綜放工作面高壓注水逾裂滲透降塵技術(shù)的應(yīng)用

孟祥軍 王緒友 孟警戰(zhàn)

（兗礦集團(tuán)有限公司東灘礦，山東省鄒城市，273512）

綜放工作面高壓注水逾裂滲透降塵技術(shù)的應(yīng)用

孟祥軍 王緒友 孟警戰(zhàn)

（兗礦集團(tuán)有限公司東灘礦，山東省鄒城市，273512）

在綜放采煤工作面采用煤層高壓注水逾裂混合注水技術(shù)，以“逾裂滲透”理論為基礎(chǔ)，利用應(yīng)力－裂隙孔隙－滲流之間的內(nèi)在規(guī)律，分析煤層注水、煤層裂隙孔隙動(dòng)態(tài)演化過(guò)程以及流體滲流、運(yùn)移特征，完善煤層注水工藝，達(dá)到提高注水效果、防治粉塵的目的。

煤層 高壓注水 逾裂 滲透 濕潤(rùn) 降塵

1 概況

兗礦集團(tuán)東灘煤礦主采煤層為二迭系下統(tǒng)山西組第三層煤，屬中等變質(zhì)程度氣煤，煤層平均厚度9.5 m。1305工作面走向長(zhǎng)度2370 m，工作面長(zhǎng)度223 m，工作面安裝ZFY8500/21/40D型支架148組，采用綜放無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)，工作面產(chǎn)量高、產(chǎn)塵量大。工作面防塵是通防工作的重點(diǎn)。通過(guò)采用高壓注水逾裂滲透技術(shù)，達(dá)到了降低工作面粉塵濃度，改善工作面環(huán)境的目的，取得了顯著的效果，有力促進(jìn)了煤礦職業(yè)安全健康工作。

2 層高壓注水逾裂滲透應(yīng)用理論

2.1 水力致裂弱化技術(shù)原理

煤巖體水力致裂弱化技術(shù)的原理是利用鉆孔水壓力的作用，改變孔邊煤巖體的應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致孔邊起裂和裂縫擴(kuò)展，進(jìn)而利用裂隙水壓力，控制水壓裂縫的擴(kuò)展，弱化煤巖體的整體力學(xué)特性；同時(shí)改變了煤巖體的滲透性能，使煤巖體充分吸水濕潤(rùn)，進(jìn)一步軟化煤巖體，達(dá)到致裂弱化的作用。

2.2 煤層水力壓裂的特殊性

鉆孔在高壓水的作用下發(fā)生起裂后，水在注水泵的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)入煤層之中的層理面和裂隙系統(tǒng)，并對(duì)弱面作用壓力，切割裂隙。煤體產(chǎn)生空間上的膨脹，促使該級(jí)弱面繼續(xù)擴(kuò)展和延伸，逐步在煤層中相互連通形成貫通網(wǎng)絡(luò)，造成煤層的壓裂分解。各級(jí)弱面在內(nèi)水壓力作用下的擴(kuò)展和延伸，必須滿(mǎn)足注入水壓力大于濾失水壓力和借助于弱面邊緣端部形成的封堵帶兩個(gè)條件。逾裂以張開(kāi)型、滑開(kāi)型、撕開(kāi)型3種形式出現(xiàn)。

2.3 注水鉆孔直徑壓裂變形特征

鉆孔隨孔徑增大，孔口破裂的水壓力逐漸減小，且降低的梯度也逐漸減小，鉆孔直徑大到一定程度后，孔徑的增大對(duì)降低孔口破裂水壓力的作用減弱。隨鉆孔孔徑的增大，水壓裂縫失穩(wěn)擴(kuò)展的水壓力變化趨勢(shì)與孔口破裂水壓力一致；失穩(wěn)擴(kuò)展與孔口破裂的水壓力差值逐漸減小，與模型的邊界效應(yīng)有一定的關(guān)系，現(xiàn)場(chǎng)水力致裂鉆孔存在一個(gè)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)上最佳的鉆孔孔徑。依據(jù)模擬結(jié)果，現(xiàn)場(chǎng)鉆孔孔徑不宜超過(guò)70 mm。

2.4 注水壓力壓裂變形特征

采用煤巖損傷破裂過(guò)程滲流－應(yīng)力耦合分析系統(tǒng)RFPA2D－Flow分析煤層注水鉆孔在不同壓力下壓裂后裂縫的擴(kuò)展規(guī)律。

從數(shù)值模擬的結(jié)果可以看出，為了達(dá)到較好的水力致裂效果，煤層注水壓力應(yīng)該大于7.0 MPa，這樣可以保證裂隙持續(xù)擴(kuò)展，直到裂紋貫通。

3 煤層高壓注水逾裂滲透現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 注水技術(shù)參數(shù)

（1）注水鉆孔布置。根據(jù)1305綜放工作面回采綜合地質(zhì)圖分析，結(jié)合該區(qū)域煤層傾角、煤厚等地質(zhì)條件和鉆孔的布置方式提出鉆孔參數(shù)，初定注水鉆孔采用20 m間距布置，以避免濕潤(rùn)重疊，影響注水濕潤(rùn)半徑的確定，待濕潤(rùn)半徑確定后，及時(shí)調(diào)整施工方案。由于1305工作面長(zhǎng)223 m，單向鉆孔不能達(dá)到煤體大范圍的注水濕潤(rùn)，因此，針對(duì)1305工作面長(zhǎng)的特點(diǎn)，注水鉆孔采取雙向鉆孔布置。

（2）注水鉆孔封孔方式。根據(jù)理論研究以及借鑒大量先進(jìn)煤礦的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，封孔長(zhǎng)度為10～20 m較為合適。先將鋼管置于鉆孔內(nèi)26 m左右位置，在距離孔口20 m左右位置的高壓鋼管處外焊套外徑?65 mm特制卡盤(pán)，卡盤(pán)外纏繞適量的棉紗，然后充填固邦特泡沫封孔，堵塞注水通道。固邦特封孔前，先用壓風(fēng)通過(guò)預(yù)留管吹出孔外的水體，提高固邦特的封孔效果，封孔強(qiáng)度在15 MPa以上。煤層注水孔封孔見(jiàn)圖1。

圖1 煤層注水孔封孔示意圖

（3）注水壓力。煤層動(dòng)靜壓脈沖注水壓力控制在7.0～18.0 MPa之間，在10～12 MPa間為最優(yōu)注水壓力。

3.2 注水工藝

煤層注水系統(tǒng)主要由高壓注水泵、雙功能高壓水表、逆止閥、高壓膠管、分支壓力表、分支截止閥、注水鉆孔組成。工作面一側(cè)單向注水工藝見(jiàn)圖2。

圖2 軌道巷道側(cè)煤層波動(dòng)式高壓注水系統(tǒng)示意圖

3.3 煤層注水現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

2011年12月5日，在1305工作面進(jìn)行了煤層高壓逾裂滲透注水試驗(yàn)工作。

共施工注水鉆孔18個(gè)，選擇1＃～8＃孔進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。動(dòng)1＃鉆孔長(zhǎng)約97.5 m，累計(jì)注水154.75 m3；動(dòng)2＃鉆孔長(zhǎng)約103.9 m，累計(jì)注水244.41 m3；動(dòng)3＃鉆孔長(zhǎng)約119.1 m，累計(jì)注水296.56 m3；動(dòng)4＃鉆孔長(zhǎng)約91.5 m，累計(jì)注水116.25 m3；動(dòng)5＃鉆孔長(zhǎng)約132.4 m，累計(jì)注水307.91 m3；動(dòng)6＃鉆孔長(zhǎng)約113.5 m，累計(jì)注水281.33 m3；動(dòng)7＃鉆孔長(zhǎng)約135.5 m，累計(jì)注水311.22 m3；動(dòng)8＃鉆孔長(zhǎng)約110.4 m，累計(jì)注水259.2 m3。

3.4 煤層注水效果分析

（1）鉆孔平均注水量。每個(gè)鉆孔注水量為172.2 m3，平均注水量為1.5～2.0 m3/h。

（2）煤體水分增量及濕潤(rùn)半徑。煤層注水后，煤體水分平均增加1.61%。鉆孔有效濕潤(rùn)半徑為14～15 m，因此，注水鉆孔布置間距以15 m為宜。

（3）煤層孔隙率。煤層采用高壓逾裂滲透混合注水工藝注水后，經(jīng)測(cè)定，煤層孔隙率提高27.8%，孔徑分布大于0.01μm孔隙占總孔隙的比例由原來(lái)的29.4%提高到52.1%，可注水孔隙率亦由原來(lái)的1.44%提高到3.26%。

3.5 工作面降塵效果分析

1305工作面在煤層高壓注水逾裂滲透注水工藝技術(shù)的作用下其濕潤(rùn)半徑約為7.3 m，最終擬定注水鉆孔間距為15 m，達(dá)到了最優(yōu)的注水濕潤(rùn)效果，煤體水分增加率為1.6%以上。煤層高壓逾裂滲透混合式注水工藝通過(guò)動(dòng)壓逾裂滲透、靜壓穩(wěn)態(tài)滲流以及毛細(xì)管吸收吸附作用，對(duì)煤體濕潤(rùn)效果顯著，不僅濕潤(rùn)了原生煤塵，而且軟化了煤體對(duì)工作面粉塵，尤其是對(duì)于落煤、移架、放煤等高濃度粉塵產(chǎn)生環(huán)節(jié)起到了積極的抑制作用，降塵效果顯著。粉塵濃度檢測(cè)分析見(jiàn)表1。

表1 粉塵濃度檢測(cè)分析統(tǒng)計(jì)表

3.6 其他作用

（1）降溫。煤層注水后，各測(cè)點(diǎn)溫度均有不同程度的降低。注水后工作面溫度平均降低1.1℃，回風(fēng)隅角平均降幅0.5℃，回風(fēng)流平均降幅0.4℃；注水后工作面最高溫度為27.8℃，回風(fēng)隅角最高溫度為28.8℃，回風(fēng)流最高溫度為29.1℃，各地點(diǎn)的最高溫度均低于注水前的最低溫度。由此可見(jiàn)，煤層注水取得了明顯降溫效果。

（2）應(yīng)力釋放。采用礦微震監(jiān)測(cè)SOS微震系統(tǒng)對(duì)注水工作開(kāi)展以來(lái)1305工作面的震動(dòng)次數(shù)及能量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從不同的角度考察煤層注水的防沖效果。開(kāi)采初期未形成大面積采空區(qū)，礦山壓力顯現(xiàn)不明顯，震動(dòng)次數(shù)及能量級(jí)別均處于較低水平；隨著開(kāi)采工作的延續(xù)，采空區(qū)面積不斷增加，頂板裸露面積也逐步增加，礦山壓力出現(xiàn)明顯的增加趨勢(shì)，表現(xiàn)為1305工作面震動(dòng)次數(shù)及釋放能量的不斷增加。但是，1305面自開(kāi)采以來(lái)，由于一直采用高壓逾裂波動(dòng)式注水工藝，并結(jié)合松動(dòng)炮卸壓技術(shù)，工作面存在的沖擊地壓危險(xiǎn)得到了有效地遏制。工作面發(fā)生震動(dòng)的次數(shù)雖然較為頻繁，但能量釋放的級(jí)別較低，釋放能量基本均在104 J以下，未發(fā)生釋放能量達(dá)到或超過(guò)105 J的礦震。

4 結(jié)論

（1）依據(jù)煤體高壓逾裂滲透理論研究及裂隙特征數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，確定東灘煤礦綜放工作面注水鉆孔間距為15 m，鉆孔孔徑65 mm，鉆孔孔深120～150 m，注水波動(dòng)壓力介于10.0～12.0 MPa之間。注水后工作面90 m范圍內(nèi)，走向鉆孔周?chē)?4.6 m范圍內(nèi)，水分增量均達(dá)到1.6%以上。

（2）應(yīng)用煤層高壓注水逾裂滲透工藝技術(shù)后，煤體孔隙率提高了27.8%，其可 注水孔隙率由原來(lái)的1.44%提高到3.26%，較好地改善了工作面注水條件。

（3）通過(guò)對(duì)注水前后粉塵濃度的測(cè)定，注水后工作面落煤、移架、放煤等高濃度粉塵作業(yè)工序其粉塵濃度有了較大的降低，其降塵率分別為72.15%、68.58%、66.05%。注水后工序產(chǎn)塵平均粒徑普遍增大，可呼吸性粉塵明顯減少。

（4）煤層注水后，煤體含水率增加對(duì)工作面起到了一定的降溫作用。

（5）通過(guò)微地震系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，工作面存在的沖擊地壓危險(xiǎn)得到了有效地遏制，發(fā)生震動(dòng)所釋放的能量級(jí)別較低。

［1］ 徐可群，王超等.煤層注水降塵在厚煤層開(kāi)采中的應(yīng)用［J］.山東煤炭科技，2011（6）

［2］ 劉鵬飛.綜采放頂煤工作面的綜合防塵技術(shù)［J］.煤炭技術(shù)，2008（10）

［3］ 李平，王佰順等.張集礦17228綜采面中深孔煤層高壓注水降塵技術(shù)［J］.煤礦安全，2007（9）

［4］ 任俊杰.煤層注水在防治煤與瓦斯突出、降塵方面的探討［J］.價(jià)值工程，2012（1）

［5］ 白蘭永，王寬等.綜掘工作面綜合降塵技術(shù)在葛泉礦的應(yīng)用［J］.中國(guó)煤炭，2011（7）

Dust control by high pressure water injection at fully mechanized mining face

Meng Xiangjun，Wang Xuyou，Meng Jingzhan
（Dongtan Mine，Yanzhou Coal Mining Group Corporation Ltd.，Zoucheng，Shandong 273512，China）

The coal dust was controlled by high pressure water injection at the fully mechanized mining face.Based on the principle of“crack and permeation”，the dynamic evolution process of coal seam fractures and the features of fluid seepage and motion were analyzed to improve water injection effect and control the coal dust，by the aid of the inherit law of stress－fracture－seepage.

coal seam，high pressure water injection，crack，permeation，wetting，dust fall

TD714.41

A

孟祥軍（1963－），男，山東金鄉(xiāng)人，畢業(yè)于山東礦業(yè)學(xué)院，現(xiàn)為兗礦集團(tuán)有限公司東灘煤礦礦長(zhǎng)，主要從事煤礦安全技術(shù)管理工作。

（責(zé)任編輯 張艷華）