采煤工作面煤層注水工藝優化研究

任文躍

(山西焦煤汾西礦業集團賀西煤礦，山西 柳林 033300)

在煤炭開采之前通過施工注水鉆孔將水注入煤體內，人為提升煤體含水量，從而達到降低瓦斯涌出及粉塵產生量目的[1-2]。現階段煤層注水已成為降低礦井井下粉塵產生的一種基本技術措施。雖然煤層注水在煤礦井下應用較為廣泛，但是現階段采用的注水技術仍存在鉆孔施工效率低、注水孔封孔質量不佳、封孔器重復利用困難等問題[3-5]。為了提升礦井煤層注水效果，需要對煤層注水工藝進行改進優化。

1 工程概況

1.1 采面概況

山西某礦開采的5206綜采工作面埋深在660 m～790 m，采面走向可采長度905 m、斜長165 m，開采的5#煤層厚度3.5 m，傾角13°。5#煤層頂底板巖性均為致密的砂質泥巖，原始瓦斯含量為11.3 m3/t～14.7 m3/t、瓦斯壓力1.56 MPa，自燃發火期在3月～6月，原始含水率1.98%、總孔隙率4.623%。

1.2 煤層注水存在問題

在5206綜采工作面采用淺孔帶壓注水方式，待注水孔施工完畢后通過封孔器或水泥砂漿向孔內注水高壓水，從而提升煤層含水率。但是現場應用中存在以下問題：

1)由于井下壓水管路提供的高壓水壓力有限，且壓力不能進行調整。注水孔封孔普遍存在漏水問題，造成鉆孔內水壓較低。

2)采用普通的回轉鉆機施工注水孔，平均單孔鉆進耗時45 min，注水孔施工效率較低，同時鉆進深度有限，導致鉆孔注水時對煤體浸潤范圍有限，達到不降低瓦斯涌出、抑制粉塵產生效果。

3)當帶壓注水時鉆孔選用封孔器封孔時，由于受到鉆孔孔壁變形影響封孔器回收較為困難，無法實現多次循環利用，浪費封孔材料。

2 煤層注水工藝改進

針對5206綜采工作面煤層注水存在的問題，從鉆機、鉆桿、封孔器等方面對注水工藝進行改進，提升注水孔煤層浸潤效果。

2.1 注水工藝優化

2.1.1 鉆進優選

將注水鉆孔由普通的回轉轉機改為ZDY120S液壓鉆進，該鉆機機身在可固定到輸送機擋煤板上，動力源為乳化液站，可輕松完成采面瓦斯排放孔、注水孔施工工作。同時該鉆機以液壓作為動力，使用過程中不存在失爆問題。鉆機結構包括有液壓馬達、支撐系統以及機架、鉆桿等部分，可在采面輸送機機架滑道上往返移動，通過調整支撐斜桿伸縮量即調整鉆機鉆進角度[6]。

2.1.2 鉆桿優選

以往鉆孔施工選用外平鉆桿，鉆孔鉆進速度較慢同時鉆桿漏水后容易造成巷道底板積水。為此，提出采用低牙六方螺旋鉆桿來提升鉆桿排渣能力從而提升鉆孔鉆進速度過慢問題，并改進鉆桿密封方式，降低漏水量。在低牙六方螺旋鉆桿使用過程中發現雖然排渣能力有所提升但是鉆孔鉆進速度仍不能達到預期目標，為此，采用高牙螺旋鉆桿替代低牙螺旋鉆桿，顯著提升鉆孔鉆進速度。不同鉆桿模型，如第93頁圖1所示。

圖1 不同鉆桿模型

2.1.3 封孔改進

采用專用封孔器來提升注水鉆孔封孔質量，該專用封孔器結構包括有安全閥、膨脹膠管、快速接頭等構成。在需要對鉆孔封孔時，將注水設備與封孔器膨脹軟管連接，將封孔器送入到注水孔內，在一定的水壓作用修改使得封孔器膨脹軟管膨脹并與鉆孔壁緊密接觸，實現鉆孔封孔。注水完成后將封孔器卸壓即可將其從注水孔中取出，實現高效封孔、重復利用目的。

2.1.4 注水設備改進

采用專用注水推進器改進鉆孔注水效果，該注水推進器提供的注水壓力在3 MPa～10 MPa，40 L/min輸出流量。水源為定下高壓壓水管路，并通過快速插頭將高壓壓水管路與注水推進器連接，注水推進器末端位置安裝有最大量程為15 MPa的壓力表。通過注水推進器可將注水壓力提升到5 MPa以上。具體選用的注水推進器結構形式，如圖2所示。

圖2 注水推進器結構示意圖

2.1.5 改進注水參數

將煤層注水控制系統應用到采面煤層注水管理中，從而使得注水壓力、流量等參數隨煤層裂隙中水流阻力變化而自動調整，但應給控制系統設定最高注水壓力[7]。當煤層注水壓力過高時不僅會重新壓裂煤層而且高壓水容易出煤壁涌出，達不到注水預期目的；若注水壓力過小則水流無法克服煤體中瓦斯壓力、裂隙阻力等，不能有效浸潤煤體同時注水影響范圍較小。煤層注水壓力(Pz)與注水煤層瓦斯壓力(Pc)、埋深(H)等密切相關，如公式(1)所示。

(1.2～1.5)Pz≤Pc≤0.79PR

(1)

其中：PR為煤層覆巖壓力,可采用下式計算：PR=ρgH，ρ為覆巖密度，取值2 300 kg/m3。

2.2 優化后采面注水施工情況

在5206綜采工作面煤層注水中采用優化后的注水工藝，注水孔深30 m、間距為3.0 m，鉆孔均垂直煤壁施工。普通鉆孔施工完一個注水孔需要45 min，通過對鉆機、鉆桿優選后，在增加鉆進深度的同時將鉆孔施工耗時控制在30 min以內。單個鉆孔注水量由30 m3提升至50 m3～75 m3，注水壓力保持在5 MPa左右，鉆孔漏水情況基本得以消除。

3 煤層注水效果分析

3.1 降塵效果

通過煤層注水后煤體含水率得以顯著增加，弱化煤體脆性同時強化塑性，使得低采煤機割煤時煤體由脆性變化向塑形變形轉變，降低粉塵產生量。具體采用改進后的煤層注水工藝，在采面、回風巷內煤塵取樣分析結果，如圖3所示。

圖3 煤層注水前后采面各位置粉塵濃度監測結果

落煤、移架是采煤機工作面主要產塵點，通過煤層注水后，采煤機司機位置、回風巷全塵濃度降低幅度分別為60.8%、51.6%，取得明顯的降塵效果。

3.2 抑制煤層瓦斯涌出

通過煤層注水可在一定程度上降低煤層瓦斯涌出，煤層注水前后采面各位置瓦斯濃度檢測結果，如表1所示。從表1中可看出，煤層注水后工作面、回風上隅角、回風巷位置瓦斯濃度均明顯降低。注水后采面在回采期間未出現瓦斯超限問題，表明煤層注水效果明顯，可起到抑制采面瓦斯涌出目的。

表1 煤層注水前后采面各位置瓦斯濃度

4 結語

對5206綜采工作面煤層注水存在問題進行分析，并對注水工藝進行針對性改進。將改進注水工藝進行現場應用后，對5206綜采工作面開采期間煤塵以及瓦斯涌出進行監測，發現煤層注水后采面粉塵產生量以及瓦斯涌出量均得以明顯改善。表明，文中提出的注水工藝改進優化措施較為合理，可實現提高煤層注水效果目的。