煤层注水掘进的实践与效益分析

郭兴明 ,郭 融

（1.山西大同大学建筑与测绘工程学院，山西大同 037003；2.同煤集团马脊梁煤矿集运站，山西大同 037003）

柳林金家庄煤矿全井田东西长5 100 m，南北宽2 800 m，井田面积6.084 km2，井田构造属简单构造，地层倾角平缓，一般为3～7°，矿井设计生产能力120万t/a，属高瓦斯矿，2007年4月建成投产。

矿井批准开采3#～10#煤层，现开采的9#煤层北回风大巷位于集中回风大巷北偏东方向，巷道长931.5 m（0～40 m 为8°下山，40～140 m 为平巷，然后沿9#煤层底板布置，见图1），采用锚网索喷支护。

北回风大巷为煤巷，采用钻眼爆破法掘进，尽管采取了湿式凿岩、喷雾洒水降尘和个体防护相结合的防尘措施，但是效果并不理想。为了寻求较为理想的办法，采用工作面煤层注水的办法施工，实践证明效果良好。

图1 注水巷道位置示意图

1 煤层注水理论

1.1 煤层注水降尘原理

（1）湿润煤体内的原生煤尘，使其失去飞扬的能力。

（2）有效地包裹煤体的每个细小部分，当煤体在采掘中破碎时，避免细粒煤尘的飞扬。

（3）水的湿润作用使煤体塑性增强，脆性减弱。当煤体受外力作用时，许多脆性破碎变为塑性形变，因而大量减少了煤体被破碎为尘粒的可能性，降低了煤尘的产生量。

煤层注水降尘实质是：预先在煤层中钻孔，然后向钻孔中注入压力水，钻孔中的压力水通过煤层、煤体中的裂缝进行渗透、压细、毛细和分子扩散运动，之后扩散的水分渗透并存储与煤体的裂缝之中，对煤体进行预先的湿润，从而减少煤体开采时产生的浮游粉尘。

1.2 煤层注水作用

1.2.1 防尘

当压水进入煤层后，煤层均含水分增加，对减少采煤各环节的粉尘起很大作用。首先，煤层缝隙中原存在的煤尘、粉尘经过注水的湿润，在开采时失去了飞扬的能力，从根本上消除了粉尘的源头；其次，注水进入煤层后，水分会均匀地分布在煤体中，当煤体在掘进过程中出现破碎时，其破碎形成的煤粉由于附着水分，同样失去飞扬能力；再者，水进入煤体后使其塑性增强，脆性减弱，改变了煤体的物理力学性质。当煤体受外界因素影响破碎后，脆性破碎变为塑性变形，从而减少了煤尘量的产生，据统计，水进入煤体后平均降尘率达88%。

1.2.2 降低工作面瓦斯涌出量

在对煤体注水时，高压水必须克服瓦斯压力后才能注进水，这样便改变了煤的力学性质，提高了煤的可塑性，降低了弹性模量，使应力分布均匀化，弹性释放的速度变小，降低了释放的功率，水进入煤的空隙，降低了瓦斯的排放。

1.2.3 防冲击地压

煤层注入水后软化了煤体，改变了煤体结构，减弱煤体脆性，提高了煤体的可塑性，促使煤壁前方塑性变性区变宽，应力集中地带向煤壁深处移动并变宽，进而减弱煤体冲击倾向，有效改善能量释放过程中的时间稳定性和空间均匀性。这样便直接防止了冲击地压现象的发生。

1.2.4 可有效避免自然火灾

煤体注水后，增大了煤体的热容量，提高了煤体导热系数，这样便降低了遗留煤体中温度，从而有效延长了煤体的自然发火日期。

1.2.5 加快施工速度

煤体注水除有以上效果外，还可有效降低煤的硬度，提高了爆破效率，从而促进生产效率的提高，降低施工成本。

2 煤层注水参数确定

2.1 影响注水效果因素

（1）煤体孔隙、裂隙对煤层注水产生直接影响。煤体裂隙发育越好越易于注水的完成，煤体硬度比较高的地方，则往往会出现回水现象。但煤体裂隙过大，注入的水体容易流失到其他地方，从而使煤体水分达不到规定的4%，这样便增大了注水难度。

（2）地压的集中程度高低影响着煤层注水的难易。工作面松软的煤层，注水较易，很容易使煤层含水分在4%以上。而在那些强冲击地压倾向性的工作面，煤层裂隙发育不完全，这样必须提高注水压力，据实验针对此种煤层，注水压力10 MPa 为宜，若过高会让媒体裂隙增大，散失水分增多，反而又降低注水压力，这样便直接增大工作量，影响了工作效率。

（3）注水的超前距离是影响注水效果的重要因素。注水的超前距离的判定需根据煤层性质和矿山压力显现规律来确定，距离过大则会造成煤层透水性差，难以注水，距离太小则会使注入的水沿较大的裂缝流失，起不到注水防尘效果。确定合适的超前距离可以获得较好的效果。

（4）煤体的湿润能力取决于水与煤的湿润边角和水的表面张力系数。当煤体性质确定时，降低水表面的张力系数有助于提高煤体的湿润能力。另外，还需要考虑到煤体内的瓦斯因素的影响，瓦斯压力是注水的附加阻力，所以为了提高煤层的湿润能力，需要加大注水压力来克服瓦斯压力以确保煤层湿润效果[1]。

其实，影响煤层注水的主要因素有注水压力、注水速度、注水量和注水时间等，决定煤层注水除尘率高低的重要因素是注水量或煤的水分增量。实践证明，通常煤的水分增量变化在50～80%。除尘率和注水的关系，见图2、图3。

图2 除尘率η 与注水量QV的关系图

图3 除尘率η 与煤水分增量ΔW 的关系

2.2 注水参数设计

依据北回风大巷地质条件、施工任务、技术装备、施工队伍水平，采用“四六”工作制，确定“三掘一支”的施工组织形式，炮眼深度为2 m，考虑炮眼利用率和确保正规循环，循环进尺按6 m计。

2.2.1 钻孔布置

钻孔选在支护班进行，选用ZQSJ-140/4.1型气动钻机钻进施工，φ42 螺旋钻杆。掘进工作面顺层呈放射状单排布置2个平行钻孔，钻孔距底板和帮均为1.5 m，沿掘进方向略带仰角3～5°，偏角15°，钻孔直径42 mm，孔深8 m。实现作业时每注水8 m，掘进循环6 m,作为一个注水循环[2]。

2.2.2 注水

该矿工业广场建有200 m3静压水池一座，供井下防尘洒水使用。工作面采用短孔注水方法，用高压胶管将两个钻孔的供水管路连接起来，同时注水，注水器插入钻孔不小于2.5 m，注水压力8～10 MPa，使用封孔器封孔[3]。

（1）单孔注水量为：

式中：QW为单孔注水量，m3；K为系数，一般取1.1；L为钻孔长度，m；B为钻孔间距，m；H为煤层厚度，m；γ煤的密度，取1.54 t/ m3；q为吨煤注水量，取0.015m3/t。

（2）注水时间为：

式中：V为单孔注水流量，m3/h。

一般来讲，煤层注水采用间歇性注水，5 min一次，每次1.6 m3。实际操作，经验的做法是以煤壁渗水为标志，即可停止[4]。

2.2.3 封孔

选用自带封孔功能的封孔器，注水管深入孔内2.5 m以上为宜，爆破时去下封孔器[5]。

2.3 注水效果测定

为了检验煤尘注水的降尘效果，对煤尘注水前和注水后工作面的煤尘浓度分别进行测试。采取煤层注水措施后，经测定放炮掘进中迎头粉尘浓度由原来的1 000～2 000 mg/m3，降到200～400 mg/m3，粉尘浓度降为原来的1/3。

3 效益分析

3.1 经济效益

与传统的湿式凿岩、喷雾洒水等综合防尘方法相比较，采用煤层注水，每个月产生经济效益及费用节省数据分析如下：

（1）安全防护用品费用节省2万元；

（2）改善作业环境，提高生产效率，产生经济效益15万元；

（3）有效降低了噪声造成的职业病的发生，节省费用20万元。

总的经济效益为：37万元/月×6个月=222万元。

3.2 社会效益

（1）煤层注水掘进，降低掘进工作面煤尘，有利于掘进工作面快速、安全的施工，有效防止煤尘爆炸事故的发生；促进煤矿企业健康、安全、持续稳定的发展。

（2）煤层注水掘进，改善作业环境，有效地遏制了由煤尘产生了尘肺病的发病率，使职工的工作效率大大提高，创造更大的经济效益。

4 结语

（1）随着开采机械化程度和开采强度的不断加大，导致掘进工作面的产尘强度及作业环境中粉尘浓度也越来越大，单一煤层注水除尘并不理想，要和湿式凿岩、喷雾洒水等相结合，会取得更好的效果。

（2）本项目实施，仅注意了工作面，未考虑巷道两帮注水防尘，如果两方面均进行，估计效果会更好。

（3）随着科学技术的发展，装备智能化的提高，降低粉尘浓度的方法和手段将会更先进。加强通风除尘是主要手段，更要特别注重做好作业人员个人防护工作。