煤層注水技術(shù)在高瓦斯礦井的應(yīng)用展望

摘 要：文章重點(diǎn)介紹了煤層注水的工作技術(shù)原理，對(duì)注水過程的受力及各個(gè)階段的作用進(jìn)行了分析，并以此為依據(jù)預(yù)測了該項(xiàng)技術(shù)在礦井災(zāi)害防治方面的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：煤層注水；高瓦斯；粉塵

引言

近年來，隨著礦井開采規(guī)模和開采強(qiáng)深度的不斷加大，煤礦井下生產(chǎn)過程中的粉塵產(chǎn)生量也急劇增加，沖擊地壓、瓦斯等災(zāi)害對(duì)于礦井安全生產(chǎn)的危害也日益加重。然而，煤層注水技術(shù)憑借其在抑制煤塵、治理瓦斯、預(yù)防沖擊地壓等方面的良好效果，正在被人們所關(guān)注。

1 煤層注水

1.1 煤層注水的工作技術(shù)原理

煤的物理結(jié)構(gòu)為多孔固體，原煤膠結(jié)過程中即存在原生空隙，又有因地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成的裂隙及大量空隙，使得媒體中存在大量的自由空間和空隙表面。這些自由空間為瓦斯賦存提供了良好的存儲(chǔ)及運(yùn)動(dòng)條件，瓦斯的存在以吸附及游離狀態(tài)吸附在媒體內(nèi)，原煤形成過程中原生煤粉也在這些自由空間中得以保存。煤層注水是指在原煤回采過程之前，選擇合適的層位通過鉆孔技術(shù)將壓力水注入煤層，壓力水通過裂隙進(jìn)行滲透，擴(kuò)散，毛細(xì)、壓細(xì)運(yùn)動(dòng)，擴(kuò)散的水分子在媒體裂隙中得以保存，使得煤層中水分含量增加，能夠有效降低原煤回采過程中的粉塵產(chǎn)生，能夠防治瓦斯，降低自燃發(fā)火概率及預(yù)防沖擊地壓。

1.2 煤層注水技術(shù)的受力分析

媒體是由煤塊及大量不規(guī)則的裂隙結(jié)構(gòu)組成的復(fù)合體，煤層注水在孔隙及裂隙中動(dòng)力來源有兩種：一是孔口注水壓力；二是孔隙及裂隙對(duì)水的毛細(xì)作用力，兩種受力的矢量和就是注水的動(dòng)力。高瓦斯煤層中的瓦斯壓力是阻止注水的阻力之一。即在高瓦斯礦井中煤層注水動(dòng)力是以上三種力的合力。對(duì)于煤層孔隙，作用于孔隙兩端的總壓力差為：

Pz+Pm-Pw=△P （1）

式中：Pz為注水壓力，kPa；Pm為毛細(xì)作用力，kPa；Pw瓦斯壓力，kPa；△P總壓力差，kPa。式（1）中管網(wǎng)或水泵的壓力決定注水壓力，瓦斯賦存情況決定瓦斯壓力，而孔隙的直徑、水的表面張力、水對(duì)煤的潤濕邊角決定煤層孔隙的毛細(xì)作用力。

1.3 煤層中水的作用過程

1.3.1 注水階段。初始?jí)毫λ孛簩釉B通裂隙通道進(jìn)入煤層，是一個(gè)克服煤體內(nèi)部阻力的過程。煤層在原始狀態(tài)中，原生裂隙通道只占全部通道的極少一部分，暢通連接的極少。對(duì)煤層初始注水時(shí)，其內(nèi)部阻力大，注水效果不好，注水會(huì)出現(xiàn)臨界壓力值。針對(duì)這一情況研制出了一種注水添加劑滲透壓力棒，在注水初期添加此滲透棒能夠有效降低注水壓力值，取得很好的注水效果。在進(jìn)水的過程中不斷發(fā)生煤體壓裂壓斷，使得原本沒有連通的孔隙、裂隙有了很好的導(dǎo)水導(dǎo)氣性，將孔隙中游離瓦斯排出煤層，降低回采時(shí)瓦斯超限甚至爆炸事故發(fā)生的可能性，同時(shí)壓力水流到達(dá)的區(qū)域，可以有效地濕潤煤體孔隙中存在的原生煤塵，抑制粉塵的產(chǎn)生，很好地促進(jìn)礦井無塵化建設(shè)。

1.3.2 貯水階段。媒體注水后隨著壓力的不斷增加，媒體裂隙通道隨著壓力的作用，不斷擴(kuò)大增多，受壓水不斷進(jìn)入，同時(shí)存儲(chǔ)于裂隙中，這是注水滲流潤濕的主要過程。隨進(jìn)水程度增大，煤層水分趨于飽和，進(jìn)水程度大大減弱，水壓力的增大使原本吸附在煤體表面的瓦斯開始掙脫束縛，變成游離態(tài)，并通過導(dǎo)通的裂隙排出煤體，使得煤體中的瓦斯在原有基礎(chǔ)上再次降低；注水壓力的增加也使得煤體的濕潤程度進(jìn)一步加深，粉塵產(chǎn)生的可能性更小。

1.3.3 吸附水階段。加壓水在滲流通道中運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，細(xì)微裂隙孔會(huì)緩慢吸附滲流通道系統(tǒng)的水，從而形成吸水過程，毛細(xì)孔隙再次起到極大作用。注水壓力會(huì)在細(xì)微孔隙中消耗殆盡，從而不斷增加毛細(xì)作用力。吸附過程隨著時(shí)間不斷變化，吸附作用隨著時(shí)間增加越來越突出，吸附水量會(huì)不斷增加。在這一階段中，煤層中所注的水最大限度被吸收，煤體被軟化，煤脆性減弱，塑性增加，應(yīng)力集中地帶發(fā)生變化，可以有效降低沖擊地壓發(fā)生的概率。與此同時(shí)，抑制煤層和排放瓦斯的功效得到最大限度發(fā)揮。

2 煤層注水技術(shù)的應(yīng)用展望

2.1 防塵效果

煤層注水是降低煤層產(chǎn)塵最有效、最根本的方法，水進(jìn)入煤體后平均降塵率達(dá)88%。煤層中水分增大，會(huì)有效降低采煤各環(huán)節(jié)的煤塵產(chǎn)出。一是在煤層裂隙中存在的煤塵經(jīng)過水分濕潤后，能有效降低其飛揚(yáng)能力，從根本上減少煤塵產(chǎn)出源頭；二是煤層注水后能夠均勻吸附在媒體通道中，在采煤中，媒體破碎后，由于有水分吸附，其煤塵飛揚(yáng)能力大大降低；三是注水改變媒體物理結(jié)構(gòu)，使其塑性增大，脆性降低，從而破壞媒體時(shí)能夠有效較少煤塵產(chǎn)出量。

2.2 降低工作面瓦斯涌出量

煤層注水能夠有效減少瓦斯涌出量，其作用過程如下：注水過程中注水，壓力必須克服瓦斯壓力，才能夠使水進(jìn)入煤層，加壓水的進(jìn)入能夠使媒體裂隙通道增大，提高媒體通氣性，同時(shí)能夠改變媒體的物理力學(xué)結(jié)構(gòu)，增大可塑性，降低彈性模量，能夠使應(yīng)力均勻分布，彈性釋放速率降低，裂隙水的存在，有效減少瓦斯涌出量。

2.3 預(yù)防沖擊地壓

注水后能夠軟化媒體，使媒體結(jié)構(gòu)改變，使媒體脆性減弱，增加其可塑性，使其煤壁前方塑性變形區(qū)變寬，應(yīng)力集中區(qū)向深部移動(dòng)同時(shí)寬度增大，降低媒體沖擊傾向，能夠有效改善能量釋放過程中的時(shí)間穩(wěn)定性和空間均勻性，這樣便直接防止了沖擊地壓的發(fā)生。

2.4 避免自然火災(zāi)

注水后的媒體熱容量增大，媒體導(dǎo)熱系數(shù)提高，能夠有效降低遺煤中的溫度，消除高溫點(diǎn)安全隱患，從而有效延長了煤體的自然發(fā)火日期。

3 結(jié)束語

高瓦斯礦井在開采之前，按照國家治理瓦斯的十二字方針，應(yīng)先進(jìn)行瓦斯預(yù)抽。瓦斯預(yù)抽需要施工抽放鉆孔，這為煤層注水奠定了很好的先決條件，二者可以相互利用，相互促進(jìn)。一方面可以降低煤層在開采過程中的瓦斯涌出量，降低煤體中的瓦斯壓力，提高開采時(shí)的安全性；另一方面瓦斯被抽出后，增加了煤體的孔隙率，使得注水更加容易。與此同時(shí)，通過向煤層注水可以有效濕潤煤體，從根本上抑制了粉塵產(chǎn)生的來源。壓力水注入煤層的同時(shí)，改變了煤體的物理力學(xué)性質(zhì)，提高了可塑性，是對(duì)于預(yù)防沖擊地壓有著很好的效果。因此，高瓦斯礦井在進(jìn)行煤層注水時(shí)，應(yīng)首先考慮利用瓦斯抽放孔進(jìn)行注水，這樣既能取得較好的注水效果，也可以減小煤層注水的工程量，有利于降低成本。鑒于目前煤層注水技術(shù)的應(yīng)用還不是很成熟，所以需要我們?cè)谝韵聨讉€(gè)方面加以努力：（1）目前長鉆孔煤層注水已在我國各大煤礦有了應(yīng)用，但是隨著機(jī)械化采煤水平的普遍提高，解決長鉆孔煤層注水技術(shù)的打鉆導(dǎo)向、鉆孔布置方式、封孔方法、深孔注水工藝及設(shè)備上的難題也日漸重要；（2）對(duì)于高瓦斯礦井而言，應(yīng)該努力將瓦斯治理和粉塵防治準(zhǔn)確、有效結(jié)合起來，真正實(shí)現(xiàn)瓦斯抽放鉆孔一孔多用，減少礦井災(zāi)害防治的工作量，提高生產(chǎn)效率；（3）通過石油天然氣的高壓水壓裂技術(shù)可以大膽預(yù)測，煤層氣的抽采與井下煤層注水技術(shù)也有著特定的聯(lián)系，所以應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)此研究，保證礦井安全生產(chǎn)。

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作者簡介：汪虎（1986-），男，寧夏沙坡頭區(qū)濱河鎮(zhèn)，助理工程師，2009年畢業(yè)于河南理工大學(xué)安全工程專業(yè)。2009年10月進(jìn)入陜西彬長胡家河礦業(yè)有限公司工作，從事“一通三防”管理工作。