综放工作面煤层注水技术实践及效果分析

赵永全

（山西同煤集团虎龙沟煤业有限公司，山西 朔州 036010）

虎龙沟煤矿开采的3～5#煤层硬度高，厚度大，结构复杂，工作面开采时粉尘浓度大，大块煤较多，回采速度低下，严重影响工作面的正常回采。学者探索煤层注水可以减少巷道围岩抗压显现，有效防止瓦斯涌出，降低煤尘的生成[1-3]。此外，煤层长时间注水可以使煤岩体充分浸湿，降低煤炭的力学强度，进而有软化煤岩体的作用[4]。综合分析81505综放工作面煤层情况，适宜采用煤层注水来解决回采过程的问题。

1 工程概况

虎龙沟煤矿开采5#号煤层81505 工作面，位于马口峪河东部。81505 工作面标高1062～1094 m，下伏8#层为实体煤，未开采，东部为实煤区，南部与盘区东轨道大巷相接，西部邻近81503 工作面采空区，北部邻近塔山煤矿二盘区。煤层可采走向长度1488 m，倾斜长度为180 m，总厚度为11.99～14.36 m，平均厚度12.73 m，倾角在3～5°之间，煤层普氏硬度为4.5，直接顶和直接底的普氏硬度为6。直接顶岩性以高岭质泥岩为主，厚度在1.50～2.27 m；直接底岩性以砂质泥岩为主，厚度在0.95～3.10 m；基本顶岩性以细砂岩为主，厚度在7.60～28.8 m。在81505 综放工作面回采过程中，由于煤层坚硬、厚度大、含夹矸、在生产过程中粉尘浓度大等问题，严重影响煤矿正常开采。

2 煤层注水弱化机理

煤层注水弱化技术与水力压裂弱化煤岩体技术原理基本一致，都是通过注水来改变煤岩体的物理力学性质，从而降低煤岩体的自身强度，来解决工程问题[5]。煤层经过长时间高压注水后，在注水压力的作用下扩展煤体原有的裂隙，在毛细作用的影响下，煤体会吸收充分的水分，软化煤体的自身内聚力和内摩擦力，在一定的情况下可以解除煤体中的部分应力。煤体中固有裂隙得到充分扩展或吸收水分后，水会存在裂隙缝当中，起到一定的润滑作用，降低了内摩擦角，从而降低了煤体的自身强度。另外，在孔隙压力的作用下，煤体内自身之间的有效应力会被部分抵消，所以煤体的抗剪强度也会降低。81505 工作面煤层中含有夹矸，经过煤层注水之后，由于夹矸和煤体的力学性质不同，在水的作用下，可将它们充分分离。

3 钻孔布置及参数确定

3.1 工作面钻孔布置

钻孔在51505 轨道巷扇形布置，超前工作面距离40 m，设计布置上部钻孔3 个和下部钻孔3 个。上部孔与下部孔间距应为3 m，第一个钻孔打下部钻孔，距工作面20 m，钻孔高度为距巷道底板1.5 m，直径为60 mm。煤层注水钻孔布置示意图如图1所示。

图1 注水钻孔布置示意图

3.2 钻孔参数确定

注水效果的好坏取决于钻孔参数的选取，根据81505 综放工作面的地质条件及相关作业标准，相关参数确定如下：

（1）钻孔角度

① 扇形钻孔布置角度下部钻孔按下式计算：

式中

α-钻孔倾角，（°）；

h-钻孔位置进回风巷对应点的高差，m；

lg-钻孔位置对应工作面长度，m。

② 扇形钻孔布置角度上部钻孔按下式计算：

式中

αm-扇形钻孔上部孔倾角，（°）；

M-煤层厚度，m。

钻孔始终保持在煤层之中，考虑钻杆自身下沉，下部钻孔倾角为2°，上部钻孔7°。

（2）钻孔长度

扇形钻孔长度上部孔按双向钻孔长度计算，长度为1/2 工作面长度短5～8 m，下部钻孔按单向钻孔长度短20～40 m。由于钻杆下沉，上部钻孔长度取120 m，下部钻孔长度取120 m。

（3）钻孔间距

钻孔间距的确定取决于煤层的透水性的强弱，鉴于81505 工作面煤层透水性较弱，确定施工的钻孔间距为15 m。

4 注水及封孔

4.1 注水方式

采用动压注水泵进行煤层注水。注水压力的大小取决于煤层透水性强弱，透水性强的煤层注水压力低，透水性弱的煤层注水压力高。鉴于81505 工作面煤层透水性弱，确定注水压力为不低于4.0 MPa，实际注水压力根据现场煤层情况进行调节。

4.2 注水参数

采用3BZ8.1/17-45 型动压注水泵，额定电压为17 MPa，电机功率200 kW，额定流量8.1 m3/h。动压注水泵布设在顺槽离工作面20 m 的距离，随着综采工作面的推进而移动。根据煤层相关物理参数及影响因素，确定钻孔注水量为891 m3。实际动压注水时为4 m3/h，求得注水时间为9.3 d。根据动压注水泵型号，可知同时注水钻孔数目为3 个，注水距离超前工作面45 m。

4.3 封孔工艺

本次煤层注水钻孔在120 m 左右，属于长钻孔注水，注水之后最重要的环节就是钻孔的封闭。合理的封孔方式决定煤层注水效果，可以保证煤层浸湿的直径范围。考虑到在注水过程中由于水冲刷而造成的钻孔直径变大，因此封孔深度也要合理选择。封孔深度必须大于巷道围岩塑性区半径范围，避免深度不足进而影响巷道围岩的岩石力学性质，同时水也不会从巷道渗出或溢出，保证了巷道的稳定安全。

目前钻孔封闭方式有很多，而就长钻孔长时间注水形式而言，能达到要求的封孔方法不多。注浆封孔泵可以满足这种要求，安装专用的注浆泵封孔器进行封孔，封孔长度为10 m。封孔注浆材料采用配比为1:0.4 的水、水泥及外加合适的膨胀剂混合而成。配比后的水泥材料呈粘稠状，在运送到钻孔内短时间不会收缩而影响封孔效果。

5 煤层注水效果分析

5.1 煤层注水降尘效果分析

经过对煤层进行长时间注水有效浸湿了煤后，在开采煤炭过程中降低了粉尘的生成。为了确定注水效果的可靠性，对工作面各个作业工序进行现场粉尘浓度的检测。经过注水前后为期3 个月分别对81505 工作面割煤、放煤、移架期间及回风处进行检测分析，粉尘产量明显下降，检测具体参数结果见表1。

表1 注水前后煤层粉尘浓度对比表

从上表1 中可以看出，自五月份开始煤层注水后，30 d 平均总粉尘浓度和呼吸尘浓度有明显的下降。在割煤期间平均总粉尘质量浓度下降了48.8%，平均呼吸粉尘质量浓度下降了54.3%；放煤期间平均总粉尘质量浓度下降了52.5%，平均呼吸粉尘质量浓度下降了52.8%；移架期间平均总粉尘质量浓度下降了53.7%，平均呼吸粉尘质量浓度下降了62.9%；回风期间平均总粉尘质量浓度下降了51.7%，平均呼吸粉尘质量浓度下降了38.4%。六月份相对于五月份而言，工作面的粉尘浓度也有明显的下降，所以煤层注水起到了很好的降尘作用。

5.2 煤层注水放煤效果分析

（1）对比注水前后工作面放煤大块煤率和回采率

经过注水后煤层放煤大块煤率明显低于未注水的煤层。从这一现象可以看出，通过注水弱化后，能够有效地破坏煤的原有物理力学性质，降低了煤炭的强度，在放煤过程中能够使煤炭充分碎裂，大块煤也随之减少。

（2）根据工作面赋存煤炭储量和实际采出煤炭计算放煤率

在未进行煤层注水作业之前，工作面的放煤率是76%，经过注水作业后，工作面推进一段距离后，计算放煤率为86%，放煤率提升了10%。经过对工作面日产量的分析对比知，未注水前工作面的日产量要比注水后工作面的日产量低，说明经过注水作业后可以有效提高工作面的推进速率。

6 结论

81505 综放工作面注水作业实践表明，经过长钻孔长时间煤层注水，在采煤各个作业工序中平均降尘率高于50%，有效地改善了工作环境，保证了作业人员身体健康。煤层注水作业后，有效弱化了煤岩体的自身强度，增加了工作面的放煤率，促使煤炭资源得到充分回收。