煤层注水的应用和研究

李玉玺

摘要： 煤层注水具体怎样操作，注水后的效果分析和研究对我们煤矿的安全生产具有重要的现实意义。

Abstract： The concrete operation of the coal seam water injection， the effect analysis and the research of water injection have important practical significance to coal mine safety production.

关键词： 注水；降尘；瓦斯

Key words： water flooding；fallen dust；gas

中图分类号：TD82 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）08-0111-03

0 引言

现在煤矿在生产中大多采取对煤层注水，但在具体的操作中煤层注水究竟有什么作用，对我们煤矿的安全生产有什么作用，在实际操作中怎样对煤体进行注水，以及注水后的效果都需要我们进行研究。

耿村煤矿13210工作面煤质具有有自然发火倾向，自然发火期为一个月，最短仅为7天。在实际生产中，我们采用下文中的方法进行煤体注水。

1 煤体注水

工作面深孔注水钻孔参数选择：

①在上巷每隔30m施工一个钻场，每个钻场施工6个注水孔，分上下两排：

上排注水孔距底板1.5m，中间一个注水孔位于打钻帮中间，钻孔坡度-1°，长度不低于70m，两侧的注水孔与中间钻孔相距1.5m，钻孔坡度-1°，终孔相距10m，长度71m，夹角8°，两钻场相邻钻孔终孔位置相距10m。

下排注水孔距底板0.8m，中间一个注水孔位于打钻帮中间，钻孔坡度方向与切眼坡度一致，长度93m。两侧的注水孔与中间钻孔相距1.5m，长度94m，夹角8°，钻孔坡度方向下栽，与切眼坡度（8-12°）一致，两钻场相邻钻孔终孔位置相距10m。

在下巷每隔30m施工一个注水钻场，每个钻场内施工6个注水孔，分上下两排：

上排注水孔距底板1.5m，中间一个注水孔位于打钻帮中间，钻孔坡度25°，不低于长度70m，两侧的注水孔与中间钻孔相距1.5m，钻孔坡度25°，终孔相距10m，长度71m，夹角8°，两钻场相邻钻孔终孔位置相距10m。

下排注水孔距底板0.8m，中间一个注水孔位于打钻帮中间，钻孔坡度方向与切眼坡度一致，长度110m。两侧的注水孔与中间钻孔相距1.5m，长度111m，夹角8°，钻孔坡度方向上抬，与切眼坡度（8-12°）一致，两钻场相邻钻孔终孔位置相距10m。钻场钻孔示意图见图1。

②钻孔施工：采用ZDY1200s钻机施工钻孔，钻孔直径75mm。

③注水压力：注水压力不小于12MPa。

④钻孔施工完成后由通风区负责封孔，施工区队进行高压注水，注水泵压力不得小于12MPa，注水完成后，由服务区队将注水孔连接至清水管，进行静压注水。

⑤钻孔施工及高压注水由掘进队负责，且保证连管注水的钻孔距窝面不得超过50m。

⑥单孔注水量：Q=K·h·lj·lz·q·γ

式中各参数代表含义如表1。

则：Q上巷下排中孔=365t，Q上巷下排侧孔=367t，Q上巷上排中孔=282t，Q上巷上排侧孔=285t

Q下巷下排中孔=409t，Q下巷下排侧孔=411t，Q下巷上排中孔=304t，Q下巷上排侧孔=307t

⑦注水时间：

t上巷下排中孔=Q/qd=15天，t上巷下排侧孔=Q/qd=15天，t上巷上排中孔=Q/qd=11天，t上巷上排侧孔=Q/qd=11天

t下巷下排中孔=Q/qd=17天，t下巷下排侧孔=Q/qd=17天，t下巷上排中孔=Q/qd=12天，t下巷上排侧孔=Q/qd=12天

⑧采用水泥砂浆封孔，封孔长度不小于15m。

⑨注水标准：单孔注水量不少于设计注水量，注水时随时观察煤壁，当发现煤壁渗水或注水压力降至原压力的1/3时，方可停止注水。

⑩上下巷每30m施工一个钻场，在上下巷服务的区队负责对钻场内的注水孔进行施工。

2 浅孔注水

2.1 掘进期间：

注水孔参数选择：

①窝面注水方式：煤壁浅孔注水。

②钻孔施工：采用ZDY-120S钻机或风钻，钻孔直径75mm。

③注水压力：注水压力不小于12MPa。

④掘进队利用每天检修班，在掘进头煤壁施工注水钻孔5个，两帮4个孔（1、2、4、5）上下两排分布呈扇形施工，偏角20度孔深12m，中间一个3#孔垂直煤墙，孔深12m。掘进头煤壁浅孔注水示意图见下图2。

⑤单孔注水量：Q=K·h·lj·lz·q·γ

式中各参数代表含义如表2。

则： Q=12.8吨

⑥注水时间：t =Q/qd=2.5h

⑦采用ZFA-45橡胶封孔器，封孔段长度不小于2m。

⑧注水标准：单孔注水量不少于设计注水量，注水时随时观察煤壁，当发现煤壁渗水或注水压力降至原压力的1/3时，方可停止注水。最后施工的一个注水孔，注水时间不低于3小时，只有注水工作完成后，工作面才可以生产。

2.2 回采期间

注水孔参数选择：

①工作面注水方式：煤壁浅孔注水。

②钻孔施工：采用ZDY-120S钻机或风钻，钻孔直径75mm。

③注水压力：注水压力不小于12MPa。

④采煤队利用每天检修班，在工作面煤壁施工注水钻孔，每个注水孔深8m，坡度+5°。注水孔距底板1m，工作面最下部钻孔从第15架（包括下巷端头支架）向上开始施工，最上部钻孔距从第15架（包括上巷端头支架）开始施工，每隔4架施工一个注水孔。第二日施工钻孔错开前一日钻孔1m，依次循环交替施工。工作面煤壁注水死意图见图3。

⑤单孔注水量：Q=K·h·lj·lz·q·γ

式中各参数代表含义如表3。

则：Q=13吨。

⑥注水时间：t=Q/qd=3h

⑦采用ZFA-45橡胶封孔器，封孔段长度不小于2m。

⑧注水标准：单孔注水量不少于设计注水量，注水时随时观察煤壁，当发现煤壁渗水或注水压力降至原压力的1/3时，方可停止注水。最后施工的一个注水孔，注水时间不低于3小时，只有注水工作完成后，工作面才可以生产。

3 注水效果

采用以上方法对煤体进行注水后，经过和未注水时工作面的煤尘、瓦斯、防火与降温等方面的研究及对比分析后，发现煤体注水具有以下效果。

3.1 防尘

回采工作面最有效的防尘措施是煤层注水，其作用主要体现在以下方面：

①通过湿润煤体内的原生煤尘，可使其无法飞扬；

②把煤体的各个细小部分都包裹住了，如此即使出现煤体破碎的情况，也不会导致细粒煤尘的飞扬；

③煤体湿润后其塑形会增强，脆性会减弱。

3.2 预防煤与瓦斯突出

有资料显示，当煤体注水湿润后，其力学性质会被改变，增大其塑形，减小其弹性和强度，在这种情况下，巷道前方的压力分布发生变化，即高压力向煤体深部转移，压力集中系数减小。不仅如此，湿润煤体后，煤体的透气性也会降低，阻碍效应会增大等。上述种种因素表明，注水湿润煤体，可消除或降低煤层的突出危险。

3.3 减小工作面回风流中的瓦斯浓度

煤体注水不仅具有防尘/预防煤与瓦斯突出等作用，还具有减小工作面回风流中的瓦斯浓度的作用，究其原因发现：①湿润煤体中的水分对瓦斯的运动起阻碍作用，减小了工作面回风流中的瓦斯浓度。②打孔破坏了煤体内原有的煤-瓦斯体系的平衡，注水前后则形成了新的煤-瓦斯-水三相体系，体系的这些变化都会导致瓦斯的涌出。

3.4 防治冲击地压

煤层注水后可改变煤体的物理力学性质，促使煤体塑性变形区增加，如此可有效降低煤体的应力集中程度，防治冲击地压。

3.5 防火与降温

由于通过向煤体注水，会增大煤体的热容量和导热系数，因此在实际的开采过程中为了避免煤体的温度升高，造成火灾事故，通常都会在放顶后采取向采空区注水等有效措施，用于防火，效果明显，尤其是顶板为泥质岩石时，其效果更加显著。向煤体注水可起到防火作用的原因是注水后可抑制煤体采空区的浮煤氧化，减少火灾发生的可能性。该法在实践中也取得了很好的效果，比如徐州大黄山矿/陕西崔家沟矿等。同时，通过向煤体注入温度较低的冷水，可有效降低高温工作面，具有良好的降温作用。

4 结论

我矿采用工作面深孔注水和浅孔注水后，工作面的煤尘由原来的平均浓度为8.5mg/m3，降为现在的3.6mg/m3。工作面回风流的瓦斯浓度也有所降低，特别是在防灭火方面，作用尤为明显，在13210工作面回采期间没有发现一氧化碳气体的存在。

参考文献：

[1]白文信，殷卫峰，王照东，王滨，周连春，马友魁.CO2爆破致裂技术在煤层注水工程中的应用[J].煤矿开采，2015（06）.

[2]刘增平，王坚志，孙京凯.深井低空隙率煤层注水技术研究与实践[J].山东科技大学学报（自然科学版），2009（04）.

[3]吴士良，李烨.采用工作面超前注水法提高跨采底板巷道围岩稳定性[J].山东科技大学学报（自然科学版），2014（06）.