趙永全

（山西同煤集團(tuán)虎龍溝煤業(yè)有限公司，山西 朔州 036010）

虎龍溝煤礦開采的3～5#煤層硬度高，厚度大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作面開采時粉塵濃度大，大塊煤較多，回采速度低下，嚴(yán)重影響工作面的正常回采。學(xué)者探索煤層注水可以減少巷道圍巖抗壓顯現(xiàn)，有效防止瓦斯涌出，降低煤塵的生成[1-3]。此外，煤層長時間注水可以使煤巖體充分浸濕，降低煤炭的力學(xué)強(qiáng)度，進(jìn)而有軟化煤巖體的作用[4]。綜合分析81505綜放工作面煤層情況，適宜采用煤層注水來解決回采過程的問題。

1 工程概況

虎龍溝煤礦開采5#號煤層81505 工作面，位于馬口峪河?xùn)|部。81505 工作面標(biāo)高1062～1094 m，下伏8#層為實(shí)體煤，未開采，東部為實(shí)煤區(qū)，南部與盤區(qū)東軌道大巷相接，西部鄰近81503 工作面采空區(qū)，北部鄰近塔山煤礦二盤區(qū)。煤層可采走向長度1488 m，傾斜長度為180 m，總厚度為11.99～14.36 m，平均厚度12.73 m，傾角在3～5°之間，煤層普氏硬度為4.5，直接頂和直接底的普氏硬度為6。直接頂巖性以高嶺質(zhì)泥巖為主，厚度在1.50～2.27 m；直接底巖性以砂質(zhì)泥巖為主，厚度在0.95～3.10 m；基本頂巖性以細(xì)砂巖為主，厚度在7.60～28.8 m。在81505 綜放工作面回采過程中，由于煤層堅(jiān)硬、厚度大、含夾矸、在生產(chǎn)過程中粉塵濃度大等問題，嚴(yán)重影響煤礦正常開采。

2 煤層注水弱化機(jī)理

煤層注水弱化技術(shù)與水力壓裂弱化煤巖體技術(shù)原理基本一致，都是通過注水來改變煤巖體的物理力學(xué)性質(zhì)，從而降低煤巖體的自身強(qiáng)度，來解決工程問題[5]。煤層經(jīng)過長時間高壓注水后，在注水壓力的作用下擴(kuò)展煤體原有的裂隙，在毛細(xì)作用的影響下，煤體會吸收充分的水分，軟化煤體的自身內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦力，在一定的情況下可以解除煤體中的部分應(yīng)力。煤體中固有裂隙得到充分?jǐn)U展或吸收水分后，水會存在裂隙縫當(dāng)中，起到一定的潤滑作用，降低了內(nèi)摩擦角，從而降低了煤體的自身強(qiáng)度。另外，在孔隙壓力的作用下，煤體內(nèi)自身之間的有效應(yīng)力會被部分抵消，所以煤體的抗剪強(qiáng)度也會降低。81505 工作面煤層中含有夾矸，經(jīng)過煤層注水之后，由于夾矸和煤體的力學(xué)性質(zhì)不同，在水的作用下，可將它們充分分離。

3 鉆孔布置及參數(shù)確定

3.1 工作面鉆孔布置

鉆孔在51505 軌道巷扇形布置，超前工作面距離40 m，設(shè)計(jì)布置上部鉆孔3 個和下部鉆孔3 個。上部孔與下部孔間距應(yīng)為3 m，第一個鉆孔打下部鉆孔，距工作面20 m，鉆孔高度為距巷道底板1.5 m，直徑為60 mm。煤層注水鉆孔布置示意圖如圖1所示。

圖1 注水鉆孔布置示意圖

3.2 鉆孔參數(shù)確定

注水效果的好壞取決于鉆孔參數(shù)的選取，根據(jù)81505 綜放工作面的地質(zhì)條件及相關(guān)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)參數(shù)確定如下：

（1）鉆孔角度

① 扇形鉆孔布置角度下部鉆孔按下式計(jì)算：

式中

α-鉆孔傾角，（°）；

h-鉆孔位置進(jìn)回風(fēng)巷對應(yīng)點(diǎn)的高差，m；

lg-鉆孔位置對應(yīng)工作面長度，m。

② 扇形鉆孔布置角度上部鉆孔按下式計(jì)算：

式中

αm-扇形鉆孔上部孔傾角，（°）；

M-煤層厚度，m。

鉆孔始終保持在煤層之中，考慮鉆桿自身下沉，下部鉆孔傾角為2°，上部鉆孔7°。

（2）鉆孔長度

扇形鉆孔長度上部孔按雙向鉆孔長度計(jì)算，長度為1/2 工作面長度短5～8 m，下部鉆孔按單向鉆孔長度短20～40 m。由于鉆桿下沉，上部鉆孔長度取120 m，下部鉆孔長度取120 m。

（3）鉆孔間距

鉆孔間距的確定取決于煤層的透水性的強(qiáng)弱，鑒于81505 工作面煤層透水性較弱，確定施工的鉆孔間距為15 m。

4 注水及封孔

4.1 注水方式

采用動壓注水泵進(jìn)行煤層注水。注水壓力的大小取決于煤層透水性強(qiáng)弱，透水性強(qiáng)的煤層注水壓力低，透水性弱的煤層注水壓力高。鑒于81505 工作面煤層透水性弱，確定注水壓力為不低于4.0 MPa，實(shí)際注水壓力根據(jù)現(xiàn)場煤層情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4.2 注水參數(shù)

采用3BZ8.1/17-45 型動壓注水泵，額定電壓為17 MPa，電機(jī)功率200 kW，額定流量8.1 m3/h。動壓注水泵布設(shè)在順槽離工作面20 m 的距離，隨著綜采工作面的推進(jìn)而移動。根據(jù)煤層相關(guān)物理參數(shù)及影響因素，確定鉆孔注水量為891 m3。實(shí)際動壓注水時為4 m3/h，求得注水時間為9.3 d。根據(jù)動壓注水泵型號，可知同時注水鉆孔數(shù)目為3 個，注水距離超前工作面45 m。

4.3 封孔工藝

本次煤層注水鉆孔在120 m 左右，屬于長鉆孔注水，注水之后最重要的環(huán)節(jié)就是鉆孔的封閉。合理的封孔方式?jīng)Q定煤層注水效果，可以保證煤層浸濕的直徑范圍。考慮到在注水過程中由于水沖刷而造成的鉆孔直徑變大，因此封孔深度也要合理選擇。封孔深度必須大于巷道圍巖塑性區(qū)半徑范圍，避免深度不足進(jìn)而影響巷道圍巖的巖石力學(xué)性質(zhì)，同時水也不會從巷道滲出或溢出，保證了巷道的穩(wěn)定安全。

目前鉆孔封閉方式有很多，而就長鉆孔長時間注水形式而言，能達(dá)到要求的封孔方法不多。注漿封孔泵可以滿足這種要求，安裝專用的注漿泵封孔器進(jìn)行封孔，封孔長度為10 m。封孔注漿材料采用配比為1:0.4 的水、水泥及外加合適的膨脹劑混合而成。配比后的水泥材料呈粘稠狀，在運(yùn)送到鉆孔內(nèi)短時間不會收縮而影響封孔效果。

5 煤層注水效果分析

5.1 煤層注水降塵效果分析

經(jīng)過對煤層進(jìn)行長時間注水有效浸濕了煤后，在開采煤炭過程中降低了粉塵的生成。為了確定注水效果的可靠性，對工作面各個作業(yè)工序進(jìn)行現(xiàn)場粉塵濃度的檢測。經(jīng)過注水前后為期3 個月分別對81505 工作面割煤、放煤、移架期間及回風(fēng)處進(jìn)行檢測分析，粉塵產(chǎn)量明顯下降，檢測具體參數(shù)結(jié)果見表1。

表1 注水前后煤層粉塵濃度對比表

從上表1 中可以看出，自五月份開始煤層注水后，30 d 平均總粉塵濃度和呼吸塵濃度有明顯的下降。在割煤期間平均總粉塵質(zhì)量濃度下降了48.8%，平均呼吸粉塵質(zhì)量濃度下降了54.3%；放煤期間平均總粉塵質(zhì)量濃度下降了52.5%，平均呼吸粉塵質(zhì)量濃度下降了52.8%；移架期間平均總粉塵質(zhì)量濃度下降了53.7%，平均呼吸粉塵質(zhì)量濃度下降了62.9%；回風(fēng)期間平均總粉塵質(zhì)量濃度下降了51.7%，平均呼吸粉塵質(zhì)量濃度下降了38.4%。六月份相對于五月份而言，工作面的粉塵濃度也有明顯的下降，所以煤層注水起到了很好的降塵作用。

5.2 煤層注水放煤效果分析

（1）對比注水前后工作面放煤大塊煤率和回采率

經(jīng)過注水后煤層放煤大塊煤率明顯低于未注水的煤層。從這一現(xiàn)象可以看出，通過注水弱化后，能夠有效地破壞煤的原有物理力學(xué)性質(zhì)，降低了煤炭的強(qiáng)度，在放煤過程中能夠使煤炭充分碎裂，大塊煤也隨之減少。

（2）根據(jù)工作面賦存煤炭儲量和實(shí)際采出煤炭計(jì)算放煤率

在未進(jìn)行煤層注水作業(yè)之前，工作面的放煤率是76%，經(jīng)過注水作業(yè)后，工作面推進(jìn)一段距離后，計(jì)算放煤率為86%，放煤率提升了10%。經(jīng)過對工作面日產(chǎn)量的分析對比知，未注水前工作面的日產(chǎn)量要比注水后工作面的日產(chǎn)量低，說明經(jīng)過注水作業(yè)后可以有效提高工作面的推進(jìn)速率。

6 結(jié)論

81505 綜放工作面注水作業(yè)實(shí)踐表明，經(jīng)過長鉆孔長時間煤層注水，在采煤各個作業(yè)工序中平均降塵率高于50%，有效地改善了工作環(huán)境，保證了作業(yè)人員身體健康。煤層注水作業(yè)后，有效弱化了煤巖體的自身強(qiáng)度，增加了工作面的放煤率，促使煤炭資源得到充分回收。