煤層高壓注水現場試驗研究

(華北科技學院安全工程學院 北京 101601)

一、技術原理

對于高瓦斯、突出煤層而言，尤其是單一低滲透煤層，無法實施保護層開采區域防突措施，多采用預抽煤層瓦斯的措施，存在煤層滲透性系數低、預抽時間長、抽放瓦斯濃度低等特點，導致煤層抽采效果不佳。先對煤層瓦斯進行預先抽采，在預抽的中后期，當瓦斯抽采純量較小時，利用部分鉆孔實施注水，相鄰鉆孔進行瓦斯抽采或瓦斯排放，以便利用高壓煤層注水過程中所產生的驅替、置換解吸、潤濕等綜合作用，提高煤層瓦斯抽放效果。該方法能夠有效平衡高瓦斯、煤與瓦斯突出礦井瓦斯抽采和煤層注水的時間和空間矛盾，有效提高瓦斯抽采量、降低開采時的瓦斯涌出量和降低開采時的粉塵產生量，最終達到防治瓦斯煤塵的目的，實現“一孔兩用”和“一措兩防”[1-2]。

二、試驗方案

本次試驗地點為夏店礦3116工作面。煤層注水裝置布置示意圖如圖1所示。

1-煤層；2、3、4-抽采鉆孔(其中3后期作為注水孔)；5、6、7-抽采管； 8、9、10-鉆孔密封段；11-膨脹封孔器；12-高壓膠管；13-閥門；14-注水流量計； 15-高壓注水泵；16-供水管；17、18-孔板流量計；19、20-抽采管路

圖1煤層注水裝置布置示意圖

(1)在煤層1中施工順層抽采鉆孔2、3、4，鉆孔交替布置，之后采用封孔材料和抽采管5、6、7封孔，抽采管外徑75mm，長度16m，形成鉆孔封孔段8、9、10，封孔段長度大于8m，并連接負壓抽采管路開始抽采瓦斯；

(2)抽采一定時間后，抽采鉆孔的瓦斯流量和抽采濃度顯著降低時，即單純靠延長抽采時間不能達到好的抽采效果，將抽采孔3作為注水孔，基于孔內封孔思路，將膨脹封孔器11插入抽采管6內，封孔器長度1-1.5m，外徑55mm，最大工作壓力10MPa；

(3)將膨脹封孔器11利用高壓膠管12依次與高壓閥門13、注水流量計14和高壓注水泵15連接，高壓注水泵與井下供水管16連接。抽采孔2、4的繼續與負壓抽采管路19、20連接抽采。

(4)利用高壓注水泵15向鉆孔3實施煤層注水，注水壓力6-8MPa，通過注水流量計14觀測注水流量和注水壓力；注水時通過孔板流量計17、18及抽采管預留觀測孔檢測鉆孔2、4的抽采流量、抽采濃度和負壓參數。

(5)注水采用連續注水或間隔注水方式，注水一定時間后，一般為48h-96h，注水時間可根據煤層實際條件、鉆孔間距及注水壓力等綜合確定。應保證注入水不能進入抽采鉆孔2、4內。將閥門13關閉，注水泵停止注水，封孔器繼續膨脹封孔，孔內壓力水慢慢滲入煤層。

三、注水參數的確定

(一)注水時機的確定

注水時機的確定要綜合考慮煤層中的瓦斯壓力，煤層性質，地應力等因素。瓦斯壓力是注水的附加阻力，待瓦斯抽采一段時間后，瓦斯壓力達到注水要求后方可開始注水。為確定煤層注水的時機,要在注水作業之前，進行單孔抽采試驗，分析總結本煤礦瓦斯流量衰減特征。并根據理論知識和現場試驗綜合確定煤層注水時機。根據現場單孔試驗，得出了瓦斯濃度與抽采時間之間的關系，由于是高瓦斯礦井，我們在提高降塵效果的同時，也可以同時考慮注水對提高瓦斯抽采率的作用。采用先抽后注，抽注結合的技術思路，觀察瓦斯濃度的變化曲線，我們可以發現瓦斯濃度隨時間的推移整體是呈現下降趨勢，在30d之前瓦斯濃度波動呈現不規律狀態，但在30d，瓦斯濃度急劇下降，達到一個相對的最低值。此時進行注水，不但能達到注水降塵的作用，還能夠提高瓦斯抽采率。結合理論和現場試驗，3116工作面注水的最佳時間應在瓦斯抽采開始后30天左右進行。

(二)注水鉆孔的布置

注抽鉆孔間隔布置主要有兩注一抽、一注一抽及一注兩抽三種方式，且三種布置方式均能取得一定的促抽效果，且兩注一抽、一注一抽及一注兩抽布置方式分別能將單孔抽采效率提高18.6、11.4及4.3倍。可見選擇兩注一抽鉆孔布置方式能極大的提高抽采鉆孔的瓦斯抽采效率，促抽瓦斯效果最好，但是，兩注一抽鉆孔布置方式下容易引發壓力水滲流至抽采孔內，安全性較差。

(三)封孔方法的確定

為達到良好的高壓注水封孔效果，基于“管內封孔”思想，在瓦斯抽采管內利用專用鋼絲膨脹膠管封孔器封孔，可以克服封孔器直接在煤孔里可能引起的封孔不嚴問題。注水專用封孔器由鋼絲膨脹膠管，泄壓閥、快速接頭組成，封孔器可反復使用數次，注水結束后卸掉壓力，封孔器即可恢復原狀，取出封孔器。封孔器實物裝置見圖2所示。

圖2封孔器實物裝置

四、現場試驗效果分析

(一)注水后煤層瓦斯含量測定及分析

現場注水完成后，在注水試驗區域，采用孔口接渣取樣直接測定煤層瓦斯含量，施工鉆孔4個，取樣深度20-25m(取樣深度要求超過卸壓帶范圍測定煤層原始瓦斯含量)，測定結果表明，煤層瓦斯含量測值在4.5-5.0m3/t，相比與初始瓦斯含量測值7.8 m3/t，煤層瓦斯含量降低35.9%。

(二)注水后煤體瓦斯解吸能力分析

利用井下孔口接渣取樣測試瓦斯含量的瓦斯解吸數據，分析可知：煤層注水驅替促抽瓦斯后，煤體井下的瓦斯解吸量和瓦斯解吸速度明顯降低，是瓦斯抽采和煤體水分增加雙重作用的結果。井下30min煤體的瓦斯解吸量降低35.25%。初始瓦斯解吸速度降低了近67.84%。由此可見，注水后煤體的解吸能力明顯降低，注水后由于煤體水分的增加，可顯著降低煤層開采時的瓦斯涌出量。

(三)注水后煤體水分變化

實驗室采用TGA-2000型全自動工業分析儀測試了所取4個煤樣的水分含量，依據標準為GB/T 2012—2008《煤的工業分析方法》，煤樣的水分含量平均值為1.10%，與注水前相比水分含量平均增值為4.27%，實驗室和現場實踐煤層注水結果表明，煤體水分含量增值達1.5%左右，開采時可顯著降低粉塵濃度，尤其是呼吸性粉塵含量。

[1]張磊．長溝峪煤礦煤層注水技術及試驗研究[D]．沈陽:遼寧工程技術大學，2009．

[2]郭紅玉，蘇現波.煤層注水抑制瓦斯涌出機理研究[J].煤炭學報，2010，35(6)：928-931.