低透氣煤層深孔動壓注水應用

王建偉，宋全才

河南新興煤炭實業(yè)有限公司

一、礦井概況

河南新興煤炭實業(yè)有限公司位于新密市白寨鎮(zhèn)韋溝村境內(nèi)。礦井主采二1煤層，全層發(fā)育構(gòu)造軟煤，煤體破壞類型為III-V；煤的堅固性系數(shù)值在0.11-0.19之間，為典型的三軟煤層。目前，礦井布置了一個采煤工作面，走向長度400m,傾斜長度80m，上段50m為復采工作面，下段30m為原始煤層，煤層厚度5m。上段50m煤層煤體較濕潤，含水率5.2%，下段30m煤層干燥，含水率1.5%，產(chǎn)塵量大，為采煤工作面粉塵治理的重點。

二、11022回采工作面基本參數(shù)

11022采煤工作面平均走向長度400m，傾斜長度80m，傾角50，平均煤層厚度5m，標高-38.5～-22.8m。

三、深孔注水鉆孔布置方案

11022上順槽為復采工作面，頂板水已經(jīng)滲透煤層，因此不再設計注水鉆孔；在11022下順槽每間隔8m布置一個直徑75mm，深20m的鉆孔，距巷道底板1.0m，沿煤層仰角布置，鉆孔終孔位置在距煤層頂板0.5-1m處。

四、注水鉆孔封孔方案優(yōu)化

采用封孔袋、鋼管封孔，不再采用傳統(tǒng)的專用注水器，降低成本。

1、注水器制作

利用淺孔注水器的單向閥，焊接直徑10mm的高壓球閥，作為封孔器的控制閥門。鉆孔內(nèi)使用直徑20mm的鋼管作為注水管，注水鉆孔需要鋼管長度為16m，前段有0.3m的花管。

2、鉆孔封孔

使用聚氨酯和封孔袋在無縫鋼管12m、11m和10m處分別封孔。

3、注水壓力計算

（1）注水壓力計算

根據(jù)莫爾強度理論，材料的破壞與最大主應力δ1和最小主應力δ3有關(guān)，在不考慮構(gòu)造應力影響條件下，δ1為所受上覆巖層的自重力，既最大主應力；δ3為煤體所受的平行于掘進方向的力，即最小主應力；δ2為來自巷道前方兩側(cè)的水平應力，不予考慮。

δ1=0.025H=0.025×270=6.75Mpa

式中：H——為11022下順槽煤層埋藏深度，標高計算約270m

δ2=δ3=δ1（1－μ）=6.75×（1-0.6）=2.7Mpa

式中：μ——為側(cè)向應力系數(shù)，取0.6。

經(jīng)以上計算得出：注水壓力為2.7－6.75Mpa，最大注水壓力在沒有構(gòu)造應力影響的條件下為6.75Mpa。

（2）注水泵

使用乳化泵進行注水，該泵最大注水壓力20Mpa，額定流量：80L/min。能夠滿足注水要求。

（3）注水量計算

1）鉆孔注水量計算

Q=L×B×M×γ×q。式中Q——一個鉆孔注水量，m3

L——工作面長度，取30m；B——注水鉆孔間距，取8m；

M——煤層厚度，平均4m；γ——煤的容重，1.47t/m3

q——噸煤注水量，m3/t；選取0.04m3/t

Q=L×B×M×γ×q=30×8×4.0×1.47×0.04=56.5m3

2）礦井日注水量計算（單孔）

Qh=G×q。式中Qh——礦井日注水量，m3

G——礦井計劃注水回采工作面日產(chǎn)量，t/d

q——噸煤注水量，m3/t；選取0.04m3/t

Qh=G×q=500×0.03=15m3

3）注水時間計算

T=Q/V。式中T——注水時間，h

Q——鉆孔注水量，m3；V——注水流量，m3/h

T=Q/V=56.5/80L*60min/1000=11.8h

4、注水管道連接

為了確保單個鉆孔注水量，在每個鉆孔口處各安裝一個高壓流量表，統(tǒng)計注水量，便于計算噸煤水分含量。

注水鉆孔管道連接示意圖

5、注水鉆孔封孔研究

采用聚氨酯封孔，在鉆孔內(nèi)橫向膨脹效果很好，叢向膨脹封孔效果不好，且聚氨酯膨脹后內(nèi)部是泡泡，因此聚氨酯膨脹后及連孔注水，會造成鉆孔嚴重漏水，注水效果不好。因此，經(jīng)過多次摸索和改進，在封孔過程中，再增加一個封孔袋，在袋內(nèi)裝入1.5kg的干水泥粉，配合聚氨酯封孔材料封孔。作用在于水泥袋阻擋聚氨酯橫向膨脹，促進叢向膨脹，使鉆孔封孔材料和煤層壁擠壓的更加緊密。

五、采煤工作面深孔動壓注水效果分析

1、注水量分析

注水剛開始時，緩慢打開注水閥門約1/4即可，注水壓力在3-4MPa之間，注水2h后觀察巷道支護和注水鉆孔周圍情況，如果巷道支護良好，鉆孔周圍不漏水，增大注水量，注水壓力也隨之升高到5MPa左右，直到閥門全開為止。

11022采煤工作面第一個單孔注水量達到62m3，采煤工作面回采到距該鉆孔3m處時，出現(xiàn)工作面底板積水，支架下沉現(xiàn)象，但是采煤工作面回風瓦斯?jié)舛韧冉档?.15%。因此，第二個鉆孔注水量57m3，達到設計注水量，但是工作面仍然出現(xiàn)下沉和積水現(xiàn)象。第三個鉆孔注水量45m3，工作面略有積水，支架略下沉，但不影響正常回采。經(jīng)過分析，工作面煤層厚度變化較大，起伏不定，煤層注水量均要考慮該處煤層厚度，合理確定鉆孔注水量，同時注水量略低于理論計算量比較合適，避免積水，支架下沉現(xiàn)象。

采煤工作面單孔注水量和煤層厚度有密切關(guān)系，每次注水均計算理論注水量，實際注水量比理論少約5-8m3,能夠達到煤層濕潤，降塵率達到95%以上，改善采煤工作面環(huán)境。

2、深孔注水效果

深孔注水孔一個循環(huán)完成3個鉆孔注水量，總注水164m3。經(jīng)測定呼吸性粉塵和總粉塵濃度均不超臨界值，且總粉塵和呼吸性粉塵降塵率都在95%以上。

低透氣煤層深孔注水，有效避免工作面應力區(qū)的裂隙帶，使水流在煤層內(nèi)部流動，促進煤體侵水，濕潤煤體，降低產(chǎn)塵量。同時在工作面回采過程中，能夠起到凝固頂板作用，便于頂板管理，防止冒頂事故發(fā)生，造成瓦斯超限事故。

六、結(jié)論

在當前煤炭市場不景氣的大環(huán)境下，如何降低成本，同時做到減塵的效果，改善工作面工作環(huán)境，使每個煤礦管理人員的責任。經(jīng)過不斷摸索和改進，采用聚氨酯和干水泥封孔，使用鋼管作為注水管，單孔材料成本210元，也能夠達到總粉塵和呼吸性粉塵降塵率在95%以上的目的。經(jīng)過對該采煤工作面深孔注水總結(jié)以下幾點：

1、聚氨酯封孔段超過16m時，考慮使用管道注聚氨酯封孔，人工封孔最大長度為16m,防止提前凝固，達不到封孔深度，影響注水。

2、低透氣煤層深孔注水，適用于長期緩慢、小水量注水，促進粉末狀煤體侵水，不易采用大水量、短時間注水，會造成煤體內(nèi)部濕潤不均勻，有干燥區(qū)，影響注水效果。

[1]倪興華.地應力研究及應用，北京市：煤炭工業(yè)出版社，2007.

[2]張永吉等，煤層注水技術(shù)，北京市：煤炭工業(yè)出版社，2001.