(華北科技學院安全工程學院 北京 101601)

一、技術原理

對于高瓦斯、突出煤層而言，尤其是單一低滲透煤層，無法實施保護層開采區(qū)域防突措施，多采用預抽煤層瓦斯的措施，存在煤層滲透性系數(shù)低、預抽時間長、抽放瓦斯?jié)舛鹊偷忍攸c，導致煤層抽采效果不佳。先對煤層瓦斯進行預先抽采，在預抽的中后期，當瓦斯抽采純量較小時，利用部分鉆孔實施注水，相鄰鉆孔進行瓦斯抽采或瓦斯排放，以便利用高壓煤層注水過程中所產(chǎn)生的驅替、置換解吸、潤濕等綜合作用，提高煤層瓦斯抽放效果。該方法能夠有效平衡高瓦斯、煤與瓦斯突出礦井瓦斯抽采和煤層注水的時間和空間矛盾，有效提高瓦斯抽采量、降低開采時的瓦斯涌出量和降低開采時的粉塵產(chǎn)生量，最終達到防治瓦斯煤塵的目的，實現(xiàn)“一孔兩用”和“一措兩防”[1-2]。

二、試驗方案

本次試驗地點為夏店礦3116工作面。煤層注水裝置布置示意圖如圖1所示。

1-煤層；2、3、4-抽采鉆孔(其中3后期作為注水孔)；5、6、7-抽采管； 8、9、10-鉆孔密封段；11-膨脹封孔器；12-高壓膠管；13-閥門；14-注水流量計； 15-高壓注水泵；16-供水管；17、18-孔板流量計；19、20-抽采管路

圖1煤層注水裝置布置示意圖

(1)在煤層1中施工順層抽采鉆孔2、3、4，鉆孔交替布置，之后采用封孔材料和抽采管5、6、7封孔，抽采管外徑75mm，長度16m，形成鉆孔封孔段8、9、10，封孔段長度大于8m，并連接負壓抽采管路開始抽采瓦斯；

(2)抽采一定時間后，抽采鉆孔的瓦斯流量和抽采濃度顯著降低時，即單純靠延長抽采時間不能達到好的抽采效果，將抽采孔3作為注水孔，基于孔內(nèi)封孔思路，將膨脹封孔器11插入抽采管6內(nèi)，封孔器長度1-1.5m，外徑55mm，最大工作壓力10MPa；

(3)將膨脹封孔器11利用高壓膠管12依次與高壓閥門13、注水流量計14和高壓注水泵15連接，高壓注水泵與井下供水管16連接。抽采孔2、4的繼續(xù)與負壓抽采管路19、20連接抽采。

(4)利用高壓注水泵15向鉆孔3實施煤層注水，注水壓力6-8MPa，通過注水流量計14觀測注水流量和注水壓力；注水時通過孔板流量計17、18及抽采管預留觀測孔檢測鉆孔2、4的抽采流量、抽采濃度和負壓參數(shù)。

(5)注水采用連續(xù)注水或間隔注水方式，注水一定時間后，一般為48h-96h，注水時間可根據(jù)煤層實際條件、鉆孔間距及注水壓力等綜合確定。應保證注入水不能進入抽采鉆孔2、4內(nèi)。將閥門13關閉，注水泵停止注水，封孔器繼續(xù)膨脹封孔，孔內(nèi)壓力水慢慢滲入煤層。

三、注水參數(shù)的確定

(一)注水時機的確定

注水時機的確定要綜合考慮煤層中的瓦斯壓力，煤層性質(zhì)，地應力等因素。瓦斯壓力是注水的附加阻力，待瓦斯抽采一段時間后，瓦斯壓力達到注水要求后方可開始注水。為確定煤層注水的時機,要在注水作業(yè)之前，進行單孔抽采試驗，分析總結本煤礦瓦斯流量衰減特征。并根據(jù)理論知識和現(xiàn)場試驗綜合確定煤層注水時機。根據(jù)現(xiàn)場單孔試驗，得出了瓦斯?jié)舛扰c抽采時間之間的關系，由于是高瓦斯礦井，我們在提高降塵效果的同時，也可以同時考慮注水對提高瓦斯抽采率的作用。采用先抽后注，抽注結合的技術思路，觀察瓦斯?jié)舛鹊淖兓€，我們可以發(fā)現(xiàn)瓦斯?jié)舛入S時間的推移整體是呈現(xiàn)下降趨勢，在30d之前瓦斯?jié)舛炔▌映尸F(xiàn)不規(guī)律狀態(tài)，但在30d，瓦斯?jié)舛燃眲∠陆?，達到一個相對的最低值。此時進行注水，不但能達到注水降塵的作用，還能夠提高瓦斯抽采率。結合理論和現(xiàn)場試驗，3116工作面注水的最佳時間應在瓦斯抽采開始后30天左右進行。

(二)注水鉆孔的布置

注抽鉆孔間隔布置主要有兩注一抽、一注一抽及一注兩抽三種方式，且三種布置方式均能取得一定的促抽效果，且兩注一抽、一注一抽及一注兩抽布置方式分別能將單孔抽采效率提高18.6、11.4及4.3倍?？梢娺x擇兩注一抽鉆孔布置方式能極大的提高抽采鉆孔的瓦斯抽采效率，促抽瓦斯效果最好，但是，兩注一抽鉆孔布置方式下容易引發(fā)壓力水滲流至抽采孔內(nèi)，安全性較差。

(三)封孔方法的確定

為達到良好的高壓注水封孔效果，基于“管內(nèi)封孔”思想，在瓦斯抽采管內(nèi)利用專用鋼絲膨脹膠管封孔器封孔，可以克服封孔器直接在煤孔里可能引起的封孔不嚴問題。注水專用封孔器由鋼絲膨脹膠管，泄壓閥、快速接頭組成，封孔器可反復使用數(shù)次，注水結束后卸掉壓力，封孔器即可恢復原狀，取出封孔器。封孔器實物裝置見圖2所示。

圖2封孔器實物裝置

四、現(xiàn)場試驗效果分析

(一)注水后煤層瓦斯含量測定及分析

現(xiàn)場注水完成后，在注水試驗區(qū)域，采用孔口接渣取樣直接測定煤層瓦斯含量，施工鉆孔4個，取樣深度20-25m(取樣深度要求超過卸壓帶范圍測定煤層原始瓦斯含量)，測定結果表明，煤層瓦斯含量測值在4.5-5.0m3/t，相比與初始瓦斯含量測值7.8 m3/t，煤層瓦斯含量降低35.9%。

(二)注水后煤體瓦斯解吸能力分析

利用井下孔口接渣取樣測試瓦斯含量的瓦斯解吸數(shù)據(jù)，分析可知：煤層注水驅替促抽瓦斯后，煤體井下的瓦斯解吸量和瓦斯解吸速度明顯降低，是瓦斯抽采和煤體水分增加雙重作用的結果。井下30min煤體的瓦斯解吸量降低35.25%。初始瓦斯解吸速度降低了近67.84%。由此可見，注水后煤體的解吸能力明顯降低，注水后由于煤體水分的增加，可顯著降低煤層開采時的瓦斯涌出量。

(三)注水后煤體水分變化

實驗室采用TGA-2000型全自動工業(yè)分析儀測試了所取4個煤樣的水分含量，依據(jù)標準為GB/T 2012—2008《煤的工業(yè)分析方法》，煤樣的水分含量平均值為1.10%，與注水前相比水分含量平均增值為4.27%，實驗室和現(xiàn)場實踐煤層注水結果表明，煤體水分含量增值達1.5%左右，開采時可顯著降低粉塵濃度，尤其是呼吸性粉塵含量。

[1]張磊．長溝峪煤礦煤層注水技術及試驗研究[D]．沈陽:遼寧工程技術大學，2009．

[2]郭紅玉，蘇現(xiàn)波.煤層注水抑制瓦斯涌出機理研究[J].煤炭學報，2010，35(6)：928-931.