郭軍杰,鄒友平,周和軍,田錦州

(1.河南工程學(xué)院 安全工程學(xué)院，河南 鄭州 451191；2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；3.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013)

受嵩山地質(zhì)構(gòu)造影響，振興二礦煤層屬于三軟不穩(wěn)定厚煤層，工作面煤巖體松軟破碎。開采時(shí)，工作面粉塵較大，礦壓顯現(xiàn)劇烈，煤壁易片幫，這些問題對(duì)該礦的安全生產(chǎn)影響較大，也嚴(yán)重危害工人的身體健康。為此，該礦采取煤層注水技術(shù)措施，積極探索煤層注水對(duì)這些問題的改善作用，保障礦井安全生產(chǎn)和工人身心健康。

眾多學(xué)者對(duì)煤層注水技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，取得了豐富的研究成果。張九零[1]等認(rèn)為煤層注水具有降塵和防瓦斯的效果；盧國斌[2]等對(duì)東榮二礦煤層的注水參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，確定了合理的工藝參數(shù)，提高了煤層注水效果；李宗翔[3]等對(duì)段王礦煤層的可注性指標(biāo)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，制定了利用瓦斯抽采鉆孔進(jìn)行煤層注水的方案；李偉國[4]等對(duì)軟煤層綜采工作面實(shí)施動(dòng)靜壓間隔式混合注水方式，取得了良好的降塵效果；韓紅強(qiáng)[5]等利用煤層注水技術(shù)觀察了對(duì)三軟不穩(wěn)定煤層的工作面煤壁片幫改善效果，認(rèn)為煤層注水具有一定的防片幫作用；楊志祥[6]采用包括煤層注水在內(nèi)的綜合粉塵防治技術(shù)，對(duì)工作面粉塵防治進(jìn)行了研究；張健[7]等采用分段封孔注水技術(shù)，有效提高了綜掘工作面粉塵防治效果；任文濤[8]對(duì)深部低孔隙率煤層高壓注水防治沖擊地壓進(jìn)行研究，認(rèn)為煤層注水具有防治沖擊地壓的作用；楊磊[9]等認(rèn)為煤層注水是綜采工作面防塵、預(yù)防煤壁片幫的有效措施之一；彭亞[10]等基于煤體物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化注水參數(shù)，提高了防塵效果；謝建林[11]等對(duì)煤層注水的效果及對(duì)綜采工作面粉塵濃度和粒徑分布的影響進(jìn)行了研究；孫亮[12]對(duì)煤層注水降低礦井工作面礦塵濃度進(jìn)行了論證；徐恒恒[13]對(duì)新橋礦業(yè)2502采煤工作面進(jìn)行煤層注水實(shí)驗(yàn)，對(duì)采煤工作面的濕潤范圍與注水的壓力大小進(jìn)行了研究。這些研究成果豐富了煤層注水技術(shù)理論，具有很好的現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)作用，但是對(duì)在三軟不穩(wěn)定厚煤層條件下利用煤層注水技術(shù)研究降塵、卸壓和防片幫綜合效果還不多。

根據(jù)振興二礦的煤層地質(zhì)條件，積極探索適合該礦的煤層注水技術(shù)，綜合治理該礦工作面粉塵較大、支承壓力大、煤壁片幫嚴(yán)重的問題，具有重要的安全意義和社會(huì)價(jià)值。

1 煤層地質(zhì)條件

振興二礦可采煤層為山西組的二1煤層，顏色大體為暗黑，色澤較暗，硬度小。由于斷層對(duì)此處的影響，二1煤層底部不平坦，高低起伏，整體上煤層呈現(xiàn)為西厚東薄的態(tài)勢(shì)，質(zhì)地松軟，手能碾碎。試驗(yàn)工作面大體上構(gòu)造為單斜態(tài)勢(shì)，煤硬度較小，松散不易結(jié)塊。工作面走向長(zhǎng)780m，傾向長(zhǎng)110m，面積約85800m2。

2 注水工藝方法及參數(shù)

2.1 煤層注水方式及其選擇

根據(jù)振興二礦煤層的可注水性結(jié)論可知，該礦綜采面可以進(jìn)行注水。煤層注水有多種方式，大致可分為長(zhǎng)孔注水、短孔注水、深孔注水和巷道鉆孔注水4種類型[14]，且不同煤層宜選用合理的注水方式。在查閱相關(guān)注水資料和綜合考慮該煤層的實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，本煤層應(yīng)用深孔高壓注水。

2.2 注水工藝方法的確定

2.2.1 煤層注水鉆孔位置的確定

參考振興二礦工作面巷道的斷面大小、煤體自然滲透率等情況，一般鉆孔位置不超過該工作面煤厚的3/5,具體鉆孔位置與底板的關(guān)系可參考表1。

表1 不同厚度煤層注水孔主體位置距底板高度

根據(jù)表中的標(biāo)準(zhǔn)可得，注水孔主體位置距底板高度為4.57×0.6=2.742(m)，取2.8m。

2.2.2 鉆孔直徑

煤的堅(jiān)固性系數(shù)、煤體裂隙、注入水的多少等條件是影響鉆孔直徑的因素。根據(jù)該礦工作面煤層硬度較小、手捏即碎等特征，選擇50mm孔徑較合適。

2.2.3 鉆孔長(zhǎng)度

考慮該工作面的實(shí)際情況采用單向偽傾斜下向孔，鉆孔長(zhǎng)度計(jì)算公式為:

L=Lg-M

(1)

試驗(yàn)工作面長(zhǎng)度為110m，故鉆孔長(zhǎng)度為80m。

2.2.4 鉆孔間距

在實(shí)際煤層注水應(yīng)用中，一般通過實(shí)踐來確定鉆孔間距。我國煤層注水采用的鉆孔間距多為10～25m，綜合考慮布置鉆孔間距為15m。

2.2.5 鉆孔角度

為了防止工作面煤壁片幫，一般取注水孔的水平傾角為60°～70°[14]。根據(jù)實(shí)際情況，取70°。鉆孔角度大約為13°，使鉆孔一直保持在煤層內(nèi)，避免鉆穿底板。

煤層注水鉆孔布置平面見圖1。

圖1 煤層注水鉆孔布置平面

2.2.6 封孔方式及深度

封孔是否合理直接影響綜采面注水的效果，在參考水泥砂漿封孔的條件下，選用水泥水玻璃進(jìn)行封孔。國內(nèi)外通常是根據(jù)實(shí)驗(yàn)或者實(shí)地檢測(cè)來確定合理的封孔深度，設(shè)計(jì)封孔深度10m。

2.3 注水參數(shù)

2.3.1 注水壓力

考慮到綜采面埋藏深度較大，且煤的硬度較小，根據(jù)相關(guān)的統(tǒng)計(jì)資料整理出一個(gè)注水壓力與開采深度的關(guān)系式：

P0=156-78/(0.0001H+0.5)=9.6(MPa)

(2)

式中，P0為煤層注水的最小壓力，MPa；H為開采深度，m。

計(jì)算出的注水壓力最小為9.6MPa，考慮到工作面的實(shí)際情況，故將注水壓力設(shè)為5～20MPa。

2.3.2 噸煤注水量

噸煤注水量的取值與多個(gè)因素相關(guān)，包括煤的自然透水率、煤的軟硬程度、降塵和卸壓效果等。通常，厚煤層q=0.025～0.04m3/t、中厚煤層取q=0.015～0.03m3/t。根據(jù)煤層的實(shí)際情況，取噸煤注水量q=0.02～0.025m3/t。

(1)單孔注量

Q上限=LgBMρq=120×15×4.57×1.48×0.025=304.4(m3)

(3)

Q下限=LgBMρq=120×15×4.57×1.48×0.02=243.5(m3)

(4)

式中，Q為1個(gè)鉆孔的注水量，m3；Lg為工作面長(zhǎng)，m；B為鉆孔間距，m；M為煤層厚度，m；ρ為煤的密度，t/m3；q為噸煤注水量，m3/t。

(2)每米鉆孔有效流量

參考振興二礦其他工作面的每米鉆孔有效流量以及結(jié)合試驗(yàn)工作面的具體情況，該工作面每米鉆孔有效流量定為40～50L/h。

(3)注水時(shí)間

T上限=Q/V=Q/LU=304.4/(80×0.05)=36(h)

(5)

T下限=Q/V=Q/LU=243.5/(80×0.07)=15(h)

(6)

式中，T為注水時(shí)間，h；Q為鉆孔注水量，m3；U為每米鉆孔有效流量，(m3/(m·h-1))；L為鉆孔長(zhǎng)度，m；V為鉆孔流量，m3/h。

3 注水效果綜合分析

3.1 煤層注水降塵效果

3.1.1 測(cè)塵位置選取

采樣的一般選擇規(guī)則如下：樣點(diǎn)一般設(shè)在井下作業(yè)人員易接觸且較典型的地方；采樣點(diǎn)位置，通常設(shè)在井下工人工作區(qū)域，該區(qū)域要大體滿足礦塵沉積在巷道或者懸浮在空中都比較均勻的條件；移動(dòng)式產(chǎn)塵點(diǎn)的測(cè)塵區(qū)域選擇，通常將采樣器放在移動(dòng)設(shè)備上或置于工作面上具有代表性的地點(diǎn)。采樣點(diǎn)示意見圖2。

圖2 采樣點(diǎn)示意

3.1.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

在井下選取6個(gè)采樣點(diǎn)來評(píng)價(jià)煤層注水的降塵效果，檢測(cè)各個(gè)采樣點(diǎn)注水前后的粉塵量，然后計(jì)算其降塵率大小。測(cè)定結(jié)果見表2。

表2 注水前后粉塵濃度測(cè)定平均結(jié)果及降塵率

根據(jù)表2得出，煤層長(zhǎng)孔注水能有效降低工作面產(chǎn)生的粉塵，有一定的降塵效果。6個(gè)測(cè)點(diǎn)的降塵率在67.2%～71.6%之間，平均降塵率是69.2%。

3.2煤層注水卸壓效果

在工作面選取6個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別測(cè)量注水前后應(yīng)力大小，從而可知該工作面實(shí)施注水后對(duì)煤體卸壓的效果大小。測(cè)定結(jié)果見表3，并得到注水前后采面前方支承壓力分布情況變化折線圖3。

表3 注水前后測(cè)定結(jié)果

圖3 注水前后支承壓力分布情況變化

由圖3可知，煤層注水前壓力峰值是38MPa，注水后壓力峰值是25MPa。由此可知，通過對(duì)該工作面進(jìn)行煤層注水可以起到一定的卸壓效果。注水后，工作面煤壁片幫問題得到一定程度的改善。

4 結(jié) 論

通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施煤層注水技術(shù)措施，并分析了注水后降塵率及煤體卸壓等方面的效果，為解決三軟不穩(wěn)定厚煤層綜采工作面煤塵高、支承壓力大的問題提供經(jīng)驗(yàn)。

(1)具體分析了試驗(yàn)工作地質(zhì)條件，合理確定了注水工藝和參數(shù)。

(2)通過對(duì)綜采工作面實(shí)施煤層注水后，很好地解決了工作面煤塵過大的問題，6個(gè)測(cè)點(diǎn)的降塵率在67.2%～71.6%之間，平均降塵率是69.2%。

(3)通過支承壓力測(cè)定，煤層注水后煤體的物理性質(zhì)發(fā)生顯著改變，注水前煤體壓力峰值為38MPa，注水后為25MPa，煤體卸壓達(dá)到34.2%，工作面煤壁片幫現(xiàn)象得到較好的改善。