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1、林盛煤矿采煤工作面浅孔高压注水研究与实践应用王志国摘 要：煤壁浅孔高压注水工艺的应用是解决回采工作面瓦斯和煤尘的有效措施和方法。本文分析了煤壁浅孔高压注水机理，介绍了林盛煤矿回采工作面在使用煤壁浅孔高压注水技术实际运用和取得的明显效果。该方法简便，操作性和实用性较强，通过对注水前后各种数据的现场实测对比，证明了煤壁浅孔高压注水可达到有效抑制煤尘爆炸及炮后瓦斯集中涌出造成瓦斯超限等效果。关键词：回采工作面 浅孔 高压注水 降尘 防治瓦斯林盛煤矿2010年矿井瓦斯鉴定为低瓦斯矿井，经沈阳煤炭科学研究院通风防灭火实验室煤炭自燃倾向性鉴定，可采煤层自然发火倾向性等级为二类自燃，自然发火期为3-6个月，
2、煤尘具有强爆炸性。井田含煤层共14层，现采煤层为5、7、12煤层，主采煤层为12煤层。由于矿井煤层自然含水率偏低，均不足4%，煤质干燥，生产作业过程中产尘量大，采用传统被动综合粉尘防治措施，工作量大，而且防治效果不好。为进一步加强粉尘治理，降低粉尘危害，林盛煤矿自2006年起实施了五、七、十二煤层注水措施，由于煤层孔隙率低，透水性差，煤层注水初期效果不理想。通过坚持煤层注水措施，在注水工作中不断学习、摸索和试验研究，总结经验、对煤层注水方式、注水设备、注水关键工艺及参数进行优化设计，采用煤壁浅孔高压注水、合理布置钻孔和加大注水压力，解决了煤层低渗透性问题，使注水效果变得明显，大大地降低了矿井生
3、产过程中产尘量，而且对治理工作面瓦斯涌出、突出预防以及片帮漏顶预防有着一举多得的功效，具有全面推广的价值。一、煤层注水机理煤层注水是采煤工作面最有效的防尘措施。由于采煤工作面煤壁前方存在大量的次生裂隙，在回采前预先在煤层中打若干钻孔，通过钻孔注入水，使其涌入煤体内部，增加煤的水份和尘粒间的粘着力，并能降低煤的强度和脆性，增加塑性，采煤时煤尘的生成量就会减少，同时高压水的压裂作用可大大增强煤体的透水性，提高注水效果，渗透到煤体裂隙内的水份还可将原生细尘粘结为较大的尘粒，使之失去飞扬能力。煤层注水还能够破坏煤体内原有的煤瓦斯体系的平衡，形成煤瓦斯水三相体系，从而减少高瓦斯采煤工作面瓦斯涌出量，进而
4、对防治煤尘飞扬超限有一定的作用。二、煤层注水必要性林盛煤矿煤层属于低透气性，煤层煤质干燥，自然含水率偏低。在回采过程中产生大量煤尘和粉尘，恶化井下作业环境，危害着井下职工的身心健康。为此，矿井曾采取过一系列防尘措施，如净化水幕、转载机头喷雾、皮带头防尘罩、工作面洒水、水炮泥等措施，都是被动的，不能从源头解决本质问题。通过研究使用煤壁浅孔高压注水技术后，能有效遏制产煤过程中煤尘、粉尘产生量大的现象，改善井下作业环境，提高职业病的预防能力。同时，通过煤层注水还可以降低煤体强度和弹性模量，增加煤体的塑性，使应力分布比较均匀，减缓高应力集中，对防止煤与瓦斯突出、冲击矿压等灾害的发生非常有利。另外，煤层
5、注水可以软化坚硬煤体，使回采速度加快，提高生产效率，还可以预防煤层自然发火。三、煤层注水可行性1）、回采工作面前方煤壁存在大量的次生裂隙，再加上高压水的压裂作用，可大大增加煤体的透水性，提高注水效果。2）、注入煤体的水能够使煤体的塑性增强，可以湿润煤体中的原生煤尘，并包裹煤的细小颗粒，当开采时在破碎过程中产尘量低，能有效避免煤尘飞扬。3）、由于煤物质具有可缩性和孔隙中气囊的可缩性的特性，因此，采用不同的注水方式和参数，会导致不同的作用效果。高压注水时，可能使煤中裂隙和孔隙的容积以及煤的结构发生变化，甚至造成煤的破裂和松动，起到水力疏散煤体的作用，使煤层近工作面部分的卸压和排放瓦斯。四、煤层注水
6、目的1、煤层注水是回采工作面最有效的防尘措施。通过煤体浅孔动压注水方式，充分湿润煤体，起到降温、降尘作用，进而减少采煤产尘量，防止煤尘堆积，预防煤尘爆炸。2、煤层进行浅孔高压注水后，注入的水进入煤体空隙，同时煤体被压裂，瓦斯将会被均匀挤出和释放，可有效预防炮后瓦斯集中涌出造成超限事故。五、煤层注水技术要求：1、煤层注水管路系统水源来自防尘静压管路工作面乳化液泵站高压管路用1寸胶管接入采煤工作面截止阀封孔器注水孔。（见附图一）附图一：煤层注水系统图2、煤层注水的技术参数（1）、煤层注水使用高压注水泵型号：RB-80/200，注水方式采用单向浅钻孔注水，注水方法为动压注水。（2）、钻孔布置：沿工作
7、面垂直煤壁布置，开孔位于采高的中部，钻孔方向与工作面回采方向一致；钻孔采用手持式帮部锚杆钻机（EZI）配合42麻花钻杆（1.0m/节）进行施工（见附图二）附图二：煤层注水钻孔布置三视图（3）、注水压力：注水压力大小直接关系到透水半径、注水时间和注水效果。煤层注水压力过高, 不利于回采面煤壁管理和煤壁的养护, 注水压力小则有效渗水半径小, 需要注水时间长, 注水效果差。通过现场试验, 注水压力范围816MPa, 12MPa为最合适,大于15MPa, 煤壁易片帮, 注水管子容易损坏, 低于10MPa, 润湿半径太小, 注水效果不好。因此,注水压力选定在816MPa。（4）、注水孔深度必须大于3m,
8、且越深润湿面积越大, 但注水孔过深影响打孔效率, 且注水孔超过卸压区后,裂隙减少, 达不到预期效果。根据现场试验, 注水孔长度选定为（5-6）m,孔径42mm, 钻孔间距根据煤壁注水的效果和湿润半径，确保钻孔间距，一般为510m，效果不好时，可适当加密钻孔。3、封孔（1）、封孔长度：不小于1.5m，封孔要严，不能跑水。（2）、封孔方法：采用MZF-25-1.5m型封孔器进行封孔，封孔器外端应进入孔内200mm以上。4、注水时间：以煤壁向外渗水为止，每孔注水时间一般为2030min，必要时可适当延长时间。5、根据煤壁注水的湿润半径，合理确定注水循环和允许回采进尺距离。参考5煤、7煤和12煤层注水
9、数据统计，注水湿润半径为46m。因此注水后允许回采推进不超过5m，在进行下一循环注水。6、注水钻孔施工完成后，可单孔注水也可多孔同时进行注水。六、煤层注水安全技术措施1、煤体浅孔打钻注水施工前，由施工单位班队长及现场安监员负责对所准备煤体浅孔打钻的工作面进行全面检查，掌握工作面的地质变化情况，发现有下列情况之一严禁打钻注水。1）、围岩有严重的吸水膨胀性，注水后易造成顶、底板变形的；2）、地质情况复杂不清，顶板破坏严重的； 3）、注水后影响回采工作面安全或造成回采工作面条件恶化的；4）、原来煤层自然水份大于4%的，煤层孔隙小于4%的；5）、煤层松软、破碎、打钻孔时容易塌孔，难易成孔的。2、在回采
10、工作面打注水钻孔时，必须严格按照林盛煤矿采煤工作面浅孔煤层注水设计要求施工。3、作业人员进入工作面进行打眼，注水施工前认真检查作业地点支护情况，严格执行“敲帮问顶”制度，起净帮顶浮活石，发现问题及时处理，确认安全后方可进行作业。4、施工钻孔时，发现有片帮必须有大柈子护帮，打钻人员要持钻有力，防止钻杆晃动过大，形成扁型孔，防止扩孔过大，以免封孔时不能封实，封孔器不起作用。5、打钻孔采用风煤钻施工时，严格执行工作面使用风煤钻打眼措施。6、打钻、注水期间，迎头必须悬挂便携仪。7、严格控制注水压力，压力过大容易导致封孔管损坏及容易从煤壁倒流，影响注水效果。8、注水期间严禁人员在注水孔前走动，通过时必须
11、先与注水人员联系好，确认安全后方可通过。9、封孔器需全部塞入孔内，并把钻孔封闭密实。操作时，不要用力过猛，以免损坏封孔器，封孔器必须连接截止阀，只有封孔器卸压后，方能抽出，卸压时，卸压水口严禁对准人员。10、注水期间，要加强采面的瓦斯、地质管理工作，若发生片帮、冒顶时，应立即停止注水。如有瓦斯涌出和过地质构造带时，必须及时停止注水，然后探查前方及左右两帮地质情况，必须施工超前钻孔探查煤体深部瓦斯及水等情况。11、施工中必须对风、水软管注意保护，防止被挤坏、砸坏。12、施工单位负责现场施工，施工单位班队长、瓦检员和安检员负责监督注水工作，确保达到煤壁向外渗水效果。13、多孔同时注水时，孔间距不应
12、小于20m，流量应由小到大，逐渐增加，注水人员观察煤壁及邻近孔的变化。14、采煤队注水负责人、瓦检员每班要详细记录注水时间、注水孔数等技术参数，做好数据积累、总结，每班注水全部情况并汇报通风队及矿调度。15、注水期间及注水结束后，由瓦检员、安检员和当班班组长共同检查巷道瓦斯、支护情况，发现问题，必须停止注水，及时处理，确认注水有效后允许进尺不大于5m。然后进行下一循环打钻注水工作。16、其它未编入部分严格按照采煤作业规程采煤部分注水措施、煤矿安全规程及公司和矿的有关规定执行。七、煤层注水各种数据统计及效果（一）近期林盛煤矿采煤工作面煤层注水数据统计（见下表）地点注水孔深孔径注水时间注水孔间距注
13、水压力注水标准mmmminmMPa313七煤采面542203010810煤壁出水止314五煤采面542203010810煤壁出水止1203十二采面542203010912煤壁出水止（二）煤层注水效果1、煤层水份含量增加：没注水前，打炮眼时钻屑呈粉沫状，工作面煤尘飞扬；注水后，打炮眼时煤屑坠落，有时钻屑呈团状，粘结在一起，用手触摸有潮湿感。（见表二）2、注水前后，采煤工作面在打眼、放炮、出（放）煤、运输及正常回风等工序粉尘测定时，粉尘浓度明显降低，降低幅度在30-42%。3、煤体注水时，能够将煤体内部分瓦斯提前挤压释放，使采煤工作面煤体瓦斯得到提前释放。（见表二）煤层注水前后效果数据表（表二）地
14、点注水前注水时注水后煤壁前风流中CH4%炮后CH4%放炮时全煤尘mg/m3温度C煤壁前风流中CH4%温度C煤壁前风流中CH4%炮后CH4%全煤尘mg/m3温度C313七煤采面0.20.6513.9200.28200.150.509.018314五煤采面0.320.7513.4200.45200.260.557.219315十二煤采面0.150.4215.3200.26200.220.278.519八、煤层注水结论：实践表明，采取注水措施后，通过煤体浅孔动压注水方式，充分湿润煤体，注水降尘，减少出煤时的产尘量，防止煤尘堆积，不仅能起到降尘作用，还能够减少工作面的瓦斯涌出，预防煤尘爆炸。煤层进行浅孔高压注水还可压裂部分煤体，将瓦斯从煤体裂隙中均匀挤压释放，可有效预防瓦斯超限事故，提高矿井防灾、抗灾能力。值得提出的是，该工艺操作简单，对生产影响小，效果明显，与其它防尘措施相比有较大的优越性，是一项值得大力推广的防尘技术。8
