綜采工作面淺孔煤層注水工藝分析

武海鵬

(七臺(tái)河市百達(dá)利礦業(yè)有限公司，黑龍江 七臺(tái)河 154600)

淺孔煤層注水能夠有效抑制綜采工作面作業(yè)中的塵埃與瓦斯因素，在實(shí)現(xiàn)良好防塵與抑制瓦斯效果的基礎(chǔ)上保證工作面作業(yè)正常執(zhí)行。

1 綜采工作面情況分析

分析淺孔煤層布局綜采工作面。該工作面容重約1.4 t/m3，煤層厚度范圍0.8 m～3.3 m。工作面頂板和底板的組成材料不同，頂板的組成材料是泥質(zhì)粉砂巖，工作面的中上部結(jié)構(gòu)中設(shè)有厚度約0.25 m的煤矸石層，該煤矸石層和工作層底板由不同材質(zhì)的泥巖組成，其中底板由全砂質(zhì)泥巖組成，中上部結(jié)構(gòu)中泥巖主要為炭質(zhì)泥巖，工作面中煤層的傾角約為4°。工作面結(jié)構(gòu)受所在環(huán)境的水文條件、氣候條件影響明顯，例如在雨季，易受雨水沖刷作用導(dǎo)致煤層變薄，對(duì)開(kāi)采工作造成一定影響。工作面的瓦斯參數(shù)是決定工作面性質(zhì)的重要因素，通常情況下主要瓦斯參數(shù)種類包括瓦斯壓力、硬度、揮發(fā)分、瓦斯含量等。涉及的工作面瓦斯壓力約為0.5 MPa，硬度約為0.7，水分為2.14，灰分為21.15，揮發(fā)分為38.66，工作層的放散速度為6，每噸瓦斯含量為4.21 m2。在分析注水工藝前需要確定工作面每層的特征，主要通過(guò)煤層系數(shù)體現(xiàn)。煤層的硬度系數(shù)1.6～2.5，屬于中等硬度。由泥質(zhì)粉砂巖組成的工作面頂板硬度系數(shù)3～5。由炭質(zhì)泥巖組成的工作面中上部以及由全砂質(zhì)泥巖組成的底部硬度系數(shù)相同，均為3～5。綜采工作面略傾斜，工作面長(zhǎng)度約250 m，為東西走向，煤層厚度約3 m，選擇一次采全高工藝完成該工作面的采煤工作。

2 注水參數(shù)分析

工作面注水的目的是除塵及預(yù)防潛在瓦斯泄漏，保證工作面煤層達(dá)到實(shí)際開(kāi)采標(biāo)準(zhǔn)，合適的注水工藝能夠達(dá)到更好的除塵與軟化效果。注水工藝的主要參數(shù)有鉆孔位置、鉆孔直徑、注水孔長(zhǎng)度、封孔長(zhǎng)度等。

A．鉆孔位置。淺孔注水的鉆孔位置受煤層厚度和矸石因素影響，若煤層厚度≤1.8 m，通常應(yīng)用單排眼工藝；若煤層厚度偏大，則采用三花眼工藝。在布置鉆孔時(shí)注意煤層內(nèi)部結(jié)構(gòu)。通常選擇硬度較高且致密的層次布置鉆孔，有效預(yù)防淺孔注水過(guò)程中孔口損壞情況。B．鉆孔直徑。從經(jīng)濟(jì)性、降低成本角度考慮，鉆孔直徑應(yīng)與炮眼直徑相同，在保證注水孔鉆孔與炮眼一致性的同時(shí)降低額外購(gòu)置成本。C．注水孔長(zhǎng)度與間距。注水孔長(zhǎng)度的選擇應(yīng)以快速濕潤(rùn)煤層為目的，設(shè)濕潤(rùn)范圍為h，注水孔長(zhǎng)度通常為h+0.2 m。注水孔間距的選擇與注水孔的濕潤(rùn)半徑直接相關(guān)。注水孔間距應(yīng)根據(jù)煤層的情況靈活調(diào)整，確保相鄰注水孔之間的煤層全部得到濕潤(rùn)。注水孔的間距最小為2 m，通常情況下為5～6 m，最大不超過(guò)8 m。D．鉆孔角度。鉆孔角度的設(shè)定應(yīng)以注水快速滲透煤層為目的，通過(guò)設(shè)定合適的鉆孔，保證煤層中各個(gè)分層被快速濕潤(rùn)。E．封孔長(zhǎng)度。封孔長(zhǎng)度的設(shè)定與煤壁承受壓力和鉆孔長(zhǎng)度密切相關(guān)，通過(guò)設(shè)定合適的封孔長(zhǎng)度保證煤壁承受壓力不超過(guò)合理范圍，同時(shí)達(dá)到對(duì)煤壁各個(gè)部位的充分濕潤(rùn)效果。通常情況下，封孔長(zhǎng)度為1～1.5 m。F．注水壓力。注水壓力的設(shè)定通常是設(shè)定閾值范圍，設(shè)定的最低注水壓力應(yīng)滿足單位時(shí)間內(nèi)的注水要求，設(shè)定的最大注水壓力則應(yīng)保證工作面以及煤層的結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞，同時(shí)要避免泄水現(xiàn)象發(fā)生。G．注水量與時(shí)間。通常情況下接受濕潤(rùn)后的煤壁若出現(xiàn)均勻的水珠時(shí)則意味著煤層全部被濕潤(rùn)，并由此作為設(shè)定注水量以及時(shí)間長(zhǎng)度的參照標(biāo)準(zhǔn)。本研究的工作面長(zhǎng)度250 m，煤層厚度3 m，容重1.4 t/m3。假設(shè)每噸煤注水量為30 L，則單次注水量為上述四個(gè)參數(shù)的乘積，為315 000 m3。例如，選擇動(dòng)壓注水模式執(zhí)行注水，在10 MPa的注水壓力下于6 h內(nèi)完成注水任務(wù)。

3 注水設(shè)備分析

第一，注水系統(tǒng)選擇。常見(jiàn)的注水系統(tǒng)包括靜壓注水系統(tǒng)與動(dòng)壓注水系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)不同級(jí)別的注水壓力。兩類注水系統(tǒng)的原理不同，靜壓注水系統(tǒng)側(cè)重于利用地面或工作層上部結(jié)構(gòu)的水分，向鉆孔注水的介質(zhì)是水管網(wǎng)絡(luò)；動(dòng)壓注水系統(tǒng)更多依賴水泵本身的壓力，利用動(dòng)壓注水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)直接加壓的效果。選擇注水系統(tǒng)時(shí)要考慮工作層的具體情況，同時(shí)結(jié)合注水的總量和時(shí)間長(zhǎng)度，本研究采用動(dòng)壓注水系統(tǒng)。

第二，注水裝備選擇。常見(jiàn)的注水裝備包括清水泵、高壓水管、減壓閥等，在此分析淺孔煤層注水的裝備特性。A.清水泵。選擇1臺(tái)型號(hào)為PB320/6.3的清水泵，清水泵額定流量為19.2 m2/h，最大壓力標(biāo)準(zhǔn)為16 MPa。B.自動(dòng)封孔器。選擇25支型號(hào)為MZF-40-15的自動(dòng)封孔器，封孔器的內(nèi)徑與外徑分別為22 mm、38 mm，最大工作壓力為15 MPa，最小工作壓力為1 MPa，自動(dòng)封孔器材質(zhì)為鋼絲橡膠。C.雙功能高壓水表。選擇2塊型號(hào)為SGS的高壓水表，該高壓水表的流量閾值為0.1 m2/h～5 m2/h，高壓水表的額定壓力為18 MPa。D.高壓水管。選擇120支標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度為10 m的高壓水管，高壓水管長(zhǎng)度總計(jì)1 200 m。E.減壓閥。選擇8個(gè)直徑為25 mm的減壓閥，最大調(diào)節(jié)壓力為20 MPa。

第三，注水中的安全措施。A.應(yīng)確保工作面煤壁空頂距離與防護(hù)體系的距離≤200 m，避免淺孔煤層注水中的瓦斯超限現(xiàn)象，并防止可能發(fā)生的冒頂問(wèn)題。B.在工作面進(jìn)行鉆孔作業(yè)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行安全檢查標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)敲幫問(wèn)頂保證工作層頂板穩(wěn)定合理。C.在打鉆過(guò)程中時(shí)刻關(guān)注工作層的頂板、底板及煤層煤壁情況，發(fā)現(xiàn)工作層出現(xiàn)異常情況后應(yīng)及時(shí)停止作業(yè)并排查問(wèn)題，確定打鉆環(huán)境正常后恢復(fù)作業(yè)。D.封孔過(guò)程應(yīng)由兩人協(xié)同作業(yè)，其中一人執(zhí)行具體的封孔工作，另外一人則關(guān)注封孔中工作層頂層與煤壁的狀態(tài)，做好必要的應(yīng)急準(zhǔn)備。E.注水作業(yè)時(shí)注意瓦斯泄漏、片幫冒頂?shù)痊F(xiàn)象，一旦發(fā)生上述現(xiàn)象則必須停止作業(yè)、上報(bào)情況并處理。

4 注水效果分析

第一，降塵效果。采用礦用粉塵采樣器設(shè)備，確定工作面中的關(guān)鍵位置并應(yīng)用粉塵采樣器測(cè)量降塵效果。本次測(cè)量中分別選擇采煤機(jī)的上風(fēng)側(cè)、下風(fēng)側(cè)以及移架點(diǎn)下風(fēng)側(cè)作為測(cè)量點(diǎn)，測(cè)試要點(diǎn)為注水前后的礦塵濃度。采煤機(jī)上風(fēng)側(cè)注水前后的礦塵濃度分別為72.2 mg/m3、41.5 mg/m3，采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)注水前后的礦塵濃度分別為22.1 mg/m3、8.9 mg/m3，移架點(diǎn)下風(fēng)側(cè)注水前后的礦塵濃度分別為52.2 mg/m3、24.1 mg/m3，降塵率分別為57.5%、40.3%、46.2%?？梢?jiàn)，淺孔注水作業(yè)后對(duì)工作面關(guān)鍵位置的降塵效果明顯。

第二，瓦斯防治效果。在淺孔煤層注水作業(yè)中采用高壓水?dāng)D壓模式，瓦斯在采掘空間中呈現(xiàn)游離狀態(tài)。原因在于煤層內(nèi)外部在壓力作用下出現(xiàn)裂隙，進(jìn)而產(chǎn)生對(duì)瓦斯的吸附效應(yīng)，同時(shí)水分對(duì)瓦斯的包裹效應(yīng)同樣導(dǎo)致瓦斯的固著，有效抑制工作面作業(yè)中瓦斯的涌出現(xiàn)象。經(jīng)測(cè)試注水前后瓦斯涌出量差異較大，顯示瓦斯防治效果良好。

5 結(jié)語(yǔ)

淺孔煤層注水工藝在綜采工作面作業(yè)中應(yīng)用效果明顯，在深入了解并掌握淺孔煤層注水工藝的基礎(chǔ)上，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，并在綜采工作面作業(yè)中靈活應(yīng)用該工藝，取得了良好的工作面作業(yè)效果。