优化注水参数完善注水工艺提高煤层注水效果

2016-07-01杨磊，程详,2

采矿与岩层控制工程学报 2016年3期

关键词：降尘

杨　磊，程　详,2

(1.淮南矿业集团新庄孜煤矿，安徽淮南 232072；2.安徽理工大学能源与安全学院，安徽淮南 232001)

优化注水参数完善注水工艺提高煤层注水效果

杨磊1，程详1,2

(1.淮南矿业集团新庄孜煤矿，安徽淮南 232072；2.安徽理工大学能源与安全学院，安徽淮南 232001)

[摘要]煤层注水是综采工作面防尘、预防煤壁片帮的有效措施之一。以新庄孜煤矿62211综采工作面为工程背景，通过分析煤层注水作用机理和影响注水效果的因素，提出了相互交叉网格式注水新思路，并优化注水参数及工艺。现场实践表明，采取优化后的注水参数和工艺后工作面降尘效果显著，煤壁稳定性得到改善，给安全生产创造良好条件，注水效果较好。

[关键词]煤层注水；防片帮；降尘；注水工艺

煤层注水是综采工作面防尘、提高煤体强度、预防煤壁片帮的一项经济实用措施，能够有效改善工作面作业环境，防止生产过程中出现大面积片帮掉顶事故[1-2]。此外，煤尘注水后还能抑制工作面瓦斯涌出、减少冲击地压危害、降低矿井高温热害[3-4]，是保证矿井安全生产的有效途径。

新庄孜矿62211综采工作面为“三软”煤层大采高工作面，风巷标高-630m，煤层厚度2.6～5.0m，平均4.3m，走向平均长1138m，倾向平均长158m。工作面原始瓦斯含量12m3/t，残余瓦斯涌出量4.55m3/t，煤尘具有爆炸危险性。回采期间，煤层平均倾角28°。煤层抗压强度为4.5MPa，上阶段62111工作面由于煤质较为松软，煤体承载力差，回采期间，煤壁片帮严重，且割煤时，煤尘较大，制约着综采面安全生产效能的发挥。

62211工作面自开采以来，吸取上阶段回采经验，提出采取强化煤层注水措施，优化注水参数，改善注水工艺，保证了工作面的正常安全回采。本文以62211工作面为工程背景，探讨了煤层注水作用机理和影响煤层注水效果的因素，针对62211工作面现场实际，对注水参数和工艺进行优化，提出相互交叉网格式煤层注水的新思路，取得了良好的注水效果。

1煤层注水作用机理

煤层注水为预先在煤层中施工若干钻孔，通过钻孔注入压力水，水依靠注水压力和毛细管力，克服裂隙面和孔隙通道的阻力以及煤层瓦斯压力，使其渗入煤体内部，增加煤体水分的过程。合理的煤层注水可增加煤体内的水分和煤体颗粒之间的黏聚力，增加煤壁的整体性，煤体中含有的黏性物质，遇水后易胶结，在矿山压力和超前支承压力的作用下，煤体的力学性质增强；同时，由于煤体中含水率增大，从根源上杜绝了煤尘飞扬，能有效降低回采过程中煤尘的产生数量，是一种治本的防尘方法。

2影响煤层注水效果的因素

2.1煤层裂隙、孔隙的发育程度

研究表明[5-6]，当煤层的孔隙率小于4%时，煤体透水性较差，注水效果不明显，孔隙率大于15%以上时，注水效果比较明显。在超前支承压力作用下形成的外生和次生裂隙对煤层注水有重要的影响。62211工作面回采时，根据风巷矿压显现的规律，利用煤壁前方受超前支承压力作用导致裂隙发育增加的特点，在长孔注水的基础上，工作面在风巷新增施工浅孔注水孔。

2.2煤层内的瓦斯压力

煤层内的瓦斯压力越大，水只有克服瓦斯压力后才能进入煤体内部。62211工作面原始瓦斯压力2.8MPa，在风巷和运巷布置施工了顺层抽采钻孔，抽采工作面瓦斯，抽采后残余瓦斯压力为0.2MPa。抽采后，煤层内瓦斯压力明显降低，利于煤层注水。抽采钻孔拆除后，布置注水孔，实现“一孔多用”。

2.3钻孔布置

钻孔布置的方式决定着注水压力和注水参数的选择。根据矿井煤层注水经验，62211工作面采用相互交叉网格式钻孔布置方式。

2.4封孔方式

封孔方式决定了封孔的质量，封孔方式选择不合理，易在注水过程中出现跑漏水现象，影响着煤层注水的效果。

3注水工艺和注水参数的选择

3.1注水方式的选择

合适的注水方式直接影响煤层注水效果。62211工作面采取了工作面短孔注水、风巷短孔注水和两巷长孔注水相结合的注水方式。长孔注水利用工作面前方的本煤层中的瓦斯抽放钻孔注水，达到综合设计施工，一孔多用的目的。长、短孔注水相互交叉，随着工作面的推进依次向前，形成相互交叉网格式钻孔布置方式，具体如图1所示。

图1　62211工作面煤层注水方式

3.2注水参数的选取

根据新庄孜矿生产条件及煤层注水经验，形成一套适合于62211工作面煤层注水相关参数。

3.2.1钻孔相关参数

(1)钻孔直径两巷长钻孔为瓦斯抽放钻孔，钻孔直径为113mm。风巷短孔注水和面内短孔注水采用气动手持式钻机施工，钻杆的直径为42mm。

(2)钻孔深度风巷抽采钻孔的长度为90m，工作面巷道抽采钻孔的长度为78m，上下钻孔保证10m的重叠长度。风巷浅孔和工作面浅孔的孔深为10m。

(3)钻孔间距两巷长钻孔和风巷浅孔注水孔的间距保持为5m。工作面内浅孔注水的间距为3m一个(每2架1个钻孔)。钻孔布置在距顶板1～1.5m位置处或靠近中部明显的软分层中，采用单排眼布置。为强化端头管理，上下端头各留5m不施工注水孔。工作面内钻孔布置如图2所示。

图2　工作面内钻孔布置

(4)钻孔倾角确定钻孔倾角的基本原则是使钻孔始终保持在煤层之中。风巷浅孔钻孔的倾角可按照下式计算：

θ=α+β

式中，θ为钻孔倾角；α为煤层倾角，β为钻杆最大下沉角，β=arctanδ，其中δ为钻杆下沉率，一般取0.3%～1.0%。62211工作面煤层平均倾角28°，φ42mm的钻杆下沉率根据经验取0.8%[7]，经过计算得出钻孔倾角为θ=27.54°。

工作面内浅孔注水倾角主要垂直于煤壁，可略向上巷方向带2～4°的俯角。

3.2.2注水压力选择

煤层物理力学性质不同，注水压力也不相同。注水压力在注水工作中并不是一成不变的。根据相关研究[8]，水的压力P应小于地层压力，即

P<γ·H

式中，γ为上覆岩层的平均体积力，淮南矿区平均取2.4kN/m3，H为煤层埋藏深度，平均取630m。根据计算，P=15.1MPa。

理论研究表明，煤层注水的初期是以压裂为主，后期以湿润和粘结为主。根据注水流量的条件，经过反复试验，考虑压力损耗等因素，确定在压裂阶段，注水泵的压力设定为12MPa，后期注水压力设置为6MPa。

3.2.3超前工作面预注水位置

考虑注水工作的重要部分之一就是超前工作面预注水位置。合适的预注水位置能够促进煤层注水工作的顺利进行。

经过实践，62211工作面最终确定风巷长钻孔注水超前工作面煤壁为150m，终止注水超前煤壁20m。风巷短孔注水位置的选择主要考虑煤体在前方支承压力作用下裂隙发育的情况和注水的时间。风巷矿压资料表明，超前支承压力对风巷的影响范围约为30～35m，而峰值压力超前煤壁的距离为15～20m。选择注水超前距离为20m，终止注水超前距离为5m(即超前一个原班循环)。

3.3注水工艺

注水工艺主要分为3个工序，分别为打钻、封孔和注水。工作面打钻主要使用气动手持式钻机或轻型液压钻机进行施工。

3.3.1封孔方式的选择

煤层注水的效果很大程度上依赖于封孔的方法和质量。常用的封孔方法有封孔器、水泥砂浆、化学合成材料封孔等。根据矿井生产条件及设备供应情况，62211工作面长钻孔封孔方法采用水泥砂浆进行封孔，封孔的长度为12m，下管的深度14～15m。浅孔采用可膨胀封孔器封孔，封孔器的直径为38mm，封孔器的长度为1m，封孔时封孔器外端距离煤壁在1.5m以上，使用可膨胀封孔器封孔时具有方便快捷，可重复使用的优点。工作面浅孔注水时安排专人负责观察孔口出水情况，及时使用黄泥等材料进行封堵，杜绝注水孔口附近跑漏水，影响注水的效果。

3.3.2注水

封孔完成后，即可开始注水。注水方案的实施：工作面内浅孔注水采用波动的注水方式，即在12MPa左右的高压下持续一段注水时间，已达到预裂煤体的效果，形成煤体内的导水裂隙，之后将压力维持在6MPa。工作面内注水利用早班检修班时间，待中班割煤前，取出钻孔内的注水器。风巷长钻孔和风巷浅孔注水实行全天间断式注水方式。长孔注水和风巷浅孔注水可以提前注水，具有不干扰正常生产，注水时间长，注水量大且煤体湿润均匀等特点。当煤壁出现“冒汗”、“挂汗”、钻孔附近出现大面积渗水现象时，暂时停止注水，待停止一段时间后，继续注水，实现间断复注水模式。

4煤层注水现场效果考察

4.1防尘效果考察

为了考察煤层注水后的降尘效果，在采煤机割煤期间，对采煤机处、采煤机下风口10m位置处和上出口向外5m位置处对煤尘浓度进行测定。具体测定结果如表1所示。

从数据可以看出，工作面优化了注水方式及工艺后工作面割煤期间的防尘效果显著，大大优化了作业环境。