王建坤，呂建立，王 江，李 崗

（河南能源化工集團永煤公司龍王莊礦，河南 澠池 472434）

豫西三軟煤層的典型特點：煤層及頂?shù)装鍘r性強度低，煤層賦存起伏大，厚薄不均（典型的雞窩煤），煤層堅固性系數(shù)在三類以上，抽采鉆孔難，易對煤層進行全覆蓋。在對工作面進行回采的過程中，常出現(xiàn)煤壁片冒、回風流瓦斯忽高忽低、煤塵超標現(xiàn)象，嚴重影響著回采效率以及工人的身心健康。盡管工作面采取了淺孔注水工藝，但由于淺孔施工與工作面回采進行交叉作業(yè)，回采的安全性及效率低，且無法保證注水時間和注水量，效果不佳。為此，龍王莊礦為滿足綜放工作面安全高效的生產(chǎn)需要，通過采用工作面順槽高低壓深孔超前注水技術(shù)，有效超前釋放了煤層瓦斯，控制了上隅角和回風流瓦斯的異常浮動；減少了工作面的片幫冒頂現(xiàn)象，使工作面回風流中的粉塵得到了有效抑制；清除了淺孔注水與工作面回采交叉作業(yè)的安全隱患，為綜采工作面的安全高效生產(chǎn)奠定了良好基礎(chǔ)。

1 煤層高低壓深孔超前注水機理

煤層高壓深孔超前注水機理：在工作面超前30~100 m以外施工順層抽采鉆孔的過程中，每間隔8~10 m抽取一個見煤段較長的抽采鉆孔以作為注水鉆孔，并采用加強的封孔材料和封孔工藝進行封堵連抽，待抽采濃度在10%以下時，向孔內(nèi)注入不低于6 MPa的高壓水（一孔兩用）。這樣將會使原有煤體發(fā)生以下改變：

1）打破煤體原有的煤-瓦斯體系的平衡，形成新的煤-瓦斯-水三相體系平衡，使煤的力學性質(zhì)發(fā)生明顯變化，煤的彈性和強度減小，塑性增大；

2）改變瓦斯流動性質(zhì)，在高壓水作用下，煤體微裂隙得以擴展和聯(lián)通，部分游離瓦斯通過鄰近抽采鉆孔得以釋放，煤層瓦斯含量、瓦斯壓力均明顯降低，另外，高壓水分子附著在煤體表面，可有效抑制瓦斯的解析過程，使一部分瓦斯在煤體破壞后不涌入采掘空間，而是隨煤體被運出工作面，從而減少采動影響區(qū)域內(nèi)游離瓦斯的來源；

3）改變煤體應力集中位置，高壓水使煤體內(nèi)孔隙裂隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，應力得到重新分布，向深部轉(zhuǎn)移，尤其在工作面前20~30 m左右的應力集中區(qū)效果更為明顯。

煤層低壓深孔超前注水機理：在工作面超前20 m以里的卸壓區(qū)內(nèi)，利用原有的順層抽采鉆孔或注水鉆孔（一孔多用）進行補強注水。由于該區(qū)域應力已釋放，煤體強度降低，裂隙發(fā)育，利用巷道內(nèi)靜壓水源（2~3 MPa）即可達到超前驅(qū)逐瓦斯和濕潤煤體的效果，增強煤體塑性，提高其防片冒性能。另外，煤體含水率增大，產(chǎn)塵源減少，可有效降低工作面回采過程中的煤塵量。

2 工程實例概況

龍王莊煤業(yè)1208綜放工作面主采二1煤，煤層埋深650~760 m，工作面走向長度為876 m，傾斜長度160 m，煤層厚度0.2~10.2 m，平均厚度3.78 m，煤層傾角14°~30°，平均傾角16°，煤層變異系數(shù)為77%，煤層強度系數(shù)f為0.5~1.0，煤質(zhì)松軟易碎；煤層頂板為1~2級，底板為A-C類，煤層結(jié)構(gòu)簡單，屬典型的“三軟雞窩煤”不穩(wěn)定煤層。工作面殘余瓦斯質(zhì)量含量為2.25~4.68 m3/t，瓦斯壓力0.32 MPa，煤塵爆炸指數(shù)27.5%，具有爆炸危險性，工作面采用走向長壁式采煤方法，實行綜采放頂煤一次采全高、全部垮落法管理頂板。

3 注水方案設(shè)計及流程管控

3.1 注水方案設(shè)計原則及依據(jù)

1）注水方案設(shè)計遵照“封得住、耐得壓、注得足、立得住、握成團”的原則，針對性地解決煤層內(nèi)注水“封不住、不上壓、注不進、效果差”頑疾；

2）根據(jù)工作面超前應力分布選擇注水方式、注水參數(shù)和注水時間；

3）利用抽采鉆孔設(shè)計，并根據(jù)抽采鉆孔的施工情況、煤巖孔長度及封孔質(zhì)量合理確定注水鉆孔，做到“一孔兩用、一孔多用”；

4）高壓注水鉆孔必須根據(jù)距切眼的間距進行反復注水、反復抽采，且注水壓力必須逐級提高，以增加注水量。

3.2 注水方案

根據(jù)1208工作面軌道順槽瓦斯抽采順層鉆孔設(shè)計，在順層鉆孔施工的過程中，每間隔8~10 m選擇一個抽采鉆孔作為注水鉆孔，選用符合高壓注水條件的封孔材料和封孔工藝進行封孔，并接入抽采系統(tǒng)進行抽采，待該鉆孔瓦斯抽采濃度衰減80%以上時，即可連接高壓供水系統(tǒng)進行高壓注水，直至孔口、周邊或鄰近鉆孔滲水、出水為止，并再次將該鉆孔接入抽采系統(tǒng)進行抽采；待該鉆孔距工作面切眼20~30 m（應力集中區(qū)）時，將其連接至高壓供水系統(tǒng)進行由低到高的增壓注水，直至孔口周邊或鄰近鉆孔滲水、出水為止；對于進入距工作面切眼小于20 m范圍內(nèi)（卸壓區(qū)）的抽采鉆孔或注水鉆孔，拆除其連抽管件，從距切眼3~5 m處開始，向每個抽采鉆孔封孔管（Φ50 mm）內(nèi)插入注水封孔器（Φ38 mm），并逐個連入低壓供水管路（注水鉆孔直接連入），進行低壓注水，直至孔口、周邊、鄰近孔或工作面內(nèi)出現(xiàn)滲水、出水為止。注水鉆孔布置如圖1所示，抽采鉆孔注水封孔工藝如圖2所示。

圖1 注水鉆孔布置圖

圖2 抽采鉆孔注水封孔工藝

3.3 注水參數(shù)確定

3.3.1 鉆孔選擇

按照“一孔兩用、一孔多用”的原則選擇抽采鉆孔作為注水鉆孔，鉆孔間距為8~10 m，鉆孔深度不低于85 m，封孔材料采用Φ25 mm鍍鋅鋼管，封孔深度不低于15 m，封孔工藝采用“兩堵一注”帶壓封孔，外段添堵膨脹速凝水泥砂漿。

3.3.2 注水壓力

由于“三軟”煤層具有強度低、易破碎的特點，因此注水壓力對注水半徑和注水效果影響較大。通過試驗發(fā)現(xiàn)，注水壓力超過8 MPa時，鉆孔周邊的原有或次生裂隙以及鄰近抽采鉆孔均會在短時間內(nèi)出現(xiàn)滲水或透孔，影響有效注水量和注水效果；而注水壓力小于2 MPa時，注水擴散半徑太小，注水量少，無從談起注水效果；而注水壓力由小變大逐級增壓至6 MPa并保壓注水時，注水量能增加50%以上，因此，注水壓力選定在6~8 MPa。

3.3.3 注水量與注水時間

經(jīng)試驗，高壓注水鉆孔首次采取由低壓向高壓逐級增壓、保壓注水時，單孔最大注水量可達到80 m3左右，二次保壓注水可達到15 m3左右，進入工作面卸壓區(qū)的三次低壓注水可達到5~8 m3。注水時間以孔口、孔周邊或鄰近孔滲水、出水為止。注水參數(shù)如表1所示。

表1 注水參數(shù)表

3.3.4 注水工藝流程及管控措施

3.3.4.1 注水工藝流程

施工鉆孔（Φ94 mm）85 m→全程下鍍鋅鋼管（Φ25 mm）→“兩堵一注”封孔25 m（有效封孔段不低于8 m）→連管抽采→連接高壓注水管路注水→連管抽采→連接高壓注水管路注水→連管抽采→連接低壓注水管路注水→結(jié)束。

3.3.4.2 注水管控措施

為確?！胺獾米?、耐得壓、注得足、立得住、握成團”的注水效果，特采取以下措施：

1）為強化“封得住”，要求采用“兩堵一注”帶壓封孔工藝，并將封孔深度推深至距孔口15 m的卸壓區(qū)以里，有效帶壓封孔長度增加至8 m（注漿帶壓不低于2 MPa），并對鉆孔外段空間進行灌漿處理，盡可能增強鉆孔周邊的嚴密性。

2）為確?！澳偷脡骸保饪坠苈凡捎脽o縫鋼管，接頭采用“U”型卡卡接，封孔材料采用高標號特殊混合料，注水管路采用耐壓軟膠管。

3）為保證“注得足”，首次高壓注水采取逐級升壓、保壓注水，爭取高壓最大注水量；而在后期的二次、三次高低壓注水過程中，僅考核注水量，不考核注水壓力，爭取最大注水量；另外，在工作面超前5~10 m的卸壓區(qū)，利用抽采鉆孔，向其中插入注水封孔器進行超前低壓注水，進一步增加煤體注水量。

4）“立得住、握成團”的標準就是要達到煤體塑性增強，不易片冒，煤墻落煤后可抓煤成團。

4 效果分析

1）通過觀測，高壓注水前后鄰近抽采鉆孔的抽采濃度變化如圖3所示，由圖3可知，高壓水破壞了周邊煤體結(jié)構(gòu)，增加了煤體的顯性裂隙，在與抽采鉆孔之間形成高壓差，促使解析出來的大量瓦斯涌入抽采鉆孔，提高了單孔抽采濃度，強化了抽采效果。

圖3 高壓注水前后抽采瓦斯?jié)舛茸兓?/p>

2）通過觀測工作面超前鉆孔瓦斯抽采濃度，確定了工作面超前應力集中區(qū)為20~30 m。而進行高低壓注水后，再次觀測工作面超前鉆孔瓦斯抽采濃度，其變化如圖4所示。由圖4可知，高低壓注水后，工作面超前應力集中區(qū)表現(xiàn)弱化，有利于消除瓦斯集聚區(qū)的出現(xiàn)。

圖4 高壓注水前后應力集中區(qū)瓦斯?jié)舛茸兓?/p>

3）工作面及回風流瓦斯傳感器最大值的變化情況如圖5所示。由圖5可知，經(jīng)過高低壓注水后，工作面前方煤體瓦斯已提前釋放，避免了瓦斯忽高忽低的異常變化，為工作面安全回采提供了堅實基礎(chǔ)。

圖5 高低壓注水前后工作面最大瓦斯?jié)舛茸兓?/p>

4）工作面及其回風流中各測塵點的總粉塵濃度檢測變化情況如表2所示。由表2可知，工作面取得了較好的降塵效果，各工序降塵率在60%以上，注水降塵效果明顯。

表2 1208工作面各測塵點總粉塵濃度測定結(jié)果

5 結(jié)語

在綜放工作面超前及其以外施工抽采鉆孔過程中，合理選擇注水鉆孔（一孔兩用），強化封孔要求，進行多輪次的高低壓注水，可有效提高工作面的瓦斯抽采量，弱化工作面超前應力集中區(qū)，消除工作面瓦斯涌出異常，降低工作面瓦斯涌出量，增強工作面煤體塑性，減少煤墻片冒，避免了工作面淺孔注水與正?；夭山惶孀鳂I(yè)，提高了工作面的正規(guī)循環(huán)作業(yè)率，降低了工作面各工序的產(chǎn)塵量，優(yōu)化了作業(yè)環(huán)境，為礦井的安全高效生產(chǎn)奠定了堅實基礎(chǔ)。該技術(shù)在“三軟雞窩煤”開采過程中，具有很大的推廣應用價值。