“三軟”煤層首采綜放工作面煤層深孔高壓注水技術研究與應用

文/雷丁軻

綜采工作面放頂煤開采技術在鄭煤集團裴溝礦得到成熟應用，目前31采區作為新采區，首采面31071工作面繼續推廣放頂煤開采。該工作面屬于三軟煤層，回采過程中出現煤層含水量過低，粉塵量過大，不但影響煤墻支護，瓦斯管理，更重要的是影響職工身體健康。經過討論研究，采用煤層深孔高壓注水技術，不但有效降低了工作面粉塵量，增加了煤層的含水量，改善了作業環境，而且加強了煤墻支護，為綜放工作面安全高效發展奠定了基礎。

一、工作面概況

31071綜放工作面作為31采區首采工作面，煤層為二1煤，地面標高+180～+202m，工作面標高-170～-59m，走向長 1086m，傾斜長 130m，采用走向長壁后退式放頂煤一次采全高回采工藝，自然跨落法管理頂板。

為降低工作面粉塵量，在工作面上下副巷安設凈化水幕，采煤機安裝內外噴霧，綜放支架安裝移架放煤噴霧裝置，裝載點安裝噴霧裝置等措施，但回采期間，工作面及回風巷粉塵濃度依然超標，既危害職工身體健康，也給礦井安全生產帶來隱患。因此，為降低粉塵，改善職工作業環境，在31071綜放工作面進行煤層深孔高壓注水技術的試驗工作。

二、“三軟”煤層注水特性

31采區首采工作面煤層二1煤，屬于三軟不穩定煤層，該煤層屬于裂隙、孔隙發育煤層，孔隙體積平均為48.82mm3/g，屬于較高水平，但過渡孔占優，滲透較難，屬難注水煤層，該煤層原生裂隙發育中等，但是一旦應力狀態改變，次生裂隙極度發育，煤體呈松軟易碎的特點，該煤層接觸角為57.8°，屬于難濕潤煤層。

三、煤層高壓注水參數確定

1.鉆孔布置

沿綜采工作面上、下副巷巷道方向，由里向外根據煤層傾角布置鉆孔，依據兩相向注水孔的端距選擇2倍于滲透半徑的距離為宜，根據觀測得出注水濕潤半徑為10～13m，按濕潤半徑10m考慮，兩孔終端距為20m，31071綜放工作面切巷長度130m，結合鉆機型號，設計鉆孔參數為：注水孔間距為20m，深度60m，角度沿煤層傾角打鉆。

2.注水壓力及注水量

煤層注水的過程分為兩個作用期，初期以壓裂煤層為主，后期以濕潤軟化為主，為確保煤層注水效果，達到擠壓煤層瓦斯的目的，注水壓力控制在8～13Mpa.

每個注水孔采用反復注水的方法，每次注水以煤壁淋水為標準，間隔4～8個小時候再注水，最終以注水時間不足10分鐘煤壁淋水為最終結束注水標準。

四、設備、材料及相關施工工藝

1.鉆機設備及施工工藝

鉆孔采用ZY-750鉆機施工，距巷道底板1.0～1.5m，采用單排孔布置，孔間距20m。鉆孔開始用Φ89mm鉆頭開孔施工15～20m后，更換Φ75mm鉆頭繼續施工。鉆孔傾角與煤層傾角一致，保證終孔位置在支架頂梁上1m左右。

2.煤壁注漿加固設備及施工工藝

為增強煤壁抗壓能力，延長注水時間，鉆孔施工前，利用ZBQ-6/2.5型氣動鉆機在鉆孔施工點前后6m范圍內，進行煤壁注漿工作，注漿孔深度10m，使用1寸鋼管封孔不小于5m，全部用聚氨脂材料封堵，將速凝水泥與水按 1∶3的比例往孔內高壓注漿，注漿以煤壁跑漿為標準。注漿孔間距為0.6～1.2m，排距為 0.8～1.0m。

3.封孔工藝

注水孔封孔使用Φ51mm高壓膠管，注漿、排漿使用13.3mm的膠管，封孔長度不小于10m。高壓膠管封堵段采用聚氨脂封孔材料進行封孔，鉆孔兩道聚氨脂封孔之間使用ZBQ-6/2.5型氣動注漿泵，將速凝水泥與水按1∶3的比例進行注漿封堵其段距離。

4.注水設備及注水工藝

31071工作面選用MRB125/31.5型專用注水泵，采用上下副巷同時注水，管路由下副巷鋪設一趟Ф35mm的專用注水管路，途經工作面支架至上副巷注水地點，利用截止閥及兩通與封孔膠管連接進行注水。采用單孔順序反復注水，超前工作面切巷40～60m，使煤層有充分時間進行銹結。

注水開始將泵站壓力調整至8Mpa進行試壓，觀察流量表或泵站水箱水位，若流量較小，煤壁無異常，則將壓力上調至10Mpa，依此遞增。待壓力調整至12～15Mpa，注水孔內會出現煤炮聲，流量會突然升高，泵站壓力出現短時間為變動，持續注水1～2小時后，泵站壓力會逐漸變大。待泵站壓力穩定后，觀察煤壁，若出現滲水，然后停止注水。注水孔停止注水4～8小時后，繼續注水，待煤壁出現滲水后再停止注水，依此方法，反復進行注水。待注水孔注水10分鐘后出現淋水現象后，作為單孔注水結束的標準。若注水期間，煤壁抗壓效果不好，注水時間過短，應采取補注水孔措施。

五、效果分析

通過在31071工作面深孔高壓注水為期5個月試驗分析，得到以下結論：

（1）采取深孔高壓注水后，在采煤機割煤之后，煤墻很少出現片幫冒頂現象，為工作面及時拉架節省了大量時間，同時創造了良好條件，由于無需特別投入人工閉幫，大大降低了工人勞動強度。

（2）通過深孔高壓注水，使高壓水流滲透到煤體中，擴張煤體的節理，破壞煤層的結構，使煤層吸水后開始膨脹，增加煤層的孔隙率，通過高壓水流的作用排擠出煤層中游離的瓦斯，降低煤體的瓦斯含量。

（3）降塵效果數據如下：

31071綜放工作面塵源位置總粉塵濃度測定結果

六、結論

通過對煤體進行深孔高壓注水，可以有效破壞煤體的整體性，軟化煤體，增加煤體的孔隙率和透氣性，使具有煤與瓦斯突出危險煤層的瓦斯壓力和濃度得到有效降低，達到防止煤與瓦斯突出的目的。通過對煤體深孔高壓注水，可以有效防止工作面回采過程中煤墻片幫和冒頂，粉塵產生率比注水前減少了53%，顯著改善了工人勞動環境，提高了綜放工作面正規循環作業率，實現了工作面的穩產高產，取得了良好的經濟效益。