淺析“煤層注水”技術(shù)防治自然災(zāi)害

李建榮，于路偉，田玉杰

（河北省地礦局第十一地質(zhì)大隊(duì)，河北邢臺(tái)054000）

淺析“煤層注水”技術(shù)防治自然災(zāi)害

李建榮*，于路偉，田玉杰

（河北省地礦局第十一地質(zhì)大隊(duì)，河北邢臺(tái)054000）

隨著煤礦礦井機(jī)械化程度的日益提高，開(kāi)采強(qiáng)度的不斷加大，煤炭自燃礦井火災(zāi)、瓦斯突出、粉塵、沖擊地壓等自然災(zāi)害對(duì)安全生產(chǎn)的威脅越發(fā)凸顯出來(lái)，時(shí)刻威脅著煤礦工人的生命安全。與此同時(shí)，放頂煤開(kāi)采中，頂煤的可放性也成為影響產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。“煤層注水”技術(shù)是目前較為經(jīng)濟(jì)、應(yīng)用廣泛的防治礦井自然災(zāi)害的有效途徑之一。

煤層注（漿）水；煤炭自燃和礦井火災(zāi)；瓦斯突出和沖擊地壓與頂煤的可放性；粉塵

我國(guó)煤礦井工生產(chǎn)隨著礦井機(jī)械化程度的提高，開(kāi)采強(qiáng)度的加大，受到各種自然災(zāi)害（如煤炭自燃、礦井火災(zāi)、瓦斯突出、粉塵、沖擊地壓）的威脅越來(lái)越大，放頂煤開(kāi)采中的頂煤的可放性也成為影響產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。“煤層注水”技術(shù)是目前較為經(jīng)濟(jì)、應(yīng)用廣泛的防治礦井自然災(zāi)害的有效途徑之一。

1　防治煤炭自燃、礦井火災(zāi)中的煤層注漿

1.1分類(lèi)

在防治煤炭自燃、礦井火災(zāi)中的煤層注（漿）水可分為預(yù)防性灌漿、注漿滅火2種。

1.2實(shí)質(zhì)與機(jī)理

（1）預(yù)防性灌漿就是將水、漿材（如黃土、石灰等）按適當(dāng)比例混合配制而成的具有一定濃度的漿液，借助輸送管道線路送到可能發(fā)生自燃的煤層區(qū)域，以防止煤炭自燃的工藝。

（2）注漿滅火是與預(yù)防性灌漿一樣，一般采用不燃性的材料（如黃土、頁(yè)巖粉、細(xì)河沙、爐灰、石灰等），通過(guò)地面打鉆或消火巷道，對(duì)隔絕滅火的火區(qū)（仍有裂縫、空洞與地面相通的采空區(qū)或人員不能直接到達(dá)的地點(diǎn)）實(shí)施滅火的一種綜合滅火法。

1.3主要作用

通過(guò)煤層注水系統(tǒng)輸送的漿液將殘存的碎粉煤與空氣隔絕，阻止煤炭繼續(xù)氧化；充填采空區(qū)的裂隙、孔洞，增加了密實(shí)性、減少漏風(fēng)現(xiàn)象；吸熱，使已燃燒的煤炭降溫而熄滅，降低工作面的溫度，改善作業(yè)環(huán)境；能使煤炭和巖石濕潤(rùn)，減少煤塵飛揚(yáng)而助燃、爆炸，限制災(zāi)害的進(jìn)一步擴(kuò)大等。

2　防治瓦斯突出、防治沖擊地壓、綜采放頂煤中的煤層注（漿）水

2.1防治瓦斯突出

2.1.1實(shí)質(zhì)與機(jī)理

瓦斯突出是地壓、瓦斯、煤的力學(xué)性質(zhì)和重力綜合作用的結(jié)果，在回采和掘進(jìn)工作面的前方煤體內(nèi)形成“極限應(yīng)力狀態(tài)區(qū)”，在該區(qū)內(nèi)煤層的完整性遭到破壞，但是與圍巖還保持著力學(xué)聯(lián)系。

煤層注水防治瓦斯突出，是在回采前預(yù)先在煤層中打若干鉆孔，通過(guò)垂直于或平行于工作面的鉆孔注入壓力水，使其滲入煤體中，從而達(dá)到增加煤的水分和塵粒間的粘著力，并降低煤的強(qiáng)度，減少采煤時(shí)煤塵的生成量的作用，同時(shí)將煤體中的原生細(xì)塵粘結(jié)為較大的塵粒，使之失去飛揚(yáng)的能力的一種綜合濕式防塵措施，是采煤工作面最重要的防塵措施。而煤層的濕潤(rùn)過(guò)程實(shí)質(zhì)上是水在煤層裂隙和孔隙中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程（壓差所造成的運(yùn)動(dòng)和自由運(yùn)動(dòng)）。且煤層注水破壞了煤體內(nèi)原有的煤—瓦斯體系的平衡，形成了煤—瓦斯—水三相體系。

2.1.2主要作用

注水后的煤層在回采及整個(gè)生產(chǎn)流程中都具有連續(xù)的防塵作用。采煤工作面產(chǎn)量占全礦井煤炭產(chǎn)量的90%，因此，煤層注水對(duì)減少煤塵的產(chǎn)生、防止煤塵爆炸有極其重要的意義；煤的強(qiáng)度增加可以改變其切割指數(shù)，降低煤塵。煤層的穩(wěn)定性由煤層內(nèi)部向外部逐漸下降，透氣性則逐漸增加，改變巷道軸向的瓦斯梯度，此時(shí)的煤壁處在突出的臨界狀態(tài)，達(dá)到防治瓦斯突出的作用。

2.2防治沖擊礦壓和放頂煤

2.2.1實(shí)質(zhì)及機(jī)理

自然界中的各種巖石，在漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代中，經(jīng)過(guò)各種地質(zhì)運(yùn)動(dòng)，三向應(yīng)力狀態(tài)保持著不斷破壞和恢復(fù)的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。不論是松散的第四系沉積物，還是堅(jiān)硬密實(shí)的基巖，都存在著原生的次生空隙。地下空隙可成為容納、儲(chǔ)存地下水和外部水的場(chǎng)所和運(yùn)移的通道?？障对桨l(fā)育，儲(chǔ)存能力越大，水流運(yùn)動(dòng)越暢通，且在飽水帶內(nèi)，能傳遞靜水壓力連續(xù)流動(dòng)。經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)研究表明，煤系地層巖石的單軸抗壓強(qiáng)度隨著其含水量的增加而降低，其符合下面的關(guān)系式：

Rc=aW0b+c

式中：W0——強(qiáng)度最大時(shí)的含水量；

a、b、c——系數(shù)。

并且，隨煤的溫度的增加，煤的強(qiáng)度與沖擊傾向指數(shù)Wet降低，在一般情況下煤的沖擊傾向指數(shù)與煤的溫度增量（含水率）的關(guān)系符合：

Wet=Wetob△W

式中：Wet——注水后，煤層沖擊傾向性指數(shù)；

Weto——自然狀態(tài)下煤層沖擊傾向性指數(shù)；

ΔW——含水率。

煤層注水可以通過(guò)淺孔、中深孔或綜合鉆孔實(shí)施，將壓力水和水溶液注入煤體，以增加水分，能改變煤的物理力學(xué)性質(zhì)。水在煤層中的運(yùn)動(dòng)、注水壓力同毛細(xì)管力和重力綜合作用克服煤層裂隙面的阻力、孔隙通路的阻力和煤層的瓦斯壓力，可以進(jìn)一步破壞原巖的三向應(yīng)力平衡狀態(tài)，起到卸壓作用。

2.2.2主要作用

由于煤層注水壓力的介入，使巖體的三向應(yīng)力重新分布，減小了瓦斯梯度，增加頂板的空隙率和透水性，改善頂煤的冒放性，在防礦時(shí)的松動(dòng)橢球體短軸增大，減少了脊背煤的煤炭損失，對(duì)于防突和綜采放頂煤放頂有著重要意義。

3　煤層注水在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用

3.1煤層注水技術(shù)應(yīng)用歷史

在國(guó)外，煤層注水技術(shù)有很長(zhǎng)時(shí)間的歷史。最早見(jiàn)于前蘇聯(lián)，由于采煤方法的革新，為了解決采煤機(jī)械化粉塵很大的問(wèn)題，開(kāi)始向煤層灑水降塵，然后改向煤層注水，以增加煤的含水率、降低煤塵。二戰(zhàn)結(jié)束后，將煤層注水技術(shù)防塵方法列入了煤礦安全作業(yè)規(guī)程。

1890年，德國(guó)首次在薩爾煤田進(jìn)行煤層注水除塵技術(shù)實(shí)驗(yàn)，隨后逐步引起了世界各國(guó)的重視。20世紀(jì)50年代開(kāi)始，在全世界推廣應(yīng)用后，得到了迅速發(fā)展。1950年，波蘭開(kāi)始試用煤層注水，到1963年幾乎全部礦井75%的采煤工作面采用了煤層注水技術(shù)。1960年前后，英國(guó)、法國(guó)、前蘇聯(lián)、德國(guó)、美國(guó)和比利時(shí)等幾個(gè)世界主要產(chǎn)煤國(guó)家對(duì)煤層注水方法做了大量的試驗(yàn)研究，并將實(shí)驗(yàn)成果在礦井推廣應(yīng)用，降低粉塵濃度，有效的預(yù)防瓦斯突出、沖擊地壓等問(wèn)題。

根據(jù)日內(nèi)瓦國(guó)際防塵會(huì)議的記載，在條件適宜的煤層里，采用煤層注水技術(shù)，能將采煤工作面的含塵濃度比其他綜合防塵措施降低3～4倍，割煤生產(chǎn)率提高25%。

3.2煤層注水技術(shù)在國(guó)內(nèi)的典型應(yīng)用

我國(guó)煤炭開(kāi)采時(shí)間也比較早，但煤炭生產(chǎn)方式十分落后，開(kāi)采量小，粉塵產(chǎn)生量也較小，隨著煤炭科技的發(fā)展革新，各種礦井自然災(zāi)害逐步明顯。煤層注水技術(shù)防治自然災(zāi)害在我國(guó)的應(yīng)用，起始于20世紀(jì)50年代開(kāi)灤、大同礦務(wù)局，主要用于預(yù)先濕潤(rùn)煤層、降低粉塵濃度。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，“煤層注水”技術(shù)是目前較為經(jīng)濟(jì)、應(yīng)用廣泛的防治礦井自然災(zāi)害的有效途徑之一。其中，河南義馬煤業(yè)集團(tuán)常村礦是國(guó)內(nèi)應(yīng)用煤層注水技術(shù)防治煤礦礦井自然災(zāi)害最為廣泛、經(jīng)驗(yàn)最為豐富的礦山企業(yè)之一。

河南義馬煤業(yè)集團(tuán)常村礦以預(yù)防煤塵、瓦斯、沖擊地壓、自然發(fā)火等災(zāi)害為目的，加強(qiáng)煤層注水技術(shù)的推廣應(yīng)用，形成了專(zhuān)門(mén)的管理辦法，規(guī)定了煤層注水工作必須納入生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃，對(duì)所有采掘工作面全部按煤層注水區(qū)域進(jìn)行管理，通過(guò)對(duì)回采工作面與掘進(jìn)工作面煤層注水施工制定具體的詳細(xì)工作方案，不注水的工作面不準(zhǔn)生產(chǎn)，以流量表和水分鑒定儀考核檢驗(yàn)煤層注水效果，形成標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)化管理模式。據(jù)資料顯示：2009年，先后投入高壓注水泵3臺(tái)，鉆機(jī)4臺(tái)，煤層注水達(dá)8000余立方米，在采掘工作面全面推行“煤層注水”新技術(shù)。實(shí)施煤層注水后，沖擊地壓強(qiáng)度明顯減弱，沖擊頻率降低；采掘期間瓦斯涌出量明顯減少；有效地減少了煤塵的產(chǎn)生，可使主要塵源有效降塵30% 至80%多；降低溫度至25℃左右，延長(zhǎng)了煤體自燃發(fā)火期，改善勞動(dòng)條件；頂煤可放性增加10%以上，采煤工效增長(zhǎng)近40%。

4　結(jié)語(yǔ)

在礦井地質(zhì)、開(kāi)采技術(shù)水平等條件允許的情況下，通過(guò)鉆孔將壓力水和水溶液注入煤體，增加水分，以改變煤的物理力學(xué)性質(zhì)，實(shí)施正確的煤層注水技術(shù)，僅僅產(chǎn)塵量就比采用其他防塵方法時(shí)低300%～400%，而落煤效率可以提高25%左右。對(duì)于受沖擊地壓，煤與瓦斯突出和自燃發(fā)火、礦井火災(zāi)、粉塵、沖擊地壓等災(zāi)害影響礦井，以及采用綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采工藝、需解決頂煤的可放性的礦區(qū)，可根據(jù)本礦區(qū)具體情況使用煤層注水技術(shù)，以提高礦井的安全系數(shù)，取得更大的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］中國(guó)煤炭工業(yè)勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)技術(shù)學(xué)會(huì).礦井火災(zāi)防治技術(shù)［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2007.

［2］章至潔，韓寶平，張?jiān)氯A.水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2004.

［3］錢(qián)鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

［4］劉過(guò)兵，等.采礦新技術(shù)［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2008.

［5］楊勝?gòu)?qiáng).粉塵防治理論及技術(shù)［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2007.

［6］張國(guó)樞.通風(fēng)安全學(xué)［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2008.

［7］徐永圻.采礦學(xué)［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2006.

［8］李金龍.煤層注水技術(shù)中安全技術(shù)對(duì)策的研究［J］.山西煤炭，2009（3）.

TD82

A

1004-5716（2016）07-0152-03

2015-07-08

2015-08-04

李建榮（1969-），女（漢族），河北邢臺(tái)人，工程師，現(xiàn)從事礦產(chǎn)地質(zhì)勘查及研究找礦工作。