浅谈煤层注水工艺在易自燃煤层的实践

常小军

（1.太原理工大学，山西 太原 030024；2.大同煤矿集团同发东周窑煤业有限公司，山西 大同 037000）

8101综放工作面主采煤层为3#～5#煤层，属特厚煤层，平均厚度13.67 m，采高3.9 m，平均放煤高度9.77 m。工作面走向长度1638 m，倾斜长为199.5 m，煤层倾角大约5°，工作面通风方式为“一进两出”的布置，进、回风两顺槽均沿煤层底板布置，沿顶巷沿煤层顶板布置与回风顺槽内错30 m。煤层易氧化自燃，煤层自然发火期较短，最短39 d，工作面内绝对瓦斯涌出量8～12 m3/min。3#～5#煤层属低硫低磷中灰分煤，发热量中等，易粘结，结焦性弱-中等，焦油产率高，属于富油煤。

由于工作面内CO经常出现超限现象，给煤炭安全生产带来了一定的影响。因此，分析CO超限原因，并采取相应措施防治CO超限具有重要的意义。煤层注水技术对煤矿井下作业环境的改善和灾害防治都起到重要的作用。

1 8101工作面CO超限原因分析

8101综放工作面为防治工作面瓦斯选择顶回风巷处抽排瓦斯，为提高抽排效率工作面配风量达1100 m3/min，导致采空区氧化带宽度超过100 m。由于进、回顺槽巷道断面大导致巷道受压，巷道顶板松动圈发育，松动圈处回采过程顶板浮煤易氧化，同时因为采空区漏风情况严重，容易发生二次氧化发热。同样由于受到矿压影响，顶回风巷和回风顺槽贯通后的斜巷煤体出现严重破碎，碎煤易氧化，并且在顶回风巷发现轻微烟雾，判断可能出现高温热点。由于工作面尾部区域出现硅化煤，该类煤质易氧化发热，而且开采过程中发现工作面切眼有严重漏风，考虑到同煤集团塔山矿8206工作面在类似区域发生过在掘进过程出现高温氧化热点。又根据对所采煤样的分析，工作面所采煤质的样品的最短发火期为39 d，易发生煤层自燃。这些因素都是煤层中出现多处煤体氧化导致工作面内空气中CO浓度上升的原因。

2 煤层自燃防治技术方案分析

2.1 煤层注水防治自燃的原理

煤层注水会增加煤体含水量，能有效降低自然发火几率。这是由于煤层注水一方面能降低煤层氧化自燃的温度；另一方面煤体水分增加，改变煤体的导热系数和热容量，增加煤体升温所需要的热量，降低煤的氧化发热作用。

高压水流会松动煤体结构，使煤体中应力分布状态改变，高压水流增加煤体裂隙，煤的力学性能、渗透性能和应力分布状态的改变，导致煤层的吸附式瓦斯呈游离状态后沿煤体裂隙 （原生裂隙和压裂裂隙）提前释放，从而降低工作面回采过程中瓦斯涌出。

浸润后的煤体断裂形式改变，从脆性断裂改为塑性断裂，力学性能的改变，会减少开采过程中煤尘的产生量。另一方面水分导致煤尘颗粒自重增加，同时互相粘结，阻止煤尘扬起。

2.2 煤层注水参数研究

（1） 注水设备

8101综放工作面超前注水措施采用ZYG l00/150型钻机进行钻孔施工，配合Φ75 mm钻头与配套钻杆，选用工作压力15 MPa的5D-2/150型注水泵。该泵电机功率为13 kW，电机质量320 kg，注水泵运行时额定流量2 m3/h。

（2） 钻孔布置

由于煤层厚度较厚和矿压影响，8101工作面尾部区域煤层顶板处存在破碎的易氧化的硅化煤。为了提高煤层注水工作对煤体湿润效果，钻孔角度选择沿走向倾斜5°，根据以往注水效果，湿润半径介于15～20 m。钻孔布置为高低钻孔配合，进行双层注水，提高煤层注水湿润效果。钻孔长度为150 m，每隔25 m打一个孔。

（3）注水量及注水时间

煤体注水分为静压阶段和动压阶段，两者明显区别在于静压阶段煤层注水工作需要使用高于上覆岩层的压力对煤体产生破坏或松动，在煤体间扩大节理裂隙和加大层理的宽度，并且产生新的裂隙以促使水流获得新的通道。同时将煤体间吸附状态的瓦斯释放至游离状态；动压阶段水压致使进入煤体的水分以毛细现象以渗透的形式湿润软化周围的煤体，使水分均匀扩散四周。

① 注水量

a、静压注水

注水期间静压阶段主要是水压对煤体的破坏，进入煤体水量较少可不计，动压阶段单孔注水量为0.3～2 m3/h。

式中：R为以经验润湿半径7.5 m计算；h为煤层厚度，14 m；L为 钻 孔 深 度150 m；γ为 煤 的 容 重1.43 t/m3；K为备用系数，取1.3；2.44%为注水后水分增加按2.44%计算。

所以单孔注水量最少为714 m3左右。② 注水压力根据理论可得

式中：Pr为煤层绝对瓦斯压力，MPa(取0.32 MPa)；Pc为上覆岩层的静水压，MPa，H为煤层的埋藏深度，m；γ为岩层容重，t/m3；煤体达到湿润状态下的最大注水压力为Ps，MPa。

根据计算得出注水压力范围约为0.48～6.51 MPa，不过根据以往实践，将动压注水压力选为7～9 MPa。

根据注水量确定注水时间

式中：dr为单孔动压注水流量，0.3～2 m2/h。

至少需要357 h完成煤层注水工作，即大约15 d左右。通常情况下，煤层中水分质量分数大于5%时被认为被充分湿润软化。但从表象来看，湿润软化阶段通常被认为参考区域的煤壁表面会开始渗出水珠，又被称为煤壁“挂汗”现象，此可以停止注水。

3 注水防治效果

1）8101工作面采用煤层超强注水措施后，煤层中煤体含水量增加，水分的增加会降低煤体温度，同时增加煤体的导热系数和热容量，阻止煤层的自然发火。

2）高压注水措施致使煤层中煤体松动并产生细小裂隙，钻孔及静压注水过程导致煤层中瓦斯提前卸压排除，该时间内被影响区域瓦斯涌出呈上升趋势。工作面煤壁“挂汗”阶段，煤层瓦斯涌出量明显降低，浓度变化减小呈平稳状态，同时煤体透气性能减弱，有效控制了瓦斯超限现象。

3）由于煤层注水导致煤体的破坏形式方法改变，由脆性破坏改为塑性破坏，同时大量水分浸润和粘结煤尘，采煤过程中空气中全尘浓度有效降低。

4 结语

1）本文通过对煤层注水技术的研究，合理布置了注水孔位置，并选择了注水参数，有效控制了煤层自燃，同时为区域性井下作业环境改善起到良好的作用。

2）煤层注水技术作为一种主动、预防性治理手段，相较于瓦斯抽放、喷雾、注浆等治理手段，费用较低，工程施工小，同时又能起到良好的治理效果，能够安全、高效、经济的控制煤层自燃、瓦斯突出和煤尘超限等多种矿井灾害事故发生。