综采工作面浅孔煤层注水工艺分析

武海鹏

(七台河市百达利矿业有限公司，黑龙江 七台河 154600)

浅孔煤层注水能够有效抑制综采工作面作业中的尘埃与瓦斯因素，在实现良好防尘与抑制瓦斯效果的基础上保证工作面作业正常执行。

1 综采工作面情况分析

分析浅孔煤层布局综采工作面。该工作面容重约1.4 t/m3，煤层厚度范围0.8 m～3.3 m。工作面顶板和底板的组成材料不同，顶板的组成材料是泥质粉砂岩，工作面的中上部结构中设有厚度约0.25 m的煤矸石层，该煤矸石层和工作层底板由不同材质的泥岩组成，其中底板由全砂质泥岩组成，中上部结构中泥岩主要为炭质泥岩，工作面中煤层的倾角约为4°。工作面结构受所在环境的水文条件、气候条件影响明显，例如在雨季，易受雨水冲刷作用导致煤层变薄，对开采工作造成一定影响。工作面的瓦斯参数是决定工作面性质的重要因素，通常情况下主要瓦斯参数种类包括瓦斯压力、硬度、挥发分、瓦斯含量等。涉及的工作面瓦斯压力约为0.5 MPa，硬度约为0.7，水分为2.14，灰分为21.15，挥发分为38.66，工作层的放散速度为6，每吨瓦斯含量为4.21 m2。在分析注水工艺前需要确定工作面每层的特征，主要通过煤层系数体现。煤层的硬度系数1.6～2.5，属于中等硬度。由泥质粉砂岩组成的工作面顶板硬度系数3～5。由炭质泥岩组成的工作面中上部以及由全砂质泥岩组成的底部硬度系数相同，均为3～5。综采工作面略倾斜，工作面长度约250 m，为东西走向，煤层厚度约3 m，选择一次采全高工艺完成该工作面的采煤工作。

2 注水参数分析

工作面注水的目的是除尘及预防潜在瓦斯泄漏，保证工作面煤层达到实际开采标准，合适的注水工艺能够达到更好的除尘与软化效果。注水工艺的主要参数有钻孔位置、钻孔直径、注水孔长度、封孔长度等。

A．钻孔位置。浅孔注水的钻孔位置受煤层厚度和矸石因素影响，若煤层厚度≤1.8 m，通常应用单排眼工艺；若煤层厚度偏大，则采用三花眼工艺。在布置钻孔时注意煤层内部结构。通常选择硬度较高且致密的层次布置钻孔，有效预防浅孔注水过程中孔口损坏情况。B．钻孔直径。从经济性、降低成本角度考虑，钻孔直径应与炮眼直径相同，在保证注水孔钻孔与炮眼一致性的同时降低额外购置成本。C．注水孔长度与间距。注水孔长度的选择应以快速湿润煤层为目的，设湿润范围为h，注水孔长度通常为h+0.2 m。注水孔间距的选择与注水孔的湿润半径直接相关。注水孔间距应根据煤层的情况灵活调整，确保相邻注水孔之间的煤层全部得到湿润。注水孔的间距最小为2 m，通常情况下为5～6 m，最大不超过8 m。D．钻孔角度。钻孔角度的设定应以注水快速渗透煤层为目的，通过设定合适的钻孔，保证煤层中各个分层被快速湿润。E．封孔长度。封孔长度的设定与煤壁承受压力和钻孔长度密切相关，通过设定合适的封孔长度保证煤壁承受压力不超过合理范围，同时达到对煤壁各个部位的充分湿润效果。通常情况下，封孔长度为1～1.5 m。F．注水压力。注水压力的设定通常是设定阈值范围，设定的最低注水压力应满足单位时间内的注水要求，设定的最大注水压力则应保证工作面以及煤层的结构不发生破坏，同时要避免泄水现象发生。G．注水量与时间。通常情况下接受湿润后的煤壁若出现均匀的水珠时则意味着煤层全部被湿润，并由此作为设定注水量以及时间长度的参照标准。本研究的工作面长度250 m，煤层厚度3 m，容重1.4 t/m3。假设每吨煤注水量为30 L，则单次注水量为上述四个参数的乘积，为315 000 m3。例如，选择动压注水模式执行注水，在10 MPa的注水压力下于6 h内完成注水任务。

3 注水设备分析

第一，注水系统选择。常见的注水系统包括静压注水系统与动压注水系统，对应不同级别的注水压力。两类注水系统的原理不同，静压注水系统侧重于利用地面或工作层上部结构的水分，向钻孔注水的介质是水管网络；动压注水系统更多依赖水泵本身的压力，利用动压注水系统实现直接加压的效果。选择注水系统时要考虑工作层的具体情况，同时结合注水的总量和时间长度，本研究采用动压注水系统。

第二，注水装备选择。常见的注水装备包括清水泵、高压水管、减压阀等，在此分析浅孔煤层注水的装备特性。A.清水泵。选择1台型号为PB320/6.3的清水泵，清水泵额定流量为19.2 m2/h，最大压力标准为16 MPa。B.自动封孔器。选择25支型号为MZF-40-15的自动封孔器，封孔器的内径与外径分别为22 mm、38 mm，最大工作压力为15 MPa，最小工作压力为1 MPa，自动封孔器材质为钢丝橡胶。C.双功能高压水表。选择2块型号为SGS的高压水表，该高压水表的流量阈值为0.1 m2/h～5 m2/h，高压水表的额定压力为18 MPa。D.高压水管。选择120支标准长度为10 m的高压水管，高压水管长度总计1 200 m。E.减压阀。选择8个直径为25 mm的减压阀，最大调节压力为20 MPa。

第三，注水中的安全措施。A.应确保工作面煤壁空顶距离与防护体系的距离≤200 m，避免浅孔煤层注水中的瓦斯超限现象，并防止可能发生的冒顶问题。B.在工作面进行钻孔作业时应严格执行安全检查标准，通过敲帮问顶保证工作层顶板稳定合理。C.在打钻过程中时刻关注工作层的顶板、底板及煤层煤壁情况，发现工作层出现异常情况后应及时停止作业并排查问题，确定打钻环境正常后恢复作业。D.封孔过程应由两人协同作业，其中一人执行具体的封孔工作，另外一人则关注封孔中工作层顶层与煤壁的状态，做好必要的应急准备。E.注水作业时注意瓦斯泄漏、片帮冒顶等现象，一旦发生上述现象则必须停止作业、上报情况并处理。

4 注水效果分析

第一，降尘效果。采用矿用粉尘采样器设备，确定工作面中的关键位置并应用粉尘采样器测量降尘效果。本次测量中分别选择采煤机的上风侧、下风侧以及移架点下风侧作为测量点，测试要点为注水前后的矿尘浓度。采煤机上风侧注水前后的矿尘浓度分别为72.2 mg/m3、41.5 mg/m3，采煤机下风侧注水前后的矿尘浓度分别为22.1 mg/m3、8.9 mg/m3，移架点下风侧注水前后的矿尘浓度分别为52.2 mg/m3、24.1 mg/m3，降尘率分别为57.5%、40.3%、46.2%。可见，浅孔注水作业后对工作面关键位置的降尘效果明显。

第二，瓦斯防治效果。在浅孔煤层注水作业中采用高压水挤压模式，瓦斯在采掘空间中呈现游离状态。原因在于煤层内外部在压力作用下出现裂隙，进而产生对瓦斯的吸附效应，同时水分对瓦斯的包裹效应同样导致瓦斯的固着，有效抑制工作面作业中瓦斯的涌出现象。经测试注水前后瓦斯涌出量差异较大，显示瓦斯防治效果良好。

5 结语

浅孔煤层注水工艺在综采工作面作业中应用效果明显，在深入了解并掌握浅孔煤层注水工艺的基础上，结合生产实际，并在综采工作面作业中灵活应用该工艺，取得了良好的工作面作业效果。