大倾角松散厚煤层高压深孔注水围岩控制技术优化实践＊

何风强 王东攀

(1.中国矿业大学矿业工程学院，江苏省徐州市，221116；2.神华宁煤集团石炭井焦煤公司，宁夏回族自治区石嘴山市，753000；3.天地科技股份有限公司，北京市朝阳区，100013)

石炭井焦煤公司4＃煤层为主采煤层，煤体极松散，类似粉末状，几乎没有粘聚力，属典型松散煤层。自建矿以来，4＃煤层一直采用炮采或炮采放顶煤回采工艺，煤壁片帮漏顶严重，推进速度缓慢。2474工作面为4＃煤层首个大倾角综放开采试验面，配备ZF6000／17／30D型低位放顶煤液压支架，采用整体顶梁带伸缩梁及护帮板结构，回采过程中为了防止顶煤自液压支架伸缩梁间隙泄漏，顶梁铺设金属网，且煤尘极大，作业环境恶劣。合理的煤层注水不仅有助于降尘，也可使顶煤形成一定厚度的粘结层，延缓煤壁片帮冒顶，但现有煤层注水参数和工艺多依靠经验获得，实际应用效果不理想。本文针对现有煤层注水遇到的问题，应用理论分析和现场实测，对注水参数和工艺进行了改进优化。

1 工程概况

2474综放工作面开采下二叠统山西组4＃煤层，煤厚5.5m，平均倾角28°，煤层结构复杂，普氏系数0.25，含有8层夹矸，夹矸为灰黑色薄层状泥岩，性脆易碎，沉积较稳定。直接顶为厚2.6m灰黑色泥岩，薄层状；老顶为厚3.9m中粒砂岩和厚8.4m细砂岩；伪底为厚0.4m泥岩；直接底为厚5.7m粉砂岩。煤层属Ⅲ类自燃煤层，煤尘具有爆炸性，低瓦斯，水文地质条件简单。工作面走向长580m，平均斜长113m，埋深490m，割煤高度2.5m，放煤高度3.0m。

2 煤层高压深孔注水机理

相关研究表明，合理的煤层注水可增加煤体的水分和颗粒之间的粘聚力，降低煤的脆性，增加煤壁和顶煤的整体性，延缓煤壁的片帮漏顶，留给工作面一定的拉架时间，有效地控制煤壁及梁端顶煤的片帮和冒落，同时由于煤体含水率增大，降低了回采过程中工作面的煤尘。煤层注水的过程可划分为两个阶段:首先采用高压扩充渗透通道空间及其广度，形成输水和贮水空间；然后通过中低压靠煤体细微孔隙的毛细作用逐渐吸附这些水分，构成补给-湿润吸附的过程。结合4＃煤层结构特点和组成成分，煤体中含有大量的黏性矿物质，其粒径非常小，表面积很大，能吸收大量的水分子，而且根据煤层组成分析，其结构复杂，含有8层稳定泥岩夹矸，遇水黏度增加，易胶结，使矿物质与煤体在吸收大量水分后，在矿山压力和超前支承压力的作用下，煤体整体性显著增强，形成不易脱落的顶板再生层。

3 高压深孔注水参数选择与优化

2474工作面开采初期采用工程类比方法确定了注水参数和工艺。在回风巷内沿巷道的下帮布置单排注水钻孔，钻孔间距10m，孔径75mm，设计孔深37m，实际孔深平均30m，煤层倾角28°，钻孔方位平行于切眼，由于钻杆在自重作用下具有自然下垂的趋势，大倾角煤层钻孔施工应充分考虑钻孔的偏斜，根据施工经验偏斜角按3°考虑，钻孔设计倾角25°，开孔离底板高度1.5m，终孔位于支架顶梁上1m左右。采用聚氨酯材料封孔，封孔长度8m。使用ZDY-1500液压钻机施工，∅68mm圆钻杆，采用水排排粉方式。采用BRW80／31.5专用注水泵供水，设定压力5MPa。回风巷铺设1趟∅51mm注水钢管，钢管通过截止阀及三通阀与封孔钢管连接进行注水。以煤壁淋水为最终结束注水标准。

经过一段时间现场试验，发现钻孔周围煤壁返水严重，但实际注水量少，工作面中下部割煤时煤壁干燥松散，未能形成粘结层，片帮漏顶严重，煤尘大，注水效果不理想。为了增强顶煤的整体性和稳定性，对现有的注水参数和工艺进行了优化。

3.1 优化钻孔布置，合理确定钻孔间距。

钻孔间距依据湿润半径而定，为湿润半径的2倍。研究表明，湿润半径与钻孔直径、注水压力和时间存在一定的正相关性，在孔径、注水压力和时间一定的情况下，湿润半径基本变化不大。由于不同的煤层结构、煤质、埋藏条件，其注水特性差异较大，不能简单照搬其它矿井的注水参数，因此本项目确定了现场实测试验方案，通过测试考察孔内煤样含水率的变化，确定湿润半径。本次在2474工作面共考察了32＃～34＃3个钻孔，相邻钻孔间距10m，相邻钻孔间布置7个取样孔，具体布置见图1。在钻孔注水24h后对考察孔进行取样分析。取样时，用麻花钻杆 (∅42钻头)在煤体内5～6m深处取煤样约0.5kg，煤样用塑料袋密封，上井后在实验室实际测定其含水率。若遇到钻孔出水马上停止打钻并及时封堵。考察孔煤样含水率测试结果见表1。

图1 注水孔及考察孔布置示意图

通过实验室实测，4＃煤层原煤含水率为0.6%～0.72%，平均0.67%。由表1可知，煤层注水后，考察孔煤样含水率范围为0.75%～2.04%，说明煤体渗透系数大，透水性差，水分增量在0.08%～1.37%之间。由煤层注水降尘相关要求可知，煤体内含水率必须增加1%以上才能有效降尘，这里选择煤层含水率增加1%作为判断湿润半径的指标，由表1可看出，A1、B1、F1、G1和A2、B2、F2、G2孔煤层含水率均增加了1%以上，由此可确定湿润半径为3～4m，可见原设计注水孔间距10m明显偏大，存在较大范围的注水空白带，因此注水孔间距调整为5m。

表1 考察孔煤样含水率测定表

3.2 改善钻孔施工机具，提高深孔施工深度

煤层注水钻孔深度取决于工作面长度、煤层透水性及钻孔方向。钻孔深度应不小于工作面斜长的三分之二，2474工作面斜长113m，钻孔深度应达到75m，但实际钻孔深度仅有30m，远小于设计要求；另外，由于复杂结构松散煤层条件下，选用圆钻杆水排煤粉发生塌孔卡钻事故频繁，成孔率低，圆钻杆由于有限的排渣空间，不能有效将产生的过量煤渣及时排出，导致过量煤渣堵塞钻孔，且4＃煤层结构复杂，含有多层泥岩夹矸，在水的冲刷下，泥岩吸水软化膨胀垮落，易造成卡钻等事故。针对当前施工机具在使用过程中存在的问题，结合4＃煤层开采条件，提出采用三棱钻杆施工，三棱钻杆实物见图2，增加煤粉排泄空间，在钻杆转动过程中，六条棱将颗粒进行再次粉碎，颗粒更小，更容易排出。采用压风作为冷却和冲洗介质，并配备孔口除尘装置，降低作业场所粉尘浓度。

图2 三棱钻杆实物图

3.3 分阶段选择注水压力

由深孔高压注水机理可知，在煤层深孔注水的初期是以压裂为主，后期以湿润和黏结为主。在压裂阶段，注水压力主要取决于煤体的抗拉强度极限与上覆岩层的压力之和，压力一定时才能使煤体原生裂隙扩大和层理加宽。2474工作面平均埋深490m，初步分析上覆岩层压力为9～10MPa，因此初期注水压力应不低于10MPa，考虑到管路压力损失，注水泵压力设定为12MPa。注水后期主要以湿润和提高黏结性为主，注入水体通过裂隙与煤体中的矿物质发生化学作用阶段，使破碎煤体的黏结性、整体性得到增强，后期注水压力设定为6MPa。

3.4 添加煤层注水增强剂，增强水的渗透能力

由于4＃煤层为低渗透性煤层，为了提高水的渗透能力，在注水泵箱里添加化学配方药剂与水混合，药液浓度达到0.2%～0.5%，通过加压泵对煤体进行注水，以扩大水在煤层中的湿润半径，减少钻孔工程量，缩短煤层注水时间，有效改善注水效果，降低采煤作业场所的煤尘浓度，提高煤体的粘结强度。

4 改进效果评价

根据以上改进方案，对注水钻孔进行了补打，钻孔间距缩短到5m，应用三棱钻杆施工钻孔45个，最深达到93m，最浅59m，平均孔深76m，满足了设计要求。通过添加煤层注水增强剂，分时段选择注水压力后，单孔注水时间由原来的24h缩短到13.5h，工作面煤壁充分湿润，降尘效果十分明显，且在顶梁1.5m范围内能形成较硬的粘结层，采煤机割煤后煤壁基本不片帮漏顶，大大缩短了顶煤维护时间，采煤机开机率由原来的28%提高到了43%，大大提高了推进速度。

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