綜放工作面煤層注水參數(shù)與效果研究

曹康康

（霍州煤電集團(tuán)呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦，山西 臨縣 033200）

1 工程概況

霍州煤電集團(tuán)呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦9-101綜放工作面位于9#煤一采區(qū)，工作面標(biāo)高+703～ +851m，平均煤厚為11.8m，煤層結(jié)構(gòu)為4.5（0.3）1.8（0.3）2.8（0.7）1.40。該工作面長(zhǎng)度175m，呈一單斜構(gòu)造，傾向?yàn)闁|西向，走向?yàn)槟媳毕颍簩觾A角約3.6°。煤層覆巖從下至上依次為厚度0.1～1m的碳質(zhì)泥巖偽頂、厚度為5～7m的碳質(zhì)灰?guī)r直接頂、厚度為6～9m的砂質(zhì)泥巖老頂，頂板裂隙發(fā)育程度低。煤層的直接底為1～2m的泥巖，底板遇水無(wú)明顯軟化現(xiàn)象，老底為1～3m的細(xì)粒砂巖。9-101工作面所采9#煤煤塵具有爆炸性，爆炸指數(shù)為31.93%。現(xiàn)通過(guò)應(yīng)用煤層注水技術(shù)，提前將煤體濕潤(rùn)，降低放頂煤回采過(guò)程中的粉塵濃度。

2 鉆孔布置方式及參數(shù)

2.1 注水位置的確定

煤層注水位置距回采工作面合理距離的確定是煤層注水作業(yè)中的關(guān)鍵一步，合理的注水位置應(yīng)確保注水鉆孔注水范圍內(nèi)的裂隙可在回采工作面的超前支承壓力下發(fā)展變化，并且要保證有足夠的時(shí)間進(jìn)行注水作業(yè)使煤體充分濕潤(rùn)。水通過(guò)注水鉆孔進(jìn)入煤層中，沿裂隙運(yùn)動(dòng)。當(dāng)煤層中的裂隙發(fā)育程度較低，數(shù)量較少時(shí)，水所能達(dá)到的范圍較小，因此被充分濕潤(rùn)的煤體積較小；當(dāng)煤層中的裂隙發(fā)育程度過(guò)高，裂隙的張開量大時(shí)，所注水會(huì)形成徑流從煤層表面流過(guò)，只能濕潤(rùn)裂隙周邊的少量煤體，被充分濕潤(rùn)的煤體積較小；只有當(dāng)注水區(qū)域煤層的裂隙比較發(fā)育且裂隙張開量適中時(shí)，才能保證最大范圍的煤體得到充分的濕潤(rùn)[1]。

大量實(shí)測(cè)結(jié)果及文獻(xiàn)[2-3]研究表明，綜放工作面前方頂煤可以劃分為4個(gè)區(qū)域，分別為頂煤明顯變形區(qū)Ⅰ、頂煤壓裂區(qū)Ⅱ、頂煤松動(dòng)區(qū)Ⅲ、頂煤放落區(qū)Ⅳ4個(gè)區(qū)域。注水區(qū)域只能選擇在原生裂隙張開及發(fā)育的Ⅰ區(qū)Ⅱ區(qū)或者距綜放面距離更遠(yuǎn)的原巖應(yīng)力區(qū)。表1為不同硬度煤層注水時(shí)注水位置超前工作面的合理距離。

表1 不同硬度煤層注水位置超前工作面合理距離

龐龐塔煤礦目前所采9#煤的單軸抗壓強(qiáng)度為7.3MPa，屬于軟煤。由表1不同煤質(zhì)注水超前工作面合理位置并參考本礦其他綜放工作面超前支承壓力峰值位置超前工作面約50m的特征，最終確定距工作面10～60m范圍內(nèi)為9-101工作面煤層注水區(qū)域。

2.2 鉆孔布置方式

該礦9-101綜放工作面布置有9-1011回風(fēng)順槽用于運(yùn)煤、正巷進(jìn)出設(shè)備材料、通風(fēng)、行人，9-1012運(yùn)輸順槽用于進(jìn)出設(shè)備材料、通風(fēng)、行人。由于9-1011回風(fēng)順槽布置有皮帶，限制了作業(yè)空間，因此注水孔只能在9-1012運(yùn)輸順槽側(cè)布置，注水作業(yè)也只能在9-1012運(yùn)輸順槽內(nèi)進(jìn)行，因此選用巷道單側(cè)布孔的鉆孔布置方式。

2.3 鉆孔參數(shù)的確定

考慮礦方鉆機(jī)、鉆頭規(guī)格及注水管的直徑，并易于鉆孔后期的封孔作業(yè)，確定75mm的鉆孔直徑。煤層透水性、工作面長(zhǎng)度等都會(huì)對(duì)鉆孔長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)造成影響，單側(cè)布孔時(shí)鉆孔長(zhǎng)度的計(jì)算公式：

式中：

l-鉆孔的長(zhǎng)度，m；

L-工作面長(zhǎng)度，取175m；

L1-孔底至另一側(cè)順槽煤幫的距離，m。

L1由所注水煤層的滲透性確定，當(dāng)煤層滲透性為Ⅰ、Ⅱ類滲透性較強(qiáng)時(shí)，L1≥30m；當(dāng)煤層滲透性為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類滲透性較弱時(shí)，L1=25m。9-101工作面所在煤層滲透性為Ⅲ類，屬滲透性較弱的煤層，故取L1=25m，最終確定鉆孔長(zhǎng)度為150m。

注水鉆孔的傾角由式（2）確定。

式中：

γ-鉆孔傾角（大于0時(shí)為仰角，小于0時(shí)為俯角），°；

α-煤層傾角，向上打孔為正值，向下打孔為負(fù)值，取24°；

θ-鉆桿最大下沉角，取1°。

最終確定鉆孔傾角為25°。

鉆孔間距主要由煤層滲透性、煤層傾角及現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)構(gòu)造等因素決定，而最佳的鉆孔間距應(yīng)與鉆孔的潤(rùn)濕直徑相等。9-101工作面所在煤層滲透性為Ⅲ類，屬滲透性較弱的煤層，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐確定注水鉆孔的間距為15m。

煤層注水單孔注水量的計(jì)算公式為：

式中：

K1-重復(fù)浸潤(rùn)系數(shù)，取1.2；

K2-裂隙儲(chǔ)水系數(shù)，取1.2；

K3-注水過(guò)程中的漏水系數(shù)，取1.1；

h-煤層厚度，取11.8m；

L-工作面長(zhǎng)度，取175m；

S-孔間距，取15m；

γ-煤的容重，取1.9t/m3；

nz-煤體注水后提升的含水率，取1.8%。

經(jīng)計(jì)算最終確定單孔注水量為1678m3。

3 注水系統(tǒng)及效果分析

3.1 鉆孔的布置

在9-1012運(yùn)輸順槽內(nèi)采用單側(cè)布孔動(dòng)壓注水方式進(jìn)行煤層注水作業(yè)。注水孔傾角25°，垂直仰角5.02°，傾斜長(zhǎng)度150m，孔間距15m，孔底距9-1011回風(fēng)順槽煤幫約20m，全工作面共布置49個(gè)注水鉆孔。注水鉆孔由開切眼沿回采方向依次命名為1#、2#～49#鉆孔，其中1#鉆孔孔口、孔底與開切眼煤壁之間的距離分別為71m和20m。鉆孔布置如圖1所示。

圖1 9-101工作面鉆孔布置圖

3.2 注水系統(tǒng)及施工參數(shù)

9-101工作面采用動(dòng)壓注水方式進(jìn)行煤層注水作業(yè)，整個(gè)系統(tǒng)包括容積2m3的與乳化泵配套的水箱、7BG-4.5/160型水泵及5D-2/150注水泵、供水管、注水管、BFK型鉆孔專用封孔泵等。注水系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 工作面注水系統(tǒng)示意圖

注水系統(tǒng)中注水孔鉆孔直徑75mm，封孔段長(zhǎng)度10m，注水管直徑45mm，注水管長(zhǎng)度15m，注水管材料為高壓膠管或耐高壓的高強(qiáng)度塑料管，要求系統(tǒng)中的任何一個(gè)組件的耐壓能力均應(yīng)不低于10MPa[4]。鉆孔在未達(dá)到設(shè)計(jì)注水量之前用BFK型鉆孔專用封孔泵進(jìn)行封孔作業(yè)，要確保足夠的封孔長(zhǎng)度及密實(shí)性，避免出現(xiàn)煤壁大面積漏水、竄孔及封孔段漏水的現(xiàn)象。注水方式：采用兩孔并聯(lián)動(dòng)壓間斷重復(fù)注水方式。通過(guò)截止閥和分流器實(shí)現(xiàn)兩孔并聯(lián)同時(shí)注水，并且控制每個(gè)注水孔流量的大小及時(shí)間。初次注水孔位置超前工作面煤壁60m以外；二次復(fù)注水在工作面前方支承壓力影響區(qū)，即超前工作面煤壁40～60m。注水量：根據(jù)上文計(jì)算結(jié)果，每孔注水量不少于1678m3，但不受1678m3限制，注水量達(dá)到一定程度后煤壁上出現(xiàn)大面積滲水或水壓超過(guò)5MPa并持續(xù)1h為停水標(biāo)準(zhǔn)。注水時(shí)間的控制：選用7BG-4.5/160型注水泵，則每孔注水時(shí)間不少于10d；選用5D-2/150型注水泵，每孔注水時(shí)間不少于22d。

3.3 注水效果分析

為了考察9-101工作面應(yīng)用煤層注水降塵工藝的效果，對(duì)注水前后煤體的含水量及回采過(guò)程中工作面的粉塵濃度進(jìn)行實(shí)測(cè)分析。

煤層注水前的平均自然水分含量為2.43%，煤層注水后，取充分濕潤(rùn)的煤樣共10份進(jìn)行含水量測(cè)定，最終得到煤層注水后平均水分含量為4.36%，水分增量約1.93%。回采過(guò)程中工作面各區(qū)域的粉塵濃度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示。

由表2可知，9-101工作面應(yīng)用煤層注水降塵工藝后，采煤機(jī)司機(jī)位置處、采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)10m內(nèi)、移架位置處及工作面上隅角的全塵濃度均控制在200mg/m3，四個(gè)位置的降塵率均在60%左右，說(shuō)明煤層注水降塵效果顯著。

表2 回采過(guò)程中工作面各區(qū)域的粉塵濃度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表

4 結(jié)論

本文針對(duì)9-101綜放工作面的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況設(shè)計(jì)了煤層注水參數(shù)，確定了鉆孔的布置參數(shù)、單孔1678m3的單孔注水量，設(shè)計(jì)了配套使用的注水系統(tǒng)及注水施工參數(shù)。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施煤層注水工藝后，對(duì)煤體的含水量及回采過(guò)程中工作面各位置的全塵濃度進(jìn)行測(cè)試。注水后煤體的水分增量約1.93%，且將工作面上隅角、采煤機(jī)司機(jī)位置處、移架位置處及采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)10m內(nèi)的全塵濃度控制在200mg/m3左右，四個(gè)位置的降塵率均在60%左右，說(shuō)明煤層注水效果顯著。