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综放工作面煤层注水及效果分析 张峰， 张和生， 肖谨 （徐州矿务集团公司 三河尖煤矿， 江苏 沛县2 2 1 6 1 3） 摘要 根据三河尖煤矿综采放顶工作面煤层状况， 通过合理选择煤层注水钻孔施工工艺， 优化 煤层注水参数， 减少影响煤层注水效果的因素， 加强煤层注水的日常管理， 使采煤工作面各回采 工序产尘量大幅度降低， 收到了良好的效果， 从技术源头上杜绝了煤尘事故的产生。 关键词 综放工作面； 煤层注水； 降尘； 参数优化 中图分类号 T D 7 1 4 . 4 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 3 - 4 9 6 X （2 0 0 6） 0 4 - 0 0 2 3 - 0 3 煤层注水是回采工作面最重要的降尘措施之 一， 在回采前超前在煤层中打若干钻孔， 通过钻孔注 入压力水， 使其渗入煤体内部， 增加煤的水分， 从而 减少煤层开采过程中煤尘的产尘量。煤层注水其实 质为 通过钻孔并利用水的压力将水注入煤层中， 依 靠压力水在煤体裂隙中的渗透、 压差、 毛细和分子扩 散运动， 使注入煤层中的水沿着煤的裂隙分割的煤 块渗透并储存于裂隙与空隙之中， 增加煤体的水分， 使煤体得到预先湿润， 以减少采煤时产生浮游粉尘 的能力。现场试验表明 煤层含水量达到4 时， 煤 尘的生成量在原有的基础上将减少8 0 以上。 1 煤层注水实践 1 . 1 工作面概况 7 4 0 7工作面走向长度1 4 6 0m， 倾斜长度1 4 5 1 9 1m， 倾角2 ≠ 1 0 ≠， 平均4 ≠， 煤层厚度最大6 . 6m， 最小4 . 6m， 平均为5 . 6 9m， 可采平均煤厚为5 . 4 m， 局部有夹矸， 厚度为00 . 8m， 采用综采放顶煤 回采工艺。煤层瓦斯含量0 . 0 8 2 0 . 4 8m L／ g， 自然 发火期为3 6个月， 煤层原生水分为2 . 8 7 ， 煤层 总的孔隙率为4 . 9 5 8 ， 煤尘爆炸指数为3 6 . 9 6 ， 具有爆炸危险性， 局部煤质松软、 破碎， 内生裂隙发 育。 1 . 2 钻具选择及钻孔布置 根据7 4 0 7工作面参数及现有设备， 7 4 0 7轨道 巷施工时选用MK-4全液压坑道钻机进行双向施 工； 运输巷选用K H Y D- 7 5 d i A岩石电钻进行施工， 同时根据煤层注水化验结果， 在煤层全水分达不到 4 的地点， 使用煤电钻实施短孔注水， 钻孔布置见 图1。 1 . 3 钻孔参数 图1 7 4 0 7工作面钻孔布置示意图 7 4 0 7工作面深孔施工时， 使用Φ5 0m m钻杆， Φ7 5m m的钻头， 上行孔钻孔倾角为4 . 3 ≠， 下行孔时 为3 . 7 ≠； 钻孔间距为1 01 5m； 双向钻孔深度达面 长的2／ 3以上， 该面大面1 4 5m， 单向钻孔即要求注 水深度达到9 7m以上， 实施双向注水时， 利用MK - 4钻机施工的钻孔深度一般在7 0 9 0m， 最浅的 为6 5m， 最深的为9 0m， 钻孔平均深度为8 2 . 1m， 岩石电钻施工的钻孔达到2 5 3 5m， 运输巷平均孔 深为2 6 . 5m， 小面注水孔长度平均为2 6 . 1m。短孔 注水时， 钻孔深度为6m， 孔径为Φ4 2m m。 1 . 4 封孔工艺 煤层注水的效果很大程度上取决于封孔方法及 封孔质量。为有效地杜绝漏水， 该矿一是选择使用 K F B封孔泵进行封孔，Φ2 0m m封孔器长度8m， 使 用海带、 水泥、 砂浆对封孔器里段进行预先封孔， 外 段使用锚固剂、 沙浆进行分段封孔， 封孔时使用专用 工具， 靠封孔泵推力将砂浆把钻孔周围空隙堵塞， 推 力达3M P a， 封孔深度8m， 凝固后进行高压注水， 煤体及煤帮未出现漏水现象； 二是选择使用Z F-4 封孔器进行封孔， 注水后其自然膨胀堵孔， 开始注 32 技术经验煤 矿 安 全（2 0 0 6 - 0 4） 水。 1 . 5 注水参数 注水压力、 流量和注水时间是决定超前注水湿 润煤体效果的主要参数， 一般应以在较低的注水压 力情况下保持足够的流量和较长的注水时间为宜。 该面注水方式采用双向长孔静压注水方式， 静压为 6M P a， 注水动压为2 . 5 3M P a， 一般每道同时注2 个钻孔， 注水流量保持在7 . 2L／ （hm） 左右。单孔 注水时间一般为6d左右。 2 煤层注水作用及效果 2 . 1 降尘效果 注水后， 工作面煤层全水分平均为4 . 5 8 ， 新 增水分平均为1 . 7 ， 煤层注水对减少采煤各环节 的粉尘起很大作用， 水进入煤体后的减尘作用表现在以下3个方 面 （1） 煤体内的裂隙中存在着原生煤尘， 水进入 后， 可将原生煤尘湿润， 使其在破碎时失去了飞扬的 能力， 从而有效地消除这一尘源。 （2） 水进入煤体的内部使之均匀湿润。当煤体 在开采中受到破碎时， 绝大多数的破碎面均有水存 在， 从而消除了细粒煤尘的飞扬， 预防了浮尘的产 生。 （3） 水进入煤体后使其塑性增强， 脆性减弱， 改 变了煤体的物理力学性质。当煤体因外力而破碎 时， 脆性破碎变为塑性变形， 因而减少了煤尘的产生 量。 注水后各工序的降尘率 割煤 8 1 . 7 ； 司机处 9 0 . 8 ； 移架9 2 . 6 ； 回风9 4 . 9 ； 运煤8 8 . 8 ； 平均降尘率 8 8 。 2 . 2 抑制工作面瓦斯的涌出 煤层注水对瓦斯治理的作用， 不仅表现在防治 瓦斯突出方面， 而且对降低瓦斯涌出量也有十分明 显的效果。这是因为注水时高压水克服瓦斯压力后 才能注进水， 水改变了煤的力学性质， 增加了煤的可 塑性， 降低了弹性模量， 使应力分布均匀化， 弹性能 释放的速度变小， 降低了释放的功率， 水进入煤的孔 隙， 降低了瓦斯的排放。 根据7 4 0 3、 7 4 0 9、7 4 0 7各综放工作面上隅角的 瓦斯涌出情况， 上隅角瓦斯浓度平均下降了2 0 左 右， 回风流中瓦斯浓度基本降低为0。 2 . 3 降低工作面的气温 温度较低的水注入煤体后， 由于水的汽化热比 较大， 对高温工作面起到了明显的降温作用， 根据 7 4 0 7工作面注水前后工作面温度测定结果对比可 知， 工作面上隅角温度仅降低0 . 4࠷， 而工作面内平 均温度降低2 . 5࠷左右， 回风流温度平均降低2 . 2 4࠷， 有效地改善了工作面的劳动环境。 2 . 4 防治冲击地压 由于煤层注水后软化了煤体， 改变了煤体的裂 隙结构， 降低了煤的弹性和储蓄能量的能力， 使煤体 脆性减弱， 塑性增强， 促使煤壁前方塑性变形区变 宽， 应力集中带向煤壁深处移动并变宽， 使煤体冲击 倾向减弱， 显著地改善能量释放过程中在时间上的 稳定性和在空间上的均匀性， 从而防止了冲击地压 的发生和产生冲击地压的强度； 通过对三河尖煤矿 7 4 0 7工作面与7 4 0 9工作面对比分析可知 在煤层 注水一定时间后， 钻孔的煤粉量明显降低， 基本上达 不到危险煤粉量。由该矿电磁辐射系统和微震系统 监测结果表明， 工作面煤层注水后较注水前电磁辐 射峰值由1 0 2 0m向煤体3 0 4 0m深部转移， 说 明煤体中的能量能够缓慢均匀地释放出来， 从而有 效地防治和减弱了冲击矿压的危险性。工作面两道 超前支护也有了明显改观， 7 4 0 9工作面回采时， 运 输巷由于受采空区影响， 巷道变形最小时仅有1 . 5 m 2， 而7 4 0 7轨道巷靠采空区一侧， 则变形不明显， 断面仍有8 . 5m 2左右。 2 . 5 防灭火 煤层注水后， 采空区内的遗煤含水量增大， 煤体 的导热系数和热容量增大， 使遗煤的温度不易升高， 从而延长了自然发火日期， 避免自然火灾的发生， 目 前该面上隅角C O浓度一般在2 0 *1 0 - 6以下， 比较 稳定。 2 . 6 其他效果 煤层注水以后还能取得以下各种效果 降低煤 的硬度， 软化煤体， 降低切割和破碎能量， 降低截齿 的消耗， 提高了生产效率； 减少设备的破坏。测定表 明， 煤层水分在原基础上增加0 . 8 2 可使煤的 单轴抗压程度降低1 4 3 2 ， 节能显著。 3 影响煤层注水效果的因素 （1） 煤层裂隙、 孔隙程度直接影响煤层注水量， 煤体的裂隙越发育则越易注水， 注水时甚至动压不 到1M P a， 而9 2 0 2工作面煤质较硬， 裂隙不发育， 注 水时， 水压达2 . 5M P a时， 注水都很困难， 注水后拨 孔时， 出现回水现象， 回水压力达4 90 3 3 . 2 5P a。但 是当出现一些较大的裂隙 （如断层、 破裂面等） 时， 注 42 煤 矿 安 全（T o t a l 3 7 7）技术经验 水易散失于远处或煤体之外， 而煤体水分却无法达 到4 ， 对注水不利。 （2） 地压的集中程度与煤层注水难易程度有直 接关系。9 2 0 2工作面具有强冲击地压倾向性， 煤层 裂隙不发育， 原生裂隙和孔隙被压紧得更小， 导致透 水性能降低， 注水困难， 而7 4 0 7工作面煤质松软， 裂 隙较发育， 无冲击倾向性， 注水较易， 通过化验煤层 全水分基本都在4 以上， 为提高注水效果， 需要提 高注水压力才能取得良好的煤体湿润效果， 注水压 力以不超过2 . 5M P a为宜， 根据实验在该矿注水压 力超过一定值后， 煤体裂隙变大， 散失水分严重， 注 水压力又开始变小， 反而起不到注水的效果。 （3） 注水的超前距离。矿山压力显现规律对煤 层注水影响很大， 根据矿山压力可以判断最佳的注 水超前距离。超前距离过大， 顶煤尚未发生位移也 未产生裂隙， 煤体透水性差， 难以注水； 超前距离过 小， 顶煤位移量大， 次生裂隙过于发育， 注入的水易 沿较大裂隙流失， 影响注水效果。根据对顶煤下沉 量的记录， 一般距工作面3 04 0m， 巷道受应力影 响变化不大， 距工作面4 6m时， 顶板下沉量急剧 增大， 顶煤产生大量次生裂隙， 为此确定超前距离为 当工作面推进至距钻孔6m时， 立即停止注水， 注水 时间一般在6d以上， 吨煤注水量达1 3 . 8L左右。 注水后煤的水分增加到4 . 5 以上， 煤体受到较充 分的湿润， 在割煤及放煤等各生产环节都获得了较 好的降尘效果。 （4） 煤体的湿润能力取决于水与煤的湿润边角 和水的表面张力系数。当煤层条件一定， 水的性质 决定着煤体的湿润效果。因此降低水的表面张力， 可以提高煤体的湿润能力。 （5） 煤层内的瓦斯压力是注水的附加阻力。水 克服瓦斯压力后才是注水的有效压力。所以在瓦斯 压力大的煤层中注水时， 往往要提高注水压力， 以保 证湿润效果。 4 结论 （1） 为了提高煤层注水的效果， 可以采取如下措 施 ①间歇注水以使水能充分地渗入煤体裂隙， 提高 注水效果； ②使用湿润剂， 使水的表面活化， 降低水 的表面张力系数提高水湿润煤的能力； ③选择合适 的超前注水距离， 有利于煤层注水和提高煤层湿润 效果。 （2） 实践证明 由于注水时水从煤体的裂隙和孔 隙中挤走大量的游离沼气， 还能使吸附状态的沼气 延迟了解吸释放的时间， 大大降低了煤层开采时的 沼气泄出量， 降低了上隅角瓦斯浓度， 杜绝了瓦斯超 限现象。另外， 在高瓦斯矿井煤层注水能使煤质变 软， 增加塑性， 从而减少冲击， 降低煤与沼气突出次 数。 （3） 因为三河尖煤矿煤层孔隙率为4 . 9 ， 但微 孔数占5 0 以上， 所以不易采用长孔注水方法。但 根据实践， 在受应力影响的超前距离2 0 3 0m范围 内实施煤层注水时， 可以收到较理想的效果， 但在应 力集中带内注水时， 水分流失到工作面内， 影响生 产， 效果也不好。 （4） 煤层注水工作搞的好不好， 关键在于钻孔深 度和封孔质量上， 必须大力推广应用新技术、 新工 艺、 新设备， 借鉴先进单位经验， 提高煤层注水效果， 从根源上杜绝煤尘事故。 作者简介 张峰 （1 9 7 2-） ， 男， 江苏沛县人， 2 0 0 5年6 月毕业于中国矿业大学采矿工程专业， 现在徐州矿务集团公 司三河尖煤矿通风工区从事通防技术管理工作。 （收稿日期 2 0 0 5 - 1 0 - 1 1； 责任编辑 王福厚） 52 技术经验煤 矿 安 全（2 0 0 6 - 0 4）