采用煤层注水提高工作面支架初撑力应用实践

王伟智

（拜城县峰峰煤焦化有限公司，新疆 拜城 842300）

工作面支架初撑力是综采工作面液压支架最重要的技术指标之一，80%的回采工作面顶板事故是由于支架的初撑力不足引起的。因此，提高支架对顶板的实际支撑能力，能够有效管理顶板[1]，提高支架安全性能，从而避免顶板事故的发生。

1 概况

弘扬煤矿2303 工作面开采A3 煤层，结构简单，属稳定型煤层。直接顶为粗砂岩，厚度约1.5 m，属软弱～中等坚硬岩层。直接底为泥岩。煤层平均厚度8.5 m，煤层倾角28°～32°。工作面采高为2.4 m，放顶煤高度约6.1 m，采放比为1:2.54。

2303 综采工作面自回采以来，一直存在支架初撑力不足的问题，出现煤壁局部片帮、支架不稳、咬架等情况，威胁安全生产。虽然采取了一些措施，但工作面初撑力不足的问题一直没有得到很好的解决。鉴于这种情况，为有效解决工作面支架初撑力不足的问题，保证工作面安全回采，通过理论研究和现场实际调研，决定采取煤层注水的途径来提高支架的初撑力。

2 煤层注水方式的选择及设计方案

2.1 注水方式选择

在进行煤层注水方式的选择时，要考虑岩石压力的影响。综放工作面前方顶煤可以划分为4 个区域，分别为顶煤明显变形区Ⅰ、顶煤压裂区Ⅱ、顶煤松动区Ⅲ、顶煤放落区Ⅳ。注水区域只能选择在原生裂隙张开及发育的Ⅰ区、Ⅱ区或者距综放面距离更远的原岩应力区[2]。煤层注水后会在煤体周围形成大量的水分子团，水分子团之间具有较强的黏结力和吸附力，这就使得整个应力降低区内煤体由原先的松散态变为了抗剪强度较高的黏结层[3]。煤层通过注水可在一定程度上改变煤体原有的物理性质，可为采面安全、高效回采创造良好条件[4]。

煤层注水方式主要有短孔注水、深孔注水和长孔注水三种，目前普遍采用的是长孔注水方式。长孔注水方式能湿润较大区域的煤体，注水时间长，煤体湿润均匀，注水与回采互不干扰，对提高支架初撑力，有效控制顶板离层和煤壁片帮起到积极的作用[5]。

2.2 煤层注水设计方案

2.2.1 注水的目的

解决2303 工作面2.6～5.6 m 之间煤层软、黏结力差、造成工作面初撑力不足的问题，提高工作面支架初撑力，保证安全生产。

2.2.2 注水方式

根据工作面煤层情况，确定对该工作面进行超前长孔注水。设计钻孔布置在煤层底板以上2.5～5.5 m 煤层之间，采用工作面上顺槽垂直煤层走向沿煤层向下打斜孔注水及下顺槽垂直煤层走向沿煤层向上打斜孔注水。钻孔注水压力3～5 MPa。上下顺槽均采用ZY-750 探水钻打孔，运输顺槽钻孔下套管长度不小于10 m，上顺槽钻孔不下套管。

2.2.3 注水孔布置

2303 工作面回风顺槽钻孔布置：第一个钻孔距工作面30 m 处开始施工，设计50 个钻孔，钻孔直径为56 mm，开孔高度位于2303 工作面回风巷巷道底板往上2.0 m 处，钻孔向垂直运回风槽向下沿煤层朝运输巷方向钻进，钻孔角度为-24°，钻孔孔深为53 m，钻孔间距为10 m。

2303 工作面运输顺槽钻孔布置：第一个钻孔距工作面30 m 处开始施工，设计50 个钻孔，钻孔直径为56 mm，开孔高度位于2303 工作面运输巷巷道底板往上1.2 m 处，钻孔向垂直运输顺槽方向向上沿煤层朝回风巷方向钻进，钻孔角度为+30°，钻孔孔深为100 m，钻孔间距为10 m。注水钻孔布置平、剖面图如图1、图2。

图1 注水钻孔布置平面图（m）

图2 注水钻孔布置剖面图（m）

2.2.4 施工要求

（1）封孔“胶囊”与煤体接触充分，无空隙，不漏水。

（2）2303 回风巷封孔长度确定为4 m，2303运输巷封孔长度10 m。

（3）上下顺槽注水压力保持在3～5 MPa，压力不足时可增加增压泵。

2.2.5 注水系统组成

注水主要包括封孔、保压注水、压力监测等主要工序。该系统主要由以下几部分组成：静压水进水管路、高压水泵、注水管、手动泵、高压注水胶管、高压封孔器、压力流量监测仪。主要设备如下：

高强封孔器：由中心管和封隔器胶筒组成水路通道，中心管注入高压水通过钻孔，再经过水的高压压入煤层。封孔器封孔长度为8～10 m。

全液压钻机：采用ZY-750 型钻机型煤矿用全液压钻机，钻孔施工完毕后开始向注水孔注水，并开始记录注水钻孔的流量出水情况，每小时记录一次，要求打一个孔注一个孔。

高压水泵/乳化液泵站：其作用是给煤层注水加压，型号为HS9028A-82/60，参数为油泵流量80 L/min，额定压力63 MPa，功率90 kW，电压660 V/1140 V。高压泵由专业操作员操作，开泵、加压及停泵严格按照高压泵操作要求执行，泵站压力调到3～5 MPa 之间，不能大于5 MPa。

封孔压力为3～5 MPa，严格连接管路，保证连接处密封完好，试压达到要求后投入使用。

注水的工艺：利用手动泵为封隔器加压使胶筒膨胀，达到封孔目的，然后连接高压水注水，注水压力保持在3～5 MPa。煤层注水如图3。

图3 煤层注水示意图

2.3 操作技术要求

2.3.1 封孔操作要求

（1）上杆完成后首先开启静压注水管给封孔器加压，待3 min 后关闭静压注水管，用手压泵加压，封孔压力不得大于5 PMa；封孔器加压完成后观察1 min，压力稳定方可开启高压泵。

（2）封孔完成后检查高压注水管路泄水阀是否关闭，检查连接U 型卡、管路接头是否有异常情况，确认无误后方可开启高压泵。

2.3.2 注水操作要求

（1）注水过程中须有专人盯守手压泵上压力表变化，若出现压力急剧减小或增加，小于3 MPa或大于5 MPa 的情况时，须立刻发出信号，令高压泵操作工及电源开关控制工卸压和关闭高压泵。

（2）待高压注水管路上的泄水阀无水流出或者水流量很小时，缓慢拧松手压泵上的泄压阀门，此处必须缓慢卸压，每次卸载压力≤0.1 MPa。

3 结论

煤层长孔注水后，煤体含水率得以显著增加，弱化煤体脆性的同时强化了塑性。采用煤层长孔注水措施，提高了工作面支架初撑力。经过矿压在线监测和专业人员定期现场检测检查，2303 综放工作面95%的支架其初撑力达到了24 MPa，满足了生产要求，确保了工作面安全回采。