淺談煤層注水工藝在易自燃煤層的實(shí)踐

常小軍

（1.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024；2.大同煤礦集團(tuán)同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司，山西 大同 037000）

8101綜放工作面主采煤層為3#～5#煤層，屬特厚煤層，平均厚度13.67 m，采高3.9 m，平均放煤高度9.77 m。工作面走向長(zhǎng)度1638 m，傾斜長(zhǎng)為199.5 m，煤層傾角大約5°，工作面通風(fēng)方式為“一進(jìn)兩出”的布置，進(jìn)、回風(fēng)兩順槽均沿煤層底板布置，沿頂巷沿煤層頂板布置與回風(fēng)順槽內(nèi)錯(cuò)30 m。煤層易氧化自燃，煤層自然發(fā)火期較短，最短39 d，工作面內(nèi)絕對(duì)瓦斯涌出量8～12 m3/min。3#～5#煤層屬低硫低磷中灰分煤，發(fā)熱量中等，易粘結(jié)，結(jié)焦性弱-中等，焦油產(chǎn)率高，屬于富油煤。

由于工作面內(nèi)CO經(jīng)常出現(xiàn)超限現(xiàn)象，給煤炭安全生產(chǎn)帶來(lái)了一定的影響。因此，分析CO超限原因，并采取相應(yīng)措施防治CO超限具有重要的意義。煤層注水技術(shù)對(duì)煤礦井下作業(yè)環(huán)境的改善和災(zāi)害防治都起到重要的作用。

1 8101工作面CO超限原因分析

8101綜放工作面為防治工作面瓦斯選擇頂回風(fēng)巷處抽排瓦斯，為提高抽排效率工作面配風(fēng)量達(dá)1100 m3/min，導(dǎo)致采空區(qū)氧化帶寬度超過(guò)100 m。由于進(jìn)、回順槽巷道斷面大導(dǎo)致巷道受壓，巷道頂板松動(dòng)圈發(fā)育，松動(dòng)圈處回采過(guò)程頂板浮煤易氧化，同時(shí)因?yàn)椴煽諈^(qū)漏風(fēng)情況嚴(yán)重，容易發(fā)生二次氧化發(fā)熱。同樣由于受到礦壓影響，頂回風(fēng)巷和回風(fēng)順槽貫通后的斜巷煤體出現(xiàn)嚴(yán)重破碎，碎煤易氧化，并且在頂回風(fēng)巷發(fā)現(xiàn)輕微煙霧，判斷可能出現(xiàn)高溫?zé)狳c(diǎn)。由于工作面尾部區(qū)域出現(xiàn)硅化煤，該類(lèi)煤質(zhì)易氧化發(fā)熱，而且開(kāi)采過(guò)程中發(fā)現(xiàn)工作面切眼有嚴(yán)重漏風(fēng)，考慮到同煤集團(tuán)塔山礦8206工作面在類(lèi)似區(qū)域發(fā)生過(guò)在掘進(jìn)過(guò)程出現(xiàn)高溫氧化熱點(diǎn)。又根據(jù)對(duì)所采煤樣的分析，工作面所采煤質(zhì)的樣品的最短發(fā)火期為39 d，易發(fā)生煤層自燃。這些因素都是煤層中出現(xiàn)多處煤體氧化導(dǎo)致工作面內(nèi)空氣中CO濃度上升的原因。

2 煤層自燃防治技術(shù)方案分析

2.1 煤層注水防治自燃的原理

煤層注水會(huì)增加煤體含水量，能有效降低自然發(fā)火幾率。這是由于煤層注水一方面能降低煤層氧化自燃的溫度；另一方面煤體水分增加，改變煤體的導(dǎo)熱系數(shù)和熱容量，增加煤體升溫所需要的熱量，降低煤的氧化發(fā)熱作用。

高壓水流會(huì)松動(dòng)煤體結(jié)構(gòu)，使煤體中應(yīng)力分布狀態(tài)改變，高壓水流增加煤體裂隙，煤的力學(xué)性能、滲透性能和應(yīng)力分布狀態(tài)的改變，導(dǎo)致煤層的吸附式瓦斯呈游離狀態(tài)后沿煤體裂隙 （原生裂隙和壓裂裂隙）提前釋放，從而降低工作面回采過(guò)程中瓦斯涌出。

浸潤(rùn)后的煤體斷裂形式改變，從脆性斷裂改為塑性斷裂，力學(xué)性能的改變，會(huì)減少開(kāi)采過(guò)程中煤塵的產(chǎn)生量。另一方面水分導(dǎo)致煤塵顆粒自重增加，同時(shí)互相粘結(jié)，阻止煤塵揚(yáng)起。

2.2 煤層注水參數(shù)研究

（1） 注水設(shè)備

8101綜放工作面超前注水措施采用ZYG l00/150型鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔施工，配合Φ75 mm鉆頭與配套鉆桿，選用工作壓力15 MPa的5D-2/150型注水泵。該泵電機(jī)功率為13 kW，電機(jī)質(zhì)量320 kg，注水泵運(yùn)行時(shí)額定流量2 m3/h。

（2） 鉆孔布置

由于煤層厚度較厚和礦壓影響，8101工作面尾部區(qū)域煤層頂板處存在破碎的易氧化的硅化煤。為了提高煤層注水工作對(duì)煤體濕潤(rùn)效果，鉆孔角度選擇沿走向傾斜5°，根據(jù)以往注水效果，濕潤(rùn)半徑介于15～20 m。鉆孔布置為高低鉆孔配合，進(jìn)行雙層注水，提高煤層注水濕潤(rùn)效果。鉆孔長(zhǎng)度為150 m，每隔25 m打一個(gè)孔。

（3）注水量及注水時(shí)間

煤體注水分為靜壓階段和動(dòng)壓階段，兩者明顯區(qū)別在于靜壓階段煤層注水工作需要使用高于上覆巖層的壓力對(duì)煤體產(chǎn)生破壞或松動(dòng)，在煤體間擴(kuò)大節(jié)理裂隙和加大層理的寬度，并且產(chǎn)生新的裂隙以促使水流獲得新的通道。同時(shí)將煤體間吸附狀態(tài)的瓦斯釋放至游離狀態(tài)；動(dòng)壓階段水壓致使進(jìn)入煤體的水分以毛細(xì)現(xiàn)象以滲透的形式濕潤(rùn)軟化周?chē)拿后w，使水分均勻擴(kuò)散四周。

① 注水量

a、靜壓注水

注水期間靜壓階段主要是水壓對(duì)煤體的破壞，進(jìn)入煤體水量較少可不計(jì)，動(dòng)壓階段單孔注水量為0.3～2 m3/h。

式中：R為以經(jīng)驗(yàn)潤(rùn)濕半徑7.5 m計(jì)算；h為煤層厚度，14 m；L為 鉆 孔 深 度150 m；γ為 煤 的 容 重1.43 t/m3；K為備用系數(shù)，取1.3；2.44%為注水后水分增加按2.44%計(jì)算。

所以單孔注水量最少為714 m3左右。② 注水壓力根據(jù)理論可得

式中：Pr為煤層絕對(duì)瓦斯壓力，MPa(取0.32 MPa)；Pc為上覆巖層的靜水壓，MPa，H為煤層的埋藏深度，m；γ為巖層容重，t/m3；煤體達(dá)到濕潤(rùn)狀態(tài)下的最大注水壓力為Ps，MPa。

根據(jù)計(jì)算得出注水壓力范圍約為0.48～6.51 MPa，不過(guò)根據(jù)以往實(shí)踐，將動(dòng)壓注水壓力選為7～9 MPa。

根據(jù)注水量確定注水時(shí)間

式中：dr為單孔動(dòng)壓注水流量，0.3～2 m2/h。

至少需要357 h完成煤層注水工作，即大約15 d左右。通常情況下，煤層中水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于5%時(shí)被認(rèn)為被充分濕潤(rùn)軟化。但從表象來(lái)看，濕潤(rùn)軟化階段通常被認(rèn)為參考區(qū)域的煤壁表面會(huì)開(kāi)始滲出水珠，又被稱(chēng)為煤壁“掛汗”現(xiàn)象，此可以停止注水。

3 注水防治效果

1）8101工作面采用煤層超強(qiáng)注水措施后，煤層中煤體含水量增加，水分的增加會(huì)降低煤體溫度，同時(shí)增加煤體的導(dǎo)熱系數(shù)和熱容量，阻止煤層的自然發(fā)火。

2）高壓注水措施致使煤層中煤體松動(dòng)并產(chǎn)生細(xì)小裂隙，鉆孔及靜壓注水過(guò)程導(dǎo)致煤層中瓦斯提前卸壓排除，該時(shí)間內(nèi)被影響區(qū)域瓦斯涌出呈上升趨勢(shì)。工作面煤壁“掛汗”階段，煤層瓦斯涌出量明顯降低，濃度變化減小呈平穩(wěn)狀態(tài)，同時(shí)煤體透氣性能減弱，有效控制了瓦斯超限現(xiàn)象。

3）由于煤層注水導(dǎo)致煤體的破壞形式方法改變，由脆性破壞改為塑性破壞，同時(shí)大量水分浸潤(rùn)和粘結(jié)煤塵，采煤過(guò)程中空氣中全塵濃度有效降低。

4 結(jié)語(yǔ)

1）本文通過(guò)對(duì)煤層注水技術(shù)的研究，合理布置了注水孔位置，并選擇了注水參數(shù)，有效控制了煤層自燃，同時(shí)為區(qū)域性井下作業(yè)環(huán)境改善起到良好的作用。

2）煤層注水技術(shù)作為一種主動(dòng)、預(yù)防性治理手段，相較于瓦斯抽放、噴霧、注漿等治理手段，費(fèi)用較低，工程施工小，同時(shí)又能起到良好的治理效果，能夠安全、高效、經(jīng)濟(jì)的控制煤層自燃、瓦斯突出和煤塵超限等多種礦井災(zāi)害事故發(fā)生。