寺河矿煤层注水试验及效果分析

朱 杰

（晋煤集团寺河矿，山西 晋城 048000）

集团公司成立《矿井综合防尘技术与应用（子课题一：煤层注水研究）》科技项目，在寺河矿W1308工作面、W2302中段工作面、5304工作面进行煤层注水试验。通过对煤层现场进行考察，并根据煤层条件的不同给予实施不同的符合条件的封孔及注水试验，将试验结果进行对比分析，并将其作为进行注水参数确定和修正的数据依据，探讨分析合理的注水工艺技术及装备对具体工作的价值以及意义。寺河矿各采面注水情况基本一致，现以W2302中段工作面为例，来说明现阶段注水试验的效果。

1 现有煤层注水防尘问题现状分析

煤层开采过程中，降低开采产尘量的最直接/最有效方法即为煤层注水预湿煤体。同时，通过煤层注水，可增加煤层水分含量，有效降低破碎机运行以及煤运输过程中的粉尘浓度。但是当前部分煤矿煤层注水防尘方面存在盲目性，欠缺科学的注水试验指导。以寺河矿W2302中段工作面为例，开展现场试验指导，获取最佳数据，为后期煤层注水工作的开展提供指导思路。

2 试验煤层概况

试验煤层为3#煤，位于秦庄村西南，山水沟东北，属于西二盘区，水平名称+280m，工作面名称为W2302（中段）工作面。该煤层的地面标高范围在629.50～768.40m之间，工作面标高范围在246.00～274.00m之间。该煤层采掘情况如下：工作面南为W2301工作面（已采），东为w2302（东段）工作面（已采），西为西区北辅运输大巷，北为W2303工作面（已掘）。该煤层走向长904.23m，倾斜长296.30m，面积267019.12m2。

该煤层平均厚度6.30m，倾角在1°～7°之间，平均倾角为4°。煤层结构较为简单，颜色呈黑色，似金属光泽，煤质较硬，煤芯完整，煤中有薄层夹矸。煤层顶板含老顶、直接顶以及伪顶三种，物理性质均属于软弱～半坚硬岩类，老顶岩层厚6.50m，直接顶岩层厚2.15m，伪顶岩层厚0.40m。从岩性特性上来看，细粒砂岩呈浅灰色，厚层状，岩芯完整，成分以石英为主，含云母，以均匀层理为主。砂质泥岩呈灰黑色，中厚层状，含植物；泥岩呈黑色，含植物化石，随采掘脱落。直接底为软弱岩类，由细粒砂岩构成，厚度为2.66m，其岩性特征为灰色，中厚层状，含云母，上部为波状层理，下部为透镜状层理，含少量植物化石。老底为软弱岩类，由粉砂质泥岩构成，厚度为4.80m，其岩性特征为深灰色，岩心呈柱状，波状层理，含植物化石。

3 注水试验

3.1 注水方式

W2302中段综采工作面的两帮分别采用动压和静压两种注水方式，其中W23023巷采用BZ-40/12脉冲式煤层注水泵进行动压注水，W23021巷采用静压水管进行静压注水。煤层注水示意图如图1所示。

图1 煤层注水示意图

3.2 注水钻孔

针对试验工作面煤层注水条件的特殊性，如煤层孔隙率低、渗透性差等因素，W2302中段综采工作面现阶段选取距离煤壁线30～100m的顺层瓦斯抽放钻孔进行注水试验，在矿压影响带采用双向长钻孔注水方式，W23023巷采用动压注水，W23021巷采用静压注水。顺层瓦斯抽放钻孔封孔长度8m，孔深100m左右，开孔高度1.5m。

W2302中段综采面注水的孔间距平均为10m，整个过程持续10d。整个注水过程中大部分注水孔基本保持在正常状态，只有极个别的注水孔出现口部漏水以及煤壁大裂隙跑水的情况。

4 试验煤层的注水规律及效果分析

4.1 注水参数随注水时间的变化规律

对采煤工作面进行注水试验，试验研究结果表明，水在煤层中的渗透是非线性的，具有跳跃性变化的特点。随着注水压力提高到一定数值时，水量会快速的增加。主要是由于煤层裂隙通道在较大压力下打开进而出现离层的现象，导致渗透性跳跃性的增加。实际操作的过程分为动压注水和静压注水两种注水方式，本文对这两种基本注水方式进行了试验研究以及考察。

4.1.1 动压注水

动压注水封孔器选用新型的高压胶管膨胀装置（注水时封孔器自动膨胀封孔），封孔长度8m，注水过程中，钻孔口未出现流水现象。

注水开始时，注水压力较小，一般在2MPa左右，注水流量在15L/min左右。伴随注水进行，高压胶管封孔器开始膨胀充满PVC管壁，注水压力升高，一般为8MPa。逐步开始向钻孔内充水，压力缓慢下降至3MPa。钻孔充满水之后（视钻孔长度、直径确定），此时由于煤层钻孔的孔壁比较紧密结实，导水裂隙较难打开，注水流量迅速下降，注水压力则逐渐上升，达到约5MPa左右。整个过程中注水压力和流量的变化是比较大而且是不稳定的，从侧面反应出煤层注水难、封孔器封孔和裂隙导水整个过程的鲜明特点[1]。

根据交通运输部办公厅印发的《公路水运品质工程评价人（试行）》的文件精神，结合对当前内河航道施工企业的现状分析，应重点在以下几个方面做好改进工作。

伴随注水进行，一段时间后，煤体裂隙开始逐步打开，此时，压力、流量逐渐稳定，压力保持在3～4MPa，波动不大，注水泵正常注水。这一阶段称为注水高峰期，较低的注水压力，较小的水流波动以及较高注水流量和比较短的持续时间，2个半小时左右煤壁便会出现出水的现象。

这个结果表明煤层注水试验是可以实现的，然而，在注水的高峰期，注水时间较短的情况也有出现的可能。造成该情况的主要原因是大的导水裂隙的不完全发育，达不到渗透距离和渗透半径，当孔隙充满水后，因不具备很强的湿润性，导致孔隙的水压逐渐下降，孔隙水不具备充分的打开新裂隙的能力以及条件[2]。

4.1.2 静压注水

静压注水无法使用新型的封孔器，实践表明使新型封孔器自动膨胀的压力需要达到3MPa以上，而寺河矿静压水的压力为1～2MPa，若使用新型封孔器静压注水时，流量几乎为0。

现阶段，在静压注水过程中，使用的设备为加工后的带有铁质丝扣的膨胀封孔器，钻孔口用封孔胶密封，封孔长度只能达到1～2m。

在注水的初期注水压力是比较小的，随着钻孔不断的注入水以后，注水压力逐渐升高最后达到矿井静压水压力，一般在1.0～1.1MPa，此后，注水流量呈不断缓慢下降的过程，最后可能变成0[3-4]。

4.2 动压、静压注水效果的比较

4.2.1 达到相同注水量所用注水时间

通过对W2302中段工作面动压注水和静压注水的两组钻孔进行研究，具体考察结果见表1。从表1可以明显看出，当注水量到一致时，动压注水的注水时间比静压注水的注水时间短很多。

表1 动、静压注水达到相同注水量所用时间的比较

4.2.2 单次注水量

以 W2302中段工作面动压注水和静压注水的三组钻孔为例，其考察结果见表2。从表2可以看出，以煤壁出水为界限，同静压注水相比，动压注水单次注入煤体的水量相对较多。

表2 动、静压注水单次注水量的比较

4.3 封孔工艺及参数对注水参数及效果的影响

4.3.1 封孔工艺对封孔效果的影响

封孔的工艺很大程度上影响了煤层的注水效果，最直接的表现就是在对封孔效果的影响上。在对注水过程进行考察的同时发现，通过带铁质丝扣膨胀封孔器的应用，在注水过程中极易出现孔口渗水及煤壁裂隙出水现象。而新型高压胶管封孔器，大部分封孔效果好，不会出现此类异常情况。除去对封孔材料的影响，封孔人员操作不当也会造成钻孔孔口密封不严，影响封孔的密封效果。

4.3.2 封孔长度对注水参数及效果的影响

以W2302中段工作面相同注水方式的两组钻孔为例，其考察结果见表3。从表3可以明显看出，不同的封孔长度，注水时间与煤壁出水位置也有相应变化，说明封孔长度与渗透半径有关系。

5 结 语

通过对煤层现场进行考察，根据煤层条件的不同给予实施不同的符合条件的封孔及注水试验，将试验结果进行对比分析。综采工作面应当选用新型高压胶管封孔器进行封孔，并增加封孔长度，以保证封孔质量，同时采用动压注水方式进行注水。通过该研究的开展，试验验证了注水时间、注水方式、封口工艺等因素对于煤层注水产生的影响，为煤层注水提供了相应的数据借鉴，同时也为煤层作业工艺与设备的应用提供指导。