淺談煤層注水工藝在易自燃煤層的實踐

常小軍

（1.太原理工大學，山西 太原 030024；2.大同煤礦集團同發東周窯煤業有限公司，山西 大同 037000）

8101綜放工作面主采煤層為3#～5#煤層，屬特厚煤層，平均厚度13.67 m，采高3.9 m，平均放煤高度9.77 m。工作面走向長度1638 m，傾斜長為199.5 m，煤層傾角大約5°，工作面通風方式為“一進兩出”的布置，進、回風兩順槽均沿煤層底板布置，沿頂巷沿煤層頂板布置與回風順槽內錯30 m。煤層易氧化自燃，煤層自然發火期較短，最短39 d，工作面內絕對瓦斯涌出量8～12 m3/min。3#～5#煤層屬低硫低磷中灰分煤，發熱量中等，易粘結，結焦性弱-中等，焦油產率高，屬于富油煤。

由于工作面內CO經常出現超限現象，給煤炭安全生產帶來了一定的影響。因此，分析CO超限原因，并采取相應措施防治CO超限具有重要的意義。煤層注水技術對煤礦井下作業環境的改善和災害防治都起到重要的作用。

1 8101工作面CO超限原因分析

8101綜放工作面為防治工作面瓦斯選擇頂回風巷處抽排瓦斯，為提高抽排效率工作面配風量達1100 m3/min，導致采空區氧化帶寬度超過100 m。由于進、回順槽巷道斷面大導致巷道受壓，巷道頂板松動圈發育，松動圈處回采過程頂板浮煤易氧化，同時因為采空區漏風情況嚴重，容易發生二次氧化發熱。同樣由于受到礦壓影響，頂回風巷和回風順槽貫通后的斜巷煤體出現嚴重破碎，碎煤易氧化，并且在頂回風巷發現輕微煙霧，判斷可能出現高溫熱點。由于工作面尾部區域出現硅化煤，該類煤質易氧化發熱，而且開采過程中發現工作面切眼有嚴重漏風，考慮到同煤集團塔山礦8206工作面在類似區域發生過在掘進過程出現高溫氧化熱點。又根據對所采煤樣的分析，工作面所采煤質的樣品的最短發火期為39 d，易發生煤層自燃。這些因素都是煤層中出現多處煤體氧化導致工作面內空氣中CO濃度上升的原因。

2 煤層自燃防治技術方案分析

2.1 煤層注水防治自燃的原理

煤層注水會增加煤體含水量，能有效降低自然發火幾率。這是由于煤層注水一方面能降低煤層氧化自燃的溫度；另一方面煤體水分增加，改變煤體的導熱系數和熱容量，增加煤體升溫所需要的熱量，降低煤的氧化發熱作用。

高壓水流會松動煤體結構，使煤體中應力分布狀態改變，高壓水流增加煤體裂隙，煤的力學性能、滲透性能和應力分布狀態的改變，導致煤層的吸附式瓦斯呈游離狀態后沿煤體裂隙 （原生裂隙和壓裂裂隙）提前釋放，從而降低工作面回采過程中瓦斯涌出。

浸潤后的煤體斷裂形式改變，從脆性斷裂改為塑性斷裂，力學性能的改變，會減少開采過程中煤塵的產生量。另一方面水分導致煤塵顆粒自重增加，同時互相粘結，阻止煤塵揚起。

2.2 煤層注水參數研究

（1） 注水設備

8101綜放工作面超前注水措施采用ZYG l00/150型鉆機進行鉆孔施工，配合Φ75 mm鉆頭與配套鉆桿，選用工作壓力15 MPa的5D-2/150型注水泵。該泵電機功率為13 kW，電機質量320 kg，注水泵運行時額定流量2 m3/h。

（2） 鉆孔布置

由于煤層厚度較厚和礦壓影響，8101工作面尾部區域煤層頂板處存在破碎的易氧化的硅化煤。為了提高煤層注水工作對煤體濕潤效果，鉆孔角度選擇沿走向傾斜5°，根據以往注水效果，濕潤半徑介于15～20 m。鉆孔布置為高低鉆孔配合，進行雙層注水，提高煤層注水濕潤效果。鉆孔長度為150 m，每隔25 m打一個孔。

（3）注水量及注水時間

煤體注水分為靜壓階段和動壓階段，兩者明顯區別在于靜壓階段煤層注水工作需要使用高于上覆巖層的壓力對煤體產生破壞或松動，在煤體間擴大節理裂隙和加大層理的寬度，并且產生新的裂隙以促使水流獲得新的通道。同時將煤體間吸附狀態的瓦斯釋放至游離狀態；動壓階段水壓致使進入煤體的水分以毛細現象以滲透的形式濕潤軟化周圍的煤體，使水分均勻擴散四周。

① 注水量

a、靜壓注水

注水期間靜壓階段主要是水壓對煤體的破壞，進入煤體水量較少可不計，動壓階段單孔注水量為0.3～2 m3/h。

式中：R為以經驗潤濕半徑7.5 m計算；h為煤層厚度，14 m；L為 鉆 孔 深 度150 m；γ為 煤 的 容 重1.43 t/m3；K為備用系數，取1.3；2.44%為注水后水分增加按2.44%計算。

所以單孔注水量最少為714 m3左右。② 注水壓力根據理論可得

式中：Pr為煤層絕對瓦斯壓力，MPa(取0.32 MPa)；Pc為上覆巖層的靜水壓，MPa，H為煤層的埋藏深度，m；γ為巖層容重，t/m3；煤體達到濕潤狀態下的最大注水壓力為Ps，MPa。

根據計算得出注水壓力范圍約為0.48～6.51 MPa，不過根據以往實踐，將動壓注水壓力選為7～9 MPa。

根據注水量確定注水時間

式中：dr為單孔動壓注水流量，0.3～2 m2/h。

至少需要357 h完成煤層注水工作，即大約15 d左右。通常情況下，煤層中水分質量分數大于5%時被認為被充分濕潤軟化。但從表象來看，濕潤軟化階段通常被認為參考區域的煤壁表面會開始滲出水珠，又被稱為煤壁“掛汗”現象，此可以停止注水。

3 注水防治效果

1）8101工作面采用煤層超強注水措施后，煤層中煤體含水量增加，水分的增加會降低煤體溫度，同時增加煤體的導熱系數和熱容量，阻止煤層的自然發火。

2）高壓注水措施致使煤層中煤體松動并產生細小裂隙，鉆孔及靜壓注水過程導致煤層中瓦斯提前卸壓排除，該時間內被影響區域瓦斯涌出呈上升趨勢。工作面煤壁“掛汗”階段，煤層瓦斯涌出量明顯降低，濃度變化減小呈平穩狀態，同時煤體透氣性能減弱，有效控制了瓦斯超限現象。

3）由于煤層注水導致煤體的破壞形式方法改變，由脆性破壞改為塑性破壞，同時大量水分浸潤和粘結煤塵，采煤過程中空氣中全塵濃度有效降低。

4 結語

1）本文通過對煤層注水技術的研究，合理布置了注水孔位置，并選擇了注水參數，有效控制了煤層自燃，同時為區域性井下作業環境改善起到良好的作用。

2）煤層注水技術作為一種主動、預防性治理手段，相較于瓦斯抽放、噴霧、注漿等治理手段，費用較低，工程施工小，同時又能起到良好的治理效果，能夠安全、高效、經濟的控制煤層自燃、瓦斯突出和煤塵超限等多種礦井災害事故發生。