興華 馬小磊

（山東萬祥礦業(yè)有限公司，山東 濟南 271107）

1 礦井概況

潘西煤礦采用立井～斜井聯(lián)合開拓方式，綜合機械化采煤，走向長壁后退式采煤法，全部垮落法管理頂板。6198采煤工作面位于后六采區(qū)，走向長度平均1850m，傾斜長度平均195m，煤層走向102～136°，煤層傾向12～46°，煤層傾角平均26°，煤厚平均2.8m。山東鼎安技術(shù)檢測有限公司對6198采煤工作面進行了煤塵爆炸性檢測，檢測結(jié)果：水分0.79%，灰分12.09%，揮發(fā)分31.74%，真相對密度1.34%，吸氧量0.52cm3/g，有煤塵爆炸危險性。6198采煤工作面采用煤層注水的方式進行煤塵防治，為了確定煤層注水影響半徑等參數(shù)，潘西煤礦與中國礦業(yè)大學合作，開展煤層注水參數(shù)研究。

2 采煤工作面煤層注水試驗及現(xiàn)場煤樣采集

2.1 鉆機及注水泵的選擇

采用ZQJC-360/8.0型氣動架柱式鉆機，Φ76mm的螺旋鉆桿，Φ82mm的鉆頭，能夠滿足功率、扭矩的要求。

采用7BZ-4.5/16型高壓煤層注水泵，額定流量4.5m3/h，工作壓力8～16MPa，電機功率30kW，能夠滿足流量、壓力的要求。

2.2 鉆孔封孔及注水方法

煤層注水鉆孔采用Φ76mm的螺旋鉆桿、Φ82mm的鉆頭施工，鉆孔間距20m，鉆孔深度60m。施工完畢后采用Φ25mm套管注水泥砂漿進行封孔，封孔長度超過巷幫煤體的破碎帶且不小于20m。在鉆孔外露端接上高壓注水管，安裝好壓力表、流量計。采用動壓注水和靜壓補水的聯(lián)合注水系統(tǒng)，動壓注水量達到設計注水量后，改為靜壓補水。

2.3 試驗煤樣采集

測試所需煤樣全部在6198采煤工作面采集。在工作面距注水位置20m附近施工3個取樣鉆孔，取煤層原始新鮮煤樣3份。煤層注水后，分別在距注水孔4m、6m、8m、10m位置施工12個取樣鉆孔，每孔取煤粉3份。煤樣在井下現(xiàn)場用密封袋密封包裝，貼好編號標簽，送至中國礦業(yè)大學實驗室進行試驗。

3 實驗室煤層注水試驗

3.1 注水鉆孔水壓力試驗

以6198采煤工作面煤層物理力學參數(shù)為基礎(chǔ)建立鉆孔注水模型，注水孔直徑為82mm，注水壓力為3MPa。根據(jù)注水模型顯示，可以觀察到注水后的煤層水壓力分布情況：在煤層內(nèi)部形成了一個以注水孔為中心的滲流場，煤層孔隙水壓力以注水孔為中心呈輻射狀分布，距離注水孔越近，孔隙水壓力越高。

3.2 煤樣含水率試驗

將保持天然含水狀態(tài)的原始煤樣和注水后距離注水鉆孔4m、6m、8m、10m的煤樣分別取3份試驗樣品，放入干燥箱中進行烘烤，每隔一定時間取出試驗樣品稱量。經(jīng)過24個小時烘烤后，計算各個煤樣的含水率，如表1所示。

表1 不同位置煤樣含水率（單位：g）

由表1可以看出，原始煤層的煤樣含水率為0.48%，距離注水鉆孔4m處煤樣含水率1.57%，距離注水鉆孔6m處煤樣含水率0.59%，距離注水鉆孔8m處煤樣含水率0.63%，距離注水鉆孔10m處煤樣含水率0.63%。距離注水鉆孔越近煤樣的含水率越高，隨著距離的增加，煤樣的含水率在下降。當距離注水鉆孔一定距離時，煤樣的含水率基本保持不變。從測試的效果來看，距離注水鉆孔4m處，煤樣的含水率較高，當達到6m時煤樣的含水率急劇下降。這表明煤層的注水效果隨著與注水鉆孔距離的增加而逐漸變差，從4m位置到6m位置注水效果發(fā)生顯著變化，而從6m開始鉆孔注水效果基本趨于平緩。煤樣含水率的變化表明煤層注水效果在4m以內(nèi)為最好，距離鉆孔6m和8m處的鉆孔含水率與未注水的煤樣含水率非常接近，表明鉆孔內(nèi)壓力水對6m以外的區(qū)域影響相當小。

4 結(jié)論

通過數(shù)值模擬得出煤層注水孔兩側(cè)的水壓呈指數(shù)降低，越靠近注水孔，降低速度越快，水壓力梯度越大。

通過實驗室測定原始煤層含水率0.48%，注水后距離注水孔4m、6m、8m、10m處的煤層含水率分別為1.57%、0.59%、0.63%、0.63%。得出煤層3MPa水壓注水后距離注水孔4m范圍內(nèi)煤層注水效果良好，6m及超過6m的位置注水效果一般，煤層含水率趨于平穩(wěn)。

通過綜合數(shù)值模擬與注水試驗，得出注水孔直徑82mm、注水壓力3MPa時，煤層注水影響半徑為4m。