采用煤層注水提高工作面支架初撐力應(yīng)用實(shí)踐

王偉智

（拜城縣峰峰煤焦化有限公司，新疆 拜城 842300）

工作面支架初撐力是綜采工作面液壓支架最重要的技術(shù)指標(biāo)之一，80%的回采工作面頂板事故是由于支架的初撐力不足引起的。因此，提高支架對頂板的實(shí)際支撐能力，能夠有效管理頂板[1]，提高支架安全性能，從而避免頂板事故的發(fā)生。

1 概況

弘揚(yáng)煤礦2303 工作面開采A3 煤層，結(jié)構(gòu)簡單，屬穩(wěn)定型煤層。直接頂為粗砂巖，厚度約1.5 m，屬軟弱～中等堅(jiān)硬巖層。直接底為泥巖。煤層平均厚度8.5 m，煤層傾角28°～32°。工作面采高為2.4 m，放頂煤高度約6.1 m，采放比為1:2.54。

2303 綜采工作面自回采以來，一直存在支架初撐力不足的問題，出現(xiàn)煤壁局部片幫、支架不穩(wěn)、咬架等情況，威脅安全生產(chǎn)。雖然采取了一些措施，但工作面初撐力不足的問題一直沒有得到很好的解決。鑒于這種情況，為有效解決工作面支架初撐力不足的問題，保證工作面安全回采，通過理論研究和現(xiàn)場實(shí)際調(diào)研，決定采取煤層注水的途徑來提高支架的初撐力。

2 煤層注水方式的選擇及設(shè)計(jì)方案

2.1 注水方式選擇

在進(jìn)行煤層注水方式的選擇時，要考慮巖石壓力的影響。綜放工作面前方頂煤可以劃分為4 個區(qū)域，分別為頂煤明顯變形區(qū)Ⅰ、頂煤壓裂區(qū)Ⅱ、頂煤松動區(qū)Ⅲ、頂煤放落區(qū)Ⅳ。注水區(qū)域只能選擇在原生裂隙張開及發(fā)育的Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)或者距綜放面距離更遠(yuǎn)的原巖應(yīng)力區(qū)[2]。煤層注水后會在煤體周圍形成大量的水分子團(tuán)，水分子團(tuán)之間具有較強(qiáng)的黏結(jié)力和吸附力，這就使得整個應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)煤體由原先的松散態(tài)變?yōu)榱丝辜魪?qiáng)度較高的黏結(jié)層[3]。煤層通過注水可在一定程度上改變煤體原有的物理性質(zhì)，可為采面安全、高效回采創(chuàng)造良好條件[4]。

煤層注水方式主要有短孔注水、深孔注水和長孔注水三種，目前普遍采用的是長孔注水方式。長孔注水方式能濕潤較大區(qū)域的煤體，注水時間長，煤體濕潤均勻，注水與回采互不干擾，對提高支架初撐力，有效控制頂板離層和煤壁片幫起到積極的作用[5]。

2.2 煤層注水設(shè)計(jì)方案

2.2.1 注水的目的

解決2303 工作面2.6～5.6 m 之間煤層軟、黏結(jié)力差、造成工作面初撐力不足的問題，提高工作面支架初撐力，保證安全生產(chǎn)。

2.2.2 注水方式

根據(jù)工作面煤層情況，確定對該工作面進(jìn)行超前長孔注水。設(shè)計(jì)鉆孔布置在煤層底板以上2.5～5.5 m 煤層之間，采用工作面上順槽垂直煤層走向沿煤層向下打斜孔注水及下順槽垂直煤層走向沿煤層向上打斜孔注水。鉆孔注水壓力3～5 MPa。上下順槽均采用ZY-750 探水鉆打孔，運(yùn)輸順槽鉆孔下套管長度不小于10 m，上順槽鉆孔不下套管。

2.2.3 注水孔布置

2303 工作面回風(fēng)順槽鉆孔布置：第一個鉆孔距工作面30 m 處開始施工，設(shè)計(jì)50 個鉆孔，鉆孔直徑為56 mm，開孔高度位于2303 工作面回風(fēng)巷巷道底板往上2.0 m 處，鉆孔向垂直運(yùn)回風(fēng)槽向下沿煤層朝運(yùn)輸巷方向鉆進(jìn)，鉆孔角度為-24°，鉆孔孔深為53 m，鉆孔間距為10 m。

2303 工作面運(yùn)輸順槽鉆孔布置：第一個鉆孔距工作面30 m 處開始施工，設(shè)計(jì)50 個鉆孔，鉆孔直徑為56 mm，開孔高度位于2303 工作面運(yùn)輸巷巷道底板往上1.2 m 處，鉆孔向垂直運(yùn)輸順槽方向向上沿煤層朝回風(fēng)巷方向鉆進(jìn)，鉆孔角度為+30°，鉆孔孔深為100 m，鉆孔間距為10 m。注水鉆孔布置平、剖面圖如圖1、圖2。

圖1 注水鉆孔布置平面圖（m）

圖2 注水鉆孔布置剖面圖（m）

2.2.4 施工要求

（1）封孔“膠囊”與煤體接觸充分，無空隙，不漏水。

（2）2303 回風(fēng)巷封孔長度確定為4 m，2303運(yùn)輸巷封孔長度10 m。

（3）上下順槽注水壓力保持在3～5 MPa，壓力不足時可增加增壓泵。

2.2.5 注水系統(tǒng)組成

注水主要包括封孔、保壓注水、壓力監(jiān)測等主要工序。該系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：靜壓水進(jìn)水管路、高壓水泵、注水管、手動泵、高壓注水膠管、高壓封孔器、壓力流量監(jiān)測儀。主要設(shè)備如下：

高強(qiáng)封孔器：由中心管和封隔器膠筒組成水路通道，中心管注入高壓水通過鉆孔，再經(jīng)過水的高壓壓入煤層。封孔器封孔長度為8～10 m。

全液壓鉆機(jī)：采用ZY-750 型鉆機(jī)型煤礦用全液壓鉆機(jī)，鉆孔施工完畢后開始向注水孔注水，并開始記錄注水鉆孔的流量出水情況，每小時記錄一次，要求打一個孔注一個孔。

高壓水泵/乳化液泵站：其作用是給煤層注水加壓，型號為HS9028A-82/60，參數(shù)為油泵流量80 L/min，額定壓力63 MPa，功率90 kW，電壓660 V/1140 V。高壓泵由專業(yè)操作員操作，開泵、加壓及停泵嚴(yán)格按照高壓泵操作要求執(zhí)行，泵站壓力調(diào)到3～5 MPa 之間，不能大于5 MPa。

封孔壓力為3～5 MPa，嚴(yán)格連接管路，保證連接處密封完好，試壓達(dá)到要求后投入使用。

注水的工藝：利用手動泵為封隔器加壓使膠筒膨脹，達(dá)到封孔目的，然后連接高壓水注水，注水壓力保持在3～5 MPa。煤層注水如圖3。

圖3 煤層注水示意圖

2.3 操作技術(shù)要求

2.3.1 封孔操作要求

（1）上桿完成后首先開啟靜壓注水管給封孔器加壓，待3 min 后關(guān)閉靜壓注水管，用手壓泵加壓，封孔壓力不得大于5 PMa；封孔器加壓完成后觀察1 min，壓力穩(wěn)定方可開啟高壓泵。

（2）封孔完成后檢查高壓注水管路泄水閥是否關(guān)閉，檢查連接U 型卡、管路接頭是否有異常情況，確認(rèn)無誤后方可開啟高壓泵。

2.3.2 注水操作要求

（1）注水過程中須有專人盯守手壓泵上壓力表變化，若出現(xiàn)壓力急劇減小或增加，小于3 MPa或大于5 MPa 的情況時，須立刻發(fā)出信號，令高壓泵操作工及電源開關(guān)控制工卸壓和關(guān)閉高壓泵。

（2）待高壓注水管路上的泄水閥無水流出或者水流量很小時，緩慢擰松手壓泵上的泄壓閥門，此處必須緩慢卸壓，每次卸載壓力≤0.1 MPa。

3 結(jié)論

煤層長孔注水后，煤體含水率得以顯著增加，弱化煤體脆性的同時強(qiáng)化了塑性。采用煤層長孔注水措施，提高了工作面支架初撐力。經(jīng)過礦壓在線監(jiān)測和專業(yè)人員定期現(xiàn)場檢測檢查，2303 綜放工作面95%的支架其初撐力達(dá)到了24 MPa，滿足了生產(chǎn)要求，確保了工作面安全回采。