煤層注水在瓦斯突出礦井中的應(yīng)用

王謨

【摘 要】 為解決瓦斯突出煤層開(kāi)采期間粉塵產(chǎn)生量較大問(wèn)題，文章利用采面瓦斯抽采孔進(jìn)行煤層注水，并對(duì)注水孔注水量、注水速度隨時(shí)間變化情況進(jìn)行分析，對(duì)注水前后的除塵效果進(jìn)行考察。研究表明，在瓦斯突出煤層中將瓦斯抽采鉆孔改造成注水鉆孔具有較強(qiáng)的可行性，可顯著降低注水鉆孔施工工程量，并結(jié)合動(dòng)、靜壓注水工藝可以使得采面內(nèi)煤體含水率增加1%以上，下風(fēng)側(cè)采煤司機(jī)位置、距機(jī)尾10m位置呼吸性粉塵濃度、全塵濃度降低率分別為54.57%、48.15%， 53.19%、53.29%，注水降塵效果顯著。

【關(guān)鍵詞】 瓦斯突出;注水;降塵;抽采鉆孔;注水鉆孔

【中圖分類號(hào)】 TD714 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A

【文章編號(hào)】 2096-4102（2020）03-0020-03 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

突出煤層開(kāi)采時(shí)采用瓦斯預(yù)測(cè)是防治瓦斯事故的主要手段，然而密集施工瓦斯抽采鉆孔并接抽勢(shì)必會(huì)降低原煤含水率，增加采面粉塵產(chǎn)生量，因此，對(duì)預(yù)抽的突出煤層進(jìn)行注水十分有必要。雖然現(xiàn)階段眾多研究人員對(duì)煤層注水展開(kāi)研究，但由于煤層賦存條件差異，不同注水工藝取得的注水效果也有顯著差異。在煤層中采用高壓注水方式可以提升煤體滲透率及孔隙體積;采用間歇注水方式可以提升注水效率，減少注水耗時(shí)。文中以山西某礦3608綜采工作面為工程背景，采用本煤層瓦斯抽采鉆孔進(jìn)行注水孔增加煤層含水率，并對(duì)注水后效果進(jìn)行分析。

1工程概況

3608綜采工作面開(kāi)采的6號(hào)煤層具有突出危險(xiǎn)性，煤層厚度在1.2～2.2m，傾角在10～16°，煤層賦存較為穩(wěn)定。煤層原始瓦斯含量為14.3m3/t，瓦斯壓力為1.28MPa，硬度（f值）0.28～0.49，含水率為0.60%。采面采用綜采方式，全部垮落法管理頂板，布置斜長(zhǎng)110m，走向長(zhǎng)689m。采面采用Y型通風(fēng)方式（兩進(jìn)一回），風(fēng)量為860m3/min，采面內(nèi)風(fēng)速較高，生產(chǎn)期間煤塵產(chǎn)生量大，粉塵濃度最高達(dá)到1650mg/m3。

2煤層注水

2.1注水系統(tǒng)

在3608綜采工作面進(jìn)、回巷巷內(nèi)均布置有本煤層瓦斯抽采鉆孔，為了減少鉆孔施工工程量，提高注水效率，決定采用采面內(nèi)的瓦斯抽采鉆孔進(jìn)行注水。為了確定煤層注水后的有效浸潤(rùn)半徑，在采面前方40～70m內(nèi)采用8個(gè)瓦斯抽采孔進(jìn)行注水試驗(yàn)，注水孔編號(hào)依次為1～8號(hào)。由于6號(hào)煤層本身松軟，為提升煤層注水效率，采用間歇注水方式，即在早班采用動(dòng)壓注水，在中班及晚班采用靜壓注水，通過(guò)適當(dāng)提升煤層注水壓力，達(dá)到增加煤層孔隙率目的。在注入的水體中添加適量的濕潤(rùn)劑來(lái)降低水表面張力，提升水對(duì)煤體浸潤(rùn)效果。具體在3608綜采工作面布置的注水系統(tǒng)見(jiàn)圖1。

動(dòng)壓注水方式主要分單孔、多孔兩種方式，其中多孔方式在礦井應(yīng)用較為廣泛，在試驗(yàn)注水孔時(shí)采用多孔動(dòng)壓注水方式，每組布置8個(gè)注水孔。

2.2注水參數(shù)

2.2.1注水孔參數(shù)

注水鉆孔深度。在回采工作面采用單側(cè)注水方式時(shí)，注水孔深度以一般為采面斜長(zhǎng)的1/2～2/3，

3608綜采工作面斜長(zhǎng)在110m，單側(cè)布置的注水孔深度宜為55～74m，為了提升煤層注水效果，取注水孔深度為80m。原采面布置的瓦斯抽采孔深度在40m，待接抽完畢后，將鉆孔深孔擴(kuò)展至80m。由于6號(hào)煤層本身松軟，在鉆孔施工時(shí)選用大功率鉆機(jī)，確保鉆孔成孔質(zhì)量。

鉆孔間距。布置的瓦斯抽采鉆孔間距為4m，在初期注水試驗(yàn)中按照4m間距進(jìn)行注水，后根據(jù)注水效果再對(duì)注水鉆孔間距進(jìn)行優(yōu)化。

鉆孔傾角。布置的注水鉆孔傾角與煤層傾角一致，即傾角為10～16°

2.2.2鉆孔封孔

封孔是確保注水效果的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，合理封孔深度可以減少注水鉆孔向巷道內(nèi)的漏水、滲水量，從而保證注水鉆孔可以達(dá)到設(shè)計(jì)的浸潤(rùn)半徑;合理封孔方式可以保證鉆孔內(nèi)的高壓水不會(huì)沿鉆孔跑水。封孔采用水泥濃漿封孔方式，封孔深度為20m，采用水灰比為0.4∶1的高稠度水泥漿進(jìn)行封孔。具體封孔見(jiàn)圖2。

2.2.3注水參數(shù)

煤層注水參數(shù)應(yīng)根據(jù)采用的注水工藝確定，確保在采用注水工藝下注水鉆孔應(yīng)浸潤(rùn)范圍內(nèi)的煤層得以充分、均勻浸潤(rùn)。

單孔注水量。注水量應(yīng)能滿足煤層內(nèi)水分增加2%，確定的單孔注水量為35m3。

注水速度。根據(jù)礦井以往煤層注水經(jīng)驗(yàn)，在3608綜采工作面單孔注水流量為0.6m3/h。

注水壓力。動(dòng)壓注水壓力確定為10MPa，靜壓注水壓力為2MPa。

注水時(shí)間。注水時(shí)間與采面推進(jìn)速度、注水量及注水速度等密切相關(guān)，單孔注水時(shí)間確定為8d。

3注水效果考察

3.1注水壓力及注水量

3.1.1單孔注水量

在采面布置的試驗(yàn)注水孔最終單孔注水量見(jiàn)圖3，設(shè)計(jì)的單孔注水量在30m3，在實(shí)際注水中受到煤層內(nèi)矸石、裂隙等因素影響，實(shí)際注水量與設(shè)計(jì)注水量間存在一定偏差。

3.1.2日注水量

煤層注水可細(xì)分為三個(gè)階段，注水初期、中期及末期，各個(gè)階段注水量均有其自身特點(diǎn)。在煤層注水初期日注水量呈現(xiàn)先降低后增加特征;在煤層注水中期注水量處于峰值;在注水末期注水量逐漸降低。具體日注水量隨時(shí)間變化情況見(jiàn)圖4。

3.2注水效果

3.2.1煤體浸潤(rùn)半徑

一般認(rèn)為以注水孔為中心，以煤體含水率增加1%為浸潤(rùn)半徑界限，浸潤(rùn)半徑以內(nèi)的煤層含水率增加值均可達(dá)到1%以上。為了檢驗(yàn)3608綜采工作面注水效果，在注水孔周邊布置考察孔，并取樣分析煤體內(nèi)含水量變化情況。

布置的取樣鉆孔見(jiàn)圖5，考察鉆孔孔徑42mm、深度25m，從孔深15m位置開(kāi)始取樣，每隔1m取一個(gè)煤樣，共取10個(gè)。

布置的采樣孔與注水孔間距分別為1m、1.5m、2m、2.5m，鉆孔開(kāi)孔高度及鉆進(jìn)方向與注水孔一致。具體測(cè)定的1號(hào)～4號(hào)取樣煤樣內(nèi)的水分平均增加值為2.17%、1.82%、1.29%、1.02%。因此可以得出，注水孔浸潤(rùn)半徑約為2.5m。根據(jù)測(cè)定的注水浸潤(rùn)半徑結(jié)合布置的瓦斯抽采鉆孔間距，注水孔間距設(shè)計(jì)為4m較為合理。

3.2.2煤層浸潤(rùn)效果

為了考察注水孔對(duì)煤層浸潤(rùn)效果，在采面切眼內(nèi)每隔15m布置一個(gè)取樣孔，孔深深度均為2～4m，布置的取樣孔可以控制整個(gè)采面斜長(zhǎng)，具體采面取樣孔布置見(jiàn)圖6。

1號(hào)、7號(hào)取樣孔距離巷幫煤壁為10m，其余鉆孔間距均為15m，鉆孔垂直煤壁施工。測(cè)量得到的1～7號(hào)鉆孔煤樣含水率增加值分別為2.31%、2.52%、1.74%、1.55%、1.22%、1.54%以及1.02%。從取樣結(jié)果看出，注水后煤體含水率增加值均可達(dá)到1%以上，表明在3608綜采工作面采取的注水方式可以有效增加采面內(nèi)煤體含水量，達(dá)到較好的注水浸潤(rùn)效果。

3.3除塵效果

采用濾膜質(zhì)量法對(duì)下風(fēng)側(cè)采煤司機(jī)位置、距機(jī)尾10m位置處煤體注水前后粉塵濃度檢測(cè)，具體測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1看出，在下風(fēng)側(cè)采煤司機(jī)位置、距機(jī)尾10m位置煤層注水后較注水前呼吸性粉塵濃度、全塵濃度降低率分別為54.57%、48.15%，53.19%、53.29%。煤層注水后除塵效果明顯，輔助采取其他的降塵、捕塵措施，可以較好地改善采面作業(yè)環(huán)境。

4總結(jié)

突出煤層回采工作面本煤層瓦斯抽采鉆孔抽采完畢后，將瓦斯抽采鉆孔改造成注水孔采用動(dòng)、靜結(jié)合方式進(jìn)行煤層注水具有較強(qiáng)的實(shí)踐性，同時(shí)可大幅度降低注水鉆孔施工量。

注水鉆孔日注水量在注水初期呈現(xiàn)先降低后增加趨勢(shì)，在注水中期注水量達(dá)到峰值，在注水末期注水量緩慢降低。

通過(guò)進(jìn)行煤層注水，下風(fēng)側(cè)采煤司機(jī)位置、距機(jī)尾10m位置呼吸性粉塵濃度、全塵濃度降低率分別為54.57%、48.15%，53.19%、53.29%，取得較好的除塵降塵效果。

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