动压长钻孔煤层注水在赵各庄矿的试验研究

王 珂

(山西煤矿矿用安全产品检验中心,山西 太原 030012)

煤尘既是煤矿安全生产的危险源，又是煤矿主要职业病危害源。为了降低并控制回采工作面的粉尘，国内外的相关学者和煤矿工程技术人员通过努力，采取了多种方法进行防尘，如：喷雾洒水、湿式作业等。这些综合性的防尘措施属于被动型的防尘，而防治粉尘危害最为有效的方式应该是积极的防尘方式，即从源头上控制粉尘的产生。

煤层注水是在作业面回采之前，根据煤层的实际特性，选择合适的钻孔方式向煤体内部注入一定的压力水，使其尽量均匀地渗入到煤体内部的孔隙和裂隙中，改变煤体原有的物理力学特性，使煤体脆性减弱，塑性增强，进而降低煤体开采过程中产生煤尘的可能性，起到从源头上控制粉尘产生的作用。

在煤层注水过程中，注水钻孔的特性、注水压力、注水时间等参数的选择，将直接影响最终的注水效果，而这些参数与煤层的实际状态相关联。通过对各种参数的分析研究，发现动压长钻孔方式更适用于唐山开滦赵各庄矿。因此，在赵各庄矿3137工作面进行了基础试验研究。

1 3137工作面概况

3137工作面位于13水平西翼1石门12煤层。上至3137东一面回风巷，回风巷以上2137、2237工作面于1989—1991年回采完毕；下至3137东一面运输巷，运输巷以下尚无采掘工程；西至3137副上山，上山以西为3137辅助运输巷；东至3137开切眼，开切眼以东为东Ⅲ断层下盘保护煤柱线。工作面走向长282～288 m，平均285 m。倾斜长69～71 m，平均70 m。

工作面因受矿井宽缓向斜及东Ⅲ断层影响，煤层走向变化大， 在160°～205°。煤层倾角在9°～43°(受断层影响)，平均倾角25°，煤层结构简单，煤层厚度在8.5～11.2 m，平均9.3 m。

工作面绝对瓦斯涌出量为12.89 m3/min，煤尘爆炸指数为47.91％，煤层自燃倾向性等级为Ⅱ类自燃煤层，最短自然发火期为6个月。

2 赵各庄矿防尘情况

赵各庄矿主要的防尘措施有湿式钻眼，水炮泥，爆破喷雾，装岩(煤)洒水和净化风流，转载喷雾，冲洗巷帮，湿式喷浆，采煤机、掘进机割煤喷雾，液压支架降柱、移架同步喷雾，佩戴防尘口罩等防尘措施，以上防尘措施基本上属于粉尘产生后进行的降尘措施，而没有从减少粉尘的产生上采取措施，粉尘防治效果不理想，与当前国家对职业病危害防治要求不相适应。

3 动压长钻孔注水方式试验

为了掌握动压长钻孔注水方式的特性，以赵各庄3137综放工作面为载体进行煤层注水，以获得该方式的基础参数，为其实际应用提供技术支持。

3.1 注水钻孔参数确定

1)注水方式采用动压长钻孔煤层预注水方式注水

2)钻孔布置从回采工作面的回风巷沿煤层倾斜方向，平行于工作面打下探钻孔。

3)钻孔参数确定。

采用ZDY-550S型全液压钻机进行施工，钻机技术参数见表1。

表1 钻机技术参数表

根据钻机参数及实际情况，该矿开孔、终孔直径均选择为89 mm。 钻孔间距：15 m。 开孔位置：钻孔在工作面回风巷南帮距巷道底部1.4 m位置开孔。 钻孔倾角：为起到更好的注水效果，钻孔取7°左右的仰角(相对于煤层倾角的仰角)，终孔距离煤层底板8 m左右。

4)钻孔布置情况。

本次施工在3137东一面回风巷南帮，为防止工作面煤壁片帮，第一钻孔超前工作面29 m,其他钻孔从东向西每15 m施工1个，由于停采线距离上山35 m，最后1个钻孔距上山34 m，合计共施工钻孔16个。考虑施工过程中钻杆的自然下垂情况，各个钻孔的具体情况见表2。

钻孔布置见图1。

表2 钻孔的具体情况表

图1 工作面顺槽注水孔布置示意图

3.2 封 孔

1)封孔方法。采用直径75 mm橡胶快速封孔器封孔。封孔器与水管连接处距钻孔外口应在8 m以上，并保证钻孔周围煤壁不漏水。

2)封孔深度。封孔深度8～10 m，即封孔器外端距煤壁8～10 m。封孔器示意图见图2。

图2 封孔器示意图

3.3 煤层注水系统

3.3.1注水系统

采用动压注水，水源由供水水源主管路提供静压水至喷雾泵，动压注水系统由CMZY-80型喷雾泵(含压力泵、水箱、压力表、安全阀、溢流阀等)、高压钢丝胶管、SGS型双功能高压水表、高压橡胶自动封孔器组成。用高压胶管将每个钻孔中的高压橡胶自动封孔器连接起来。

3.3.2注水参数

1)注水压力采用动压注水，CMZY-80型喷雾泵的泵压可以控制在8～12 MPa，根据该矿实际，要求到达注水孔的压力不小于9 MPa。

2)每孔注水量：

Q=L·B·M·r·△W·K

式中:

Q—每孔平均注水量，m3；

L—工作面长度，m，取70；

B—钻孔间距，m，取15；

M—煤层平均厚度，m，取9.3；

r—煤的密度，t/m3，取1.45 ；

△W—水分增加平均值，％,取2；

K—湿润范围内不均衡系数，取1.05。

则：

Q=297.34 m3

3)注水时间：

T=Q/q

式中：

T—注水时间， h；

Q—每孔平均注水量，m3；

q—单位时间内每孔注水量， m3/h,该矿采用分流器控制注水流量，取2。

则：

T=148.67 h=6.19 d

4)超前距离。

第一个钻孔开始注水时，该钻孔与回采工作面煤壁之间的距离，即为超前距离BC。

BC=BJ+Bt

式中：

Bc—超前距离，m;

BJ—停止注水时，该钻孔与回采工作面之间的距离,m，一般为10～20；取15；

Bt—在注水时间内回采工作面的推进距离,m

而：Bt=T×Vt

T—注水时间，d,取6.19；

Vt—回采工作面的推进速度，m/d,取2；

则:Bt=12.38 m，BC=27.38 m，实际超前距离选择为28 m。

5)超前注水时间。

根据生产衔接，该矿采取边采边注方式，钻孔注水超前于回采的时间为：

TC=BC/Vt

式中：

TC—钻孔超前注水时间，d;

BC—钻孔与回采工作面煤壁之间的距离,m，取28；

Vt—回采工作面的推进速度，m/d，取2；

则：

TC=14 d

超前注水时间选择为14 d。

4 注水效果

4.1 测尘记录

在煤层注水前后，对工作面煤尘进行测定，在正常使用各防尘设施的情况下，由专职测尘工进行采样分析，每两天测定一次全尘浓度，并做好记录。

4.2 注水前后工作面各降尘点效果考察

煤层注水的主要目的就是通过预先湿润煤体，减少采煤各个环节粉尘产生量，其测点选择及布置按《煤矿井下粉尘综合防治技术规范》中有关要求执行。

粉尘治理效果见总粉尘测定结果表(表3)。

表3 总粉尘测定结果表

由表3可以看出，经过煤层注水后，工作面产尘量大幅度下降，产尘地点降尘率较明显提高，尤其是在割煤和移架过程，总粉尘浓度降尘率达70％以上，效果明显。

5 结 论

1)根据试验结果，注水开孔、终孔直径均选择为89 mm、注水孔的压力不小于9 MPa、超前注水时间选择为14 d。

2)经过煤层注水后，工作面产尘量大幅度下降，产尘地点降尘率提高比较明显，尤其是在割煤和移架过程，总粉尘浓度降尘率达70％以上，极大地降低了工作面的产尘量，达到了预期目的。

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