浅析“煤层注水”技术防治自然灾害

李建荣，于路伟，田玉杰

（河北省地矿局第十一地质大队，河北邢台054000）

浅析“煤层注水”技术防治自然灾害

李建荣*，于路伟，田玉杰

（河北省地矿局第十一地质大队，河北邢台054000）

随着煤矿矿井机械化程度的日益提高，开采强度的不断加大，煤炭自燃矿井火灾、瓦斯突出、粉尘、冲击地压等自然灾害对安全生产的威胁越发凸显出来，时刻威胁着煤矿工人的生命安全。与此同时，放顶煤开采中，顶煤的可放性也成为影响产量的关键因素。“煤层注水”技术是目前较为经济、应用广泛的防治矿井自然灾害的有效途径之一。

煤层注（浆）水；煤炭自燃和矿井火灾；瓦斯突出和冲击地压与顶煤的可放性；粉尘

我国煤矿井工生产随着矿井机械化程度的提高，开采强度的加大，受到各种自然灾害（如煤炭自燃、矿井火灾、瓦斯突出、粉尘、冲击地压）的威胁越来越大，放顶煤开采中的顶煤的可放性也成为影响产量的关键因素。“煤层注水”技术是目前较为经济、应用广泛的防治矿井自然灾害的有效途径之一。

1　防治煤炭自燃、矿井火灾中的煤层注浆

1.1分类

在防治煤炭自燃、矿井火灾中的煤层注（浆）水可分为预防性灌浆、注浆灭火2种。

1.2实质与机理

（1）预防性灌浆就是将水、浆材（如黄土、石灰等）按适当比例混合配制而成的具有一定浓度的浆液，借助输送管道线路送到可能发生自燃的煤层区域，以防止煤炭自燃的工艺。

（2）注浆灭火是与预防性灌浆一样，一般采用不燃性的材料（如黄土、页岩粉、细河沙、炉灰、石灰等），通过地面打钻或消火巷道，对隔绝灭火的火区（仍有裂缝、空洞与地面相通的采空区或人员不能直接到达的地点）实施灭火的一种综合灭火法。

1.3主要作用

通过煤层注水系统输送的浆液将残存的碎粉煤与空气隔绝，阻止煤炭继续氧化；充填采空区的裂隙、孔洞，增加了密实性、减少漏风现象；吸热，使已燃烧的煤炭降温而熄灭，降低工作面的温度，改善作业环境；能使煤炭和岩石湿润，减少煤尘飞扬而助燃、爆炸，限制灾害的进一步扩大等。

2　防治瓦斯突出、防治冲击地压、综采放顶煤中的煤层注（浆）水

2.1防治瓦斯突出

2.1.1实质与机理

瓦斯突出是地压、瓦斯、煤的力学性质和重力综合作用的结果，在回采和掘进工作面的前方煤体内形成“极限应力状态区”，在该区内煤层的完整性遭到破坏，但是与围岩还保持着力学联系。

煤层注水防治瓦斯突出，是在回采前预先在煤层中打若干钻孔，通过垂直于或平行于工作面的钻孔注入压力水，使其渗入煤体中，从而达到增加煤的水分和尘粒间的粘着力，并降低煤的强度，减少采煤时煤尘的生成量的作用，同时将煤体中的原生细尘粘结为较大的尘粒，使之失去飞扬的能力的一种综合湿式防尘措施，是采煤工作面最重要的防尘措施。而煤层的湿润过程实质上是水在煤层裂隙和孔隙中的运动过程（压差所造成的运动和自由运动）。且煤层注水破坏了煤体内原有的煤—瓦斯体系的平衡，形成了煤—瓦斯—水三相体系。

2.1.2主要作用

注水后的煤层在回采及整个生产流程中都具有连续的防尘作用。采煤工作面产量占全矿井煤炭产量的90%，因此，煤层注水对减少煤尘的产生、防止煤尘爆炸有极其重要的意义；煤的强度增加可以改变其切割指数，降低煤尘。煤层的稳定性由煤层内部向外部逐渐下降，透气性则逐渐增加，改变巷道轴向的瓦斯梯度，此时的煤壁处在突出的临界状态，达到防治瓦斯突出的作用。

2.2防治冲击矿压和放顶煤

2.2.1实质及机理

自然界中的各种岩石，在漫长的地质年代中，经过各种地质运动，三向应力状态保持着不断破坏和恢复的动态平衡状态。不论是松散的第四系沉积物，还是坚硬密实的基岩，都存在着原生的次生空隙。地下空隙可成为容纳、储存地下水和外部水的场所和运移的通道。空隙越发育，储存能力越大，水流运动越畅通，且在饱水带内，能传递静水压力连续流动。经过大量的实验研究表明，煤系地层岩石的单轴抗压强度随着其含水量的增加而降低，其符合下面的关系式：

Rc=aW0b+c

式中：W0——强度最大时的含水量；

a、b、c——系数。

并且，随煤的温度的增加，煤的强度与冲击倾向指数Wet降低，在一般情况下煤的冲击倾向指数与煤的温度增量（含水率）的关系符合：

Wet=Wetob△W

式中：Wet——注水后，煤层冲击倾向性指数；

Weto——自然状态下煤层冲击倾向性指数；

ΔW——含水率。

煤层注水可以通过浅孔、中深孔或综合钻孔实施，将压力水和水溶液注入煤体，以增加水分，能改变煤的物理力学性质。水在煤层中的运动、注水压力同毛细管力和重力综合作用克服煤层裂隙面的阻力、孔隙通路的阻力和煤层的瓦斯压力，可以进一步破坏原岩的三向应力平衡状态，起到卸压作用。

2.2.2主要作用

由于煤层注水压力的介入，使岩体的三向应力重新分布，减小了瓦斯梯度，增加顶板的空隙率和透水性，改善顶煤的冒放性，在防矿时的松动椭球体短轴增大，减少了脊背煤的煤炭损失，对于防突和综采放顶煤放顶有着重要意义。

3　煤层注水在国内外应用

3.1煤层注水技术应用历史

在国外，煤层注水技术有很长时间的历史。最早见于前苏联，由于采煤方法的革新，为了解决采煤机械化粉尘很大的问题，开始向煤层洒水降尘，然后改向煤层注水，以增加煤的含水率、降低煤尘。二战结束后，将煤层注水技术防尘方法列入了煤矿安全作业规程。

1890年，德国首次在萨尔煤田进行煤层注水除尘技术实验，随后逐步引起了世界各国的重视。20世纪50年代开始，在全世界推广应用后，得到了迅速发展。1950年，波兰开始试用煤层注水，到1963年几乎全部矿井75%的采煤工作面采用了煤层注水技术。1960年前后，英国、法国、前苏联、德国、美国和比利时等几个世界主要产煤国家对煤层注水方法做了大量的试验研究，并将实验成果在矿井推广应用，降低粉尘浓度，有效的预防瓦斯突出、冲击地压等问题。

根据日内瓦国际防尘会议的记载，在条件适宜的煤层里，采用煤层注水技术，能将采煤工作面的含尘浓度比其他综合防尘措施降低3～4倍，割煤生产率提高25%。

3.2煤层注水技术在国内的典型应用

我国煤炭开采时间也比较早，但煤炭生产方式十分落后，开采量小，粉尘产生量也较小，随着煤炭科技的发展革新，各种矿井自然灾害逐步明显。煤层注水技术防治自然灾害在我国的应用，起始于20世纪50年代开滦、大同矿务局，主要用于预先湿润煤层、降低粉尘浓度。进入21世纪以来，“煤层注水”技术是目前较为经济、应用广泛的防治矿井自然灾害的有效途径之一。其中，河南义马煤业集团常村矿是国内应用煤层注水技术防治煤矿矿井自然灾害最为广泛、经验最为丰富的矿山企业之一。

河南义马煤业集团常村矿以预防煤尘、瓦斯、冲击地压、自然发火等灾害为目的，加强煤层注水技术的推广应用，形成了专门的管理办法，规定了煤层注水工作必须纳入生产作业计划，对所有采掘工作面全部按煤层注水区域进行管理，通过对回采工作面与掘进工作面煤层注水施工制定具体的详细工作方案，不注水的工作面不准生产，以流量表和水分鉴定仪考核检验煤层注水效果，形成标准化系统化管理模式。据资料显示：2009年，先后投入高压注水泵3台，钻机4台，煤层注水达8000余立方米，在采掘工作面全面推行“煤层注水”新技术。实施煤层注水后，冲击地压强度明显减弱，冲击频率降低；采掘期间瓦斯涌出量明显减少；有效地减少了煤尘的产生，可使主要尘源有效降尘30% 至80%多；降低温度至25℃左右，延长了煤体自燃发火期，改善劳动条件；顶煤可放性增加10%以上，采煤工效增长近40%。

4　结语

在矿井地质、开采技术水平等条件允许的情况下，通过钻孔将压力水和水溶液注入煤体，增加水分，以改变煤的物理力学性质，实施正确的煤层注水技术，仅仅产尘量就比采用其他防尘方法时低300%～400%，而落煤效率可以提高25%左右。对于受冲击地压，煤与瓦斯突出和自燃发火、矿井火灾、粉尘、冲击地压等灾害影响矿井，以及采用综合机械化放顶煤开采工艺、需解决顶煤的可放性的矿区，可根据本矿区具体情况使用煤层注水技术，以提高矿井的安全系数，取得更大的经济效益。

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1004-5716（2016）07-0152-03

2015-07-08

2015-08-04

李建荣（1969-），女（汉族），河北邢台人，工程师，现从事矿产地质勘查及研究找矿工作。