“三軟”煤層首采綜放工作面煤層深孔高壓注水技術(shù)研究與應(yīng)用

文/雷丁軻

綜采工作面放頂煤開采技術(shù)在鄭煤集團(tuán)裴溝礦得到成熟應(yīng)用，目前31采區(qū)作為新采區(qū)，首采面31071工作面繼續(xù)推廣放頂煤開采。該工作面屬于三軟煤層，回采過程中出現(xiàn)煤層含水量過低，粉塵量過大，不但影響煤墻支護(hù)，瓦斯管理，更重要的是影響職工身體健康。經(jīng)過討論研究，采用煤層深孔高壓注水技術(shù)，不但有效降低了工作面粉塵量，增加了煤層的含水量，改善了作業(yè)環(huán)境，而且加強(qiáng)了煤墻支護(hù)，為綜放工作面安全高效發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

一、工作面概況

31071綜放工作面作為31采區(qū)首采工作面，煤層為二1煤，地面標(biāo)高+180～+202m，工作面標(biāo)高-170～-59m，走向長(zhǎng) 1086m，傾斜長(zhǎng) 130m，采用走向長(zhǎng)壁后退式放頂煤一次采全高回采工藝，自然跨落法管理頂板。

為降低工作面粉塵量，在工作面上下副巷安設(shè)凈化水幕，采煤機(jī)安裝內(nèi)外噴霧，綜放支架安裝移架放煤噴霧裝置，裝載點(diǎn)安裝噴霧裝置等措施，但回采期間，工作面及回風(fēng)巷粉塵濃度依然超標(biāo)，既危害職工身體健康，也給礦井安全生產(chǎn)帶來隱患。因此，為降低粉塵，改善職工作業(yè)環(huán)境，在31071綜放工作面進(jìn)行煤層深孔高壓注水技術(shù)的試驗(yàn)工作。

二、“三軟”煤層注水特性

31采區(qū)首采工作面煤層二1煤，屬于三軟不穩(wěn)定煤層，該煤層屬于裂隙、孔隙發(fā)育煤層，孔隙體積平均為48.82mm3/g，屬于較高水平，但過渡孔占優(yōu)，滲透較難，屬難注水煤層，該煤層原生裂隙發(fā)育中等，但是一旦應(yīng)力狀態(tài)改變，次生裂隙極度發(fā)育，煤體呈松軟易碎的特點(diǎn)，該煤層接觸角為57.8°，屬于難濕潤(rùn)煤層。

三、煤層高壓注水參數(shù)確定

1.鉆孔布置

沿綜采工作面上、下副巷巷道方向，由里向外根據(jù)煤層傾角布置鉆孔，依據(jù)兩相向注水孔的端距選擇2倍于滲透半徑的距離為宜，根據(jù)觀測(cè)得出注水濕潤(rùn)半徑為10～13m，按濕潤(rùn)半徑10m考慮，兩孔終端距為20m，31071綜放工作面切巷長(zhǎng)度130m，結(jié)合鉆機(jī)型號(hào)，設(shè)計(jì)鉆孔參數(shù)為：注水孔間距為20m，深度60m，角度沿煤層傾角打鉆。

2.注水壓力及注水量

煤層注水的過程分為兩個(gè)作用期，初期以壓裂煤層為主，后期以濕潤(rùn)軟化為主，為確保煤層注水效果，達(dá)到擠壓煤層瓦斯的目的，注水壓力控制在8～13Mpa.

每個(gè)注水孔采用反復(fù)注水的方法，每次注水以煤壁淋水為標(biāo)準(zhǔn)，間隔4～8個(gè)小時(shí)候再注水，最終以注水時(shí)間不足10分鐘煤壁淋水為最終結(jié)束注水標(biāo)準(zhǔn)。

四、設(shè)備、材料及相關(guān)施工工藝

1.鉆機(jī)設(shè)備及施工工藝

鉆孔采用ZY-750鉆機(jī)施工，距巷道底板1.0～1.5m，采用單排孔布置，孔間距20m。鉆孔開始用Φ89mm鉆頭開孔施工15～20m后，更換Φ75mm鉆頭繼續(xù)施工。鉆孔傾角與煤層傾角一致，保證終孔位置在支架頂梁上1m左右。

2.煤壁注漿加固設(shè)備及施工工藝

為增強(qiáng)煤壁抗壓能力，延長(zhǎng)注水時(shí)間，鉆孔施工前，利用ZBQ-6/2.5型氣動(dòng)鉆機(jī)在鉆孔施工點(diǎn)前后6m范圍內(nèi)，進(jìn)行煤壁注漿工作，注漿孔深度10m，使用1寸鋼管封孔不小于5m，全部用聚氨脂材料封堵，將速凝水泥與水按 1∶3的比例往孔內(nèi)高壓注漿，注漿以煤壁跑漿為標(biāo)準(zhǔn)。注漿孔間距為0.6～1.2m，排距為 0.8～1.0m。

3.封孔工藝

注水孔封孔使用Φ51mm高壓膠管，注漿、排漿使用13.3mm的膠管，封孔長(zhǎng)度不小于10m。高壓膠管封堵段采用聚氨脂封孔材料進(jìn)行封孔，鉆孔兩道聚氨脂封孔之間使用ZBQ-6/2.5型氣動(dòng)注漿泵，將速凝水泥與水按1∶3的比例進(jìn)行注漿封堵其段距離。

4.注水設(shè)備及注水工藝

31071工作面選用MRB125/31.5型專用注水泵，采用上下副巷同時(shí)注水，管路由下副巷鋪設(shè)一趟Ф35mm的專用注水管路，途經(jīng)工作面支架至上副巷注水地點(diǎn)，利用截止閥及兩通與封孔膠管連接進(jìn)行注水。采用單孔順序反復(fù)注水，超前工作面切巷40～60m，使煤層有充分時(shí)間進(jìn)行銹結(jié)。

注水開始將泵站壓力調(diào)整至8Mpa進(jìn)行試壓，觀察流量表或泵站水箱水位，若流量較小，煤壁無異常，則將壓力上調(diào)至10Mpa，依此遞增。待壓力調(diào)整至12～15Mpa，注水孔內(nèi)會(huì)出現(xiàn)煤炮聲，流量會(huì)突然升高，泵站壓力出現(xiàn)短時(shí)間為變動(dòng)，持續(xù)注水1～2小時(shí)后，泵站壓力會(huì)逐漸變大。待泵站壓力穩(wěn)定后，觀察煤壁，若出現(xiàn)滲水，然后停止注水。注水孔停止注水4～8小時(shí)后，繼續(xù)注水，待煤壁出現(xiàn)滲水后再停止注水，依此方法，反復(fù)進(jìn)行注水。待注水孔注水10分鐘后出現(xiàn)淋水現(xiàn)象后，作為單孔注水結(jié)束的標(biāo)準(zhǔn)。若注水期間，煤壁抗壓效果不好，注水時(shí)間過短，應(yīng)采取補(bǔ)注水孔措施。

五、效果分析

通過在31071工作面深孔高壓注水為期5個(gè)月試驗(yàn)分析，得到以下結(jié)論：

（1）采取深孔高壓注水后，在采煤機(jī)割煤之后，煤墻很少出現(xiàn)片幫冒頂現(xiàn)象，為工作面及時(shí)拉架節(jié)省了大量時(shí)間，同時(shí)創(chuàng)造了良好條件，由于無需特別投入人工閉幫，大大降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

（2）通過深孔高壓注水，使高壓水流滲透到煤體中，擴(kuò)張煤體的節(jié)理，破壞煤層的結(jié)構(gòu)，使煤層吸水后開始膨脹，增加煤層的孔隙率，通過高壓水流的作用排擠出煤層中游離的瓦斯，降低煤體的瓦斯含量。

（3）降塵效果數(shù)據(jù)如下：

31071綜放工作面塵源位置總粉塵濃度測(cè)定結(jié)果

六、結(jié)論

通過對(duì)煤體進(jìn)行深孔高壓注水，可以有效破壞煤體的整體性，軟化煤體，增加煤體的孔隙率和透氣性，使具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)煤層的瓦斯壓力和濃度得到有效降低，達(dá)到防止煤與瓦斯突出的目的。通過對(duì)煤體深孔高壓注水，可以有效防止工作面回采過程中煤墻片幫和冒頂，粉塵產(chǎn)生率比注水前減少了53%，顯著改善了工人勞動(dòng)環(huán)境，提高了綜放工作面正規(guī)循環(huán)作業(yè)率，實(shí)現(xiàn)了工作面的穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。