煤层注水在义络煤业有限责任公司采煤工作面的研究与应用

摘 要：为制定一套完整完善的煤层注水体系，明确矿井注水系统建设和注水工艺流程，结合矿井煤层各项物理参数，科学分析，选定实用有效的注水参数，充分发挥煤层注水的功效，降低煤尘浓度，改善采掘作业环境。

关键词：煤层注水 钻孔 注水量 注水时间；

矿井煤尘的危害极大，它不仅污染作业环境，降低能见度，影响矿工的身体健康，而且煤尘的爆炸还会造成重大人身伤亡事故，矿井粉尘治理是灾害防治的一项重大任务和使命。

1、研究地点概况

义煤集团义络煤业有限责任公司设计生产能力60万吨/年，瓦斯等级鉴定为瓦斯矿井，煤种焦煤，所采二1煤层条痕黑色，以粉状为主，偶见块状、鳞片状煤，玻璃光泽和似金属光泽，参差状断口。因受构造作用，煤层原生结构遭到破坏，层理不明显，煤岩类型较混杂，揉皱镜面发育，松软易碎，多呈粉状产出，裂隙较发育，并充填方解石和粘土。煤的真密度为1.52t/m3，视密度为1.46t/m3。煤的堆比重为0.90t/m3，静止角为39.3°，磨擦角为33°，可磨性指数为110，属易碎煤。

根据以往岩石物理力学性质试验资料，二1煤层顶板大占砂岩单向抗压强度为73.38MPa，单向抗拉强度为1.5～1.95MPa。

二1煤原煤水分（Mad）为0.021～2.06%，平均0.71%；浮煤水分（Mad）为0.46～1.52%，平均0.87%。由于区内煤变质程度较高，各煤层水分含量均较低。

2、煤层注水原理及效果

煤层注水是采煤工作面最有效的防尘措施。煤层注水的除尘机理包括以下3个方面，一是湿润煤体内的原生煤尘，使其失去飞扬的能力。二是有效地包裹煤体的每个细小部分，当煤体在开采中破碎时，避免细粒煤尘的飞扬。三是水的湿润作用使煤体塑性增强，脆性减弱。当煤体受外力作用时，许多脆性破碎变为塑性形变，因而大量减少了煤体被破碎为尘粒的可能性，降低了煤尘的产生量。

3、采煤工作面煤层注水工艺研究

3.1 注水设备选择

3.1.1采用ZQJC-400/7.1型钻机，在采煤工作面上下巷施工顺层钻孔，钻孔参数要求：垂直巷道煤壁，倾角30-33°，偏角0度，钻孔直径Φ75mm。

3.1.2 注水系统由乳化泵（含压力泵、水箱、压力表、安全阀、溢流阀等）、高压钢丝胶管、高压水表、阀门、橡胶膨胀式简易封孔器组成。

3.1.3 封孔采用简易橡胶膨胀式封孔器封孔。

3.2 采煤工作面上下巷长孔钻孔

3.2.1 单项钻孔长度应比采煤工作面切眼长度短20-40m。

3.2.2双向钻孔应不小于采煤工作面切眼长度的2/3。

3.2.3 视采煤工作面回采前方地质情况、煤层稳定情况、煤层厚度、地质构造和煤层倾角另行修改钻孔参数。

3.3采煤工作面钻孔及注水参数设计

3.3.1 按照义络煤业井下采煤工作面切眼长度一般设计倾斜长度一般为100-120m计算，视地质状况钻孔深度应设计为：33-40m。

钻孔长度计算：

单向钻孔注水时孔长的计算。

L=100*L1/3=33m

L=120*L1/3=40m

式中：

L――钻孔长度，m；

L1――工作面长度，m；

根据我国的注水经验，钻孔长度为30～100m，即工作面长度的1/3～9/10的范围

3.3.2钻孔孔径：Φ75mm。

3.3.3钻孔间距

据我国矿井注水经验显示，采用的钻孔间距大多为10～25m。义络煤业一般取每隔15m布置一个长孔，在断层构造附近、薄煤带附近、抽放钻孔布置地段不易布置深孔注水钻孔。

钻孔间距：Li==15m

Li―钻孔间距

L―钻孔长度，m

l―封孔长度，取1.8m

3.3.4 单孔注水量

Q=k.M.Li.L.ρ.б

式中：

Q―单孔注水量，m3；

k―钻孔前方煤体湿润系数，1.1-1.3；

M―煤层厚度，m；

Li―钻孔间距，m；

L―钻孔长度，m；

ρ―煤的密度，t/m3；

б―吨煤注水量，一般取0.02-0.04m3/t。

注水量Q=1.1×2.0m×15m×33m×1.46×0.02=31.80m3

3.3.5 单孔注水时间

T=Q/q=31.80/5=6.35h

式中：

T―注水时间

q―单孔注水流量

注：动压注水时注水泵流量80L/min，单孔注水流量应为3-5m3/h。

3.3.6 钻孔数量

按照工作面推进速度，月施工钻孔数量一般取2-3个。

3.3.7注水超前距离

Lc=Tv+lt=1.2×6.35+20m=27m

式中：

Lc―注水超前工作面距离，m

v ―工作面推进速度

lt―停止注水时钻孔距工作面的距离，应为8-20m。

4、采煤工作面浅孔注水参数研究

4.1 钻孔直径

浅孔钻孔直径一般为Φ42mm。采用MQS-60/2.1手持式风动钻机。

4.2 钻孔长度

L=Ld+0.25=1.2+0.25=1.45

L-钻孔长度

Ld-工作面日推进度

义络煤业井下采煤工作面根据煤质和煤厚，浅孔注水注水孔深度一般取3m左右。

4.3 钻孔间距

采煤工作面实际每隔4架支架打一个注水孔，孔间距4m

4.4 封孔

封孔采用简易橡胶膨胀式封孔器封孔，型号FKSS-40/15。

4.5 注水压力

采用泵站乳化液泵注水，注水压力满足封孔器自然工作状态下压力4-6MPa。

4.6 单孔注水量

q=k.n.Vc*100%=1.2*2.5%*3*4*4=1.44m3

式中：

q-单孔注水量

K-漏水系数，取1.2

n-湿润系数，取2.5%

Vc-湿润体积，Vc=LBM，L为孔深，B为空间距，M为煤层厚度。

4.7 注水时间

单孔注水时间一般为半小时左右，见煤壁出汗即可停止注水。

5、 煤层注水过程

5.1 打钻

①按设计要求高度位置安设钻机，钻架要安设牢固，可靠，以确保钻孔方位及倾角符合要求。

②严禁无水钻进。

③钻孔要做到连续钻进，不能长时间停钻，否则应将钻杆全部拨出，以防止卡钻等事故，每次钻进前要做到先开水，后开钻。

④每个钻孔打完后，要清理好现场，并挂牌管理。

⑤每班都要做好原始记录，交接班时，必须把原始记录和现场情况交接清楚。

5.2 注水

①首先必须将注水泵放置平稳，吸水箱应放置于泵体附近5m左右，吸水器管末端必须有过滤装置。

②开泵前应首先检查注水设备配件是否紧固，然后打开放气活栓，向泵内注水，最后放上放气活栓。

③注水过程中，应注意泵响声和运转情况是否正常，如发现异常情况时，还有局部高热时，应立即停泵排除故障。

④每班必须认真填写注水记录，设立煤层注水台帐。

6、结论

①煤层注水应用在采煤工作面回采过程中是一种工艺较为简单、技术难度不大且实用性较强的，安全性能较好的措施，可以降低回采期间工作的粉尘浓度，进一步改善作业环境

②煤层注水后煤层含水率提高1.5%左右，提高了煤层的透气性，煤层的透气性系数提高，可以提高煤层的瓦斯抽采利用率。

③煤层注水研究应用后可提高工作面推进速度，提高了煤矿的开采经济效益和环保效益，可适用于类似矿井及相同地质条件矿井。

参考文献：

[1]煤矿安全规程.国家安全生产监督管理总局，2016版.

[2] 煤层注水可注性鉴定方法.中华人民共和国煤炭行业标准，MT/T 1023-2006.

[3] 中华人民共和国煤炭行业标准.长钻孔煤层注水方法，MT 501-1996.