芦岭矿煤层静压注水试验及装备应用

魏 尧，句海洋

(1．华北科技学院，北京 东燕郊 101601；2．中矿龙科能源科技(北京)股份有限公司，北京 100083)

芦岭矿煤层静压注水试验及装备应用

魏 尧1,2，句海洋2

(1．华北科技学院，北京 东燕郊 101601；2．中矿龙科能源科技(北京)股份有限公司，北京 100083)

为了改善在松软煤层浅孔静压注水而引发的封孔困难、工艺复杂和易片帮的情况，在有代表性的芦岭煤矿Ⅱ925综采工作面煤层进行静压注水试验。基于以往的煤层注水理论和煤层实际情况，设计了煤壁浅孔注水方案。通过5种不同的压力进行试验，并基于试验结果的对比分析和筛选，在4种不同压力下添加活性剂进行实验。实验结果表明：低压活性剂注水能提高煤层的注水量，缩短注水时间，并降低了松软煤层注水失败的几率。通过对比，得出结论：低压活性剂静压注水工艺简单，成本低廉，注水成功率较高，并能改善封孔困难、容易片帮等情况。

松软煤层；静压注水；注水理论；对比分析；活性剂

0 引言

煤层注水技术作为降低工作面回采时煤尘产生的最根本、最有效的主动防尘手段，在国内得到广泛应用，同时煤层注水是防片帮有效措施之一。芦岭煤矿的Ⅱ925综采工作面煤层属于松软煤层注水困难，在此背景下，本文在前人对煤层注水理论及技术研究的基础上，针对该矿松软煤层煤壁浅孔静压注水技术应用进行研究。对松软煤层浅孔静压注水技术的理论研究和工程应用都具有重要的意义。

1 试验工作面概况

工作面范围：该工作面东以9煤层工广保安煤柱线为界；西以DF17断层为界；南为II923工作面采空区；北为II927工作面采空区。工作面标高-440～-490 m，地面标高+23 m，平均埋深488 m，走向长度为560 m，工作面长115 m，煤层厚度0.6～4.8 m，平均煤厚3.1 m，局部有夹矸，倾角12～19°，煤层坚固性系数f：0.2～0.46，煤层松软易碎，裂隙不发育，透气性差。

Ⅱ925工作面采用走向长壁综合机械化采煤方法。推进方式：工作面沿走向后退式回采，为防止工作面运输机、液压支架下滑，工作面调成伪倾斜方向，保持工作面与机巷94°～95°角，仰俯采角度≥7°时必须补充安全技术措施。

2 煤壁浅孔注水方案设计

2.1 注水工艺及参数

2.1.1 几何参数

注水孔长、孔间距应使得有效注水范围内煤体普遍湿润，尽量减少钻孔工程量，结合现场工作面的循环进尺速度等情况，确定钻孔长度为7 m，注水孔间距为5 m。为有效湿润中、下部煤体，以及方便施工中钻孔排煤屑，钻孔保持一定仰角。分析工作面煤层的厚度、倾角和循环施工进度等因素后得出钻孔倾角α在1～5°为宜。本试验煤层注水都采用直径为42 mm的煤电钻打孔，在综采工作面检修班期间，在切眼煤壁上沿煤层倾向布置浅孔，煤厚小于3 m时布置单排(图1)，煤厚大于3 m时布置双排(图2)。单排布置时，开孔位置距前部刮板输送机平面0.8～1.8 m(具体根据煤层厚度确定为1.2m)、仰角3°仰角；双排布置时，开孔位置分别距前部刮板输送机平面0.8 m(1～2°)、2 m(仰角5°)，钻孔呈三花眼布置。为防止工作面两端煤壁片帮，工作面两个端头各留10 m不打孔注水。

图1 单排孔注水孔布置剖面图前视

图2 双排孔注水孔布置剖面图前视

浅孔注水时，封孔长度和煤壁所承受的注水压力有关，保证注水孔口及其附近的煤壁不发生垮落、泄水等现象。 结合试验工作面的现场情况，确定封孔长度为2.5～3.5 m。封孔器全长1 m，即封孔器尾部还需插入煤壁1.5～2.5 m，符合作业规程规定的封孔器全部放入钻孔不少于0.5 m米的要求。

2.1.2 物理参数

(1) 注水压力

合理的注水压力应该有它的上限和下限。上限值应使煤体不发生片帮、泄水为原则；下限值应保证在预定的时间里达到预计的注水量。因此按照Ⅱ925综采放顶煤工作面煤层自然特点和实际情况，确定煤壁浅孔注水的压力为2～8 MPa。

(2) 注水时间

注水时间与注水压力，注水流量密切有关，一般情况注水时间是注水压力与注水流量的反函数，煤层注水压力愈高，注水流量愈大，注水时间越短。浅孔注水每孔十分钟到几小时，最长5 h。在正常注水工序时，当大量出水时停止注水。

2.2 注水设备选型

2.2.1 钻孔设备

钻孔施工一般根据现场的具体情况，如巷道的尺寸，搬运的方便，注水的要求等选择钻孔设备。根据Ⅱ925综采放顶煤工作面现有条件，采用ZM15T型防爆式煤电钻进行注水孔钻进施工。

2.2.2 封孔设备

在注水工艺中，封孔拟采用煤层注水高压橡胶封孔器，其结构由内胶层、增强层、中胶层、外胶层组成；其特点是在承受内部正向压力下，管体长度缩短，直径变大呈膨胀状态，实现封孔功能。

2.2.3 注水设备

注水设备主要有注水泵、水表、高压水管和封孔器等组成，注水泵的选择主要是考虑注水压力和注水流量是否能满足要求。试验设备的具体参数如表1所示：

表1 注水设备及参数

3 现场装备应用

3.1 静压管网

注水系统静压管网由自动加液混合装置、高压钢丝胶管、高压水表、封孔器及其他相关设备组成。其注水系统布置如图3所示。

图3 工作面煤层静压注水系统1.注水孔；2.封孔器；3.钢丝胶管；4.压力表；5.分流器；6.闸阀；7.注水干管；8.自动加液装置9.高压水表；10.安全阀；11.供水管

根据煤层的实际情况，设计在II925工作面共考察了8个钻孔，每1个注水孔配合3个考察孔进行注水效果的观察，其中清水煤体注水4个，添加注水增强剂注水4个，在钻孔注水3小时后对注水钻孔进行取样考察。取样时用麻花钻杆在煤体内2 m深处取样约0.5 kg后马上用塑料袋密封。根据经验，在注水钻孔5 m半径范围内取样考察比较合理，因此在注水孔垂直方向上底板处布置1个效果考察钻孔，再沿煤层中线布置1个(间隔2 m)，及与煤层中线成正45°方向打1个效果考察钻孔，若遇到钻孔出水马上停止打钻并及时封堵好，每个孔取煤样0.5 kg左右。

在打好的注水孔中插入封孔器，封孔采用采用专用封孔器配合水泥锚固剂封孔，封孔器长1 m，封孔长度为2 m 。

3.2 自动加液装置

管道自动加液混合装置根据文丘里原理设计泵吸装置，通过泵吸流量控制阀确定清水与活性剂的添加比例，只需水压作为动力就能满足自动加液混合的要求，不需要电力，不涉及防爆问题。该实验采用的自动加液装置为GZJH-02型管道自动加液混合装置，设备具体参数如表2所示，GZJH-02型装置又称双罐补压型，即有两个可循环工作的工作罐，单位时间内混液量大，适用于煤层注水，水雾降尘等用水量较大的场合。

表2 GZJH-02型管道自动加液混合装置

4 试验情况及结果

4.1 煤壁浅孔注水压力与流量、流速关系

针对淮北矿业集团芦岭煤矿II925工作面，我们采用了五种不同的压力进行试验，在不同的注水压力下对完成注水后注水量的对比，了解分析各种不同压力下注水系统的特点。使用2 MPa、3 MPa、4 MPa、6 MPa、8 MPa不同压力下注水时的注水时间与注水量的关系曲线分别如下图4-1所示。

从图中可见，在8 MPa的高压下发生泄漏导致注水失败，并不能提高煤层注水量，还容易触发煤壁片帮等情况，相对于较低的压力虽然注水时间有一定幅度的延长，但是在注水量上有明显提高而且没有出现煤壁出水、片帮等情况，通过低压长时间注水还能提高煤层的注水量。

图4 不同压力注水时间与注水量关系曲线

4.2 活性剂浓度

我们对不同煤样在不同活性剂浓度下的接触角和表面张力做了测试，测试结果如下表所示(表3、4)。

表3 煤样HB-1在不同浓度活性剂下的

表4 煤样HB-2在不同浓度活性剂下的

测定结果表明：随着活性剂溶液浓度的升高，水溶液的表面张力减小，煤水接触角减小，由上表可以看出，可获得2组煤样的临界表面张力在26.38 mN/m～27.49 mN/m之间小于水的表面张力(在293 K下水的表面张力系数为63.59 mN/m)，由此可见，矿井水润湿煤体是无法取得理想的注水效果，添加活性剂后可以明显改善这一状况。

临界表面张力是反映煤表面润湿性能的一个重要常数。煤对同系列液体的关系符合线性关系，实验2组煤样的临界表面张力(26.38 mN/m～27.49 mN/m)小于水的表面张力，煤属于低能固体表面，采用普通矿井水润湿煤体无法取得理想的注水效果，在注入水中添加表面活性剂，将水的表面张力降低至煤的临界表面张力以下，能够使煤体被充分润湿，取得良好的湿润效果，煤临界表面张力可为优选复配表面活性剂提供定量判据。由上表的实验结果表明，活性剂浓度在0.2%～0.8%之间的情况下，接触角、表面张力虽然随着活性剂的浓度增大而减小，但是改变效果并不明显，考虑到经济性的原则我们推荐0.2%的活性剂浓度配比。

4.3 添加活性剂后各压力下流速关系

通过之前的实验表明，8 MPa压力下松散煤壁并不能承受，所以我们又针对6 MPa、4 MPa、3 MPa、2 MPa三个注水压力下添加适量的活性剂来进行实验，分析在添加活性剂后各压力的注水效果，添加活性剂后注水流速随时间变化曲线如下图5所示。

从图5中曲线明显可见，在6 MPa时添加活性剂后注水流速基本没有发生变化总体的注水时间也没有得到有效的缩短，而在3、4 MPa时添加活性剂后效果明显，注水速度快速得到稳定注水时间明显缩短，尤其是在3 MPa时，加入活性剂后流速可到21 L/min，注水时间缩短到200分钟，提高了注水效率。4 MPa虽然注水速率略优于3 MPa，但是相较于静压注水工艺更加简单，成本也更加低廉我们还是选择 3 MPa的静压注水，在2 MPa时虽然活性剂改变了注水速率提高注水效果，但比起3 MPa并没有优势。

图5 不同压力添加活性剂注水时间与注水量关系曲线

5 实施效果

实施煤壁浅孔注水措施后，煤壁片帮严重的情况得到很好的缓解，对煤壁片帮进行支护的次数和工作量相对注水之前减少40%，支护耗材减少了35%，工人的劳动也强度减小了；工作面循环推进受煤壁片帮的影响减小。

6 结论

(1) 通过不同压力对比试验证明静压注水的可行性，在试验矿井芦岭煤矿采用3 MPa低压注水并配以活性剂辅助，可以提高注水效率和注水量。

(2) 通过实验也确定在不同浓度活性剂下的接触角和表面张力，从而确定了活性剂浓度配比为0.2%。

(3) 煤层静压注水操作工艺简单，封孔容易，为其他同类型矿井推广提供一定的借鉴经验，有良好的技术社会效益。

[1] 周大为.松软煤层煤壁浅孔注水防片帮技术研究[D].安徽理工大学,2009.

[2] 李井坤,龚邦军,赵明勇.煤层注水研究与应用[J]. 煤炭技术,2006,6:125-127.

[3] 方永亮.松软煤层煤壁浅孔注水防片帮技术研究与应用[J]. 煤炭与化工,2014,12:39-41.

[4] 桑培淼. 注水强化松软煤壁稳定性的规律及工艺参数研究[D].河南理工大学,2010.

[5] 桑培淼,刘国印,郭凤,等. 煤层注水预防煤矿灾害的研究与应用现状[J]. 中州煤炭,2013,1:32-34+37.

[6] 郭华. 棋盘井矿煤层注水工艺方法研究[D].昆明理工大学,2014.

[7] 甄浩. 表面活性剂对煤吸水效果影响的试验及应用[D].河北工程大学,2014.

[8] 郝洪海,于明献,姚治彬,等. 煤壁浅孔注水控制“三软”煤层煤壁片帮[J]. 矿山压力与顶板管理,2003,3:34-35.

Experimental and Equipment Application of Hydrostatic Pressure in the Coal Bed of Lu Ling Mine

WEI Yao1，2, JU Hai-yang2

(1.NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao, 101601,China;2.ZhongkuangLongkeEnergyandTechnology(Beijing)CoLtd,Beijing, 100083,China)

In order to improve the situation of difficulty of hole sealing, complex process and sloughing in static pressure water injection in soft coal seam shallow hole, this paper carries on the experiment of static pressure water injection in Ⅱ 925 fully mechanized working face of the representative Lu Ling coal mine. Based on the theory of coal seam water injection and the actual situation of coal seam, it designs the scheme of water injection in coal wall shallow hole. Through the five different pressure test, and based on the comparison and analysis of experimental results and screening, experiments were carried out under four different pressure with active agents. The experimental results show that the low pressure with active agent can improve the water injection rate of the coal seam, shorten water injection time and reduce the risk of failure in the soft coal seam. By comparison, it is concluded that the low pressure with active agent static pressure water injection process is simple, the cost is lower, the success rate of water injection is higher, and it can improve the situation of sealing of the hole and sloughing and so on.

soft coal seam; static pressure water injection; theory of water injection; comparison and analysis; active agent

2015-12-17

中央高校基本科研业务费资助项目(3142015126)

魏尧(1990-)，男，河北石家庄人，华北科技学院在读硕士研究生，研究方向：粉尘治理，E-mail：458711885@qq.com.

TD714+.4

A

1672-7169(2016)01-0045-05