煤层注水对七台河新兴矿钻孔瓦斯涌出初速度影响研究

吉丹妮，张 凯

(华北科技学院安全工程学院，北京东燕郊 101601)

煤层注水对七台河新兴矿钻孔瓦斯涌出初速度影响研究

吉丹妮，张 凯

(华北科技学院安全工程学院，北京东燕郊 101601)

钻孔瓦斯涌出初速度(q值)是预测煤与瓦斯突出的重要指标之一，因此降低钻孔瓦斯涌出初速度可以有效的解决瓦斯突出危险。通过对七台河新兴矿41061工作面进行深钻孔注纯水以及表面活性剂试验，得出：煤层注水中添加表面活性剂能够有效的抑制煤体中瓦斯的解吸速度，为解决新兴矿井的瓦斯突出问题做出了贡献。

瓦斯涌出初速度；突出；注水；表面活性剂

0 引言

在开采具有突出危险性的煤层时，必须对工作面前方煤体进行突出危险性预测，钻孔瓦斯涌出初速度是工作面突出危险性预测的指标之一[1，2]。因此可以通过降低钻孔瓦斯涌出初速度来降低工作面的突出危险性，该方法对突出矿井的安全生产有着重要的意义[3，4]。

钻孔瓦斯涌出初速度主要受到煤中瓦斯压力、透气性能，煤层孔隙结构，煤层瓦斯含量，煤层含水率等因素的影响[1，4]。国内外学者在降低钻孔瓦斯涌出初速度方面进行了大量研究，但是大部分都集中在降低煤中瓦斯压力，提高瓦斯抽采率，改进瓦斯抽采设备等方面。通过煤层注水或注表面活性剂来降低钻孔瓦斯涌出初速度的研究很少，本文通过对煤层注水和未注水，注纯水和注表面活性剂的现场试验进行对比分析，得出水分对钻孔瓦斯涌出初速度的影响，为现场防治煤与瓦斯突出工作提供理论支持[5～7]。

1 现场试验

1.1 新兴矿工作面情况

为考察煤层注水中添加表面活性剂的注水效果，在新兴矿68煤层三水平左一片六井41061采煤工作面进行了注水试验。采深为540 m至600 m之间(68层为该采区两个可采煤层的上部层)，煤层顶板岩性描述：直接顶为细砂岩，较坚硬，厚度1.8～2.2 m通常情况随采随落。老顶为致密粉砂岩，坚硬，厚度为18～20 m，工作面煤层概况见表1。

表1 工作面煤层概况

1.2 新兴矿采煤工作面深钻孔注水参数

(1) 注水系统

新兴矿采煤工作面深钻孔注水采用高压注水方式，其注水系统如图1所示。地面注水→运送供水管→清水箱→清水泵→干管→支管→截止阀→多功能流量计→封孔器→钻孔。

图1 采煤工作面深钻孔注水系统图

(2) 注水孔位置

由于在采高范围内的煤体一般情况下不是一个均质体，而是由若干不同煤岩类型的自然小分层组成，它们的裂隙率与孔隙率各不相同，煤层注水时注水孔孔口位置应布置在较硬而致密的小分层里，这样在注水时就不会过早的破坏孔口发生泄水。在保证这样的情况下，兼顾人员打钻施工的方便，对较薄煤层钻孔布置应在煤层厚度的中部偏上。新兴矿41061综采工作面煤层厚度为1.4 m，注水孔孔口位置选择在离顶板0.6 m处。

(3) 注水孔长度

回采工作面水力压挤的注水钻孔的长度为：

Lh=(Lx+Lc)/cosα

(1)

式中：

Lx——回采工作面日循环进度，m；

Lc——超前注水有效深度，m；

α——钻孔仰角，为打钻孔及排钻屑方便选用向上工作面前方的注水仰角为1°～2°。

新兴矿41061综采工作面Lx=8 m，Lc=1 m，则可计算出Lh=9 m。

(4) 注水孔间距

根据新兴矿41061综采工作面煤的特性以及测得的润湿半径3 m，同时考虑定孔位的方便，孔间距定为4.5 m。工作面倾斜长240 m，为防止工作面两端煤壁片帮，工作面两个端头各留10 m不打孔注水，工作面注水孔的总数为56个，布孔方式采用单排眼布置。

(5) 注水时间和注水量

注水时间越长，注水量越大，煤体的润湿效果越好。因此对于41061工作面经多次考虑，实际注水时间为10～15 min，单孔注水量为0.4～1.5 m3，平均0.7 m3。

2 注水后钻孔瓦斯涌出初速度效果考察

钻孔瓦斯涌出初速度q值采用ZWC-2型钻孔瓦斯涌出速度测定装置，配合ZF-A22型号胶囊封孔器测定。

试验选择在未注水的工作面25#架处，测定时首先在迎头前方煤壁上布置一个直径是42 mm、长度6 m的水平煤孔作为注水孔，然后用注水泵以8.5 MPa的注水压力对其进行注水[10]。因此本次试验中注入注水孔的水为纯水，采用普通的煤层注水方式，平均每米钻孔瓦斯涌出初速度为3200 ml/min。在注水孔一侧同一煤层层位，以相同的距离间隔打1个与注水孔孔径及长度均

相同的对比孔和2个考察孔，孔号分别为对比孔、1#、2#，注入对比孔和考察孔中的水均含有复配的表面活性剂(AES+CaCl2)，考察孔用于测定注水孔沿煤层层理方向注水后瓦斯涌出初速度。在注水结束后，考察注入活性剂前后瓦斯涌出初速度的变化，其钻孔布置如图2所示[9]。

图2 瓦斯涌出初速度测定钻孔布置图

对包括注水孔在内的4个孔，均进行了每米钻孔瓦斯涌出初速度的测定。测定结果如表2所示。根据表2绘制出瓦斯涌出初速度变化曲线，如图3所示。

表2 注水前后钻孔瓦斯涌出初速度

图3 注入活性剂前后钻孔瓦斯涌出初速度变化图

根据表2和图3的测定结果可以看出：

(1) 由于受煤壁前方卸压的影响比较大，前3 m瓦斯涌出初速度普遍较小，3 m后，注水孔每米钻孔瓦斯涌出初速度为2469～4418 ml/min，平均3431 ml/min；对比孔每米钻孔瓦斯涌出初速度为1845～2214 ml/min，平均2387 ml/min，注含表面活性剂溶液比注纯水降低了30.4%。钻孔瓦斯涌出初速度明显得到了改善。

(2) 当钻孔深度增加时，注水孔、对比孔、1#、2#钻孔瓦斯的涌出初速度都开始逐渐变大，这是因为注水对封孔深度附近的煤体润湿影响不大，并且这部分煤体被高压水挤压，导致煤体开始向外移动然后使煤体间的裂隙加大。

(3) 对比孔、1#、2#孔在3～7 m深处的瓦斯涌出初速度都比注水孔的瓦斯涌出初速度小，这是因为注含有表面活性剂的水比直接注纯水更有助于润湿该处的煤体，包裹煤体从而降低了该处的瓦斯涌出初速度。

3 煤层注水降低钻孔瓦斯涌出初速度的机理

煤层在生成过程中，随着埋藏深度的增加，在温度和压力的作用下，挥发性物质、瓦斯还有水分等大量涌出，使煤中形成了很多有规律的微小孔隙和裂隙。这些孔隙和裂隙之间有许多连通通道，使煤体内形成许多既互相连通又有独立空间的空间体系。煤体内的气、水不仅可以以此为通道在煤体内运移，并且气、水也能够在这个空间体系内储存。对煤层进行注水时，水会进入这些裂隙和孔隙，使吸附和解吸瓦斯的通道被封闭，不能再释放瓦斯，导致瓦斯压力不能再显现，降低了瓦斯释放时产生的能量，减小了煤体被瓦斯破碎的可能性；并且水封闭了瓦斯在细微孔隙中解吸流动的通路，孔隙的直径越小，水越能牢固封闭瓦斯，能承受更大的瓦斯压力。因此注水可以降低钻孔瓦斯的涌出初速度[9]。

但是对比孔、1#、2#孔比注水孔瓦斯涌出初速度小，是因为注入表面活性剂后溶液的表面张力和与煤的接触角都迅速变小，毛细管理增大，使煤样的吸液能力明显增强，加快了吸液速率，对煤的润湿效果更好。而使用纯水时由于毛细管力小，无法克服内部阻力，所以水不能很好的深入孔隙中，水分增量不大。因此注含表面活性剂的水溶液对降低钻孔瓦斯涌出初速度效果更好。

4 结论

(1) 对比试验结果表明注表面活性剂溶液的效果远远优于注纯水的效果。通过注表面活性剂，溶液的表面张力和煤水接触角都变小，大量含表面活性剂的水渗入到煤体的裂隙中，阻碍了煤体中瓦斯的解吸。

(2) 通过对七台河新兴矿的煤层注含表面活性剂的水溶液，增加了煤体的润湿性，使测得的瓦斯涌出初速度有了明显的降低。

(3) 煤层注水添加表面活性剂有效的抑制了煤体中瓦斯的解吸，降低了钻孔瓦斯涌出初速度，对防治煤与瓦斯突出具有很好的指导作用。

[1] 尚宾.钻孔瓦斯涌出初速度q变化规律研究[D].河南：河南理工大学，2011.

[2] 王克全，于不凡.钻孔瓦斯涌出初速度影响因素分析[J].煤炭工程师，1989(2)：32-36.

[3] 魏风清，张晋京.钻孔瓦斯涌出初速度测试深度的探讨[J].煤炭科学技术，2004，32(5)：61-64.

[4] 高建良，尚宾，张学博，等.导气管阻力特性对钻孔瓦斯涌出初速度的影响[J].煤炭学报，2011，36(11)：1869-1873.

[5] 刘海波，程远平，王海锋，等.突出煤层卸压前后钻孔瓦斯涌出初速度的变化规律[J].采矿与安全工程学报，2009，26(2)：225-228.

[6] 肖知国，王兆丰.煤层注水防治煤与瓦斯突出机理的研究现状与进展[J].中国安全科学学报，2009，19(10)：150-158.

[7] 尹志宏.低级无烟煤综放工作面煤层注水基础研究[D].太原：太原理工大学，2006.

[8] 闫智婕.煤层注水中表面活性剂的选择及其应用研究[D].河北：河北联合大学，2012.

Research on the Effect of Seam Water Injection on Initial Velocity of Gas Emission

JI Dan-ni，ZHANG Kai

(SchoolofSafetyEngineering，NorthChinaInstituteofScienceandTechnology，Yanjiao，101601，China)

Initial velocity of gas emission from borehole is one of the most important indexes for the coal and gas outburst prediction，so it can solve the risk of gas outburst effectively to reduce the initial rate of gas emission in drill hole. The results were applied to 41061 workface of Xinxing Mine in Qitaihe and the results showed that: it can inhibit the velocity of gas desorption to add surfactants into the seam water，which make a contribution to outburst of Xinxing mine.

gas inrush initial velocity；outburst；seam water injection；surfactant

2016-02-25

中央高校基本科研业务费资助(3142015120，3142015134)

吉丹妮(1991-)，女，山西运城人，华北科技学院在读硕士研究生，研究方向：矿井瓦斯防治。E-mail：1652994930@qq.com

TD713

A

1672-7169(2016)03-0016-04