九里山礦中低壓綜合煤層注水應用與效果分析

馬樂輝,李 鋒，2

(1.河南能源焦煤公司九里山礦，河南 焦作 454100；2.河南能源化工集團研究總院，河南 鄭州 450046)

隨著煤礦經濟持續發展，煤礦職業健康安全問題日益突出，而煤礦職業健康最主要的危害來源于粉塵[1-3]。特別是煤礦井下采掘作業場所，隨著采掘作業機械化程度的提高，綜采工作面單產不斷提高，產塵量也不斷增加，一線員工在粉塵嚴重環境中的作業時間也比炮采作業時間大大增加，從而增加了職工患塵肺病的幾率，嚴重威脅礦井的安全生產和危害職工的身心健康。為了降低煤炭開采作業場所內粉塵對人員的威脅，我國早在20世紀60年代就在陽泉、撫順等礦區進行了煤層注水降塵防突試驗，國內外學者也針對煤層注水降塵防突的機理進行了研究[4-6]。

工作面煤層注水技術在鄭州[7]、義馬[8]、淮南[9]、大同[10]等國內許多礦區都取得了顯著效果[11-12]，但大多數研究集中在注水降塵和提高煤體強度等方面，對煤層注水后工作面的瓦斯涌出情況研究較少。為此，筆者結合九里山礦煤層具有嚴重突出危險性的特點，充分考慮巷道中存在的大量瓦斯抽采鉆孔，探索出回風巷長孔低壓滲透注水工藝，摸索出一種中壓和低壓綜合煤層注水模式，并在九里山礦16051綜采工作面進行了現場試驗，有針對性地考察了不同注水效果的工作面瓦斯涌出情況，結果表明中、低壓煤層注水在降低粉塵質量濃度和瓦斯涌出量方面效果顯著。

1 工作面概況

九里山礦屬于煤與瓦斯突出礦井，可采煤層為二疊系山西組二1煤層，為優質無煙煤，煤塵無爆炸危險性，煤層不易自燃。16051回采工作面走向長度650 m、傾向長度112 m，煤層厚度4.5～7.2 m，平均煤層傾角12°；該工作面采用走向長壁分層采煤法，綜合機械化采煤工藝，全部垮落法控制頂板。

九里山礦16采區二1煤層層理普遍紊亂，煤質整體酥軟、易碎，為糜棱構造。煤層及頂板存在層間滑動的擦痕，且煤層厚度變化較為急劇，靠近頂板部分一般存在厚0.8～1.3 m軟分層，為粉末狀、鱗片狀；軟分層以下的亮型硬煤為塊狀，呈灰黑色、黑色，條帶狀結構，層狀構造，其真密度(TRD)為 1.58 g/cm3，視密度(ARD)為1.48 g/cm3。該煤層堅固性系數小于0.5，煤層透氣性系數為0.200～0.457 m2/(MPa2·d)，煤層原始水分平均值為2.42%，屬于低水分煤。

2 中低壓綜合煤層注水工藝

根據九里山礦16051工作面煤層的滲透特性，以及煤層的厚度，探索出一種新型煤層注水模式，即回風巷長孔低壓滲透注水控制+工作面短孔中壓注水補充的綜合煤層注水模式。其中回風巷長孔低壓滲透注水是在回風巷利用80 m深的順層抽采鉆孔，超前工作面回采區域50 m進行長時間滲透超前注水；工作面短孔中壓注水是在工作面內利用15 m深的區域驗證鉆孔或超前探孔進行循環注水。實現了空間上交叉組合注水的新型注水模式。

2.1 回風巷長孔低壓滲透注水工藝

回風巷低壓滲透注水是利用突出煤層瓦斯區域治理時施工的順層抽采鉆孔，配合靜壓水槽進行的超前注水措施。

注水鉆孔參數：回風巷低壓滲透注水是利用瓦斯區域治理鉆孔，鉆孔設計A、B 2排，三花眼布置覆蓋全煤厚，鉆孔孔深80 m、孔徑94 mm，孔間距1.0 m、排距0.3 m，其中A排傾角-12°，B排傾角-14°30′；采用?50 mm封孔管配合聚氨酯“兩堵一注”法封孔，封孔長度25 m，孔口設有閥門，通過三通及抽采支管與?150 mm抽采主管路連接。

根據16051工作面現場情況，采用長時間小流量的方式對煤層進行滲透性注水。工作面回采前，對超前煤壁50～100 m段順層抽采鉆孔進行改造，斷開其與抽采主管路的連接，改為與低壓注水系統連接。可選5～10個抽采單孔為一組，在其上方約 1 m 處設置儲水槽(儲水槽長度10 m，利用?150 mm抽采管改制，儲水槽的一端留進水口，兩端與該組的抽采單孔連接，儲水槽呈水平布置，進水口端向上)。在儲水槽的進水軟管上安裝有水表和截止閥，時常觀察和調整進水量，使儲水槽始終保持滿槽狀態。當儲水槽灌滿水后，水在重力作用下進入抽采鉆孔，沿鉆孔周圍的孔隙和裂隙向煤體內部滲透。低壓注水孔的連接方式如圖1所示。

圖1 回風巷長孔低壓滲透注水孔連接方式示意圖

2.2 工作面短孔中壓注水工藝

工作面短孔中壓注水是充分利用突出煤層工作面的區域驗證鉆孔和超前探孔，配合煤層注水泵進行的循環注水措施。

16051工作面每推進5 m需要進行一次區域驗證并施工超前探孔。鉆孔參數：①區域驗證鉆孔孔深15 m，孔徑42 mm，間距5.0 m；②超前探孔孔深 15 m，孔徑89 mm，間距1.5 m。采用FSKK-38/4型或FSKK-63/4型水力膨脹封孔器進行封孔，封孔深度不小于3 m，封孔器與注水主管路連接，由設置在運輸巷的煤層注水泵提供動力，泵站壓力不低于 10 MPa。中壓注水孔的連接方式如圖2所示。

注水時間及注水量要求：在實施煤層注水期間，單孔注水初期15 min內應使用小流量，15 min后可逐步加大注水流量。但單孔注水總時間不得少于 40 min，總注水量不得小于0.5 t，以保證鉆孔周圍1.5 m范圍內煤體濕潤又無水從鉆孔口溢出為原則。當孔口封堵物有擠出現象或大量漏水時，可暫停注水，間歇一定時間(30 min)后繼續注水。

圖2 工作面短孔中壓注水系統示意圖

3 注水效果分析

為了考察不同注水工藝的降塵和防突效果，于2018年1月11日在16051工作面開始回采后，設計了3個區域分時段進行試驗，分別是1月 11日至 1月 20日為初采階段，考察原始數據；1月 21日至 2月 20日為短孔中壓注水試驗階段；2月 21日至 3月 20日為長孔低壓滲水階段；3月21日之后為中、低壓綜合注水階段。每個階段都考察煤層含水率、采煤期間的煤塵濃度，以及瓦斯涌出情況。

3.1 煤層含水率對比分析

煤層含水率是考察不同注水工藝效果最直接的參數。為測試煤層的含水率真實變化規律，在含水率測定取樣時，在工作面內均勻布置10個取樣孔(取樣孔不能與注水孔貫通)，分別位于7#、14#、21#、28#、35#、42#、49#、56#、63#、70#支架位置，每個取樣孔在5 m和10 m位置各取2個煤樣，取其平均值作為測試值。根據GB/T 211—2007《煤中全水分的測定方法》對煤層含水率進行測定，結果如圖3所示。

(b)取樣孔10 m位置

由圖3可以看出，煤層原始含水率較低，平均含水率僅為2.42%；短孔中壓注水后煤層含水率明顯提高，平均煤層含水率達到了5.32%，煤層含水率提高了2.19倍，但存在煤層含水率波動大、不均勻的問題；長孔低壓滲水試驗后煤層含水率進一步提高，煤層平均含水率達到了6.16%，較煤層原始含水率提高了2.54倍，且波動性較短孔注水減小；綜合注水試驗后煤層含水率最大，煤層含水率平均值達到了7.12%，較煤層原始含水率提高了2.94倍。

回風巷長孔低壓滲透注水可實現多孔連續注水，注水時間較長，可使煤體充分濕潤，煤層含水趨于飽和狀態，但由于受到裂隙和孔隙的影響存在一定的空白區。而工作面短孔中壓注水雖然也可以提高煤層含水率，但煤層含水率不均勻。這是因為煤層注水過程中，水進入煤體后，首先沿較大的裂隙以較快的流速，逐漸包圍被裂隙所分割的煤體；然后再以較低的流速滲透進入各種細微孔隙之中[13]。水通過煤層注水孔周邊的孔隙和裂隙向煤體內部緩慢滲透，受煤層孔隙的阻滯作用，水在煤層中的運動只能保持層流運動狀態[14]。

3.2 粉塵濃度對比分析

為考察不同注水工藝后工作面粉塵質量濃度變化情況，試驗階段分別在轉載機頭、采煤機后方10～15 m位置和上安全口3個地點進行總粉塵質量濃度測試(測塵時間段暫時關閉其他所有除塵設施，測塵數據為正常回采時的3次瞬時平均值)，結果如圖4所示。

圖4 注水前后粉塵質量濃度對比圖

由圖4可以看出：采用煤層注水技術能有效濕潤煤體的原生煤塵，使水分子團包裹煤體的每個細小部分，當煤體開采破碎時避免細粒煤塵飛揚。實測數據表明，工作面采取回風巷長孔低壓滲透注水控制+工作面短孔中壓注水補充的綜合注水工藝后，采煤機下風側降塵效率為82.5%，而回風巷降塵效率可達到81.4%。

3.3 瓦斯涌出量對比分析

為考察16051工作面中、低壓注水對工作面瓦斯涌出量的影響，統計了16051工作面T2甲烷傳感器1月15日至5月1日所測甲烷濃度(體積分數)的日最大值和日平均值，共提取57組114個甲烷數據點，對比分析工作面瓦斯涌出量情況，如圖5所示。

圖5 甲烷濃度變化圖

由圖5可知：無論是短孔中壓注水還是長孔低壓滲透注水，煤層中的水分含量均增加，減緩了工作面落煤釋放瓦斯的速度，從而降低甲烷濃度即減少了工作面瓦斯涌出量。但由于短孔中壓注水存在注水時間短、注水不均勻的問題，當采煤機回采至注水效果不好的區域時，就會出現當日的瓦斯涌出量最大值，所以工作面平均瓦斯涌出量雖明顯降低，但日最大值下降不明顯，且波動較大。而長孔低壓滲水由于注水時間長，滲透較為均勻，所以日最大值有明顯下降，但日平均瓦斯涌出量降幅不明顯。綜合注水試驗后，工作面短孔中壓注水和回風巷長孔滲水相互補充，能有效控制工作面瓦斯均勻釋放，且效果最為穩定。

3.4 中低壓注水機理分析

秦躍平教授提出煤層注水過程中，水進入煤體的形式有2種：壓力滲流和自然滲流。壓力滲流以水壓差為動力，利用煤層注水泵提供的壓力使水通過煤體中較大的孔裂隙由高壓區向低壓區滲流；自然滲流是水在煤體中的毛細管力主導作用下產生的滲流運動，是影響煤體內在水分的主要運動形式[15]。

中、低綜合注水將壓力滲流和自然滲流有機地結合在一起。在工作面內使用的中壓注水，其原理為壓力滲流，可以快速將水壓入到煤體中較大的孔裂隙中；在回風巷采用的低壓滲透注水，其原理為自然滲流，可以長時間進行自然滲流使水分充分潤濕煤體，進入煤體中小裂隙中，與中壓注水相互補充[16]。

煤層注水后，一部分水進入煤體的孔隙和裂隙中，使煤體被水包裹，當煤體被開采破碎時，因孔裂隙中存在水，水分子將較小的煤粉結合在一起，從而大大降低了煤塵的飛揚，達到降塵的效果；同時由于水進入煤體的微孔中，堵塞瓦斯運移的通道，從而增大了瓦斯在煤體內的滲流阻力，降低了煤體滲透率和瓦斯解吸速度，有效降低了工作面絕對瓦斯涌出量[17]。煤層注水還使煤體彈性能發生改變，消耗煤體能量，降低煤體內能，增加煤體強度，改善煤體結構，有利于防治煤與瓦斯突出。

4 結論

1)根據九里山礦16051工作面的現場情況，通過改造已有的瓦斯治理鉆孔，探索出回風巷長孔低壓滲透注水工藝，并與工作面短孔中壓注水工藝相結合，建立了回風巷長孔低壓滲透注水控制+工作面短孔中壓注水補充的綜合注水模式。

2)考察了短孔中壓、長孔低壓不同注水工藝和綜合注水模式下煤層含水率的變化情況，兩種工藝均使煤層含水率有了明顯提高，但對比分析后，綜合注水模式下煤層含水率最均勻，含水率增幅最大，煤層含水率提高了2.94倍。

3)考察了注水后工作面粉塵質量濃度和瓦斯濃度變化情況，綜合注水后工作面粉塵質量濃度降低了80%以上；工作面瓦斯解吸速率降低，甲烷濃度降低，瓦斯涌出量明顯減小，有效降低了工作面粉塵質量濃度和瓦斯涌出量。