特厚煤層注水技術(shù)及其在8103工作面的應(yīng)用

樊智林

（1、太原理工大學(xué)，山西 太原 030024；2、同煤集團(tuán) 四臺(tái)礦，山西 大同 037003）

煤層注水是煤礦生產(chǎn)中降低煤塵濃度的主要手段之一，這一技術(shù)既能有效控制煤塵粉塵，還可以預(yù)防瓦斯突出等意外情況。目前煤層注水所用的鉆機(jī)、封孔器等鉆孔設(shè)備和注水泵、恒流閥、輸送管路、壓力表等水壓設(shè)備都已經(jīng)基本發(fā)展成熟，也可以根據(jù)現(xiàn)場需要采用靜壓注水、動(dòng)壓注水等不同作用方式，對(duì)于煤塵粉塵防治起到很好的效果。但是對(duì)于特厚煤層，注水效果不太理想，作業(yè)難度較大。本文針對(duì)特厚煤層注水技術(shù)進(jìn)行研究，通過數(shù)值模擬的方法確定效果更好的注水方法與參數(shù)。

1 8103工作面概況

8103工作面所采煤層位于3#、5#煤層，并屬于特厚煤層，煤層厚度約為15.2～25.92 m，煤層多為半亮型、半暗型的低硫低揮發(fā)型原煤。工作面整體走向長達(dá)1895.5 m，工作面傾向長200 m，工作面內(nèi)布置有2103巷、5103巷、8103頂板抽放巷，并與3#、5#煤層頂?shù)装逑嘟?，其?013頂板抽放巷位于煤層頂板布置，而2103巷、5103巷的兩順槽則布置在煤層的底板，見圖1。

2 特厚煤層影響注水濕潤半徑影響因素分析

在現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，研究不同注水壓力條件、不同傾角、不同鉆孔布置方式、以及單、雙側(cè)部孔對(duì)特厚煤層濕潤半徑的影響規(guī)律。以此確定工作面實(shí)際注水作業(yè)中鉆孔布置方式、深度、間距、傾角、水壓以及水量等參數(shù)。

2.1 不同壓力條件下的濕潤半徑的分布

模擬均質(zhì)煤體中注入1～5 MPa壓力條件下水壓對(duì)煤體浸潤的狀況。匯總不同壓力條件下煤體的濕潤半徑見圖2。

圖2 不同注水壓力條件下的濕潤半徑

由圖2可知：煤體基質(zhì)的含水率會(huì)受到注入水壓的影響，并逐步較小，而濕潤半徑相反會(huì)逐步增加，濕潤半徑變化速率呈現(xiàn)非線性變化，水壓在1～3 MPa時(shí)濕潤半徑的變化速率逐步加快，3～5 MPa時(shí)開始降低。根據(jù)變化速率確定選擇的注水壓力適宜選取3 MPa。

2.2 不同傾角條件下的濕潤半徑的分布

8103工作面全長為200 m，根據(jù)測算得出當(dāng)所施鉆孔傾角大約6°時(shí)，所施鉆孔頂端將超出煤層范圍，故為了便于現(xiàn)場測定，選擇模擬6°以內(nèi)6種角度，并從水平鉆孔開始，每次增加1°，（即0°、+1°、+2°、+3°、+4°、+5°時(shí)），分別模擬和測量不同傾向角度下所施鉆孔對(duì)煤層注水的濕潤半徑影響范圍，而濕潤半徑的臨界值為飽和度0.33時(shí)。

圖3 不同傾角注水對(duì)濕潤半徑的影響

在上述匯總數(shù)據(jù)中所反應(yīng)的規(guī)律可以看出，不同傾角的注水鉆孔對(duì)煤體濕潤半徑的影響規(guī)律與不同壓力下濕潤半徑影響規(guī)律基本相同，呈現(xiàn)出濕潤范圍在傾角增加的過程中先增加，到達(dá)一定范圍后增加的幅度開始降低。在傾斜注水過程中從注水孔進(jìn)入煤體的水會(huì)在壓力作業(yè)下浸潤煤體，水同時(shí)也會(huì)在受到重力和毛細(xì)作用下增加影響范圍。由于煤體的空間限制，+5°時(shí)所施的鉆孔頂端會(huì)達(dá)到煤層頂板，相對(duì)毛細(xì)作用所能影響范圍較小，限制毛細(xì)作用對(duì)水的擴(kuò)散作用，因此雖然煤層注水過程中濕潤范圍會(huì)隨傾角增加而增加，但隨毛細(xì)作用的減弱，當(dāng)注水鉆孔傾角在大于+4°開始降低。

2.3 鉆孔的布置方式對(duì)于濕潤范圍的影響

煤體注水孔中的水流在重力作用下，向下的方向上滲透作用致使水在煤體中呈現(xiàn)倒錐形，類似漏斗形狀，在同等間距不同高度的注水孔下水體的分別易與兩側(cè)低位的鉆孔形成的注水裂隙相貫通，繼而增加鉆孔注水濕潤范圍，增加煤體中水的飽和度，相對(duì)于平行分布的注水鉆孔，煤體中的水飽和度高，以及孔隙間的貫通增加毛細(xì)作用，致使擴(kuò)散范圍增加。

鑒于8103工作面的煤層狀況，適宜采用一定高程差的高低鉆孔布置方式，選取合理鉆孔間高差有效提高水在煤體中向四周的浸潤效果，繼而降低開采中的煤塵。

2.4 雙向打孔與單側(cè)打孔對(duì)比

與上述原理相同，在單向打孔、雙向打孔時(shí)，鉆孔布置方式明顯會(huì)增加煤體間形成裂隙，增加水在煤體貫通，在飽和度增加下，通過毛細(xì)作用向四周擴(kuò)散。雙向打孔影響范圍會(huì)增大，濕潤效果更好。

3 8103工作面煤層注水方案

將上述模擬數(shù)據(jù)結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)確定煤層注水中各項(xiàng)參數(shù)狀況如下：

1）鉆孔布置方式。結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果及現(xiàn)場施工條件，8103工作面的注水鉆孔選用雙向高低位布置方式，在2103巷、5203巷分別布置注水鉆孔。

2）鉆孔傾角。考慮到煤層傾角+5°，為了避免煤層注水通過煤壁向機(jī)巷滲透，鉆孔盡量與煤層傾角相同。由數(shù)據(jù)模擬結(jié)果，為提高濕潤效果將鉆孔角度調(diào)整為+4°，并且方位角90°。

3）鉆孔深度。根據(jù)雙向鉆孔相關(guān)規(guī)定計(jì)算：式中：L為鉆孔長度，m；Lg為采煤工作面長度，m。

即注水鉆孔施工時(shí)應(yīng)長于85 m，注水鉆孔深度越大，煤體浸潤效果越加明顯，濕潤范圍增加，提高降塵效果，考慮到工作面全長200 m，鉆孔長度選取150 m。

4）鉆機(jī)選擇。選取TXU-65型煤體注水鉆配合Φ65 mm鉆頭。

5）鉆孔間距。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)，煤層注水最大濕潤半徑在15～20 m?？紤]到鉆孔布置方式調(diào)整為高低位布置，相對(duì)平行鉆孔濕潤影響范圍增加，鉆孔間距選取25 m，低位鉆孔布置在底板1 m處，高位鉆孔與低位鉆孔保持0.2 m的高差。

6）注水加壓方式。8103工作面處煤體松散具有良好的透水性。加壓方式兩向同時(shí)加壓，先進(jìn)行靜壓加壓，后動(dòng)壓加壓，循環(huán)多次加壓。靜壓加壓起到軟化煤體的作用，注水流量降低后開啟動(dòng)壓加壓，通過強(qiáng)制加壓利用水壓及煤體毛細(xì)作用進(jìn)一步通過煤體孔隙向四周浸潤，提高浸潤效果，同時(shí)循環(huán)加壓提高水、電利用率。注水以煤層煤壁掛汗或無水壓為止。

7）數(shù)據(jù)管理。各個(gè)注水管路都設(shè)置專用水量、水壓表，及時(shí)記錄數(shù)據(jù)，統(tǒng)一匯總，跟蹤監(jiān)測。

4 結(jié)語

8103工作面在將煤層注水方式進(jìn)行相關(guān)調(diào)整后，選擇雙向高低鉆孔布置，調(diào)整注水水壓、鉆孔傾角，并根據(jù)計(jì)算選取合理鉆孔間距，在半年實(shí)際作業(yè)的數(shù)據(jù)跟蹤后，相較與傳統(tǒng)的單孔注水方式只有80 m3，增加到1000 m3。注水效率整體提高效果明顯，工作面煤塵濃度含量明顯降低，只有原注水作業(yè)方式的粉塵含量60%左右，對(duì)本礦的煤塵治理起到良好的作用，提高井下作業(yè)的安全系數(shù)，確保井下作業(yè)人員的職業(yè)健康，起到良好的安全與經(jīng)濟(jì)效益。