石俊生

(唐山開灤集團(tuán)趙各莊礦，河北 唐山 063000)

采煤工作面短孔注水實(shí)用技術(shù)研究①

石俊生②

(唐山開灤集團(tuán)趙各莊礦，河北 唐山 063000)

采煤工作面在回采過程中會(huì)產(chǎn)生大量的煤塵，而煤層注水是采煤工作面最有效的防塵措施之一。本文對(duì)趙各莊礦3197工作面進(jìn)行短孔注水的技術(shù)方法及應(yīng)用效果進(jìn)行了闡述，并對(duì)短孔注水的方法進(jìn)行了分析。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的注水實(shí)測(cè)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了深入的分析，得出短孔注水對(duì)于3197工作面防塵有很好的效果。

動(dòng)壓注水;煤層注水;短孔注水;液壓鉆機(jī)

0 引言

趙各莊礦于1906年建礦，至今已開采100多年，2008年核定生產(chǎn)能力200萬(wàn)噸/年，設(shè)計(jì)選礦能力 220 萬(wàn)噸/年，主要開采煤層為 5、7、9、11、12-1、12-2煤層，礦井開采深度已達(dá)到1179m。從工作面已開采的情況看，煤塵的飛揚(yáng)性很好，采煤過程中也會(huì)產(chǎn)生很多煤塵，嚴(yán)重影響了礦井的安全生產(chǎn)。針對(duì)趙各莊礦3197工作面煤塵濃度較高的實(shí)際情況，決定采用煤層注水進(jìn)行降塵治理。

1 3197工作面概況

本工作面位于13水平西翼1～2石門之間。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，局部發(fā)育厚度0.2～2.6 m的夾矸，煤層傾角變化較大，在9°～35°之間，平均傾角22°，煤層走向290°左右，煤層厚度在3.1～8.3米之間，平均厚度4.6m。工作面傾斜長(zhǎng)度111.8m，走向長(zhǎng)度524 m。3197工作面老頂為深灰色中砂巖，厚8.94 m;直接頂為深灰色粉砂巖，厚0.9 m;直接底為灰色粉砂巖，厚2.24m;老底為深灰色粉砂巖，厚8.7m。預(yù)計(jì)瓦斯絕對(duì)涌出量3.72m3/min。煤塵爆炸指數(shù)為40.05%。煤層的自燃傾向性等級(jí)為自燃，自然發(fā)火期6個(gè)月。另外，本工作面局部處于未保護(hù)區(qū)域。

2 3137工作面深部煤層注水技術(shù)

煤層注水的目的是增加煤層中水的飽和度，即煤層中的含水率，達(dá)到降塵作用［1］。根據(jù)趙各莊礦3197工作面煤層的具體條件，確定在采煤工作面采用短孔注水方案［2］。短孔煤層注水布置在采煤工作面，工作面由于采動(dòng)原因，煤層疏松，所以不需要進(jìn)行可注性鑒定即可達(dá)到注水的效果。具體技術(shù)方案如下。

2.1 鉆孔布置及施工

1)采用煤電鉆機(jī)打眼，孔高1.5 m，孔徑42 mm，孔深大約6 m，孔間距4 m。

2)鉆孔布置及施工:沿工作面傾斜方向，斜孔孔長(zhǎng)度為6 m，傾斜度為大約22°。為防止工作面兩端煤壁片幫，工作面兩個(gè)端頭各留9.9 m不打孔注水。工作面注水孔的總數(shù)為24個(gè)。其布置如圖1所示。

圖1 工作面注液孔布置示意圖

2.2 封孔參數(shù)及封孔工藝

封孔采用橡膠快速封孔器封孔，封孔器長(zhǎng)1 m。封孔深度1m，即封孔器外端距煤壁1m。封孔如圖2所示。

圖2 注水孔封孔示意圖

2.3 注液參數(shù)

注液壓力:工作面開采初期，BRW-200/31.5乳化液泵壓控制在10 MPa，工作面長(zhǎng)度采到一半時(shí)可適當(dāng)將泵壓控制到9 MPa。泵壓最大不能超過10 MPa。

總注水時(shí)間:據(jù)了解，檢修班實(shí)際只能有8h的時(shí)間。因此必須在8h內(nèi)完成全部24個(gè)孔的注水，即總注水時(shí)間為8 h。打眼可與注水平行作業(yè)，不占用注水時(shí)間。

單孔注水時(shí)間:為了盡可能延長(zhǎng)單孔注水時(shí)間，以提高注水效果，決定分三組注水，即有三個(gè)孔同時(shí)注水。單孔注水時(shí)間為:8×60/24×3=60(min)。實(shí)際單孔注水時(shí)間以煤壁出水時(shí)為準(zhǔn)計(jì)算。

一個(gè)循環(huán)總注水量:按t煤注水量10 L(即煤體水份增量2%)考慮，該總工作面一個(gè)循環(huán)進(jìn)尺需要的總注水量約為:149×2.5×5×1.40×2%=52.15(m3)。

單孔注水量:平均每個(gè)孔注水量為52.15/24=2.17(m3)。需要說明的是:煤體實(shí)際能注進(jìn)去的水量與封孔深度、注水壓力、注水流量、煤體的孔隙率等有關(guān)，待注水工作開展起來以后再行考察確定。

總注水流量:總注水流量=一個(gè)循環(huán)總注水量/總注水時(shí)間=52.15/8=6.52(m3/h)。

單孔注水流量:單孔注水流量=總注水流量/同時(shí)注水孔數(shù)=6.52/3=2.17(m3/h)

注水分組情況:根據(jù)單孔注水流量的計(jì)算結(jié)果，選擇流量為12 m3/h的BRW-200/31.5乳化液泵，額定流量12 m3/h，額定壓力31.5 MPa。一個(gè)BRW-200/31.5乳化液泵擔(dān)負(fù)3個(gè)組(第一組:1#到 8#孔，第二組:9#到 16#孔，第三組:17#到24#孔)的注水，能滿足3個(gè)孔，由3部煤電鉆機(jī)負(fù)責(zé)打注水孔，一部煤電鉆機(jī)負(fù)責(zé)1個(gè)組的打眼工作。這樣就能保證每個(gè)注水孔有60 min(含3-5 min的準(zhǔn)備時(shí)間)的注水時(shí)間，凈注水時(shí)間能保證在55 min以上。

2.4 注水系統(tǒng)

注水系統(tǒng)由BRW-200/31.5乳化液泵(含壓力泵、水箱、壓力表、安全閥、溢流閥等)、高壓鋼絲膠管、雙功能高壓水表、高壓橡膠自動(dòng)封孔器組成。

注水系統(tǒng)主要設(shè)備的數(shù)量及規(guī)格如下:

1)BRW200/31.5的乳化液泵:2臺(tái)，額定流量12 m3/h，額定壓力31.5 MPa。布置在運(yùn)順內(nèi)，一臺(tái)使用，一臺(tái)備用。

2)自動(dòng)封孔器:6支(三支使用，三支備用)，型號(hào)ZF-A22，內(nèi)徑22mm，外徑39mm，適用孔徑42-50 mm。

3)雙功能高壓水表:3塊，型號(hào)SGS，最大流量5 m3/h，最小流量0.1 m3/h，額定壓力18 MPa。

4)高壓水管:干管規(guī)格3×25×18(鋼絲層數(shù)×內(nèi)徑×壓力)，每根長(zhǎng)10 m，總長(zhǎng)度根據(jù)水泵位置至采面注水孔的距離而定。支管規(guī)格3×16×26，每根長(zhǎng)10 m，需要6根，即60 m。

5)減壓閥:3只，直徑25 mm?？梢栽?-20 MPa之間任意調(diào)節(jié)。

6)截止閥:3只。

7)變徑接頭:25mm變16mm三個(gè)，16mm變22 mm 3個(gè)。

表1 短孔煤體注水所需設(shè)備與材料匯總表

續(xù)表

2.5 短孔煤體注水施工安全技術(shù)措施

1)人員進(jìn)入煤幫作業(yè)時(shí)必須嚴(yán)格執(zhí)行敲幫問頂制度，及時(shí)用不少于1.0 m的長(zhǎng)柄工具搗去浮煤浮矸，防止掉落傷人，并安設(shè)專人監(jiān)護(hù)頂板、煤壁，發(fā)現(xiàn)異常情況及時(shí)撤人并采取措施進(jìn)行處理。

2)人員進(jìn)入煤幫作業(yè)前必須先將工作面刮板輸送機(jī)閉鎖，煤機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，支架護(hù)幫板護(hù)至煤幫，并檢查作業(yè)地點(diǎn)附近的頂板和支護(hù)情況，防止架間掉矸傷人，確認(rèn)安全后方可進(jìn)入作業(yè)。

3)人員進(jìn)入電纜槽以里煤壁側(cè)作業(yè)時(shí)，必須停車閉鎖，并安專人監(jiān)護(hù)頂板及煤壁情況，發(fā)現(xiàn)問題立即停止作業(yè)，采取措施進(jìn)行處理。

4)在煤機(jī)前后20 m范圍內(nèi)作業(yè)時(shí)，煤機(jī)必須脫開離合，并切斷電源，煤機(jī)機(jī)身處不進(jìn)行打眼。

5)工作面片幫嚴(yán)重處，片幫深度超過0.8 m或片幫長(zhǎng)度超過3 m區(qū)域不進(jìn)行打眼。

6)工作面受斷層影響區(qū)域及斷層上、下10 m范圍內(nèi)不進(jìn)行打眼。

7)施工中必須對(duì)風(fēng)、水軟管注意保護(hù)，防止被擠壞、砸壞。

8)用煤電鉆機(jī)打孔時(shí)，應(yīng)控制鉆桿不要?jiǎng)×一蝿?dòng)，防止形成扁形孔。

9)為解決打鉆過程中煤塵飛揚(yáng)嚴(yán)重污染環(huán)境的問題，下風(fēng)側(cè)移架噴霧開啟三道。

10)打眼人員的作業(yè)位置距離正在注水的注水孔至少16 m以上。

11)注水孔打夠深度后，要來回抽動(dòng)，排盡煤粉。注水器插入鉆孔深度不得小于0.5 m。

12)注水前要檢查注水系統(tǒng)和注水管線的密封性，在高壓管路密封性不好或破損時(shí)，禁止注水。當(dāng)高壓管路處于承壓狀態(tài)時(shí)，禁止連接、拆卸和修理高壓管件。

13)注水時(shí)嚴(yán)禁人員站在正對(duì)封孔器的位置，防止封孔器串出傷人。

14)注水試驗(yàn)期間，要加強(qiáng)采煤工作面的瓦斯地質(zhì)管理工作，地質(zhì)構(gòu)造帶處應(yīng)停止注水工作。遇到斷層時(shí)應(yīng)觀察注水量，發(fā)現(xiàn)跑水時(shí)應(yīng)停止注水。

15)注水開始時(shí)，應(yīng)有瓦斯檢查員檢查工作面及回風(fēng)流的瓦斯?jié)舛龋绻咚節(jié)舛冗_(dá)到0.8%，由瓦檢員通知注水施工人員減少同時(shí)注水的孔數(shù)。

16)注水泵必須由專人負(fù)責(zé)操作和看管，注水泵的壓力不能超過10 MPa。

17)注水過程中若發(fā)現(xiàn)孔口附近一定范圍內(nèi)的煤壁滲水，應(yīng)先關(guān)閉截止閥，停止注水，待注水孔內(nèi)水壓降下來后再抽出封孔器，防止封孔器突然噴出傷人［3］。

其他未提情況，均按《煤礦安全規(guī)程》和《注水操作規(guī)程》規(guī)定進(jìn)行作業(yè)。

3 趙各莊礦煤層注水技術(shù)應(yīng)用及效果

2011年9月在趙各莊礦3197工作面開始實(shí)行了短孔注水，采用煤電鉆打孔，孔距為4 m，鉆孔沿煤層傾角方向?qū)嵤捎门蛎浭椒饪灼鞣饪?，封孔長(zhǎng)度為1 m，孔徑Ф42 mm，詳細(xì)情況見表2。

表2 趙各莊礦3197工作面煤層注水部分鉆孔記錄簡(jiǎn)表

續(xù)表

經(jīng)測(cè)定趙各莊礦3197工作面煤層未注水之前含水量為1.71%，注水之后含水量為3.41%。對(duì)比注水前與注水后的煤層時(shí)，3137工作面機(jī)組割煤時(shí)粉塵濃度由293 mg/m3下降為119 mg/m3，放煤時(shí)由338 mg/m3下降為126 mg/m3，整個(gè)工作面環(huán)境的粉塵濃度降低約62%;煤層注水后濕潤(rùn)煤體中的水分對(duì)瓦斯的運(yùn)動(dòng)也起阻礙作用，降低了落煤與放煤工序的瓦斯涌出量，對(duì)改善3197工作面通風(fēng)緊張的狀況很有幫助［4］。

4 應(yīng)用分析

經(jīng)本次應(yīng)用的分析研究發(fā)現(xiàn)，趙各莊礦3137工作面煤層注水后破壞了煤體原有結(jié)構(gòu)的完整性，改變了煤體的物理力學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而軟化了煤體，工作面機(jī)組割煤時(shí)粉塵濃度由293 mg/m3下降為 119 mg/m3，放煤時(shí)由 338 mg/m3下降為126 mg/m3，整個(gè)工作面環(huán)境的粉塵濃度降低約62%。綜上可得出:動(dòng)壓短孔注水是趙各莊礦3197工作面最有效的防塵措施之一，對(duì)降低采煤工作面的粉塵濃度，減小粉塵對(duì)井下工人及作業(yè)場(chǎng)所的危害程度起到了至關(guān)重要的作用，此外煤層注水還可起到延長(zhǎng)煤的阻化時(shí)間、防治瓦斯和煤體卸壓等方面的作用［5］。

［1］ 張?jiān)O(shè)計(jì)，等.煤層注水試驗(yàn)及效果分析［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2006，(6)

［2］ 胡冠宇，等.淺孔高壓煤層注水參數(shù)確定及效果分析［J］.煤礦開采，2008，(12)

［3］ 張永吉，等.煤層注水技術(shù)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2001

［4］ 瞿濤寶.試論煤層注水處理瓦斯的效果［J］.西部探礦工程，1994，(3)

［5］ 李俊龍.唐安煤礦煤層注水技術(shù)的應(yīng)用［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2006，(S1)

Working face short hole infusion of practical technology research

SHI Junsheng

(Zhaoge Zhuang kailuan Group Corporation Ltd.in Tangshan，Tangshan Hebei 063000)

Coal mining working face in mining process will produce a large amount of coal，and coal seam water injection is the most efficient coalface dustproof measures.The Zhaogezhuang mine 3197 working face short hole water injection technique and its application effect is elaborated，and the short hole infusion method were analyzed.Combining with the field of water injection test，the measured data are analyzed，concluded in 3197 working face short hole injection for dustproof effect is very good.

Dynamic pressure water injection;coal seam water injection;short hole;hydraulic drilling rig

TD713+.33

A

1672-7169(2012)03-0043-04

2012-03-16

石俊生(1965-)，男，河北滄州人，大學(xué)畢業(yè)，開灤集團(tuán)趙各莊礦總工程師。