大傾角松散厚煤層高壓深孔注水圍巖控制技術(shù)優(yōu)化實(shí)踐＊

何風(fēng)強(qiáng) 王東攀

(1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；2.神華寧煤集團(tuán)石炭井焦煤公司，寧夏回族自治區(qū)石嘴山市，753000；3.天地科技股份有限公司，北京市朝陽區(qū)，100013)

石炭井焦煤公司4＃煤層為主采煤層，煤體極松散，類似粉末狀，幾乎沒有粘聚力，屬典型松散煤層。自建礦以來，4＃煤層一直采用炮采或炮采放頂煤回采工藝，煤壁片幫漏頂嚴(yán)重，推進(jìn)速度緩慢。2474工作面為4＃煤層首個大傾角綜放開采試驗(yàn)面，配備ZF6000／17／30D型低位放頂煤液壓支架，采用整體頂梁帶伸縮梁及護(hù)幫板結(jié)構(gòu)，回采過程中為了防止頂煤自液壓支架伸縮梁間隙泄漏，頂梁鋪設(shè)金屬網(wǎng)，且煤塵極大，作業(yè)環(huán)境惡劣。合理的煤層注水不僅有助于降塵，也可使頂煤形成一定厚度的粘結(jié)層，延緩煤壁片幫冒頂，但現(xiàn)有煤層注水參數(shù)和工藝多依靠經(jīng)驗(yàn)獲得，實(shí)際應(yīng)用效果不理想。本文針對現(xiàn)有煤層注水遇到的問題，應(yīng)用理論分析和現(xiàn)場實(shí)測，對注水參數(shù)和工藝進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化。

1 工程概況

2474綜放工作面開采下二疊統(tǒng)山西組4＃煤層，煤厚5.5m，平均傾角28°，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，普氏系數(shù)0.25，含有8層夾矸，夾矸為灰黑色薄層狀泥巖，性脆易碎，沉積較穩(wěn)定。直接頂為厚2.6m灰黑色泥巖，薄層狀；老頂為厚3.9m中粒砂巖和厚8.4m細(xì)砂巖；偽底為厚0.4m泥巖；直接底為厚5.7m粉砂巖。煤層屬Ⅲ類自燃煤層，煤塵具有爆炸性，低瓦斯，水文地質(zhì)條件簡單。工作面走向長580m，平均斜長113m，埋深490m，割煤高度2.5m，放煤高度3.0m。

2 煤層高壓深孔注水機(jī)理

相關(guān)研究表明，合理的煤層注水可增加煤體的水分和顆粒之間的粘聚力，降低煤的脆性，增加煤壁和頂煤的整體性，延緩煤壁的片幫漏頂，留給工作面一定的拉架時(shí)間，有效地控制煤壁及梁端頂煤的片幫和冒落，同時(shí)由于煤體含水率增大，降低了回采過程中工作面的煤塵。煤層注水的過程可劃分為兩個階段:首先采用高壓擴(kuò)充滲透通道空間及其廣度，形成輸水和貯水空間；然后通過中低壓靠煤體細(xì)微孔隙的毛細(xì)作用逐漸吸附這些水分，構(gòu)成補(bǔ)給-濕潤吸附的過程。結(jié)合4＃煤層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和組成成分，煤體中含有大量的黏性礦物質(zhì)，其粒徑非常小，表面積很大，能吸收大量的水分子，而且根據(jù)煤層組成分析，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含有8層穩(wěn)定泥巖夾矸，遇水黏度增加，易膠結(jié)，使礦物質(zhì)與煤體在吸收大量水分后，在礦山壓力和超前支承壓力的作用下，煤體整體性顯著增強(qiáng)，形成不易脫落的頂板再生層。

3 高壓深孔注水參數(shù)選擇與優(yōu)化

2474工作面開采初期采用工程類比方法確定了注水參數(shù)和工藝。在回風(fēng)巷內(nèi)沿巷道的下幫布置單排注水鉆孔，鉆孔間距10m，孔徑75mm，設(shè)計(jì)孔深37m，實(shí)際孔深平均30m，煤層傾角28°，鉆孔方位平行于切眼，由于鉆桿在自重作用下具有自然下垂的趨勢，大傾角煤層鉆孔施工應(yīng)充分考慮鉆孔的偏斜，根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)偏斜角按3°考慮，鉆孔設(shè)計(jì)傾角25°，開孔離底板高度1.5m，終孔位于支架頂梁上1m左右。采用聚氨酯材料封孔，封孔長度8m。使用ZDY-1500液壓鉆機(jī)施工，?68mm圓鉆桿，采用水排排粉方式。采用BRW80／31.5專用注水泵供水，設(shè)定壓力5MPa。回風(fēng)巷鋪設(shè)1趟?51mm注水鋼管，鋼管通過截止閥及三通閥與封孔鋼管連接進(jìn)行注水。以煤壁淋水為最終結(jié)束注水標(biāo)準(zhǔn)。

經(jīng)過一段時(shí)間現(xiàn)場試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鉆孔周圍煤壁返水嚴(yán)重，但實(shí)際注水量少，工作面中下部割煤時(shí)煤壁干燥松散，未能形成粘結(jié)層，片幫漏頂嚴(yán)重，煤塵大，注水效果不理想。為了增強(qiáng)頂煤的整體性和穩(wěn)定性，對現(xiàn)有的注水參數(shù)和工藝進(jìn)行了優(yōu)化。

3.1 優(yōu)化鉆孔布置，合理確定鉆孔間距。

鉆孔間距依據(jù)濕潤半徑而定，為濕潤半徑的2倍。研究表明，濕潤半徑與鉆孔直徑、注水壓力和時(shí)間存在一定的正相關(guān)性，在孔徑、注水壓力和時(shí)間一定的情況下，濕潤半徑基本變化不大。由于不同的煤層結(jié)構(gòu)、煤質(zhì)、埋藏條件，其注水特性差異較大，不能簡單照搬其它礦井的注水參數(shù)，因此本項(xiàng)目確定了現(xiàn)場實(shí)測試驗(yàn)方案，通過測試考察孔內(nèi)煤樣含水率的變化，確定濕潤半徑。本次在2474工作面共考察了32＃～34＃3個鉆孔，相鄰鉆孔間距10m，相鄰鉆孔間布置7個取樣孔，具體布置見圖1。在鉆孔注水24h后對考察孔進(jìn)行取樣分析。取樣時(shí)，用麻花鉆桿 (?42鉆頭)在煤體內(nèi)5～6m深處取煤樣約0.5kg，煤樣用塑料袋密封，上井后在實(shí)驗(yàn)室實(shí)際測定其含水率。若遇到鉆孔出水馬上停止打鉆并及時(shí)封堵。考察孔煤樣含水率測試結(jié)果見表1。

圖1 注水孔及考察孔布置示意圖

通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)測，4＃煤層原煤含水率為0.6%～0.72%，平均0.67%。由表1可知，煤層注水后，考察孔煤樣含水率范圍為0.75%～2.04%，說明煤體滲透系數(shù)大，透水性差，水分增量在0.08%～1.37%之間。由煤層注水降塵相關(guān)要求可知，煤體內(nèi)含水率必須增加1%以上才能有效降塵，這里選擇煤層含水率增加1%作為判斷濕潤半徑的指標(biāo)，由表1可看出，A1、B1、F1、G1和A2、B2、F2、G2孔煤層含水率均增加了1%以上，由此可確定濕潤半徑為3～4m，可見原設(shè)計(jì)注水孔間距10m明顯偏大，存在較大范圍的注水空白帶，因此注水孔間距調(diào)整為5m。

表1 考察孔煤樣含水率測定表

3.2 改善鉆孔施工機(jī)具，提高深孔施工深度

煤層注水鉆孔深度取決于工作面長度、煤層透水性及鉆孔方向。鉆孔深度應(yīng)不小于工作面斜長的三分之二，2474工作面斜長113m，鉆孔深度應(yīng)達(dá)到75m，但實(shí)際鉆孔深度僅有30m，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)要求；另外，由于復(fù)雜結(jié)構(gòu)松散煤層條件下，選用圓鉆桿水排煤粉發(fā)生塌孔卡鉆事故頻繁，成孔率低，圓鉆桿由于有限的排渣空間，不能有效將產(chǎn)生的過量煤渣及時(shí)排出，導(dǎo)致過量煤渣堵塞鉆孔，且4＃煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含有多層泥巖夾矸，在水的沖刷下，泥巖吸水軟化膨脹垮落，易造成卡鉆等事故。針對當(dāng)前施工機(jī)具在使用過程中存在的問題，結(jié)合4＃煤層開采條件，提出采用三棱鉆桿施工，三棱鉆桿實(shí)物見圖2，增加煤粉排泄空間，在鉆桿轉(zhuǎn)動過程中，六條棱將顆粒進(jìn)行再次粉碎，顆粒更小，更容易排出。采用壓風(fēng)作為冷卻和沖洗介質(zhì)，并配備孔口除塵裝置，降低作業(yè)場所粉塵濃度。

圖2 三棱鉆桿實(shí)物圖

3.3 分階段選擇注水壓力

由深孔高壓注水機(jī)理可知，在煤層深孔注水的初期是以壓裂為主，后期以濕潤和黏結(jié)為主。在壓裂階段，注水壓力主要取決于煤體的抗拉強(qiáng)度極限與上覆巖層的壓力之和，壓力一定時(shí)才能使煤體原生裂隙擴(kuò)大和層理加寬。2474工作面平均埋深490m，初步分析上覆巖層壓力為9～10MPa，因此初期注水壓力應(yīng)不低于10MPa，考慮到管路壓力損失，注水泵壓力設(shè)定為12MPa。注水后期主要以濕潤和提高黏結(jié)性為主，注入水體通過裂隙與煤體中的礦物質(zhì)發(fā)生化學(xué)作用階段，使破碎煤體的黏結(jié)性、整體性得到增強(qiáng)，后期注水壓力設(shè)定為6MPa。

3.4 添加煤層注水增強(qiáng)劑，增強(qiáng)水的滲透能力

由于4＃煤層為低滲透性煤層，為了提高水的滲透能力，在注水泵箱里添加化學(xué)配方藥劑與水混合，藥液濃度達(dá)到0.2%～0.5%，通過加壓泵對煤體進(jìn)行注水，以擴(kuò)大水在煤層中的濕潤半徑，減少鉆孔工程量，縮短煤層注水時(shí)間，有效改善注水效果，降低采煤作業(yè)場所的煤塵濃度，提高煤體的粘結(jié)強(qiáng)度。

4 改進(jìn)效果評價(jià)

根據(jù)以上改進(jìn)方案，對注水鉆孔進(jìn)行了補(bǔ)打，鉆孔間距縮短到5m，應(yīng)用三棱鉆桿施工鉆孔45個，最深達(dá)到93m，最淺59m，平均孔深76m，滿足了設(shè)計(jì)要求。通過添加煤層注水增強(qiáng)劑，分時(shí)段選擇注水壓力后，單孔注水時(shí)間由原來的24h縮短到13.5h，工作面煤壁充分濕潤，降塵效果十分明顯，且在頂梁1.5m范圍內(nèi)能形成較硬的粘結(jié)層，采煤機(jī)割煤后煤壁基本不片幫漏頂，大大縮短了頂煤維護(hù)時(shí)間，采煤機(jī)開機(jī)率由原來的28%提高到了43%，大大提高了推進(jìn)速度。

[1]張廷松.濕潤劑提高煤層注水效果及其應(yīng)用[J].力學(xué)與實(shí)踐，1999(5)

[2]馬紅偉.平煤十礦本煤層深孔施工裝備及工藝研究應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2009 (10)

[3]劉順章.煤層深孔動壓注水技術(shù)在三軟煤層綜放面的應(yīng)用[J].煤炭技術(shù)，2005 (10)

[4]臧明甫.采面煤層動壓注水處理瓦斯的效果與分析[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2003 (12)

[5]曹懷建，張琪等.三尖河煤礦煤體注水及自動加液裝置應(yīng)用研究[J].華北科學(xué)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011(2)

[6]李耀光.深孔動壓注水在綜放面降塵中的試驗(yàn)研究[J].中國煤炭，2007 (12)

[7]劉濤，郭勝均等.分段式注水對濕潤半徑影響的試驗(yàn)研究[C].中國煤炭學(xué)會煤礦安全專業(yè)委員會2009年學(xué)術(shù)研討會論文集，2009