煤層深孔注水技術在薛湖煤礦瓦斯抽采中的應用

程 歡

(河南神火集團有限公司薛湖煤礦)

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煤層深孔注水技術在薛湖煤礦瓦斯抽采中的應用

程 歡

(河南神火集團有限公司薛湖煤礦)

結合煤層深孔高壓注水技術對順層鉆孔的瓦斯抽采機理，對薛湖煤礦2107工作面進行煤層注水工業試驗，分析了煤層高壓注水后的抽采效果。結果表明，高壓注水使煤層裂隙發育充分，煤層透氣性及煤體塑性增加；瓦斯抽放日抽采純量增加一倍，瓦斯抽采效率明顯提高；注水后煤體殘留的水分也對瓦斯解吸有抑制作用；最終達到防治煤與瓦斯突出的效果，縮短了工作面消突時間，提高了工作面生產效率。

煤層注水 煤與瓦斯突出 日抽采純量 抽采效率

煤層注水是煤礦生產過程中減少煤塵、提高抽放效果、防治煤與瓦斯突出的積極預防措施。20世紀30年代，最早在前蘇聯煤礦中得到了應用。60年代后，我國在學習前蘇聯成功經驗的基礎上，首先在陽泉、撫順和北票等礦區做了工業試驗，取得了顯著效果，進而在國內得到了廣泛應用。本文選擇薛湖煤礦2107工作面進行煤層深孔注水工業試驗，對二2煤層深孔高壓注水前后瓦斯抽采指標進行對比，取得了較好的抽采效果，為煤與瓦斯突出防治工作提供了指導作用。

1 煤層深孔注水機理

煤層深孔注水是通過順層鉆孔向回采工作面前方煤體進行高壓注水，依靠壓力水改變煤體的力學特性、滲透特性以及應力狀態，從而改變煤層突出的條件[1-3]。注水前，煤體孔隙或裂隙中充滿了瓦斯等氣體。注水后，在煤體的孔隙、裂隙中形成了水與瓦斯的界面。煤層注水的過程就是高壓水逐漸從鉆孔內向外擴散、驅趕瓦斯的過程[4]。

高壓水通過擠壓孔底和孔壁，使順層鉆孔從封孔器的末端直到鉆孔底端的煤體被破壞，因封孔器以外的煤體受單向應力的作用，因此其產生的流變擴張使煤體充分卸壓，彈性能得到了充分釋放，將應力集中區向煤體前方推進，最終增加了煤層卸壓帶的長度。當高壓水在鉆孔和裂隙(或孔隙)中運動時，使得煤體原有應力發生變化，導致煤體結構被破壞，提高了煤層的透氣性系數，加速了游離瓦斯的釋放速度，從而提高了煤層的瓦斯抽采效率。

2 工作面概況

薛湖煤礦主采二2煤層，該區總體上煤層賦存穩定，結構簡單，以貧煤為主，全區可采，煤層總體呈一走向近東西、傾向北的單斜構造。煤層傾角普遍為-3°～10°，為近水平煤層，平均煤厚2.2 m，煤塵具有爆炸性，屬不自燃煤層。2107工作面機巷位于薛湖鎮以西，地面標高為37.6 m，機巷沿二2煤層底板掘進，西鄰2107風巷工作面，東為2108工作面，北鄰膠帶大巷，南為DF12斷層。2107工作面開采二2煤層的綜合指標K=31.921 6～63.636 4，D=10.674 5～11.168 7，遠大于其臨界值；二2煤的破壞類型為Ⅲ～Ⅳ類，軟分層煤樣初始瓦斯釋放的膨脹能為65.62～84.333 4 MJ/g，也遠大于其弱突出臨界值42.98 MJ/g，其堅固性系數f=0.22～0.405 9，相對瓦斯壓力p=1.12～1.5 MPa，煤層的瓦斯放散初速度Δp=12.957～14.000 m/s。在2107機巷設置461棚和416棚2個試驗區域來驗證注水技術的有效性。

3 工作面煤層深孔注水工藝

在距工作面切眼向后20 m施工注水孔，往北施工至停采線以北20 m，孔間距為8～10 m，與原本煤層孔成三花式布置，與兩旁老孔等距離布置，間距不低于2 m。鉆孔垂直煤壁順煤層施工，開孔位置距煤層底板1.6～1.7 m，設計孔深80～100 m，不得超過100 m，注水孔布置見圖1。鉆孔施工采用ZYW-400型鉆機、φ89 mm及以上鉆頭，孔口除塵。

鉆孔施工完成后，使用φ50 mm鍍鋅鋼管配合聚氨酯及時封孔，封孔深度為18～22 m，封孔分為2段，里段封孔在16～18 m，外段封孔在距孔口2 m左右，每段聚氨酯用量約2 kg。封孔15 min，待聚氨酯膨脹充滿且凝固完全后，方可注水。

圖1 深孔注水鉆孔布置示意

注水工藝流程：供水管—水箱—連接管—注水泵—高壓水管—專用封孔器—鉆孔—煤體，見圖2。注水泵采用南京六合BRW400/31.5型乳化液泵，注水壓力為15～18 MPa，孔口注水壓力不低于20 MPa，注水時間1 h左右，注水時孔口兩側10 m范圍內的鉆孔暫停抽放，注水結束后及時掛牌管理，注水以周圍煤體出水或注水壓力明顯下降為準。注水設備見圖3。

圖2 注水過程示意

圖3 深孔注水設備連接示意

4 注水效果分析

將2107機巷461棚和416棚試驗區域內的鉆孔注水后及時聯抽，每天測量并記錄注水后的瓦斯抽采數據。注水前后瓦斯日抽采純量曲線見圖4。

可以看出：

(1)所測的瓦斯抽采純量與采場應力集中區的分布趨勢相同，深孔高壓注水后工作面的應力集中區出現了后移，增大了回采工作面前方卸壓帶的長度，有利于煤與瓦斯突出防治。注水前，瓦斯抽采純量鉆孔施工完成后當天出現最大值后急劇下降，而注水后第二天瓦斯抽采純量趨于穩定，說明經深孔注水后，煤層裂隙得到了充分發育，煤層透氣性得到了提高，附近的本煤層抽采效果顯著提高，單孔日抽采瓦斯量比注水前提高一倍,由原來的42 m3增長到77 m3。 這說明深孔注水后有利于本煤層瓦斯抽采效果的提高，而且從注水后日單孔抽采參數看，濃度和流量衰減幅度較小。

圖4 注水前后瓦斯日抽采純量變化曲線

(2)實際生產過程中，由于采動影響來壓，會導致附近本煤層孔內PE管壓扁或花管堵死，出現單孔抽采流量和濃度下降幅度較大的現象。另外，靠近回采工作面切眼時，煤層相對破碎，易使本煤層封閉抽采空間與外界連通，造成負壓和濃度都減小的現象，這時，深孔注水已不起作用。

(3)深孔注水后，施工本煤層抽放鉆孔，杜絕了夾鉆、噴孔、塌孔等現象。同時，煤體裂隙顯著增加，提高抽放半徑，減少本煤層鉆孔的施工數量，最終縮短了工作面消突時間，提高了工作面的生產效率。

5 結 論

綜上可知，在煤與瓦斯突出礦井中，利用順層鉆孔進行煤層注水是可行的。深孔注水可使煤體裂隙增加，提高注水孔附近本煤層的透氣性，抽采效果顯著提高。回采工作面經煤層高壓注水，應力峰值后移，增加了工作面前方卸壓帶的長度，有利于工作面安全高效生產。深孔注水時，壓力水逐漸進人煤體孔隙中，抑制瓦斯自由釋放，避免瓦斯快速解吸，有利于回采工作面煤與瓦斯突出防治。深孔注水杜絕了本煤層抽放鉆孔夾鉆、噴孔、塌孔等現象，提高了工作面生產效率。

[1] 孫文標，劉 輝，趙宏偉.煤層注水在煤礦安全中的應用及效果淺析[J].煤礦安全，2004(12):24-25.

[2] 瞿濤寶.論煤層注水處理瓦斯的效果[J].煤礦安全，1994,25(5):39-42.

[3] 吳 兵，于振江，王紫薇，等.基于飽和-非飽和滲流的煤層注水數值模擬及應用[J].中國煤炭，2015(6):102-105.

[4] 徐 碩.煤層水力壓擠三相藕合數值模擬研究[D].淮南：安徽理工大學，2013.

2016-10-09)

程 歡(1970—)，男，礦長，高級工程師，碩士，476600 河南省永城市新城區神火城市花園20號樓。