孟家窯礦煤層注水抑制瓦斯涌出技術研究

李洪帥

（山西潞安集團潞寧忻峪煤業有限公司，山西 寧武 036706）

1 工程概況

孟家窯礦11201 綜采面位于井下11 采區，西北部為11203 采空區，東南部為軌道運輸大巷，東北部為運輸上山，西南部為相鄰礦井采空區。工作面開采2 號煤層，煤層均厚為3.3 m，平均傾角為23°，煤層節理與內生裂隙不發育，工作面頂底板多為不穩定-中等穩定頂板。工作面采用“U”型一進一回式通風方式，相對瓦斯涌出量為1.45 m3/t，絕對瓦斯涌出量為3.24 m3/min，屬于低瓦斯礦井。

11201 工作面煤與瓦斯突出危險性較弱，但在巷道掘進過程中，局部瓦斯涌出量急劇增加，尤其是在頂底板巖性為含泥質成分較多的地段，導致煤層透氣性較差，瓦斯壓力達到3.0 MPa 以上，在遇到構造地段時，會產生瓦斯動力事故，嚴重威脅11201 綜采面安全生產。為消除煤層瓦斯涌出異常現象，可采用煤層注水方式進行抑制瓦斯涌出，需對注水防治煤層瓦斯涌出機理及措施進行研究。

2 煤層注水抑制瓦斯涌出機理

（1）煤層注水對啟動壓力梯度和放散初速度變化的影響。啟動壓力梯度是指需要流體在介質中克服一定阻力才能流動的附加壓力值，向煤層中注水可以使煤體破裂強制卸壓，增加煤體內部裂隙發育程度，增加裂隙儲存瓦斯的含量，抑制了吸附瓦斯轉為游離瓦斯的過程。采用滲透率與啟動壓力梯度測試系統對直徑50 mm、高度50 mm 的圓柱形煤樣進行測試，選取其中3 組典型測試結果見表1。隨著含水飽和度的增大，煤體內部裂隙滲透率逐漸減小，啟動壓力梯度逐漸增加，由此可見注水可以導致煤體滲透率減小，殘余瓦斯含量增加，煤體瓦斯涌出量減小。瓦斯放散初速度表示了煤體解析瓦斯速度的快慢，分別針對煤樣測試干燥狀態和含水狀態下的瓦斯放散初速度，選取其中含水飽和度為50%時的4組測試結果見表2。與干燥狀態煤體相比，含水狀態下的瓦斯放散初速度均降低40%以上，最大達65%左右，說明水分的存在有效抑制了煤體解析瓦斯的速度，對控制瓦斯動力現象效果明顯。

表1 啟動壓力梯度測試結果一覽表

表2 瓦斯放散初速度測試結果一覽表

（2）煤層注水能夠雙重改造煤體儲層。煤體內注水條件下，會將原有裂縫進行擴展導致附近一定范圍內滲透率增加，但其他區域被擠壓導致滲透率相對下降，而裂隙發育帶來的擾動區域在煤層中的占比較小，啟動壓力梯度與瓦斯放散初速度也影響較小，這種雙重改造作用對煤質較硬煤體瓦斯涌出抑制效果更加明顯。煤體在水的作用下濕潤并松軟后，會出現少部分游離瓦斯提前釋放現象，但由于水壓的存在封閉了深部煤體瓦斯解析的通道，很大程度上阻止了深部瓦斯集中涌出的事故，能夠有效減少瓦斯超限次數。由于需要控制裂隙發育和無擾動區域的相對范圍，在實際進行煤層注水時要嚴格控制注水壓力和注水范圍，確保抑制瓦斯作用顯現。

3 煤層注水方案設計及工程實踐

3.1 注水方案設計

根據上述煤層注水抑制瓦斯機理，結合11201工作面工程實際，設計采用長孔靜壓注水技術進行煤層注水，即在11201 工作面兩巷垂直煤壁交替向工作面內部打設長鉆孔進行注水，相關設計如下：

（1）注水鉆孔參數。注水鉆孔采用ZDY-900型鉆機，開孔直徑為63 mm，終孔直徑為50 mm。以11201 回風巷鉆孔布置為例，孔深要保證能夠充分濕潤煤體，按照“孔深時孔距大、孔淺時孔距小”原則并根據已有相鄰礦井經驗孔深不大于工作面長度的9/10，11201 煤層注水鉆孔深度設計取值為160 m。由于11201 工作面為大傾角構造，鉆孔角度與鉆孔位置設計要保證長鉆孔不出現穿頂或穿底現象，考慮鉆桿下沉現象取下沉率為0.5%，確定長鉆孔角度為與水平方向成23°，大部分區域與煤層傾向平行布置。考慮煤層透氣性和注水壓力因素，鉆孔間距應與潤濕半徑相匹配，單側巷道鉆孔間距設計為20 m，以距開切眼前20 m 回風巷位置為第一鉆孔，運輸巷側間隔10 m 交替布置，開孔位置距巷道底板1.3 m，回風巷全長共布置57 個鉆孔。具體煤層長鉆孔布置平剖面如圖2。

（2）封孔參數設計。靜壓注水的封孔質量極大影響注水效果的顯現，封孔技術設計需要滿足不漏水、不滲水、不跑水的要求。11201 煤層注水鉆孔采用BFK 型專用封孔泵，封孔材料為水泥砂漿，封孔深度為10 m，在水泥漿液封孔完成2 d 后，進行靜壓注水工作。

（3）靜壓長孔注水工藝。根據鉆孔間距、鉆孔長度、煤層厚度、煤體容重和注水富余系數計算得到單孔注水量為487 m3，按照煤層埋藏深度400 m可得注水壓力取值為1.0 MPa，單孔注水流量設計為4.5 m3/h，則注水時間為4～5 d，每套注水泵可同時向5 個鉆孔注水。每個注水孔利用軟管與快速變徑高壓液管相連。當壓力表穩定、流量表讀數穩定或煤壁有“掛汗”現象，即可關閉注水閥。

圖2 煤層注水鉆孔設計平剖面圖

3.2 工程實踐分析

在11201 工作面進行長孔靜壓煤層注水技術實踐后，在水壓雙重改造煤體機理作用下，瓦斯解析的主要通道大幅降低，瓦斯釋放趨勢明顯減弱，經檢測煤體瓦斯釋放速度降低了80%左右。根據11201 回風巷上隅角的瓦斯涌出量監測，上隅角瓦斯濃度平均下降了20%左右，回風巷風流瓦斯平均濃度在注水前為0.5%～0.6%，注水時增加到0.7%～0.8%，注水后降低到0.3%～0.4%，較注水前降低了40%，瓦斯涌出不均衡性減弱，濃度峰值顯著降低，基本消除了瓦斯異常涌出及瓦斯動力現象。另外，煤層注水能夠充分濕潤煤體，減少了11201 工作面產塵量，改善了人員勞動環境，降低了生產成本。

4 結論

煤層注水會產生對煤體裂隙的雙重改造作用，主要影響煤體內瓦斯啟動壓力梯度和放散初速度，導致煤體滲透率降低、啟動壓力梯度增大和放散初速度減小的效果。11201 工作面設計采用的長孔靜壓煤層注水技術孔長160 m，孔間距20 m，鉆孔傾角23°，注水壓力1.0 MPa。11201 工作面采用該煤層注水技術后，回風巷上隅角瓦斯濃度降低了20%，回風風流平均瓦斯濃度降低了40%，瓦斯涌出不均衡性減弱，基本消除了瓦斯動力災害現象，同時也降低了工作面生產成本，達到了安全生產的要求。