煤层注水在瓦斯突出矿井中的应用

王谟

【摘 要】 为解决瓦斯突出煤层开采期间粉尘产生量较大问题，文章利用采面瓦斯抽采孔进行煤层注水，并对注水孔注水量、注水速度随时间变化情况进行分析，对注水前后的除尘效果进行考察。研究表明，在瓦斯突出煤层中将瓦斯抽采钻孔改造成注水钻孔具有较强的可行性，可显著降低注水钻孔施工工程量，并结合动、静压注水工艺可以使得采面内煤体含水率增加1%以上，下风侧采煤司机位置、距机尾10m位置呼吸性粉尘浓度、全尘浓度降低率分别为54.57%、48.15%， 53.19%、53.29%，注水降尘效果显著。

【关键词】 瓦斯突出;注水;降尘;抽采钻孔;注水钻孔

【中图分类号】 TD714 【文献标识码】 A

【文章编号】 2096-4102（2020）03-0020-03 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

突出煤层开采时采用瓦斯预测是防治瓦斯事故的主要手段，然而密集施工瓦斯抽采钻孔并接抽势必会降低原煤含水率，增加采面粉尘产生量，因此，对预抽的突出煤层进行注水十分有必要。虽然现阶段众多研究人员对煤层注水展开研究，但由于煤层赋存条件差异，不同注水工艺取得的注水效果也有显著差异。在煤层中采用高压注水方式可以提升煤体渗透率及孔隙体积;采用间歇注水方式可以提升注水效率，减少注水耗时。文中以山西某矿3608综采工作面为工程背景，采用本煤层瓦斯抽采钻孔进行注水孔增加煤层含水率，并对注水后效果进行分析。

1工程概况

3608综采工作面开采的6号煤层具有突出危险性，煤层厚度在1.2～2.2m，倾角在10～16°，煤层赋存较为稳定。煤层原始瓦斯含量为14.3m3/t，瓦斯压力为1.28MPa，硬度（f值）0.28～0.49，含水率为0.60%。采面采用综采方式，全部垮落法管理顶板，布置斜长110m，走向长689m。采面采用Y型通风方式（两进一回），风量为860m3/min，采面内风速较高，生产期间煤尘产生量大，粉尘浓度最高达到1650mg/m3。

2煤层注水

2.1注水系统

在3608综采工作面进、回巷巷内均布置有本煤层瓦斯抽采钻孔，为了减少钻孔施工工程量，提高注水效率，决定采用采面内的瓦斯抽采钻孔进行注水。为了确定煤层注水后的有效浸润半径，在采面前方40～70m内采用8个瓦斯抽采孔进行注水试验，注水孔编号依次为1～8号。由于6号煤层本身松软，为提升煤层注水效率，采用间歇注水方式，即在早班采用动压注水，在中班及晚班采用静压注水，通过适当提升煤层注水压力，达到增加煤层孔隙率目的。在注入的水体中添加适量的湿润剂来降低水表面张力，提升水对煤体浸润效果。具体在3608综采工作面布置的注水系统见图1。

动压注水方式主要分单孔、多孔两种方式，其中多孔方式在矿井应用较为广泛，在试验注水孔时采用多孔动压注水方式，每组布置8个注水孔。

2.2注水参数

2.2.1注水孔参数

注水钻孔深度。在回采工作面采用单侧注水方式时，注水孔深度以一般為采面斜长的1/2～2/3，

3608综采工作面斜长在110m，单侧布置的注水孔深度宜为55～74m，为了提升煤层注水效果，取注水孔深度为80m。原采面布置的瓦斯抽采孔深度在40m，待接抽完毕后，将钻孔深孔扩展至80m。由于6号煤层本身松软，在钻孔施工时选用大功率钻机，确保钻孔成孔质量。

钻孔间距。布置的瓦斯抽采钻孔间距为4m，在初期注水试验中按照4m间距进行注水，后根据注水效果再对注水钻孔间距进行优化。

钻孔倾角。布置的注水钻孔倾角与煤层倾角一致，即倾角为10～16°

2.2.2钻孔封孔

封孔是确保注水效果的一个关键环节，合理封孔深度可以减少注水钻孔向巷道内的漏水、渗水量，从而保证注水钻孔可以达到设计的浸润半径;合理封孔方式可以保证钻孔内的高压水不会沿钻孔跑水。封孔采用水泥浓浆封孔方式，封孔深度为20m，采用水灰比为0.4∶1的高稠度水泥浆进行封孔。具体封孔见图2。

2.2.3注水参数

煤层注水参数应根据采用的注水工艺确定，确保在采用注水工艺下注水钻孔应浸润范围内的煤层得以充分、均匀浸润。

单孔注水量。注水量应能满足煤层内水分增加2%，确定的单孔注水量为35m3。

注水速度。根据矿井以往煤层注水经验，在3608综采工作面单孔注水流量为0.6m3/h。

注水压力。动压注水压力确定为10MPa，静压注水压力为2MPa。

注水时间。注水时间与采面推进速度、注水量及注水速度等密切相关，单孔注水时间确定为8d。

3注水效果考察

3.1注水压力及注水量

3.1.1单孔注水量

在采面布置的试验注水孔最终单孔注水量见图3，设计的单孔注水量在30m3，在实际注水中受到煤层内矸石、裂隙等因素影响，实际注水量与设计注水量间存在一定偏差。

3.1.2日注水量

煤层注水可细分为三个阶段，注水初期、中期及末期，各个阶段注水量均有其自身特点。在煤层注水初期日注水量呈现先降低后增加特征;在煤层注水中期注水量处于峰值;在注水末期注水量逐渐降低。具体日注水量随时间变化情况见图4。

3.2注水效果

3.2.1煤体浸润半径

一般认为以注水孔为中心，以煤体含水率增加1%为浸润半径界限，浸润半径以内的煤层含水率增加值均可达到1%以上。为了检验3608综采工作面注水效果，在注水孔周边布置考察孔，并取样分析煤体内含水量变化情况。

布置的取样钻孔见图5，考察钻孔孔径42mm、深度25m，从孔深15m位置开始取样，每隔1m取一个煤样，共取10个。

布置的采样孔与注水孔间距分别为1m、1.5m、2m、2.5m，钻孔开孔高度及钻进方向与注水孔一致。具体测定的1号～4号取样煤样内的水分平均增加值为2.17%、1.82%、1.29%、1.02%。因此可以得出，注水孔浸润半径约为2.5m。根据测定的注水浸润半径结合布置的瓦斯抽采钻孔间距，注水孔间距设计为4m较为合理。

3.2.2煤层浸润效果

为了考察注水孔对煤層浸润效果，在采面切眼内每隔15m布置一个取样孔，孔深深度均为2～4m，布置的取样孔可以控制整个采面斜长，具体采面取样孔布置见图6。

1号、7号取样孔距离巷帮煤壁为10m，其余钻孔间距均为15m，钻孔垂直煤壁施工。测量得到的1～7号钻孔煤样含水率增加值分别为2.31%、2.52%、1.74%、1.55%、1.22%、1.54%以及1.02%。从取样结果看出，注水后煤体含水率增加值均可达到1%以上，表明在3608综采工作面采取的注水方式可以有效增加采面内煤体含水量，达到较好的注水浸润效果。

3.3除尘效果

采用滤膜质量法对下风侧采煤司机位置、距机尾10m位置处煤体注水前后粉尘浓度检测，具体测量结果见表1。

从表1看出，在下风侧采煤司机位置、距机尾10m位置煤层注水后较注水前呼吸性粉尘浓度、全尘浓度降低率分别为54.57%、48.15%，53.19%、53.29%。煤层注水后除尘效果明显，辅助采取其他的降尘、捕尘措施，可以较好地改善采面作业环境。

4总结

突出煤层回采工作面本煤层瓦斯抽采钻孔抽采完毕后，将瓦斯抽采钻孔改造成注水孔采用动、静结合方式进行煤层注水具有较强的实践性，同时可大幅度降低注水钻孔施工量。

注水钻孔日注水量在注水初期呈现先降低后增加趋势，在注水中期注水量达到峰值，在注水末期注水量缓慢降低。

通过进行煤层注水，下风侧采煤司机位置、距机尾10m位置呼吸性粉尘浓度、全尘浓度降低率分别为54.57%、48.15%，53.19%、53.29%，取得较好的除尘降尘效果。

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