煤層注水對七臺河新興礦鉆孔瓦斯涌出初速度影響研究

吉丹妮，張 凱

(華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，北京東燕郊 101601)

煤層注水對七臺河新興礦鉆孔瓦斯涌出初速度影響研究

吉丹妮，張 凱

(華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，北京東燕郊 101601)

鉆孔瓦斯涌出初速度(q值)是預(yù)測煤與瓦斯突出的重要指標(biāo)之一，因此降低鉆孔瓦斯涌出初速度可以有效的解決瓦斯突出危險。通過對七臺河新興礦41061工作面進行深鉆孔注純水以及表面活性劑試驗，得出：煤層注水中添加表面活性劑能夠有效的抑制煤體中瓦斯的解吸速度，為解決新興礦井的瓦斯突出問題做出了貢獻。

瓦斯涌出初速度；突出；注水；表面活性劑

0 引言

在開采具有突出危險性的煤層時，必須對工作面前方煤體進行突出危險性預(yù)測，鉆孔瓦斯涌出初速度是工作面突出危險性預(yù)測的指標(biāo)之一[1，2]。因此可以通過降低鉆孔瓦斯涌出初速度來降低工作面的突出危險性，該方法對突出礦井的安全生產(chǎn)有著重要的意義[3，4]。

鉆孔瓦斯涌出初速度主要受到煤中瓦斯壓力、透氣性能，煤層孔隙結(jié)構(gòu)，煤層瓦斯含量，煤層含水率等因素的影響[1，4]。國內(nèi)外學(xué)者在降低鉆孔瓦斯涌出初速度方面進行了大量研究，但是大部分都集中在降低煤中瓦斯壓力，提高瓦斯抽采率，改進瓦斯抽采設(shè)備等方面。通過煤層注水或注表面活性劑來降低鉆孔瓦斯涌出初速度的研究很少，本文通過對煤層注水和未注水，注純水和注表面活性劑的現(xiàn)場試驗進行對比分析，得出水分對鉆孔瓦斯涌出初速度的影響，為現(xiàn)場防治煤與瓦斯突出工作提供理論支持[5～7]。

1 現(xiàn)場試驗

1.1 新興礦工作面情況

為考察煤層注水中添加表面活性劑的注水效果，在新興礦68煤層三水平左一片六井41061采煤工作面進行了注水試驗。采深為540 m至600 m之間(68層為該采區(qū)兩個可采煤層的上部層)，煤層頂板巖性描述：直接頂為細(xì)砂巖，較堅硬，厚度1.8～2.2 m通常情況隨采隨落。老頂為致密粉砂巖，堅硬，厚度為18～20 m，工作面煤層概況見表1。

表1 工作面煤層概況

1.2 新興礦采煤工作面深鉆孔注水參數(shù)

(1) 注水系統(tǒng)

新興礦采煤工作面深鉆孔注水采用高壓注水方式，其注水系統(tǒng)如圖1所示。地面注水→運送供水管→清水箱→清水泵→干管→支管→截止閥→多功能流量計→封孔器→鉆孔。

圖1 采煤工作面深鉆孔注水系統(tǒng)圖

(2) 注水孔位置

由于在采高范圍內(nèi)的煤體一般情況下不是一個均質(zhì)體，而是由若干不同煤巖類型的自然小分層組成，它們的裂隙率與孔隙率各不相同，煤層注水時注水孔孔口位置應(yīng)布置在較硬而致密的小分層里，這樣在注水時就不會過早的破壞孔口發(fā)生泄水。在保證這樣的情況下，兼顧人員打鉆施工的方便，對較薄煤層鉆孔布置應(yīng)在煤層厚度的中部偏上。新興礦41061綜采工作面煤層厚度為1.4 m，注水孔孔口位置選擇在離頂板0.6 m處。

(3) 注水孔長度

回采工作面水力壓擠的注水鉆孔的長度為：

Lh=(Lx+Lc)/cosα

(1)

式中：

Lx——回采工作面日循環(huán)進度，m；

Lc——超前注水有效深度，m；

α——鉆孔仰角，為打鉆孔及排鉆屑方便選用向上工作面前方的注水仰角為1°～2°。

新興礦41061綜采工作面Lx=8 m，Lc=1 m，則可計算出Lh=9 m。

(4) 注水孔間距

根據(jù)新興礦41061綜采工作面煤的特性以及測得的潤濕半徑3 m，同時考慮定孔位的方便，孔間距定為4.5 m。工作面傾斜長240 m，為防止工作面兩端煤壁片幫，工作面兩個端頭各留10 m不打孔注水，工作面注水孔的總數(shù)為56個，布孔方式采用單排眼布置。

(5) 注水時間和注水量

注水時間越長，注水量越大，煤體的潤濕效果越好。因此對于41061工作面經(jīng)多次考慮，實際注水時間為10～15 min，單孔注水量為0.4～1.5 m3，平均0.7 m3。

2 注水后鉆孔瓦斯涌出初速度效果考察

鉆孔瓦斯涌出初速度q值采用ZWC-2型鉆孔瓦斯涌出速度測定裝置，配合ZF-A22型號膠囊封孔器測定。

試驗選擇在未注水的工作面25#架處，測定時首先在迎頭前方煤壁上布置一個直徑是42 mm、長度6 m的水平煤孔作為注水孔，然后用注水泵以8.5 MPa的注水壓力對其進行注水[10]。因此本次試驗中注入注水孔的水為純水，采用普通的煤層注水方式，平均每米鉆孔瓦斯涌出初速度為3200 ml/min。在注水孔一側(cè)同一煤層層位，以相同的距離間隔打1個與注水孔孔徑及長度均

相同的對比孔和2個考察孔，孔號分別為對比孔、1#、2#，注入對比孔和考察孔中的水均含有復(fù)配的表面活性劑(AES+CaCl2)，考察孔用于測定注水孔沿煤層層理方向注水后瓦斯涌出初速度。在注水結(jié)束后，考察注入活性劑前后瓦斯涌出初速度的變化，其鉆孔布置如圖2所示[9]。

圖2 瓦斯涌出初速度測定鉆孔布置圖

對包括注水孔在內(nèi)的4個孔，均進行了每米鉆孔瓦斯涌出初速度的測定。測定結(jié)果如表2所示。根據(jù)表2繪制出瓦斯涌出初速度變化曲線，如圖3所示。

表2 注水前后鉆孔瓦斯涌出初速度

圖3 注入活性劑前后鉆孔瓦斯涌出初速度變化圖

根據(jù)表2和圖3的測定結(jié)果可以看出：

(1) 由于受煤壁前方卸壓的影響比較大，前3 m瓦斯涌出初速度普遍較小，3 m后，注水孔每米鉆孔瓦斯涌出初速度為2469～4418 ml/min，平均3431 ml/min；對比孔每米鉆孔瓦斯涌出初速度為1845～2214 ml/min，平均2387 ml/min，注含表面活性劑溶液比注純水降低了30.4%。鉆孔瓦斯涌出初速度明顯得到了改善。

(2) 當(dāng)鉆孔深度增加時，注水孔、對比孔、1#、2#鉆孔瓦斯的涌出初速度都開始逐漸變大，這是因為注水對封孔深度附近的煤體潤濕影響不大，并且這部分煤體被高壓水?dāng)D壓，導(dǎo)致煤體開始向外移動然后使煤體間的裂隙加大。

(3) 對比孔、1#、2#孔在3～7 m深處的瓦斯涌出初速度都比注水孔的瓦斯涌出初速度小，這是因為注含有表面活性劑的水比直接注純水更有助于潤濕該處的煤體，包裹煤體從而降低了該處的瓦斯涌出初速度。

3 煤層注水降低鉆孔瓦斯涌出初速度的機理

煤層在生成過程中，隨著埋藏深度的增加，在溫度和壓力的作用下，揮發(fā)性物質(zhì)、瓦斯還有水分等大量涌出，使煤中形成了很多有規(guī)律的微小孔隙和裂隙。這些孔隙和裂隙之間有許多連通通道，使煤體內(nèi)形成許多既互相連通又有獨立空間的空間體系。煤體內(nèi)的氣、水不僅可以以此為通道在煤體內(nèi)運移，并且氣、水也能夠在這個空間體系內(nèi)儲存。對煤層進行注水時，水會進入這些裂隙和孔隙，使吸附和解吸瓦斯的通道被封閉，不能再釋放瓦斯，導(dǎo)致瓦斯壓力不能再顯現(xiàn)，降低了瓦斯釋放時產(chǎn)生的能量，減小了煤體被瓦斯破碎的可能性；并且水封閉了瓦斯在細(xì)微孔隙中解吸流動的通路，孔隙的直徑越小，水越能牢固封閉瓦斯，能承受更大的瓦斯壓力。因此注水可以降低鉆孔瓦斯的涌出初速度[9]。

但是對比孔、1#、2#孔比注水孔瓦斯涌出初速度小，是因為注入表面活性劑后溶液的表面張力和與煤的接觸角都迅速變小，毛細(xì)管理增大，使煤樣的吸液能力明顯增強，加快了吸液速率，對煤的潤濕效果更好。而使用純水時由于毛細(xì)管力小，無法克服內(nèi)部阻力，所以水不能很好的深入孔隙中，水分增量不大。因此注含表面活性劑的水溶液對降低鉆孔瓦斯涌出初速度效果更好。

4 結(jié)論

(1) 對比試驗結(jié)果表明注表面活性劑溶液的效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于注純水的效果。通過注表面活性劑，溶液的表面張力和煤水接觸角都變小，大量含表面活性劑的水滲入到煤體的裂隙中，阻礙了煤體中瓦斯的解吸。

(2) 通過對七臺河新興礦的煤層注含表面活性劑的水溶液，增加了煤體的潤濕性，使測得的瓦斯涌出初速度有了明顯的降低。

(3) 煤層注水添加表面活性劑有效的抑制了煤體中瓦斯的解吸，降低了鉆孔瓦斯涌出初速度，對防治煤與瓦斯突出具有很好的指導(dǎo)作用。

[1] 尚賓.鉆孔瓦斯涌出初速度q變化規(guī)律研究[D].河南：河南理工大學(xué)，2011.

[2] 王克全，于不凡.鉆孔瓦斯涌出初速度影響因素分析[J].煤炭工程師，1989(2)：32-36.

[3] 魏風(fēng)清，張晉京.鉆孔瓦斯涌出初速度測試深度的探討[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2004，32(5)：61-64.

[4] 高建良，尚賓，張學(xué)博，等.導(dǎo)氣管阻力特性對鉆孔瓦斯涌出初速度的影響[J].煤炭學(xué)報，2011，36(11)：1869-1873.

[5] 劉海波，程遠(yuǎn)平，王海鋒，等.突出煤層卸壓前后鉆孔瓦斯涌出初速度的變化規(guī)律[J].采礦與安全工程學(xué)報，2009，26(2)：225-228.

[6] 肖知國，王兆豐.煤層注水防治煤與瓦斯突出機理的研究現(xiàn)狀與進展[J].中國安全科學(xué)學(xué)報，2009，19(10)：150-158.

[7] 尹志宏.低級無煙煤綜放工作面煤層注水基礎(chǔ)研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2006.

[8] 閆智婕.煤層注水中表面活性劑的選擇及其應(yīng)用研究[D].河北：河北聯(lián)合大學(xué)，2012.

Research on the Effect of Seam Water Injection on Initial Velocity of Gas Emission

JI Dan-ni，ZHANG Kai

(SchoolofSafetyEngineering，NorthChinaInstituteofScienceandTechnology，Yanjiao，101601，China)

Initial velocity of gas emission from borehole is one of the most important indexes for the coal and gas outburst prediction，so it can solve the risk of gas outburst effectively to reduce the initial rate of gas emission in drill hole. The results were applied to 41061 workface of Xinxing Mine in Qitaihe and the results showed that: it can inhibit the velocity of gas desorption to add surfactants into the seam water，which make a contribution to outburst of Xinxing mine.

gas inrush initial velocity；outburst；seam water injection；surfactant

2016-02-25

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費資助(3142015120，3142015134)

吉丹妮(1991-)，女，山西運城人，華北科技學(xué)院在讀碩士研究生，研究方向：礦井瓦斯防治。E-mail：1652994930@qq.com

TD713

A

1672-7169(2016)03-0016-04