特厚煤层注水技术及其在8103工作面的应用

樊智林

（1、太原理工大学，山西 太原 030024；2、同煤集团 四台矿，山西 大同 037003）

煤层注水是煤矿生产中降低煤尘浓度的主要手段之一，这一技术既能有效控制煤尘粉尘，还可以预防瓦斯突出等意外情况。目前煤层注水所用的钻机、封孔器等钻孔设备和注水泵、恒流阀、输送管路、压力表等水压设备都已经基本发展成熟，也可以根据现场需要采用静压注水、动压注水等不同作用方式，对于煤尘粉尘防治起到很好的效果。但是对于特厚煤层，注水效果不太理想，作业难度较大。本文针对特厚煤层注水技术进行研究，通过数值模拟的方法确定效果更好的注水方法与参数。

1 8103工作面概况

8103工作面所采煤层位于3#、5#煤层，并属于特厚煤层，煤层厚度约为15.2～25.92 m，煤层多为半亮型、半暗型的低硫低挥发型原煤。工作面整体走向长达1895.5 m，工作面倾向长200 m，工作面内布置有2103巷、5103巷、8103顶板抽放巷，并与3#、5#煤层顶底板相接，其中8013顶板抽放巷位于煤层顶板布置，而2103巷、5103巷的两顺槽则布置在煤层的底板，见图1。

2 特厚煤层影响注水湿润半径影响因素分析

在现场实测数据的基础上，研究不同注水压力条件、不同倾角、不同钻孔布置方式、以及单、双侧部孔对特厚煤层湿润半径的影响规律。以此确定工作面实际注水作业中钻孔布置方式、深度、间距、倾角、水压以及水量等参数。

2.1 不同压力条件下的湿润半径的分布

模拟均质煤体中注入1～5 MPa压力条件下水压对煤体浸润的状况。汇总不同压力条件下煤体的湿润半径见图2。

图2 不同注水压力条件下的湿润半径

由图2可知：煤体基质的含水率会受到注入水压的影响，并逐步较小，而湿润半径相反会逐步增加，湿润半径变化速率呈现非线性变化，水压在1～3 MPa时湿润半径的变化速率逐步加快，3～5 MPa时开始降低。根据变化速率确定选择的注水压力适宜选取3 MPa。

2.2 不同倾角条件下的湿润半径的分布

8103工作面全长为200 m，根据测算得出当所施钻孔倾角大约6°时，所施钻孔顶端将超出煤层范围，故为了便于现场测定，选择模拟6°以内6种角度，并从水平钻孔开始，每次增加1°，（即0°、+1°、+2°、+3°、+4°、+5°时），分别模拟和测量不同倾向角度下所施钻孔对煤层注水的湿润半径影响范围，而湿润半径的临界值为饱和度0.33时。

图3 不同倾角注水对湿润半径的影响

在上述汇总数据中所反应的规律可以看出，不同倾角的注水钻孔对煤体湿润半径的影响规律与不同压力下湿润半径影响规律基本相同，呈现出湿润范围在倾角增加的过程中先增加，到达一定范围后增加的幅度开始降低。在倾斜注水过程中从注水孔进入煤体的水会在压力作业下浸润煤体，水同时也会在受到重力和毛细作用下增加影响范围。由于煤体的空间限制，+5°时所施的钻孔顶端会达到煤层顶板，相对毛细作用所能影响范围较小，限制毛细作用对水的扩散作用，因此虽然煤层注水过程中湿润范围会随倾角增加而增加，但随毛细作用的减弱，当注水钻孔倾角在大于+4°开始降低。

2.3 钻孔的布置方式对于湿润范围的影响

煤体注水孔中的水流在重力作用下，向下的方向上渗透作用致使水在煤体中呈现倒锥形，类似漏斗形状，在同等间距不同高度的注水孔下水体的分别易与两侧低位的钻孔形成的注水裂隙相贯通，继而增加钻孔注水湿润范围，增加煤体中水的饱和度，相对于平行分布的注水钻孔，煤体中的水饱和度高，以及孔隙间的贯通增加毛细作用，致使扩散范围增加。

鉴于8103工作面的煤层状况，适宜采用一定高程差的高低钻孔布置方式，选取合理钻孔间高差有效提高水在煤体中向四周的浸润效果，继而降低开采中的煤尘。

2.4 双向打孔与单侧打孔对比

与上述原理相同，在单向打孔、双向打孔时，钻孔布置方式明显会增加煤体间形成裂隙，增加水在煤体贯通，在饱和度增加下，通过毛细作用向四周扩散。双向打孔影响范围会增大，湿润效果更好。

3 8103工作面煤层注水方案

将上述模拟数据结合现场实测数据确定煤层注水中各项参数状况如下：

1）钻孔布置方式。结合数值模拟结果及现场施工条件，8103工作面的注水钻孔选用双向高低位布置方式，在2103巷、5203巷分别布置注水钻孔。

2）钻孔倾角。考虑到煤层倾角+5°，为了避免煤层注水通过煤壁向机巷渗透，钻孔尽量与煤层倾角相同。由数据模拟结果，为提高湿润效果将钻孔角度调整为+4°，并且方位角90°。

3）钻孔深度。根据双向钻孔相关规定计算：式中：L为钻孔长度，m；Lg为采煤工作面长度，m。

即注水钻孔施工时应长于85 m，注水钻孔深度越大，煤体浸润效果越加明显，湿润范围增加，提高降尘效果，考虑到工作面全长200 m，钻孔长度选取150 m。

4）钻机选择。选取TXU-65型煤体注水钻配合Φ65 mm钻头。

5）钻孔间距。根据相关试验，煤层注水最大湿润半径在15～20 m。考虑到钻孔布置方式调整为高低位布置，相对平行钻孔湿润影响范围增加，钻孔间距选取25 m，低位钻孔布置在底板1 m处，高位钻孔与低位钻孔保持0.2 m的高差。

6）注水加压方式。8103工作面处煤体松散具有良好的透水性。加压方式两向同时加压，先进行静压加压，后动压加压，循环多次加压。静压加压起到软化煤体的作用，注水流量降低后开启动压加压，通过强制加压利用水压及煤体毛细作用进一步通过煤体孔隙向四周浸润，提高浸润效果，同时循环加压提高水、电利用率。注水以煤层煤壁挂汗或无水压为止。

7）数据管理。各个注水管路都设置专用水量、水压表，及时记录数据，统一汇总，跟踪监测。

4 结语

8103工作面在将煤层注水方式进行相关调整后，选择双向高低钻孔布置，调整注水水压、钻孔倾角，并根据计算选取合理钻孔间距，在半年实际作业的数据跟踪后，相较与传统的单孔注水方式只有80 m3，增加到1000 m3。注水效率整体提高效果明显，工作面煤尘浓度含量明显降低，只有原注水作业方式的粉尘含量60%左右，对本矿的煤尘治理起到良好的作用，提高井下作业的安全系数，确保井下作业人员的职业健康，起到良好的安全与经济效益。