172106工作面煤層短臂高壓注水預裂技術的應用與效果研究

1 工作面概況

大淑村礦位于峰峰礦區東北部，礦井設計生產能力為125萬噸/年。172106綜放工作面走向長度為613m，傾斜長度178m，煤層厚度一般為5.5m。該面下伏保護層174105、174106面，因地質構造，局部未開采，未保護區域在回采前均已通過預抽煤層瓦斯進行了消突。

工作面采至第一段未保護區域時，在工作面采取打瓦斯排放孔進行消突和治理瓦斯，但效果不明顯，回采過程中出現了瓦斯濃度達臨界值，制約了回采速度。工作面回采至第二段未開采保護區域時，工作面采取了短臂高壓注水來消突、滅塵和治理瓦斯，取得了顯著效果。

2 煤層注水技術治災原理

煤層注水具有防治煤與瓦斯突出、治理瓦斯、防滅火、防塵和預防煤塵爆炸的作用，我國已將其列入煤礦安全規程中。

2.1 防治煤與瓦斯突出

煤層高壓注水預裂防治煤與瓦斯突出技術措施，是通過鉆孔向工作面前方煤體實施高壓注水，以改變煤的力學性質、滲透性質及煤層原始應力狀態，也相應改變了激發煤與瓦斯突出的條件，從而達到消除或減小突出的目的。

2.2 防治瓦斯超限

研究和試驗證明：煤體被充分濕潤后，水分不僅占去了貯存游離瓦斯的孔隙，可有效釋放出游離態瓦斯，同時固體煤分子對水同樣有吸附能力，使瓦斯從吸附狀態轉變為游離狀態更加困難，對吸附瓦斯的涌出起著明顯的阻礙作用。注水過程結束后，煤體中瓦斯涌出量和涌出速度都大幅度下降，從而降低了采掘作業過程中的瓦斯濃度。

2.3 防治煤炭自然發火

煤層注水后水分增加，對降低煤體溫度、阻止煤炭氧化自燃十分有利。

2.4 防治礦塵危害

高壓水注入煤體后，煤體被破壞，水分有效地包裹了煤體的每一個部分，煤體內大量原生煤塵被濕潤并黏結，可有效消除塵源。水濕潤煤體后，煤層由脆性破壞變為塑性破壞，減少了產塵量。

3 172106工作面高壓注水方案

3.1 注水壓力的確定

煤層注水初期以壓裂造成煤體破壞和松動為主，要求注水壓力大于上覆巖層的靜水壓力； 后期則以滲透方式濕潤軟化煤體為主，要求水壓低于上覆巖層的靜水壓力。根據本工作面多次反復實驗確定，注水初期壓力定為10-12Mpa，以便有效地壓裂和松動煤體；待聽到煤體里的煤炮聲后將注水壓力降至5-7Mpa以下，以方便將水盡量多地水注入到煤體當中，起到最有的注水效果。

3.2 注水時間的確定

根據實驗，通過及時改變注水壓力，可有效延長注水時間。

3.2.1 維持注水初期壓力10-12Mpa，約十幾分鐘左右，所注水便會滲透到工作面，達不到最優的注水效果。

3.2.2 先用高壓即10-12Mpa注水一段時間后，待聽到煤炮聲降低注水壓力，可有效延長注水時間，增大注水量。根據多次注水時間測定，每個注水孔的總體注水時間確定為30min左右可達最優注水效果。

3.3 注水孔的布置及封孔

3.3.1 注水孔的布置

運料巷下幫往下5m至溜子道上幫往上5m。注水孔間距為5m一個，孔深不少于15m，孔徑為？準75mm，注水孔距煤層底板均不得低于1.2m，為方便排鉆屑，鉆孔應有1°-3°仰角。

為避免串孔，延長注水時間，提高注水效果，第一天要求注水孔打設位置在工作面煤壁的下部，第二天在中部，第三天在上部，三天一循環，且第二天的注水孔打設在第一天注水孔的兩個孔中間位置。

3.3.2 注水孔的封孔

封孔長度：根據在上一工作面注水實驗發現，若注水孔封孔長度過短，比如封3-4m，會導致注水后的煤壁酥軟、片落，對回采生產不利；本次煤層注水要求使用專用封孔器封孔，注水孔封孔長度不得少于10m，效果表明，該距離有效保護了煤壁的完整性，保證了工作面的正常回采。

4 注水效果分析

4.1 防治煤與瓦斯突出方面

采用該注水方案后，有效地降低了工作面的預測指標，數據對比結果下圖1。

注水消突后的預測指標比較與之前通過打設超前瓦斯排放孔消突后指標相比，相差不大，下表為2013年5月上旬過第一段未保護區（瓦斯排放孔消突）與2013年10月下旬過第二段未保護區域（注水消突）的工作面預測指標對比圖2。

圖2表明采用該煤層注水方案可有效降低煤層突出危險性，可達到與打設瓦斯排放孔相當的效果。

4.2 治理工作面回采期間瓦斯的效果

根據現場收集的數據發現：

4.2.1 10月26日生產單位檢修班工作程序時間：0：00-2：00打設注水孔，2：00-6：00煤壁注水，圖3為注水前后當天檢修班煤壁瓦斯變化情況。

圖3表明注水期間煤壁瓦斯濃度上升了約0.2%，此時工作面風量為1600m3/min，故風排瓦斯量增加3.2m3/min左右，表明注水過程中有效地釋放出了煤層中原本的游離瓦斯。

4.2.2 注水前后172106上順槽的高位瓦斯抽放孔效果有了明顯的提高，瓦斯抽放鉆孔的的抽放濃度由原來的14%左右上升到35%左右，瓦斯抽放量為7m3/min，故利用煤層注水預裂技術后工作面增加的抽放純量為7×（35%-14%）=1.47m3/min。

4.2.3 注水后回采期間，尤其是在未保護段回采期間，通過與之前打瓦斯排放孔比較發現，工作面上隅角和回風瓦斯有明顯的降低，我們截取了過第一段未保護區域5月6日與過第二段未保護區域期間10月26日全天上隅角和回風的瓦斯數據對比情況，對比數值見圖4、圖5。

根據圖4、5中數據顯示，采取煤層注水技術后在未保護段回采期間回風瓦斯濃度約為0.4%-0.5%，相較與采用打設瓦斯排放孔技術回采期間的0.6%-0.7%，有明顯的降低；而通過對上隅角瓦斯濃度對比分析可知，采用煤層注水技術后工作面回采期間上隅角瓦斯濃度未出現達到臨界值，確保了生產的順利進行。

4.3 防治煤塵方面

生產過程中雖采取了綜合防塵措施，但沒有達到預期要求。采取注水后取得了明顯效果，通過對運料巷回風側5M、運料巷回風眼水幕后等5個地點采樣，注水后比注水前，粉塵濃度降低了51.2%。同時割煤期間煤機附近明顯發現不再產生煤塵飛揚。

5 效益分析

5.1 在防止煤與瓦斯突出方面，煤層注水孔與打瓦斯排放孔效果相當

就該工作面，煤層注水鉆孔布置了35個，按要求瓦斯排放孔需布置136個，相比減少了101個孔。工作面分段打釋放孔每天打一半，兩天一個大循環，每個孔需0.45個工，減少101個孔少用工45個，每工220元。每天節約用工成本為：45×220÷2=4950元，該面三處未保護段需打鉆53天，總計節約人工成本：4950×53=26.2萬元。

5.2 未保護段注水與打鉆治理瓦斯對回采影響比較

一是，打瓦斯排放孔工作量大，一般需要兩個班次，只能單班生產；二是，在治理瓦斯上效果不如注水效果，時有瓦斯濃度偏大，影響生產進度。故每天回采進度僅為1刀煤 。采用煤體注水治理瓦斯克服了上述缺點，實現了每天兩班生產割3刀煤。每天可多出2刀煤，產量2800噸。

6 結論

6.1 煤層注水技術作為當今煤礦井下較為成熟的治災技術，大淑村礦在本礦主采工作面研究并選用了適合本礦特點的工藝及參數，為該礦防止煤與瓦斯突出、治理瓦斯、防治煤炭自然發火、減小粉塵危害探索出了新的途徑和方法，并對我礦今后的防災治災工作提供了長遠的指導，社會、經濟效益顯著。

6.2、煤層注水不僅可作為局部防災治災措施，也可作為區域性安全技術措施，為保證防災治災效果，應合理選擇和確定注水參數，并對注水效果進行考察和驗證。

6.3 與其它災害治理技術相比，煤層注水技術工程量相對較小，施工工藝簡單，工效高，效果好，是一種安全、高效、經濟、適用的綜合防災治災措施。

[責任編輯：謝慶云]