“三软”煤层首采综放工作面煤层深孔高压注水技术研究与应用

文/雷丁轲

综采工作面放顶煤开采技术在郑煤集团裴沟矿得到成熟应用，目前31采区作为新采区，首采面31071工作面继续推广放顶煤开采。该工作面属于三软煤层，回采过程中出现煤层含水量过低，粉尘量过大，不但影响煤墙支护，瓦斯管理，更重要的是影响职工身体健康。经过讨论研究，采用煤层深孔高压注水技术，不但有效降低了工作面粉尘量，增加了煤层的含水量，改善了作业环境，而且加强了煤墙支护，为综放工作面安全高效发展奠定了基础。

一、工作面概况

31071综放工作面作为31采区首采工作面，煤层为二1煤，地面标高+180～+202m，工作面标高-170～-59m，走向长 1086m，倾斜长 130m，采用走向长壁后退式放顶煤一次采全高回采工艺，自然跨落法管理顶板。

为降低工作面粉尘量，在工作面上下副巷安设净化水幕，采煤机安装内外喷雾，综放支架安装移架放煤喷雾装置，装载点安装喷雾装置等措施，但回采期间，工作面及回风巷粉尘浓度依然超标，既危害职工身体健康，也给矿井安全生产带来隐患。因此，为降低粉尘，改善职工作业环境，在31071综放工作面进行煤层深孔高压注水技术的试验工作。

二、“三软”煤层注水特性

31采区首采工作面煤层二1煤，属于三软不稳定煤层，该煤层属于裂隙、孔隙发育煤层，孔隙体积平均为48.82mm3/g，属于较高水平，但过渡孔占优，渗透较难，属难注水煤层，该煤层原生裂隙发育中等，但是一旦应力状态改变，次生裂隙极度发育，煤体呈松软易碎的特点，该煤层接触角为57.8°，属于难湿润煤层。

三、煤层高压注水参数确定

1.钻孔布置

沿综采工作面上、下副巷巷道方向，由里向外根据煤层倾角布置钻孔，依据两相向注水孔的端距选择2倍于渗透半径的距离为宜，根据观测得出注水湿润半径为10～13m，按湿润半径10m考虑，两孔终端距为20m，31071综放工作面切巷长度130m，结合钻机型号，设计钻孔参数为：注水孔间距为20m，深度60m，角度沿煤层倾角打钻。

2.注水压力及注水量

煤层注水的过程分为两个作用期，初期以压裂煤层为主，后期以湿润软化为主，为确保煤层注水效果，达到挤压煤层瓦斯的目的，注水压力控制在8～13Mpa.

每个注水孔采用反复注水的方法，每次注水以煤壁淋水为标准，间隔4～8个小时候再注水，最终以注水时间不足10分钟煤壁淋水为最终结束注水标准。

四、设备、材料及相关施工工艺

1.钻机设备及施工工艺

钻孔采用ZY-750钻机施工，距巷道底板1.0～1.5m，采用单排孔布置，孔间距20m。钻孔开始用Φ89mm钻头开孔施工15～20m后，更换Φ75mm钻头继续施工。钻孔倾角与煤层倾角一致，保证终孔位置在支架顶梁上1m左右。

2.煤壁注浆加固设备及施工工艺

为增强煤壁抗压能力，延长注水时间，钻孔施工前，利用ZBQ-6/2.5型气动钻机在钻孔施工点前后6m范围内，进行煤壁注浆工作，注浆孔深度10m，使用1寸钢管封孔不小于5m，全部用聚氨脂材料封堵，将速凝水泥与水按 1∶3的比例往孔内高压注浆，注浆以煤壁跑浆为标准。注浆孔间距为0.6～1.2m，排距为 0.8～1.0m。

3.封孔工艺

注水孔封孔使用Φ51mm高压胶管，注浆、排浆使用13.3mm的胶管，封孔长度不小于10m。高压胶管封堵段采用聚氨脂封孔材料进行封孔，钻孔两道聚氨脂封孔之间使用ZBQ-6/2.5型气动注浆泵，将速凝水泥与水按1∶3的比例进行注浆封堵其段距离。

4.注水设备及注水工艺

31071工作面选用MRB125/31.5型专用注水泵，采用上下副巷同时注水，管路由下副巷铺设一趟Ф35mm的专用注水管路，途经工作面支架至上副巷注水地点，利用截止阀及两通与封孔胶管连接进行注水。采用单孔顺序反复注水，超前工作面切巷40～60m，使煤层有充分时间进行锈结。

注水开始将泵站压力调整至8Mpa进行试压，观察流量表或泵站水箱水位，若流量较小，煤壁无异常，则将压力上调至10Mpa，依此递增。待压力调整至12～15Mpa，注水孔内会出现煤炮声，流量会突然升高，泵站压力出现短时间为变动，持续注水1～2小时后，泵站压力会逐渐变大。待泵站压力稳定后，观察煤壁，若出现渗水，然后停止注水。注水孔停止注水4～8小时后，继续注水，待煤壁出现渗水后再停止注水，依此方法，反复进行注水。待注水孔注水10分钟后出现淋水现象后，作为单孔注水结束的标准。若注水期间，煤壁抗压效果不好，注水时间过短，应采取补注水孔措施。

五、效果分析

通过在31071工作面深孔高压注水为期5个月试验分析，得到以下结论：

（1）采取深孔高压注水后，在采煤机割煤之后，煤墙很少出现片帮冒顶现象，为工作面及时拉架节省了大量时间，同时创造了良好条件，由于无需特别投入人工闭帮，大大降低了工人劳动强度。

（2）通过深孔高压注水，使高压水流渗透到煤体中，扩张煤体的节理，破坏煤层的结构，使煤层吸水后开始膨胀，增加煤层的孔隙率，通过高压水流的作用排挤出煤层中游离的瓦斯，降低煤体的瓦斯含量。

（3）降尘效果数据如下：

31071综放工作面尘源位置总粉尘浓度测定结果

六、结论

通过对煤体进行深孔高压注水，可以有效破坏煤体的整体性，软化煤体，增加煤体的孔隙率和透气性，使具有煤与瓦斯突出危险煤层的瓦斯压力和浓度得到有效降低，达到防止煤与瓦斯突出的目的。通过对煤体深孔高压注水，可以有效防止工作面回采过程中煤墙片帮和冒顶，粉尘产生率比注水前减少了53%，显著改善了工人劳动环境，提高了综放工作面正规循环作业率，实现了工作面的稳产高产，取得了良好的经济效益。