煤層注水在義安礦綜采工作面的應(yīng)用

義煤集團(tuán) 宏盛煤業(yè)有限公司 張紅山 韓偉博

煤層注水在義安礦綜采工作面的應(yīng)用

義煤集團(tuán) 宏盛煤業(yè)有限公司 張紅山 韓偉博

一、注水鉆孔位置布置

義安礦FD003工作面注水方式采用巷幫雙向長鉆孔注水為主（工作面淺孔注水為輔）。工作面總長135 m，上、下巷幫注水孔深度設(shè)計為65 m，在工作面中部留下5 m空白帶；注水孔參考濕潤半徑為5 m，上、下巷注水孔間距為10 m，瓦斯預(yù)抽巷間注水孔間距為12 m；巷幫注水孔距離切眼、瓦斯預(yù)抽巷間距為20 m。

二、鉆孔參數(shù)。

1.上、下巷幫深孔參數(shù)。鉆孔角度根據(jù)上、下巷道標(biāo)高及煤層厚度確定，施工相向順層鉆孔，鉆孔角度為2° ～ 4°。鉆孔孔徑為89 mm，以距離底板1.5 m作為鉆孔開孔參考位置，可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況改動。工作面總長135 m，上、下巷幫注水孔深度設(shè)計為65 m，在工作面中部留下5 m空白帶。

2.鉆孔施工工藝。根據(jù)“水力壓裂→煤層注水→本煤層抽放”的壓注抽順序，在巷道掘進(jìn)期間首先施工水力沖孔，然后再施工煤層注水孔，注水孔超前本煤層鉆孔施工50 m，最后施工本煤層抽放孔，均采用SGZ–IIIA型防突鉆機(jī)施工。

3.封孔工藝。聚氨酯＋水泥漿＋膨脹水泥:注水管采用Ф25 mm的無縫鋼管，注液采用Ф10 mm的無縫鋼管；里段、外段用聚氨酯封孔，中間注水泥漿，最后孔口用膨脹水泥封堵。

4.注漿比例。水和水泥按 1∶1.5注漿，注漿過程中注漿壓力不應(yīng)低于3 MPa。

三、注水工藝

1.注水量設(shè)計。

（1）1個注水孔的一次注水量Q按下式計算。

式（1）中，q為水的密度，K為富余系數(shù)（取1.2），T為一個注水孔承擔(dān)的濕潤煤量，W為預(yù)計含水率增值（取1.5%）。

（2）1個注水孔承擔(dān)的濕潤煤量T按下式計算。

式（2）中，L為待注水煤體在鉆孔軸向方向的尺寸，S為注水孔間距，M為注水孔附近煤層平均厚度，γ為煤的密度。

2.注水系統(tǒng).工作面上下巷各安裝5塊水表，第一塊水表距離工作面20 m，向后依次安裝。注水系統(tǒng)連接方法為：注水泵→鋼絲編織纏繞膠管→截止閥→鋼絲編織纏繞膠管→水表→泄壓閥→截止閥→注水孔。

3.注水方法。掘進(jìn)期間注水孔施工完成后進(jìn)行一次注水，隨著煤炭的開采，煤層上方巖石會逐漸失去支撐，煤層重量向兩側(cè)轉(zhuǎn)移，在掘進(jìn)巷道兩側(cè)會出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域，應(yīng)力集中區(qū)域包括應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力升高區(qū)、原巖應(yīng)力區(qū)等區(qū)域。在注水期間，兩側(cè)應(yīng)力處于非穩(wěn)定狀態(tài)，故一次注水采用低壓漸進(jìn)深孔注水法。一次注水具體過程如下。

注水初始壓力為3 MPa，先將處于應(yīng)力降低區(qū)鉆孔周圍煤層進(jìn)行濕潤加固，以增強(qiáng)煤層的抗壓強(qiáng)度；當(dāng)注水流量減少至正常注水量的1/3后，再逐漸增加注水壓力，每次增壓2 MPa，增壓到10 ～ 15 MPa即可。在這一壓力下，應(yīng)力升高區(qū)的煤體裂隙會擴(kuò)張，煤層的透水性會增強(qiáng)。此時，進(jìn)行穩(wěn)定注水，直至達(dá)到設(shè)計注水量或出現(xiàn)煤墻嚴(yán)重滲水后方可停止注水。

4.注水機(jī)理。注水是儲水→滲透→儲水→擴(kuò)張的循環(huán)過程。在注水過程中，煤層孔隙和裂隙成為臨時的儲水空間。最初注注水量小于滲水量與儲水空間之和，隨著注水量的增加，儲水壓力逐漸增加，但不會超過注水壓力；當(dāng)該儲水空間周圍已經(jīng)滲透飽和后，注水量大于滲透量，儲水壓力超過注水壓力，水在煤體裂隙中的滲透速度增加，裂隙進(jìn)一步擴(kuò)張，擴(kuò)大了注水的滲透通道，增大了滲透范圍。

5.注水效果。煤層注水可以起到防塵和降溫的效果。具體如下。

（1）防塵。經(jīng)過煤層注水后，在回采過程中煤塵含量明顯減少，在注水孔周圍煤壁明顯濕潤，同時煤壁片幫現(xiàn)象也有好轉(zhuǎn)。回采工作面注水前后粉塵濃度對比見表1。

表1 回采工作面注水前后粉塵濃度對比

（2）降溫作用。FD003工作面過注水后，對工作面起到了明顯的降溫作用。對采煤工作面注水前后工作面溫度進(jìn)行測量后發(fā)現(xiàn)，工作面上隅角溫度降低了1.4℃左右，而工作面內(nèi)溫度降低了2.5 ℃左右，回風(fēng)流溫度降低2 ℃ ～ 4 ℃。

四、結(jié)論

1.影響煤層注水效果的最直接因素是煤層裂隙、孔隙的發(fā)育程度。裂隙發(fā)育、孔隙率高的煤層透水性強(qiáng)，水易于注入，所需注水壓力就較低。

2.鉆孔施工過程中要盡量避開褶曲、斷層等地質(zhì)構(gòu)造帶，單孔孔深根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)實(shí)際情況去頂，避免鉆孔鉆入頂?shù)装逯小?/p>

3.注水孔濕潤半徑為4 ～ 8 m，平均濕潤率超過2%。注水超前工作面30 ～ 50 m為最優(yōu)注水范圍，可以保證注水和采煤工作的平行作業(yè)。

4.注水壓力越大，注水量越大，但是隨著時間的增加，注水量增加率減小；靜壓注水中，注水量與注水時間成正比；動壓注水中，若泵的流量和注水孔數(shù)定后，單孔注水流量為定值。