煤層注水在瓦斯突出礦井中的應用

2020-07-14 16:45:40王謨

山西能源學院學報 2020年3期

王謨

【摘要】為解決瓦斯突出煤層開采期間粉塵產生量較大問題，文章利用采面瓦斯抽采孔進行煤層注水，并對注水孔注水量、注水速度隨時間變化情況進行分析，對注水前后的除塵效果進行考察。研究表明，在瓦斯突出煤層中將瓦斯抽采鉆孔改造成注水鉆孔具有較強的可行性，可顯著降低注水鉆孔施工工程量，并結合動、靜壓注水工藝可以使得采面內煤體含水率增加1%以上，下風側采煤司機位置、距機尾10m位置呼吸性粉塵濃度、全塵濃度降低率分別為54.57%、48.15%， 53.19%、53.29%，注水降塵效果顯著。

【關鍵詞】瓦斯突出;注水;降塵;抽采鉆孔;注水鉆孔

【中圖分類號】 TD714 【文獻標識碼】 A

【文章編號】 2096-4102（2020）03-0020-03 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

突出煤層開采時采用瓦斯預測是防治瓦斯事故的主要手段，然而密集施工瓦斯抽采鉆孔并接抽勢必會降低原煤含水率，增加采面粉塵產生量，因此，對預抽的突出煤層進行注水十分有必要。雖然現階段眾多研究人員對煤層注水展開研究，但由于煤層賦存條件差異，不同注水工藝取得的注水效果也有顯著差異。在煤層中采用高壓注水方式可以提升煤體滲透率及孔隙體積;采用間歇注水方式可以提升注水效率，減少注水耗時。文中以山西某礦3608綜采工作面為工程背景，采用本煤層瓦斯抽采鉆孔進行注水孔增加煤層含水率，并對注水后效果進行分析。

1工程概況

3608綜采工作面開采的6號煤層具有突出危險性，煤層厚度在1.2～2.2m，傾角在10～16°，煤層賦存較為穩定。煤層原始瓦斯含量為14.3m3/t，瓦斯壓力為1.28MPa，硬度（f值）0.28～0.49，含水率為0.60%。采面采用綜采方式，全部垮落法管理頂板，布置斜長110m，走向長689m。采面采用Y型通風方式（兩進一回），風量為860m3/min，采面內風速較高，生產期間煤塵產生量大，粉塵濃度最高達到1650mg/m3。

2煤層注水

2.1注水系統

在3608綜采工作面進、回巷巷內均布置有本煤層瓦斯抽采鉆孔，為了減少鉆孔施工工程量，提高注水效率，決定采用采面內的瓦斯抽采鉆孔進行注水。為了確定煤層注水后的有效浸潤半徑，在采面前方40～70m內采用8個瓦斯抽采孔進行注水試驗，注水孔編號依次為1～8號。由于6號煤層本身松軟，為提升煤層注水效率，采用間歇注水方式，即在早班采用動壓注水，在中班及晚班采用靜壓注水，通過適當提升煤層注水壓力，達到增加煤層孔隙率目的。在注入的水體中添加適量的濕潤劑來降低水表面張力，提升水對煤體浸潤效果。具體在3608綜采工作面布置的注水系統見圖1。

動壓注水方式主要分單孔、多孔兩種方式，其中多孔方式在礦井應用較為廣泛，在試驗注水孔時采用多孔動壓注水方式，每組布置8個注水孔。

2.2注水參數

2.2.1注水孔參數

注水鉆孔深度。在回采工作面采用單側注水方式時，注水孔深度以一般為采面斜長的1/2～2/3，

3608綜采工作面斜長在110m，單側布置的注水孔深度宜為55～74m，為了提升煤層注水效果，取注水孔深度為80m。原采面布置的瓦斯抽采孔深度在40m，待接抽完畢后，將鉆孔深孔擴展至80m。由于6號煤層本身松軟，在鉆孔施工時選用大功率鉆機，確保鉆孔成孔質量。

鉆孔間距。布置的瓦斯抽采鉆孔間距為4m，在初期注水試驗中按照4m間距進行注水，后根據注水效果再對注水鉆孔間距進行優化。

鉆孔傾角。布置的注水鉆孔傾角與煤層傾角一致，即傾角為10～16°

2.2.2鉆孔封孔

封孔是確保注水效果的一個關鍵環節，合理封孔深度可以減少注水鉆孔向巷道內的漏水、滲水量，從而保證注水鉆孔可以達到設計的浸潤半徑;合理封孔方式可以保證鉆孔內的高壓水不會沿鉆孔跑水。封孔采用水泥濃漿封孔方式，封孔深度為20m，采用水灰比為0.4∶1的高稠度水泥漿進行封孔。具體封孔見圖2。

2.2.3注水參數

煤層注水參數應根據采用的注水工藝確定，確保在采用注水工藝下注水鉆孔應浸潤范圍內的煤層得以充分、均勻浸潤。

單孔注水量。注水量應能滿足煤層內水分增加2%，確定的單孔注水量為35m3。

注水速度。根據礦井以往煤層注水經驗，在3608綜采工作面單孔注水流量為0.6m3/h。

注水壓力。動壓注水壓力確定為10MPa，靜壓注水壓力為2MPa。

注水時間。注水時間與采面推進速度、注水量及注水速度等密切相關，單孔注水時間確定為8d。

3注水效果考察

3.1注水壓力及注水量

3.1.1單孔注水量

在采面布置的試驗注水孔最終單孔注水量見圖3，設計的單孔注水量在30m3，在實際注水中受到煤層內矸石、裂隙等因素影響，實際注水量與設計注水量間存在一定偏差。

3.1.2日注水量

煤層注水可細分為三個階段，注水初期、中期及末期，各個階段注水量均有其自身特點。在煤層注水初期日注水量呈現先降低后增加特征;在煤層注水中期注水量處于峰值;在注水末期注水量逐漸降低。具體日注水量隨時間變化情況見圖4。

3.2注水效果

3.2.1煤體浸潤半徑

一般認為以注水孔為中心，以煤體含水率增加1%為浸潤半徑界限，浸潤半徑以內的煤層含水率增加值均可達到1%以上。為了檢驗3608綜采工作面注水效果，在注水孔周邊布置考察孔，并取樣分析煤體內含水量變化情況。

布置的取樣鉆孔見圖5，考察鉆孔孔徑42mm、深度25m，從孔深15m位置開始取樣，每隔1m取一個煤樣，共取10個。

布置的采樣孔與注水孔間距分別為1m、1.5m、2m、2.5m，鉆孔開孔高度及鉆進方向與注水孔一致。具體測定的1號～4號取樣煤樣內的水分平均增加值為2.17%、1.82%、1.29%、1.02%。因此可以得出，注水孔浸潤半徑約為2.5m。根據測定的注水浸潤半徑結合布置的瓦斯抽采鉆孔間距，注水孔間距設計為4m較為合理。

3.2.2煤層浸潤效果

為了考察注水孔對煤層浸潤效果，在采面切眼內每隔15m布置一個取樣孔，孔深深度均為2～4m，布置的取樣孔可以控制整個采面斜長，具體采面取樣孔布置見圖6。

1號、7號取樣孔距離巷幫煤壁為10m，其余鉆孔間距均為15m，鉆孔垂直煤壁施工。測量得到的1～7號鉆孔煤樣含水率增加值分別為2.31%、2.52%、1.74%、1.55%、1.22%、1.54%以及1.02%。從取樣結果看出，注水后煤體含水率增加值均可達到1%以上，表明在3608綜采工作面采取的注水方式可以有效增加采面內煤體含水量，達到較好的注水浸潤效果。

3.3除塵效果

采用濾膜質量法對下風側采煤司機位置、距機尾10m位置處煤體注水前后粉塵濃度檢測，具體測量結果見表1。

從表1看出，在下風側采煤司機位置、距機尾10m位置煤層注水后較注水前呼吸性粉塵濃度、全塵濃度降低率分別為54.57%、48.15%，53.19%、53.29%。煤層注水后除塵效果明顯，輔助采取其他的降塵、捕塵措施，可以較好地改善采面作業環境。

4總結

突出煤層回采工作面本煤層瓦斯抽采鉆孔抽采完畢后，將瓦斯抽采鉆孔改造成注水孔采用動、靜結合方式進行煤層注水具有較強的實踐性，同時可大幅度降低注水鉆孔施工量。

注水鉆孔日注水量在注水初期呈現先降低后增加趨勢，在注水中期注水量達到峰值，在注水末期注水量緩慢降低。

通過進行煤層注水，下風側采煤司機位置、距機尾10m位置呼吸性粉塵濃度、全塵濃度降低率分別為54.57%、48.15%，53.19%、53.29%，取得較好的除塵降塵效果。

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