煤层深孔注水技术在薛湖煤矿瓦斯抽采中的应用

程 欢

(河南神火集团有限公司薛湖煤矿)



煤层深孔注水技术在薛湖煤矿瓦斯抽采中的应用

程 欢

(河南神火集团有限公司薛湖煤矿)

结合煤层深孔高压注水技术对顺层钻孔的瓦斯抽采机理，对薛湖煤矿2107工作面进行煤层注水工业试验，分析了煤层高压注水后的抽采效果。结果表明，高压注水使煤层裂隙发育充分，煤层透气性及煤体塑性增加；瓦斯抽放日抽采纯量增加一倍，瓦斯抽采效率明显提高；注水后煤体残留的水分也对瓦斯解吸有抑制作用；最终达到防治煤与瓦斯突出的效果，缩短了工作面消突时间，提高了工作面生产效率。

煤层注水 煤与瓦斯突出 日抽采纯量 抽采效率

煤层注水是煤矿生产过程中减少煤尘、提高抽放效果、防治煤与瓦斯突出的积极预防措施。20世纪30年代，最早在前苏联煤矿中得到了应用。60年代后，我国在学习前苏联成功经验的基础上，首先在阳泉、抚顺和北票等矿区做了工业试验，取得了显著效果，进而在国内得到了广泛应用。本文选择薛湖煤矿2107工作面进行煤层深孔注水工业试验，对二2煤层深孔高压注水前后瓦斯抽采指标进行对比，取得了较好的抽采效果，为煤与瓦斯突出防治工作提供了指导作用。

1 煤层深孔注水机理

煤层深孔注水是通过顺层钻孔向回采工作面前方煤体进行高压注水，依靠压力水改变煤体的力学特性、渗透特性以及应力状态，从而改变煤层突出的条件[1-3]。注水前，煤体孔隙或裂隙中充满了瓦斯等气体。注水后，在煤体的孔隙、裂隙中形成了水与瓦斯的界面。煤层注水的过程就是高压水逐渐从钻孔内向外扩散、驱赶瓦斯的过程[4]。

高压水通过挤压孔底和孔壁，使顺层钻孔从封孔器的末端直到钻孔底端的煤体被破坏，因封孔器以外的煤体受单向应力的作用，因此其产生的流变扩张使煤体充分卸压，弹性能得到了充分释放，将应力集中区向煤体前方推进，最终增加了煤层卸压带的长度。当高压水在钻孔和裂隙(或孔隙)中运动时，使得煤体原有应力发生变化，导致煤体结构被破坏，提高了煤层的透气性系数，加速了游离瓦斯的释放速度，从而提高了煤层的瓦斯抽采效率。

2 工作面概况

薛湖煤矿主采二2煤层，该区总体上煤层赋存稳定，结构简单，以贫煤为主，全区可采，煤层总体呈一走向近东西、倾向北的单斜构造。煤层倾角普遍为-3°～10°，为近水平煤层，平均煤厚2.2 m，煤尘具有爆炸性，属不自燃煤层。2107工作面机巷位于薛湖镇以西，地面标高为37.6 m，机巷沿二2煤层底板掘进，西邻2107风巷工作面，东为2108工作面，北邻胶带大巷，南为DF12断层。2107工作面开采二2煤层的综合指标K=31.921 6～63.636 4，D=10.674 5～11.168 7，远大于其临界值；二2煤的破坏类型为Ⅲ～Ⅳ类，软分层煤样初始瓦斯释放的膨胀能为65.62～84.333 4 MJ/g，也远大于其弱突出临界值42.98 MJ/g，其坚固性系数f=0.22～0.405 9，相对瓦斯压力p=1.12～1.5 MPa，煤层的瓦斯放散初速度Δp=12.957～14.000 m/s。在2107机巷设置461棚和416棚2个试验区域来验证注水技术的有效性。

3 工作面煤层深孔注水工艺

在距工作面切眼向后20 m施工注水孔，往北施工至停采线以北20 m，孔间距为8～10 m，与原本煤层孔成三花式布置，与两旁老孔等距离布置，间距不低于2 m。钻孔垂直煤壁顺煤层施工，开孔位置距煤层底板1.6～1.7 m，设计孔深80～100 m，不得超过100 m，注水孔布置见图1。钻孔施工采用ZYW-400型钻机、φ89 mm及以上钻头，孔口除尘。

钻孔施工完成后，使用φ50 mm镀锌钢管配合聚氨酯及时封孔，封孔深度为18～22 m，封孔分为2段，里段封孔在16～18 m，外段封孔在距孔口2 m左右，每段聚氨酯用量约2 kg。封孔15 min，待聚氨酯膨胀充满且凝固完全后，方可注水。

图1 深孔注水钻孔布置示意

注水工艺流程：供水管—水箱—连接管—注水泵—高压水管—专用封孔器—钻孔—煤体，见图2。注水泵采用南京六合BRW400/31.5型乳化液泵，注水压力为15～18 MPa，孔口注水压力不低于20 MPa，注水时间1 h左右，注水时孔口两侧10 m范围内的钻孔暂停抽放，注水结束后及时挂牌管理，注水以周围煤体出水或注水压力明显下降为准。注水设备见图3。

图2 注水过程示意

图3 深孔注水设备连接示意

4 注水效果分析

将2107机巷461棚和416棚试验区域内的钻孔注水后及时联抽，每天测量并记录注水后的瓦斯抽采数据。注水前后瓦斯日抽采纯量曲线见图4。

可以看出：

(1)所测的瓦斯抽采纯量与采场应力集中区的分布趋势相同，深孔高压注水后工作面的应力集中区出现了后移，增大了回采工作面前方卸压带的长度，有利于煤与瓦斯突出防治。注水前，瓦斯抽采纯量钻孔施工完成后当天出现最大值后急剧下降，而注水后第二天瓦斯抽采纯量趋于稳定，说明经深孔注水后，煤层裂隙得到了充分发育，煤层透气性得到了提高，附近的本煤层抽采效果显著提高，单孔日抽采瓦斯量比注水前提高一倍,由原来的42 m3增长到77 m3。 这说明深孔注水后有利于本煤层瓦斯抽采效果的提高，而且从注水后日单孔抽采参数看，浓度和流量衰减幅度较小。

图4 注水前后瓦斯日抽采纯量变化曲线

(2)实际生产过程中，由于采动影响来压，会导致附近本煤层孔内PE管压扁或花管堵死，出现单孔抽采流量和浓度下降幅度较大的现象。另外，靠近回采工作面切眼时，煤层相对破碎，易使本煤层封闭抽采空间与外界连通，造成负压和浓度都减小的现象，这时，深孔注水已不起作用。

(3)深孔注水后，施工本煤层抽放钻孔，杜绝了夹钻、喷孔、塌孔等现象。同时，煤体裂隙显著增加，提高抽放半径，减少本煤层钻孔的施工数量，最终缩短了工作面消突时间，提高了工作面的生产效率。

5 结 论

综上可知，在煤与瓦斯突出矿井中，利用顺层钻孔进行煤层注水是可行的。深孔注水可使煤体裂隙增加，提高注水孔附近本煤层的透气性，抽采效果显著提高。回采工作面经煤层高压注水，应力峰值后移，增加了工作面前方卸压带的长度，有利于工作面安全高效生产。深孔注水时，压力水逐渐进人煤体孔隙中，抑制瓦斯自由释放，避免瓦斯快速解吸，有利于回采工作面煤与瓦斯突出防治。深孔注水杜绝了本煤层抽放钻孔夹钻、喷孔、塌孔等现象，提高了工作面生产效率。

[1] 孙文标，刘 辉，赵宏伟.煤层注水在煤矿安全中的应用及效果浅析[J].煤矿安全，2004(12):24-25.

[2] 瞿涛宝.论煤层注水处理瓦斯的效果[J].煤矿安全，1994,25(5):39-42.

[3] 吴 兵，于振江，王紫薇，等.基于饱和-非饱和渗流的煤层注水数值模拟及应用[J].中国煤炭，2015(6):102-105.

[4] 徐 硕.煤层水力压挤三相藕合数值模拟研究[D].淮南：安徽理工大学，2013.

2016-10-09)

程 欢(1970—)，男，矿长，高级工程师，硕士，476600 河南省永城市新城区神火城市花园20号楼。