綜采工作面淺孔煤層注水工藝分析

武海鵬

(七臺河市百達利礦業(yè)有限公司，黑龍江 七臺河 154600)

淺孔煤層注水能夠有效抑制綜采工作面作業(yè)中的塵埃與瓦斯因素，在實現(xiàn)良好防塵與抑制瓦斯效果的基礎上保證工作面作業(yè)正常執(zhí)行。

1 綜采工作面情況分析

分析淺孔煤層布局綜采工作面。該工作面容重約1.4 t/m3，煤層厚度范圍0.8 m～3.3 m。工作面頂板和底板的組成材料不同，頂板的組成材料是泥質粉砂巖，工作面的中上部結構中設有厚度約0.25 m的煤矸石層，該煤矸石層和工作層底板由不同材質的泥巖組成，其中底板由全砂質泥巖組成，中上部結構中泥巖主要為炭質泥巖，工作面中煤層的傾角約為4°。工作面結構受所在環(huán)境的水文條件、氣候條件影響明顯，例如在雨季，易受雨水沖刷作用導致煤層變薄，對開采工作造成一定影響。工作面的瓦斯參數(shù)是決定工作面性質的重要因素，通常情況下主要瓦斯參數(shù)種類包括瓦斯壓力、硬度、揮發(fā)分、瓦斯含量等。涉及的工作面瓦斯壓力約為0.5 MPa，硬度約為0.7，水分為2.14，灰分為21.15，揮發(fā)分為38.66，工作層的放散速度為6，每噸瓦斯含量為4.21 m2。在分析注水工藝前需要確定工作面每層的特征，主要通過煤層系數(shù)體現(xiàn)。煤層的硬度系數(shù)1.6～2.5，屬于中等硬度。由泥質粉砂巖組成的工作面頂板硬度系數(shù)3～5。由炭質泥巖組成的工作面中上部以及由全砂質泥巖組成的底部硬度系數(shù)相同，均為3～5。綜采工作面略傾斜，工作面長度約250 m，為東西走向，煤層厚度約3 m，選擇一次采全高工藝完成該工作面的采煤工作。

2 注水參數(shù)分析

工作面注水的目的是除塵及預防潛在瓦斯泄漏，保證工作面煤層達到實際開采標準，合適的注水工藝能夠達到更好的除塵與軟化效果。注水工藝的主要參數(shù)有鉆孔位置、鉆孔直徑、注水孔長度、封孔長度等。

A．鉆孔位置。淺孔注水的鉆孔位置受煤層厚度和矸石因素影響，若煤層厚度≤1.8 m，通常應用單排眼工藝；若煤層厚度偏大，則采用三花眼工藝。在布置鉆孔時注意煤層內部結構。通常選擇硬度較高且致密的層次布置鉆孔，有效預防淺孔注水過程中孔口損壞情況。B．鉆孔直徑。從經(jīng)濟性、降低成本角度考慮，鉆孔直徑應與炮眼直徑相同，在保證注水孔鉆孔與炮眼一致性的同時降低額外購置成本。C．注水孔長度與間距。注水孔長度的選擇應以快速濕潤煤層為目的，設濕潤范圍為h，注水孔長度通常為h+0.2 m。注水孔間距的選擇與注水孔的濕潤半徑直接相關。注水孔間距應根據(jù)煤層的情況靈活調整，確保相鄰注水孔之間的煤層全部得到濕潤。注水孔的間距最小為2 m，通常情況下為5～6 m，最大不超過8 m。D．鉆孔角度。鉆孔角度的設定應以注水快速滲透煤層為目的，通過設定合適的鉆孔，保證煤層中各個分層被快速濕潤。E．封孔長度。封孔長度的設定與煤壁承受壓力和鉆孔長度密切相關，通過設定合適的封孔長度保證煤壁承受壓力不超過合理范圍，同時達到對煤壁各個部位的充分濕潤效果。通常情況下，封孔長度為1～1.5 m。F．注水壓力。注水壓力的設定通常是設定閾值范圍，設定的最低注水壓力應滿足單位時間內的注水要求，設定的最大注水壓力則應保證工作面以及煤層的結構不發(fā)生破壞，同時要避免泄水現(xiàn)象發(fā)生。G．注水量與時間。通常情況下接受濕潤后的煤壁若出現(xiàn)均勻的水珠時則意味著煤層全部被濕潤，并由此作為設定注水量以及時間長度的參照標準。本研究的工作面長度250 m，煤層厚度3 m，容重1.4 t/m3。假設每噸煤注水量為30 L，則單次注水量為上述四個參數(shù)的乘積，為315 000 m3。例如，選擇動壓注水模式執(zhí)行注水，在10 MPa的注水壓力下于6 h內完成注水任務。

3 注水設備分析

第一，注水系統(tǒng)選擇。常見的注水系統(tǒng)包括靜壓注水系統(tǒng)與動壓注水系統(tǒng)，對應不同級別的注水壓力。兩類注水系統(tǒng)的原理不同，靜壓注水系統(tǒng)側重于利用地面或工作層上部結構的水分，向鉆孔注水的介質是水管網(wǎng)絡；動壓注水系統(tǒng)更多依賴水泵本身的壓力，利用動壓注水系統(tǒng)實現(xiàn)直接加壓的效果。選擇注水系統(tǒng)時要考慮工作層的具體情況，同時結合注水的總量和時間長度，本研究采用動壓注水系統(tǒng)。

第二，注水裝備選擇。常見的注水裝備包括清水泵、高壓水管、減壓閥等，在此分析淺孔煤層注水的裝備特性。A.清水泵。選擇1臺型號為PB320/6.3的清水泵，清水泵額定流量為19.2 m2/h，最大壓力標準為16 MPa。B.自動封孔器。選擇25支型號為MZF-40-15的自動封孔器，封孔器的內徑與外徑分別為22 mm、38 mm，最大工作壓力為15 MPa，最小工作壓力為1 MPa，自動封孔器材質為鋼絲橡膠。C.雙功能高壓水表。選擇2塊型號為SGS的高壓水表，該高壓水表的流量閾值為0.1 m2/h～5 m2/h，高壓水表的額定壓力為18 MPa。D.高壓水管。選擇120支標準長度為10 m的高壓水管，高壓水管長度總計1 200 m。E.減壓閥。選擇8個直徑為25 mm的減壓閥，最大調節(jié)壓力為20 MPa。

第三，注水中的安全措施。A.應確保工作面煤壁空頂距離與防護體系的距離≤200 m，避免淺孔煤層注水中的瓦斯超限現(xiàn)象，并防止可能發(fā)生的冒頂問題。B.在工作面進行鉆孔作業(yè)時應嚴格執(zhí)行安全檢查標準，通過敲幫問頂保證工作層頂板穩(wěn)定合理。C.在打鉆過程中時刻關注工作層的頂板、底板及煤層煤壁情況，發(fā)現(xiàn)工作層出現(xiàn)異常情況后應及時停止作業(yè)并排查問題，確定打鉆環(huán)境正常后恢復作業(yè)。D.封孔過程應由兩人協(xié)同作業(yè)，其中一人執(zhí)行具體的封孔工作，另外一人則關注封孔中工作層頂層與煤壁的狀態(tài)，做好必要的應急準備。E.注水作業(yè)時注意瓦斯泄漏、片幫冒頂?shù)痊F(xiàn)象，一旦發(fā)生上述現(xiàn)象則必須停止作業(yè)、上報情況并處理。

4 注水效果分析

第一，降塵效果。采用礦用粉塵采樣器設備，確定工作面中的關鍵位置并應用粉塵采樣器測量降塵效果。本次測量中分別選擇采煤機的上風側、下風側以及移架點下風側作為測量點，測試要點為注水前后的礦塵濃度。采煤機上風側注水前后的礦塵濃度分別為72.2 mg/m3、41.5 mg/m3，采煤機下風側注水前后的礦塵濃度分別為22.1 mg/m3、8.9 mg/m3，移架點下風側注水前后的礦塵濃度分別為52.2 mg/m3、24.1 mg/m3，降塵率分別為57.5%、40.3%、46.2%。可見，淺孔注水作業(yè)后對工作面關鍵位置的降塵效果明顯。

第二，瓦斯防治效果。在淺孔煤層注水作業(yè)中采用高壓水擠壓模式，瓦斯在采掘空間中呈現(xiàn)游離狀態(tài)。原因在于煤層內外部在壓力作用下出現(xiàn)裂隙，進而產生對瓦斯的吸附效應，同時水分對瓦斯的包裹效應同樣導致瓦斯的固著，有效抑制工作面作業(yè)中瓦斯的涌出現(xiàn)象。經(jīng)測試注水前后瓦斯涌出量差異較大，顯示瓦斯防治效果良好。

5 結語

淺孔煤層注水工藝在綜采工作面作業(yè)中應用效果明顯，在深入了解并掌握淺孔煤層注水工藝的基礎上，結合生產實際，并在綜采工作面作業(yè)中靈活應用該工藝，取得了良好的工作面作業(yè)效果。