同忻煤礦特厚煤層注水濕潤半徑控制因素的研究與應用

崔貴龍

（大同煤礦集團安全監管五人小組管理部，山西 大同 037003）

在煤炭生產過程中，煤塵的產生是不可避免的，過量的煤塵可能引發燃燒甚至爆炸，給煤礦企業高效安全生產帶來不良后果。另外，吸入過量煤塵會給員工健康帶來不利影響。因此，對于井下煤塵的控制是十分必要的。

礦井煤塵防治的主要手段是煤層注水技術。這一技術既能有效控制煤塵，還可以預防瓦斯突出等情況。目前煤層注水所用的鉆機、封孔器等鉆孔設備和注水泵、恒流閥、輸送管路、壓力表等水壓設備已經基本發展成熟，也可以根據現場需要采用靜壓注水、動壓注水等不同方式，對于煤塵防治起到很好的效果。在此基礎上，本文針對特厚煤層注水技術進行研究，通過數值模擬的方法確定效果更好的注水方法與參數。

1 8103工作面概況

同忻煤礦8103工作面所采煤層為3#煤層，煤層厚度約15.2～25.92m，屬于特厚煤層，煤層多為半亮型、半暗型的低硫低揮發型原煤。工作面整體走向長1895.5m，工作面傾向長200m，工作面內布置有2103巷、5103巷、8103頂板抽放巷，并與3#、5#煤層頂底板相接，其中8013頂板抽放巷位于煤層頂板布置，而2103巷、5103巷的兩順槽則布置在煤層的底板。

2 特厚煤層注水技術研究

在現場實測數據的基礎上，使用COMSOL multiphysics數值模擬的方法分別研究不同注水壓力條件、不同傾角、不同鉆孔布置方式、以及單、雙側部孔對特厚煤層濕潤半徑的影響規律。以此確定工作面實際注水作業中鉆孔布置方式、深度、間距、傾角、水壓以及水量等參數。

2.1 不同壓力條件下濕潤半徑的分布

模擬均質煤體中注入1～5MPa壓力條件下水壓對煤體浸潤的狀況。匯總不同壓力條件下煤體的濕潤半徑如下圖1所示。

圖1 不同注水壓力條件下的濕潤半徑

根據數據，煤體所處環境空氣、瓦斯壓力一定，1MPa的注水壓力條件下煤體中飽和度達到0.33的點位于離注水孔大約6m處，含水率5.25%；2MPa的注水壓力條件下，飽和度達到0.33的位置處于距離注水孔10m處，含水率6.14%；3MPa的注水壓力條件下，所確定的濕潤半徑位于注水孔15m處，含水率6.86%；4MPa的注水條件下，所確定的濕潤半徑為距注水孔大約18m處，含水率7.35%；在注水壓力增加到5MPa時，濕潤半徑增加到了20m左右，含水率7.75%。

從上述數據規律可以看出，煤體基質的含水率會受到注入水壓的影響，開始增加較明顯，達到一定壓力時增速減緩，濕潤半徑逐步增加，濕潤半徑變化速率呈現非線性變化，水壓在1～3MPa時濕潤半徑的變化速率逐步加快，3～5MPa時開始降低。根據變化速率確定選擇的注水壓力適宜選取3MPa。

2.2 不同傾角條件下濕潤半徑的分布

8103工作面全長200m，根據測算得出當鉆孔傾角大于6°時，鉆孔頂端將超出煤層范圍，故為了便于現場測定，選擇模擬6°以內六種角度，并從水平鉆孔開始，每次增加1°（即0°、+1°、+2°、+3°、+4°、+5°時），分別模擬和測量不同傾角的鉆孔對煤層注水的濕潤半徑影響范圍，而濕潤半徑的臨界值為飽和度0.33時。將數據匯總如下圖2所示。

圖2 不同傾角注水對濕潤半徑的影響

從上述匯總數據中所反應的規律可以看出，不同傾角的注水鉆孔對煤體濕潤半徑的影響規律與不同壓力下濕潤半徑影響規律基本相同，呈現出濕潤范圍在傾角增加的過程中先增加，到達一定范圍后增加的幅度開始降低。在傾斜注水過程中從注水孔進入煤體的水會在壓力作業下浸潤煤體，水同時也會在受到重力和毛細作用下增加影響范圍。由于煤體的空間限制，+5°時所施的鉆孔頂端會達到煤層頂板，相對毛細作用所能影響范圍較小，限制毛細作用對水的擴散作用，因此雖然煤層注水過程中濕潤范圍會隨傾角增加而增加，但隨毛細作用的減弱，當注水鉆孔傾角在大于+4°開始降低，因此為了適應8103工作面的作業環境，為了達到最大濕潤范圍，注水鉆孔適應選擇+4°，方能達到最大濕潤半徑。

2.3 鉆孔的布置方式對濕潤范圍的影響

煤體注水孔中的水流在重力作用下，向下的滲透作用致使水在煤體中呈現倒錐形，類似漏斗形狀，在同等間距不同高度的注水孔下水體分別易與兩側低位的鉆孔形成的注水裂隙相貫通，繼而增加鉆孔注水濕潤范圍，增加煤體中水的飽和度，相對于平行分布的注水鉆孔，煤體中的水飽和度高，以及孔隙間的貫通增加毛細作用，致使擴散范圍增加。

鑒于同忻煤礦8103工作面的煤層狀況，適宜采用一定高程差的高低鉆孔布置方式，選取合理鉆孔間高差有效提高水在煤體中向四周的浸潤效果，繼而降低開采中的煤塵。

2.4 雙向打孔與單側打孔對比

與上述原理相同，在單向打孔、雙向打孔時，兩種不同的鉆孔布置方式明顯會增加煤體間形成裂隙，增加水在煤體中的貫通，在飽和度增加下，通過毛細作用向四周擴散。單向打孔、雙向打孔兩種不同形式的注水方式下煤體含水率明顯不同，雙向打孔影響范圍明顯增大，濕潤效果更好。

3 現場煤層注水方案

將上述模擬數據結合現場實測數據確定煤層注水中各項參數狀況如下：

（1）鉆孔布置方式。結合數值模擬結果及現場施工條件，8103工作面的注水鉆孔選用雙向高低位布置方式，在2103巷、5203巷分別布置注水鉆孔。

（2）鉆孔傾角。考慮到煤層傾角+5°，為了避免煤層注水通過煤壁向機巷滲透，鉆孔盡量與煤層傾角相同。由數據模擬結果，為提高濕潤效果將鉆孔角度調整為+4°，并且方位角90°。

（3）鉆孔深度。根據雙向鉆孔相關規定計算：

式中：

L-鉆孔長度，m；

Lg-采煤工作面長度，m。

即注水鉆孔施工時應長于85m，注水鉆孔深度越大，濕潤范圍增加，提高降塵效果，考慮到工作面全長200m，鉆孔長度選取150m。

（4）鉆機選擇。選取TXU-65型煤體注水鉆配合Ф65mm鉆頭。

（5）鉆孔間距。根據相關試驗，同忻煤礦煤層注水最大濕潤半徑在15～20m。考慮到鉆孔布置方式調整為高低位布置，相對平行鉆孔濕潤影響范圍增加，鉆孔間距選取25m，低位鉆孔布置在底板1m處，高位鉆孔與低位鉆孔保持20cm的高差。

（6）注水加壓方式。8103工作面處煤體松散具有良好的透水性。先進行靜壓加壓，后動壓加壓，循環多次加壓。靜壓加壓起到軟化煤體的作用，注水流量降低后開啟動壓加壓，循環加壓提高水、電利用率。注水以煤層煤壁掛汗或無水壓為止。

（7）數據管理。各個注水管路都設置專用水量、水壓表，及時記錄數據，統一匯總，跟蹤監測。

4 應用情況

8103工作面在選擇雙向高低鉆孔布置，調整注水水壓、鉆孔傾角，并根據計算選取合理鉆孔間距后，通過半年實際作業的數據跟蹤，相較于傳統的單孔注水方式只有80m3，增加到1000m3。注水效率整體提高，工作面煤塵濃度只有原注水作業方式的60%左右，對煤塵治理起到良好的作用。