综放工作面煤层注水参数与效果研究

曹康康

（霍州煤电集团吕临能化有限公司庞庞塔煤矿，山西 临县 033200）

1 工程概况

霍州煤电集团吕临能化有限公司庞庞塔煤矿9-101综放工作面位于9#煤一采区，工作面标高+703～ +851m，平均煤厚为11.8m，煤层结构为4.5（0.3）1.8（0.3）2.8（0.7）1.40。该工作面长度175m，呈一单斜构造，倾向为东西向，走向为南北向，煤层倾角约3.6°。煤层覆岩从下至上依次为厚度0.1～1m的碳质泥岩伪顶、厚度为5～7m的碳质灰岩直接顶、厚度为6～9m的砂质泥岩老顶，顶板裂隙发育程度低。煤层的直接底为1～2m的泥岩，底板遇水无明显软化现象，老底为1～3m的细粒砂岩。9-101工作面所采9#煤煤尘具有爆炸性，爆炸指数为31.93%。现通过应用煤层注水技术，提前将煤体湿润，降低放顶煤回采过程中的粉尘浓度。

2 钻孔布置方式及参数

2.1 注水位置的确定

煤层注水位置距回采工作面合理距离的确定是煤层注水作业中的关键一步，合理的注水位置应确保注水钻孔注水范围内的裂隙可在回采工作面的超前支承压力下发展变化，并且要保证有足够的时间进行注水作业使煤体充分湿润。水通过注水钻孔进入煤层中，沿裂隙运动。当煤层中的裂隙发育程度较低，数量较少时，水所能达到的范围较小，因此被充分湿润的煤体积较小；当煤层中的裂隙发育程度过高，裂隙的张开量大时，所注水会形成径流从煤层表面流过，只能湿润裂隙周边的少量煤体，被充分湿润的煤体积较小；只有当注水区域煤层的裂隙比较发育且裂隙张开量适中时，才能保证最大范围的煤体得到充分的湿润[1]。

大量实测结果及文献[2-3]研究表明，综放工作面前方顶煤可以划分为4个区域，分别为顶煤明显变形区Ⅰ、顶煤压裂区Ⅱ、顶煤松动区Ⅲ、顶煤放落区Ⅳ4个区域。注水区域只能选择在原生裂隙张开及发育的Ⅰ区Ⅱ区或者距综放面距离更远的原岩应力区。表1为不同硬度煤层注水时注水位置超前工作面的合理距离。

表1 不同硬度煤层注水位置超前工作面合理距离

庞庞塔煤矿目前所采9#煤的单轴抗压强度为7.3MPa，属于软煤。由表1不同煤质注水超前工作面合理位置并参考本矿其他综放工作面超前支承压力峰值位置超前工作面约50m的特征，最终确定距工作面10～60m范围内为9-101工作面煤层注水区域。

2.2 钻孔布置方式

该矿9-101综放工作面布置有9-1011回风顺槽用于运煤、正巷进出设备材料、通风、行人，9-1012运输顺槽用于进出设备材料、通风、行人。由于9-1011回风顺槽布置有皮带，限制了作业空间，因此注水孔只能在9-1012运输顺槽侧布置，注水作业也只能在9-1012运输顺槽内进行，因此选用巷道单侧布孔的钻孔布置方式。

2.3 钻孔参数的确定

考虑矿方钻机、钻头规格及注水管的直径，并易于钻孔后期的封孔作业，确定75mm的钻孔直径。煤层透水性、工作面长度等都会对钻孔长度的设计造成影响，单侧布孔时钻孔长度的计算公式：

式中：

l-钻孔的长度，m；

L-工作面长度，取175m；

L1-孔底至另一侧顺槽煤帮的距离，m。

L1由所注水煤层的渗透性确定，当煤层渗透性为Ⅰ、Ⅱ类渗透性较强时，L1≥30m；当煤层渗透性为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类渗透性较弱时，L1=25m。9-101工作面所在煤层渗透性为Ⅲ类，属渗透性较弱的煤层，故取L1=25m，最终确定钻孔长度为150m。

注水钻孔的倾角由式（2）确定。

式中：

γ-钻孔倾角（大于0时为仰角，小于0时为俯角），°；

α-煤层倾角，向上打孔为正值，向下打孔为负值，取24°；

θ-钻杆最大下沉角，取1°。

最终确定钻孔倾角为25°。

钻孔间距主要由煤层渗透性、煤层倾角及现场地质构造等因素决定，而最佳的钻孔间距应与钻孔的润湿直径相等。9-101工作面所在煤层渗透性为Ⅲ类，属渗透性较弱的煤层，通过现场实践确定注水钻孔的间距为15m。

煤层注水单孔注水量的计算公式为：

式中：

K1-重复浸润系数，取1.2；

K2-裂隙储水系数，取1.2；

K3-注水过程中的漏水系数，取1.1；

h-煤层厚度，取11.8m；

L-工作面长度，取175m；

S-孔间距，取15m；

γ-煤的容重，取1.9t/m3；

nz-煤体注水后提升的含水率，取1.8%。

经计算最终确定单孔注水量为1678m3。

3 注水系统及效果分析

3.1 钻孔的布置

在9-1012运输顺槽内采用单侧布孔动压注水方式进行煤层注水作业。注水孔倾角25°，垂直仰角5.02°，倾斜长度150m，孔间距15m，孔底距9-1011回风顺槽煤帮约20m，全工作面共布置49个注水钻孔。注水钻孔由开切眼沿回采方向依次命名为1#、2#～49#钻孔，其中1#钻孔孔口、孔底与开切眼煤壁之间的距离分别为71m和20m。钻孔布置如图1所示。

图1 9-101工作面钻孔布置图

3.2 注水系统及施工参数

9-101工作面采用动压注水方式进行煤层注水作业，整个系统包括容积2m3的与乳化泵配套的水箱、7BG-4.5/160型水泵及5D-2/150注水泵、供水管、注水管、BFK型钻孔专用封孔泵等。注水系统如图2所示。

图2 工作面注水系统示意图

注水系统中注水孔钻孔直径75mm，封孔段长度10m，注水管直径45mm，注水管长度15m，注水管材料为高压胶管或耐高压的高强度塑料管，要求系统中的任何一个组件的耐压能力均应不低于10MPa[4]。钻孔在未达到设计注水量之前用BFK型钻孔专用封孔泵进行封孔作业，要确保足够的封孔长度及密实性，避免出现煤壁大面积漏水、窜孔及封孔段漏水的现象。注水方式：采用两孔并联动压间断重复注水方式。通过截止阀和分流器实现两孔并联同时注水，并且控制每个注水孔流量的大小及时间。初次注水孔位置超前工作面煤壁60m以外；二次复注水在工作面前方支承压力影响区，即超前工作面煤壁40～60m。注水量：根据上文计算结果，每孔注水量不少于1678m3，但不受1678m3限制，注水量达到一定程度后煤壁上出现大面积渗水或水压超过5MPa并持续1h为停水标准。注水时间的控制：选用7BG-4.5/160型注水泵，则每孔注水时间不少于10d；选用5D-2/150型注水泵，每孔注水时间不少于22d。

3.3 注水效果分析

为了考察9-101工作面应用煤层注水降尘工艺的效果，对注水前后煤体的含水量及回采过程中工作面的粉尘浓度进行实测分析。

煤层注水前的平均自然水分含量为2.43%，煤层注水后，取充分湿润的煤样共10份进行含水量测定，最终得到煤层注水后平均水分含量为4.36%，水分增量约1.93%。回采过程中工作面各区域的粉尘浓度实测数据如表2所示。

由表2可知，9-101工作面应用煤层注水降尘工艺后，采煤机司机位置处、采煤机下风侧10m内、移架位置处及工作面上隅角的全尘浓度均控制在200mg/m3，四个位置的降尘率均在60%左右，说明煤层注水降尘效果显著。

表2 回采过程中工作面各区域的粉尘浓度实测数据表

4 结论

本文针对9-101综放工作面的现场实际情况设计了煤层注水参数，确定了钻孔的布置参数、单孔1678m3的单孔注水量，设计了配套使用的注水系统及注水施工参数。在现场实施煤层注水工艺后，对煤体的含水量及回采过程中工作面各位置的全尘浓度进行测试。注水后煤体的水分增量约1.93%，且将工作面上隅角、采煤机司机位置处、移架位置处及采煤机下风侧10m内的全尘浓度控制在200mg/m3左右，四个位置的降尘率均在60%左右，说明煤层注水效果显著。