淺析“煤層注水”技術防治自然災害

李建榮，于路偉，田玉杰

（河北省地礦局第十一地質大隊，河北邢臺054000）

淺析“煤層注水”技術防治自然災害

李建榮*，于路偉，田玉杰

（河北省地礦局第十一地質大隊，河北邢臺054000）

隨著煤礦礦井機械化程度的日益提高，開采強度的不斷加大，煤炭自燃礦井火災、瓦斯突出、粉塵、沖擊地壓等自然災害對安全生產的威脅越發凸顯出來，時刻威脅著煤礦工人的生命安全。與此同時，放頂煤開采中，頂煤的可放性也成為影響產量的關鍵因素。“煤層注水”技術是目前較為經濟、應用廣泛的防治礦井自然災害的有效途徑之一。

煤層注（漿）水；煤炭自燃和礦井火災；瓦斯突出和沖擊地壓與頂煤的可放性；粉塵

我國煤礦井工生產隨著礦井機械化程度的提高，開采強度的加大，受到各種自然災害（如煤炭自燃、礦井火災、瓦斯突出、粉塵、沖擊地壓）的威脅越來越大，放頂煤開采中的頂煤的可放性也成為影響產量的關鍵因素。“煤層注水”技術是目前較為經濟、應用廣泛的防治礦井自然災害的有效途徑之一。

1　防治煤炭自燃、礦井火災中的煤層注漿

1.1分類

在防治煤炭自燃、礦井火災中的煤層注（漿）水可分為預防性灌漿、注漿滅火2種。

1.2實質與機理

（1）預防性灌漿就是將水、漿材（如黃土、石灰等）按適當比例混合配制而成的具有一定濃度的漿液，借助輸送管道線路送到可能發生自燃的煤層區域，以防止煤炭自燃的工藝。

（2）注漿滅火是與預防性灌漿一樣，一般采用不燃性的材料（如黃土、頁巖粉、細河沙、爐灰、石灰等），通過地面打鉆或消火巷道，對隔絕滅火的火區（仍有裂縫、空洞與地面相通的采空區或人員不能直接到達的地點）實施滅火的一種綜合滅火法。

1.3主要作用

通過煤層注水系統輸送的漿液將殘存的碎粉煤與空氣隔絕，阻止煤炭繼續氧化；充填采空區的裂隙、孔洞，增加了密實性、減少漏風現象；吸熱，使已燃燒的煤炭降溫而熄滅，降低工作面的溫度，改善作業環境；能使煤炭和巖石濕潤，減少煤塵飛揚而助燃、爆炸，限制災害的進一步擴大等。

2　防治瓦斯突出、防治沖擊地壓、綜采放頂煤中的煤層注（漿）水

2.1防治瓦斯突出

2.1.1實質與機理

瓦斯突出是地壓、瓦斯、煤的力學性質和重力綜合作用的結果，在回采和掘進工作面的前方煤體內形成“極限應力狀態區”，在該區內煤層的完整性遭到破壞，但是與圍巖還保持著力學聯系。

煤層注水防治瓦斯突出，是在回采前預先在煤層中打若干鉆孔，通過垂直于或平行于工作面的鉆孔注入壓力水，使其滲入煤體中，從而達到增加煤的水分和塵粒間的粘著力，并降低煤的強度，減少采煤時煤塵的生成量的作用，同時將煤體中的原生細塵粘結為較大的塵粒，使之失去飛揚的能力的一種綜合濕式防塵措施，是采煤工作面最重要的防塵措施。而煤層的濕潤過程實質上是水在煤層裂隙和孔隙中的運動過程（壓差所造成的運動和自由運動）。且煤層注水破壞了煤體內原有的煤—瓦斯體系的平衡，形成了煤—瓦斯—水三相體系。

2.1.2主要作用

注水后的煤層在回采及整個生產流程中都具有連續的防塵作用。采煤工作面產量占全礦井煤炭產量的90%，因此，煤層注水對減少煤塵的產生、防止煤塵爆炸有極其重要的意義；煤的強度增加可以改變其切割指數，降低煤塵。煤層的穩定性由煤層內部向外部逐漸下降，透氣性則逐漸增加，改變巷道軸向的瓦斯梯度，此時的煤壁處在突出的臨界狀態，達到防治瓦斯突出的作用。

2.2防治沖擊礦壓和放頂煤

2.2.1實質及機理

自然界中的各種巖石，在漫長的地質年代中，經過各種地質運動，三向應力狀態保持著不斷破壞和恢復的動態平衡狀態。不論是松散的第四系沉積物，還是堅硬密實的基巖，都存在著原生的次生空隙。地下空隙可成為容納、儲存地下水和外部水的場所和運移的通道。空隙越發育，儲存能力越大，水流運動越暢通，且在飽水帶內，能傳遞靜水壓力連續流動。經過大量的實驗研究表明，煤系地層巖石的單軸抗壓強度隨著其含水量的增加而降低，其符合下面的關系式：

Rc=aW0b+c

式中：W0——強度最大時的含水量；

a、b、c——系數。

并且，隨煤的溫度的增加，煤的強度與沖擊傾向指數Wet降低，在一般情況下煤的沖擊傾向指數與煤的溫度增量（含水率）的關系符合：

Wet=Wetob△W

式中：Wet——注水后，煤層沖擊傾向性指數；

Weto——自然狀態下煤層沖擊傾向性指數；

ΔW——含水率。

煤層注水可以通過淺孔、中深孔或綜合鉆孔實施，將壓力水和水溶液注入煤體，以增加水分，能改變煤的物理力學性質。水在煤層中的運動、注水壓力同毛細管力和重力綜合作用克服煤層裂隙面的阻力、孔隙通路的阻力和煤層的瓦斯壓力，可以進一步破壞原巖的三向應力平衡狀態，起到卸壓作用。

2.2.2主要作用

由于煤層注水壓力的介入，使巖體的三向應力重新分布，減小了瓦斯梯度，增加頂板的空隙率和透水性，改善頂煤的冒放性，在防礦時的松動橢球體短軸增大，減少了脊背煤的煤炭損失，對于防突和綜采放頂煤放頂有著重要意義。

3　煤層注水在國內外應用

3.1煤層注水技術應用歷史

在國外，煤層注水技術有很長時間的歷史。最早見于前蘇聯，由于采煤方法的革新，為了解決采煤機械化粉塵很大的問題，開始向煤層灑水降塵，然后改向煤層注水，以增加煤的含水率、降低煤塵。二戰結束后，將煤層注水技術防塵方法列入了煤礦安全作業規程。

1890年，德國首次在薩爾煤田進行煤層注水除塵技術實驗，隨后逐步引起了世界各國的重視。20世紀50年代開始，在全世界推廣應用后，得到了迅速發展。1950年，波蘭開始試用煤層注水，到1963年幾乎全部礦井75%的采煤工作面采用了煤層注水技術。1960年前后，英國、法國、前蘇聯、德國、美國和比利時等幾個世界主要產煤國家對煤層注水方法做了大量的試驗研究，并將實驗成果在礦井推廣應用，降低粉塵濃度，有效的預防瓦斯突出、沖擊地壓等問題。

根據日內瓦國際防塵會議的記載，在條件適宜的煤層里，采用煤層注水技術，能將采煤工作面的含塵濃度比其他綜合防塵措施降低3～4倍，割煤生產率提高25%。

3.2煤層注水技術在國內的典型應用

我國煤炭開采時間也比較早，但煤炭生產方式十分落后，開采量小，粉塵產生量也較小，隨著煤炭科技的發展革新，各種礦井自然災害逐步明顯。煤層注水技術防治自然災害在我國的應用，起始于20世紀50年代開灤、大同礦務局，主要用于預先濕潤煤層、降低粉塵濃度。進入21世紀以來，“煤層注水”技術是目前較為經濟、應用廣泛的防治礦井自然災害的有效途徑之一。其中，河南義馬煤業集團常村礦是國內應用煤層注水技術防治煤礦礦井自然災害最為廣泛、經驗最為豐富的礦山企業之一。

河南義馬煤業集團常村礦以預防煤塵、瓦斯、沖擊地壓、自然發火等災害為目的，加強煤層注水技術的推廣應用，形成了專門的管理辦法，規定了煤層注水工作必須納入生產作業計劃，對所有采掘工作面全部按煤層注水區域進行管理，通過對回采工作面與掘進工作面煤層注水施工制定具體的詳細工作方案，不注水的工作面不準生產，以流量表和水分鑒定儀考核檢驗煤層注水效果，形成標準化系統化管理模式。據資料顯示：2009年，先后投入高壓注水泵3臺，鉆機4臺，煤層注水達8000余立方米，在采掘工作面全面推行“煤層注水”新技術。實施煤層注水后，沖擊地壓強度明顯減弱，沖擊頻率降低；采掘期間瓦斯涌出量明顯減少；有效地減少了煤塵的產生，可使主要塵源有效降塵30% 至80%多；降低溫度至25℃左右，延長了煤體自燃發火期，改善勞動條件；頂煤可放性增加10%以上，采煤工效增長近40%。

4　結語

在礦井地質、開采技術水平等條件允許的情況下，通過鉆孔將壓力水和水溶液注入煤體，增加水分，以改變煤的物理力學性質，實施正確的煤層注水技術，僅僅產塵量就比采用其他防塵方法時低300%～400%，而落煤效率可以提高25%左右。對于受沖擊地壓，煤與瓦斯突出和自燃發火、礦井火災、粉塵、沖擊地壓等災害影響礦井，以及采用綜合機械化放頂煤開采工藝、需解決頂煤的可放性的礦區，可根據本礦區具體情況使用煤層注水技術，以提高礦井的安全系數，取得更大的經濟效益。

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1004-5716（2016）07-0152-03

2015-07-08

2015-08-04

李建榮（1969-），女（漢族），河北邢臺人，工程師，現從事礦產地質勘查及研究找礦工作。