阳煤一矿工作面高压注水方法的应用研究

[摘 要]煤炭是我国能源安全的基石，对国家经济安全关系重大。近年来，随着社会对煤炭资源需求量的日益增加以及开采强度的不断提高，矿井进入深部开采已经成为必然趋势。随着煤矿采深向深部延伸，采煤工艺正朝着机械化方向发展。回采期间，回采速度的加快，工作面的瓦斯涌出量也逐渐增大。如何减小回采期间工作面的瓦斯涌出量，已成为制约煤矿生产的一大难题。煤层注水作为一种矿井灾害防治措施，在防治矿尘、瓦斯突出、减少回采期间瓦斯涌出等方面具有独特的效果，通过在阳煤一矿开展煤层注水的工程实例，分析验证了煤层注水的重要作用。

[关键词]高压注水 防治瓦斯

中图分类号：O521+.21 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）03-0032-01

1 煤层注水的作用机理

煤体是一种多孔性固体，既有成煤过程中产生的原生孔隙，也有成煤后的构造运动形成的大量孔隙和裂隙。这些孔隙形成了很大的自由空间，使得成煤过程中产生的瓦斯以游离和吸附两种形态存在于孔隙表面。游离状态又称为自由状态，这种状态的瓦斯以自由气体形态存在于煤层孔隙中，其分子可自由运动，并服从自由气体定律。针对游离状态瓦斯在煤体中的这一性质，可在煤层中施工若干钻孔，通过钻孔将水注入煤墙中，利用瓦斯难溶于水的这一特性，将煤层的瓦斯提前排放出来，从而减小回采期间瓦斯的涌出量。通过钻孔进行煤层注水，水沿着煤的裂隙向被裂隙分割的煤体渗透并储存于裂隙和孔隙中，增加煤体水分，湿润煤体内的原生煤尘，使其失去飞扬能力。同时使煤体塑性增强，脆性减弱，在煤体破碎时，许多脆性破碎变为塑性形变，降低了煤体被破碎为尘粒的可能性，减少了煤尘的产生量。煤层注水可使煤的力学性质发生明显变化，弹性和强度减小，塑性增大，从而使巷道前方的压力分布发生变化，即高应力向煤体深部转移，应力集中系数减小。注水过程中，大部分游离态瓦斯被高压水挤出煤体提前释放，而部分游离态瓦斯受到高压水影响转化为吸附状态，延长了瓦斯释放时间，两者同时呈现，减少了采掘时瓦斯的涌出量。同时，煤体湿润后，水封闭了煤中微孔隙，故水对瓦斯的运动起到明显的阻碍效应，煤中瓦斯涌出量和涌出速度都在大幅度下降，可以消除或降低煤层的突出危险性。

2 煤层注水实践

1.工作面概况。K8205 工作面位于南条带二采区扩区东部，东部为南条带一采区，（已回采），南部为三矿井田边界，西部为本采区采区大巷，北部为本采区辅助回风巷。工作面走向长600 m，倾向长200 m，煤层倾角平均3°，煤层最厚处7.3 m，最薄处6.5 m，采煤工艺为单一煤层一次采全高走向长壁后退式综合机械化放顶煤回采，顶板控制采用全部垮落法。回采期间工作面正常涌水量10 m3/h，最大涌水量 30 m3/h。

2.注水孔布置。沿工作面倾斜方向每隔6 m 打1 个顶眼、1 个中眼、2 个注水孔（2 个注水眼应错开3 m），顶眼靠顶梁下0.2 ～ 0.4 m 朝煤壁打孔，倾角为+ 45°方向角左偏10°。中眼距巷道底板1.5 m，中眼倾角为垂直于煤墙方向10°，钻孔深度为5 m。

3.打眼。使用气动锚头钻，钻杆采用可接加长麻花型钻杆。

4.封孔。使用快速封孔器封孔，封孔器装在注水孔1.5 m处进行膨胀封孔。

5.注水设备及注水时间。采用工作面液压支架水管注水。工作面煤壁可同时注2 个孔，即2 个孔为1 组，每组注水时间应以煤壁明显出现湿润为终止注水工作的标准。

6.注水参数。注水水压不得小于2 MPa。

7.注水循环及劳动组织。

（1）每天在检修班集中进行注水。

（2）打眼工作由2个人协作进行，打眼前先对煤壁进行敲帮问顶，找掉活煤块，防止片帮及冒落伤人。再详细检查打眼周围支架情况，无问题方可实施打眼工作。

（3）打眼必须按顺序由下向上进行。

（4）工作面注水工作应在采煤工作前2和注水完闭。

3 煤层注水效果分析

煤层注水降低瓦斯涌出量的效果十分明显。这是因为注水时，高压水需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，降低了煤弹性模量，使煤体内的应力分布均匀化，弹性能释放的速度变小，从而降低了瓦斯的释放速度。注水后，水对煤及岩石有明显的破碎作用，煤层透气性增加，钻孔抽放瓦斯浓度提高，抽放量明显增加，释放采掘空间瓦斯减少；水进到煤体后可起到排挤煤中瓦斯作用，同时也封闭了煤中微孔隙，使瓦斯由游离状态变为吸附状态更为困难； 煤层注水使煤体自身力学性质发生变化，而且能使工作面应力向煤体深部转移，使煤体瓦斯均匀释放，具体来说，表现在以下几个方面。

1.可以有效降低测试钻孔附近的瓦斯浓度。注水孔未注水前，经测试钻孔上、下侧2 m 左右位置瓦斯浓度约2.8%；注水2 h 后，同一个注水孔上、下侧2 m 左右位置瓦斯浓降低至1.0% 左右。

2.可以有效降低回采期间工作面上隅角和回风巷中的瓦斯浓度。未注水前，回采期间K8205工作面上隅角的瓦斯浓度保持在0.6% ～ 0.7%，回风巷中的瓦斯浓度为0.4%，严重影响正常生产的进行；注水后，K8205工作面回采期间上隅角的瓦斯浓度降为0.3% ～ 0.4%，回风巷中的瓦斯浓度降低至0.2% 左右。

3.其他效果。煤层注水后，对高温工作面起到了明显的降温作用，工作面平均温度降低1. 5 ℃左右，有效改善了工作面的劳动环境。煤层注水能够有效湿润和软化煤体，减少综掘机机组故障，大幅度降低截齿损耗，提高工作面可见度，也大大减轻工人的劳动强度。

4 影响煤层注水效果的因素及改进措施

（1）煤层裂隙、孔隙程度直接影响煤层注水量。煤层的裂隙越发育，越易注水 ；煤质较硬的工作面，裂隙不发育，注水时很困难；注水后拨孔时会出现回水现象。但是当出现一些较大的裂隙（如断层 、破裂面等）时，注水易散失于远处或煤体之外，对注水不利。

（2）煤层裂隙不发育，原生裂隙和孔隙被压紧得更小，导致煤层透水性能降低，注水困难。K8205 工作面煤质松软，裂隙较发育，无冲击倾向性，注水较易。

改进措施：（1） 采用间歇注水。间歇注水能使水充分渗入煤层，提高注水效果。（2） 使用湿润剂。湿润剂可以使水的表面活化，降低水的表面张力系数，进而提高水湿润煤的能力。（3）合理选择超前注水距离。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

4 结 论

注水后工作面内瓦斯浓度明显下降，煤体内瓦斯在回采前提前得到释放，基本杜绝了工作面瓦斯超限。工作面粉尘量也明显下降，作业环境得到有效改善，提高了劳动生产率，工作面日产量增加了800 t，取得了良好的效益，为矿山安全生产奠定良好的基础。

参考文献

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