煤壁浅孔高压注水综合作用浅析.pdf
王帅
[摘 要]在煤矿回采工作面采用浅孔煤壁注水工艺可以有效解决工作面的瓦斯和煤尘的问题。文章分析了使用浅孔煤壁注水措施防止瓦斯和煤炭粉尘的实际实施措施以及取得的效果。为今后突出矿区顶分层工作面的瓦斯、粉尘防治工作提供了参考经验。
中图分类号：G809 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）48-0016-01
1、浅孔静压注水的作用
1.1 对煤层注水，使得原来的“煤层—瓦斯”的平衡体系得到了改变，形成了新的“煤层—瓦斯—水”的平衡体系，原来在煤体中游离存在的瓦斯气体在较大的水压作用下从裂缝较大的空隙中被挤到了更多的细小空洞内，从而瓦斯的压力大大增加。原来在煤层暴露面的瓦斯气体则被挤出煤体，排除煤层之外，虽然在采掘工作面的瓦斯涌出量暂时有所增加，但是在煤层中瓦斯的含量得到了有效降低。
1.2 在煤层静压注水的预湿过程中，由于液体在裂缝表面存在较大压力，矿物质和夹层都开始膨化，加之物理、化学反应的综合作用，煤体的力学性质发生了改变，其抗压性以及硬度降低，塑性增加，从而引起煤层临近区域的内应力开始重新分布，煤体变形增加，其支点应力区随之向煤层深部移动，这对防止瓦斯突出起到了积极作用。与此同时，水能够使煤体膨胀并且变得密实，可以有效屏蔽深部瓦斯气体，从而大大降低了在煤层挖掘中的瓦斯涌出总量。煤层注水具有使碎煤增加粘合力同时使硬煤得到软化的作用，有效地保持了围岩一致性，使得煤炭粉尘丧失了纷扬的能力，有效降低了煤粉污染。
2、浅孔注水试验
2.1 注水工艺
该工作面煤层突出危险性强，煤层透气性差，孔隙率低，导水性差，水分不易渗入煤体，煤质为中硬，上硬下软。根据工作面实际情况，利用该工作面每天8：00班检修班的时间，在工作面煤壁上布置钻孔，钻孔后立即注入压力水，使工作面前方应力集中带通过高压水的注入，压裂破坏煤层，增加煤层透气性，使工作面煤壁内游离瓦斯大量释放和放散出来，集中应力向煤层深部推移，导致煤体细微裂隙扩大，有利于瓦斯的提前释放，起到了瓦斯防治作用。
随着煤层内游离瓦斯释放，煤体的透水性增加，从而使煤体孔隙在注水压力和毛细管作用力的共同作用下大量吸附水分，注入的压力水快速渗入煤体细微裂隙中，充分湿润了原生煤尘并黏附在煤体上，在爆破后煤尘不易分离飞扬，有效地起到了防尘和降尘的作用，净化了工作面空气质量，营造了良好的作业环境，保证了职工人身健康安全。
2.2 钻孔参数
为提高注水效果，使注入的压力水在重力作用下，快速地由上向下均匀渗透，结合顶分层工作面现场实际特点，钻孔采取三花眼布孔方式，即工作面上部钻孔距顶为0.8m，倾角垂直于工作面；下部钻孔距底为0.5m，倾角+2°布置。在工作面煤壁上将注水钻孔分为2排，每隔4m布置1个钻孔，孔深8m。工作面倾斜长度为135m，从工作面上安全口向下5m处开始布置钻孔，每排大致可布孔30个。为保证注水效果，每天安排专职注水工实施注水工作，采用重复湿润布孔法，工作面每推通1排注一次压力水。
钻孔时采用MZ-1.2矿用煤电钻，可加接42mm、长度1.0m麻花型钻杆，钻杆至少备用8根。采用FKQ-42型螺旋式封孔器，管路與封孔器采用注液枪进行连接。注水压力不低于8MPa，注水结束的条件以相邻钻孔或煤壁出水为标准。注水设备及管路不必重新购置，可利用工作面使用的乳化液泵和液压管路直接注水。注水时，将工作面使用的注液枪卡在封孔器的外端向煤壁实施高压注水。一般要求单孔注水的时间不少于25min。为保证工作面正常生产，做到注水和生产两不耽误，互不干扰，根据工作面注水实际情况，将工作面分为上段和下段2部分，上段采煤时下段进行注水，下段采煤时上段进行注水，每天安排不少于3名专职人员负责打孔注水，钻孔打好后立即进行封孔注水。每2d为1个注水循环。
2.3 钻孔及封孔
（1）布孔原则。首先，在钻孔时要保持一定的钻孔超前距离，以充分湿润煤层为原则来掌握钻孔的密度，实际操作时视煤的硬度来决定。其次，钻孔时要充分考虑煤层厚度，保证钻孔不打底且不打顶。巷道打顶时要保持在下煤体中部布置注水孔；巷道打底时在上煤体的中部布置注水孔。
（2）钻孔。钻孔时采用1.2kW的煤电钻进行工作，保持钻孔直径为42mm，孔深为3～3.5m。采用三花布置注水钻可以有效防止在注水的过程中水经过煤层与顶板的交面流失的情况，钻孔距煤底1.6m和0，8m交替施工。上排钻孔倾角打成仰角10°，下排则打成平孔即可。合理的钻孔间距能够使两钻孔之间在规定的时间内保持很好的湿润效果，钻孔间距的选取要依据煤层注水后的湿润半径来决定。我们在这里规定湿润半径为注水钻孔后使得周围煤层水分含有量达到1%的标准范围，根据现场取样分析。最大湿润半径为1.9m，因此钻孔平均间距可以选择1.5m。
（3）封孔。在煤壁浅孔注水中封孔是一项关键性技术，以往很多注水失败的例子都是因为封孔工作没有做好而导致的。此次注水，针对煤层松软易碎且煤层强度较低、遇水成泥等特点，采用了富有弹性、膨胀性较好的MZF-II水力驱动膨胀式封口器。在封孔过程中，要重点注意以下工作以保证封口一次成功。
首先，提高钻孔质量，打孔弯度尽量较小，孔壁光滑圆整，尽量排除孔内的煤渣。其次，由于在注水期间如果发生停泵，则封口器会发生收缩的现象，这样会导致封孔器卡死在钻孔中和钻孔漏水的事故。针对此种情况，专门采用了单向自动截止阀，这种截止阀与MZF-II水力驱动膨胀式封口器配合使用可以保证停泵期间仍然能够继续处于膨胀状态，从而避免了事故发生。第三，对封孔管及其附属高压软管进行强化稳固，防止了注水时摩擦力不够而将封口器抛出的可能性。
3、注水效果分析
首先，增加了破碎煤体的粘合力度，不仅仅减少了片帮、冒顶的次数，还很好地保持了围岩的一致性。这样很大程度上提高了煤层的掘进速度。其次，使煤体得到了充分湿润，有效降低了煤层的煤尘产量，这样净化了回采工作面的空气质量，提高了工人的施工环境。据统计，采用浅孔煤壁注水技术之后，在同样的风速、风量的情况下，其降尘量达到了50%～90%。第三，改变了原有的“煤—瓦斯”的平衡模式，形成了新的“煤层—瓦斯—水”的平衡模式。一方面，煤层浅部的瓦斯气体跟随注入水水压的作用释放出煤体表面；另一方面，煤层遇到水后发生膨胀，有效降低了煤体的透气性能，这样可以对瓦斯气体起到一定的屏蔽作用，有效降低了挖掘过程中瓦斯的总涌出数量。最后，浅孔注水，必然要进行打孔施工，在打孔的过程中能够及时发现前方地质条件的变化情况，以便提前采取应对措施。
参考文献
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