朱 杰

（晉煤集團(tuán)寺河礦，山西 晉城 048000）

集團(tuán)公司成立《礦井綜合防塵技術(shù)與應(yīng)用（子課題一：煤層注水研究）》科技項(xiàng)目，在寺河礦W1308工作面、W2302中段工作面、5304工作面進(jìn)行煤層注水試驗(yàn)。通過對(duì)煤層現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行考察，并根據(jù)煤層條件的不同給予實(shí)施不同的符合條件的封孔及注水試驗(yàn)，將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，并將其作為進(jìn)行注水參數(shù)確定和修正的數(shù)據(jù)依據(jù)，探討分析合理的注水工藝技術(shù)及裝備對(duì)具體工作的價(jià)值以及意義。寺河礦各采面注水情況基本一致，現(xiàn)以W2302中段工作面為例，來說明現(xiàn)階段注水試驗(yàn)的效果。

1 現(xiàn)有煤層注水防塵問題現(xiàn)狀分析

煤層開采過程中，降低開采產(chǎn)塵量的最直接/最有效方法即為煤層注水預(yù)濕煤體。同時(shí)，通過煤層注水，可增加煤層水分含量，有效降低破碎機(jī)運(yùn)行以及煤運(yùn)輸過程中的粉塵濃度。但是當(dāng)前部分煤礦煤層注水防塵方面存在盲目性，欠缺科學(xué)的注水試驗(yàn)指導(dǎo)。以寺河礦W2302中段工作面為例，開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)指導(dǎo)，獲取最佳數(shù)據(jù)，為后期煤層注水工作的開展提供指導(dǎo)思路。

2 試驗(yàn)煤層概況

試驗(yàn)煤層為3#煤，位于秦莊村西南，山水溝東北，屬于西二盤區(qū)，水平名稱+280m，工作面名稱為W2302（中段）工作面。該煤層的地面標(biāo)高范圍在629.50～768.40m之間，工作面標(biāo)高范圍在246.00～274.00m之間。該煤層采掘情況如下：工作面南為W2301工作面（已采），東為w2302（東段）工作面（已采），西為西區(qū)北輔運(yùn)輸大巷，北為W2303工作面（已掘）。該煤層走向長(zhǎng)904.23m，傾斜長(zhǎng)296.30m，面積267019.12m2。

該煤層平均厚度6.30m，傾角在1°～7°之間，平均傾角為4°。煤層結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，顏色呈黑色，似金屬光澤，煤質(zhì)較硬，煤芯完整，煤中有薄層夾矸。煤層頂板含老頂、直接頂以及偽頂三種，物理性質(zhì)均屬于軟弱～半堅(jiān)硬巖類，老頂巖層厚6.50m，直接頂巖層厚2.15m，偽頂巖層厚0.40m。從巖性特性上來看，細(xì)粒砂巖呈淺灰色，厚層狀，巖芯完整，成分以石英為主，含云母，以均勻?qū)永頌橹鳌Ｉ百|(zhì)泥巖呈灰黑色，中厚層狀，含植物；泥巖呈黑色，含植物化石，隨采掘脫落。直接底為軟弱巖類，由細(xì)粒砂巖構(gòu)成，厚度為2.66m，其巖性特征為灰色，中厚層狀，含云母，上部為波狀層理，下部為透鏡狀層理，含少量植物化石。老底為軟弱巖類，由粉砂質(zhì)泥巖構(gòu)成，厚度為4.80m，其巖性特征為深灰色，巖心呈柱狀，波狀層理，含植物化石。

3 注水試驗(yàn)

3.1 注水方式

W2302中段綜采工作面的兩幫分別采用動(dòng)壓和靜壓兩種注水方式，其中W23023巷采用BZ-40/12脈沖式煤層注水泵進(jìn)行動(dòng)壓注水，W23021巷采用靜壓水管進(jìn)行靜壓注水。煤層注水示意圖如圖1所示。

圖1 煤層注水示意圖

3.2 注水鉆孔

針對(duì)試驗(yàn)工作面煤層注水條件的特殊性，如煤層孔隙率低、滲透性差等因素，W2302中段綜采工作面現(xiàn)階段選取距離煤壁線30～100m的順層瓦斯抽放鉆孔進(jìn)行注水試驗(yàn)，在礦壓影響帶采用雙向長(zhǎng)鉆孔注水方式，W23023巷采用動(dòng)壓注水，W23021巷采用靜壓注水。順層瓦斯抽放鉆孔封孔長(zhǎng)度8m，孔深100m左右，開孔高度1.5m。

W2302中段綜采面注水的孔間距平均為10m，整個(gè)過程持續(xù)10d。整個(gè)注水過程中大部分注水孔基本保持在正常狀態(tài)，只有極個(gè)別的注水孔出現(xiàn)口部漏水以及煤壁大裂隙跑水的情況。

4 試驗(yàn)煤層的注水規(guī)律及效果分析

4.1 注水參數(shù)隨注水時(shí)間的變化規(guī)律

對(duì)采煤工作面進(jìn)行注水試驗(yàn)，試驗(yàn)研究結(jié)果表明，水在煤層中的滲透是非線性的，具有跳躍性變化的特點(diǎn)。隨著注水壓力提高到一定數(shù)值時(shí)，水量會(huì)快速的增加。主要是由于煤層裂隙通道在較大壓力下打開進(jìn)而出現(xiàn)離層的現(xiàn)象，導(dǎo)致滲透性跳躍性的增加。實(shí)際操作的過程分為動(dòng)壓注水和靜壓注水兩種注水方式，本文對(duì)這兩種基本注水方式進(jìn)行了試驗(yàn)研究以及考察。

4.1.1 動(dòng)壓注水

動(dòng)壓注水封孔器選用新型的高壓膠管膨脹裝置（注水時(shí)封孔器自動(dòng)膨脹封孔），封孔長(zhǎng)度8m，注水過程中，鉆孔口未出現(xiàn)流水現(xiàn)象。

注水開始時(shí)，注水壓力較小，一般在2MPa左右，注水流量在15L/min左右。伴隨注水進(jìn)行，高壓膠管封孔器開始膨脹充滿PVC管壁，注水壓力升高，一般為8MPa。逐步開始向鉆孔內(nèi)充水，壓力緩慢下降至3MPa。鉆孔充滿水之后（視鉆孔長(zhǎng)度、直徑確定），此時(shí)由于煤層鉆孔的孔壁比較緊密結(jié)實(shí)，導(dǎo)水裂隙較難打開，注水流量迅速下降，注水壓力則逐漸上升，達(dá)到約5MPa左右。整個(gè)過程中注水壓力和流量的變化是比較大而且是不穩(wěn)定的，從側(cè)面反應(yīng)出煤層注水難、封孔器封孔和裂隙導(dǎo)水整個(gè)過程的鮮明特點(diǎn)[1]。

根據(jù)交通運(yùn)輸部辦公廳印發(fā)的《公路水運(yùn)品質(zhì)工程評(píng)價(jià)人（試行）》的文件精神，結(jié)合對(duì)當(dāng)前內(nèi)河航道施工企業(yè)的現(xiàn)狀分析，應(yīng)重點(diǎn)在以下幾個(gè)方面做好改進(jìn)工作。

伴隨注水進(jìn)行，一段時(shí)間后，煤體裂隙開始逐步打開，此時(shí)，壓力、流量逐漸穩(wěn)定，壓力保持在3～4MPa，波動(dòng)不大，注水泵正常注水。這一階段稱為注水高峰期，較低的注水壓力，較小的水流波動(dòng)以及較高注水流量和比較短的持續(xù)時(shí)間，2個(gè)半小時(shí)左右煤壁便會(huì)出現(xiàn)出水的現(xiàn)象。

這個(gè)結(jié)果表明煤層注水試驗(yàn)是可以實(shí)現(xiàn)的，然而，在注水的高峰期，注水時(shí)間較短的情況也有出現(xiàn)的可能。造成該情況的主要原因是大的導(dǎo)水裂隙的不完全發(fā)育，達(dá)不到滲透距離和滲透半徑，當(dāng)孔隙充滿水后，因不具備很強(qiáng)的濕潤(rùn)性，導(dǎo)致孔隙的水壓逐漸下降，孔隙水不具備充分的打開新裂隙的能力以及條件[2]。

4.1.2 靜壓注水

靜壓注水無法使用新型的封孔器，實(shí)踐表明使新型封孔器自動(dòng)膨脹的壓力需要達(dá)到3MPa以上，而寺河礦靜壓水的壓力為1～2MPa，若使用新型封孔器靜壓注水時(shí)，流量幾乎為0。

現(xiàn)階段，在靜壓注水過程中，使用的設(shè)備為加工后的帶有鐵質(zhì)絲扣的膨脹封孔器，鉆孔口用封孔膠密封，封孔長(zhǎng)度只能達(dá)到1～2m。

在注水的初期注水壓力是比較小的，隨著鉆孔不斷的注入水以后，注水壓力逐漸升高最后達(dá)到礦井靜壓水壓力，一般在1.0～1.1MPa，此后，注水流量呈不斷緩慢下降的過程，最后可能變成0[3-4]。

4.2 動(dòng)壓、靜壓注水效果的比較

4.2.1 達(dá)到相同注水量所用注水時(shí)間

通過對(duì)W2302中段工作面動(dòng)壓注水和靜壓注水的兩組鉆孔進(jìn)行研究，具體考察結(jié)果見表1。從表1可以明顯看出，當(dāng)注水量到一致時(shí)，動(dòng)壓注水的注水時(shí)間比靜壓注水的注水時(shí)間短很多。

表1 動(dòng)、靜壓注水達(dá)到相同注水量所用時(shí)間的比較

4.2.2 單次注水量

以 W2302中段工作面動(dòng)壓注水和靜壓注水的三組鉆孔為例，其考察結(jié)果見表2。從表2可以看出，以煤壁出水為界限，同靜壓注水相比，動(dòng)壓注水單次注入煤體的水量相對(duì)較多。

表2 動(dòng)、靜壓注水單次注水量的比較

4.3 封孔工藝及參數(shù)對(duì)注水參數(shù)及效果的影響

4.3.1 封孔工藝對(duì)封孔效果的影響

封孔的工藝很大程度上影響了煤層的注水效果，最直接的表現(xiàn)就是在對(duì)封孔效果的影響上。在對(duì)注水過程進(jìn)行考察的同時(shí)發(fā)現(xiàn)，通過帶鐵質(zhì)絲扣膨脹封孔器的應(yīng)用，在注水過程中極易出現(xiàn)孔口滲水及煤壁裂隙出水現(xiàn)象。而新型高壓膠管封孔器，大部分封孔效果好，不會(huì)出現(xiàn)此類異常情況。除去對(duì)封孔材料的影響，封孔人員操作不當(dāng)也會(huì)造成鉆孔孔口密封不嚴(yán)，影響封孔的密封效果。

4.3.2 封孔長(zhǎng)度對(duì)注水參數(shù)及效果的影響

以W2302中段工作面相同注水方式的兩組鉆孔為例，其考察結(jié)果見表3。從表3可以明顯看出，不同的封孔長(zhǎng)度，注水時(shí)間與煤壁出水位置也有相應(yīng)變化，說明封孔長(zhǎng)度與滲透半徑有關(guān)系。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過對(duì)煤層現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行考察，根據(jù)煤層條件的不同給予實(shí)施不同的符合條件的封孔及注水試驗(yàn)，將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。綜采工作面應(yīng)當(dāng)選用新型高壓膠管封孔器進(jìn)行封孔，并增加封孔長(zhǎng)度，以保證封孔質(zhì)量，同時(shí)采用動(dòng)壓注水方式進(jìn)行注水。通過該研究的開展，試驗(yàn)驗(yàn)證了注水時(shí)間、注水方式、封口工藝等因素對(duì)于煤層注水產(chǎn)生的影響，為煤層注水提供了相應(yīng)的數(shù)據(jù)借鑒，同時(shí)也為煤層作業(yè)工藝與設(shè)備的應(yīng)用提供指導(dǎo)。