開采煤層注水參數研究

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摘要:介紹了山西蘭花集團伯方煤礦3202綜放工作面煤層注水方式選擇和注水技術參數的確定方法以及注水降塵效果。結合現場實際，分析總結提出進一步提高注水降塵效果的具體技術措施。

關鍵詞:綜放開采;煤層注水;技術參數;降塵效果

0引言在煤礦生產過程中，煤塵嚴重地威脅著生產安全和礦工的身心健康。主要表現在2個方面:一是對人體健康的危害，即工人長期吸入礦塵，輕者患呼吸道炎癥，重者患塵肺病;二是引起燃燒和爆炸事故〔1－2〕。煤層注水技術是礦井最重要的降塵措施之一，基于伯方煤礦3202綜放工作面的具體情況，設計了該煤層注水方式及注水參數，并將其應用于現場實踐。

1試驗工作面概況

3202綜放工作面位于二盤區運輸巷的右側，為二盤區首采工作面，其兩側均為實體煤。工作面的巷道布置見圖1。煤層賦存深度225～250m，平均

230m。工作面長145m(走向方向)推進長度705m(傾斜方向)，煤層厚度5．82m，傾角3°～5°，賦存穩定。3#煤層的直接頂為3．68m厚的泥巖，老頂為8．36m厚的中砂巖;直接底為2．29m厚的細砂巖，老底為6．96m厚的黑色泥巖。工作面整體為一單斜構造，傾角3°～5°，無斷層和褶皺，但有2個陷落柱。1個位于距回風順槽100m處，對生產無影響;另1個回風順槽100m處，其大小為長軸80m，短軸50m，對回采有影響，回采至該陷落柱時需搬遷工作面。

2煤層注水方式及注水參數的確定2．1注水方式的選擇按照水進入煤體的形式可以分為:長鉆孔注水、短鉆孔注水和深孔注水;按照水的供給方式可以分為:靜壓注水和動壓注水。

根據伯方煤礦綜放工作面的具體條件，考慮3#煤層的滲透性、采煤作業和注水作業的相互干擾程度、綜放工作面的巷道布置、煤的埋藏深度、頂板巖石遇水的軟化程度等，確定采用長鉆孔、動壓注水方式。

2．2注水參數確定

2．2．1鉆孔(1)鉆孔布置。采用單側布孔法，鉆孔布置在回風順槽內距底板(即煤層底板)1．3m左右高度處。

(2)鉆孔長度L。鉆孔長度取決于工作面長度、煤層透水性及鉆孔方向。單向鉆孔的鉆孔長度L=L1－L2，工作面長度L1為145m;L1為孔底至另一個順槽煤幫距離，根據伯方煤礦3#煤的滲透性，取L2=25m;則鉆孔長度為L=120m。

(3)鉆孔間距B。鉆孔間距B取20m。

(4)鉆孔水平轉角。為避免回采工作面推進過程與注水鉆孔平行接觸，防止工作面煤壁片幫，保持在工作面推進方向上注水量的均勻性，一般取注水孔的水平轉角為70°～75°。

(5)鉆孔傾角。鉆孔仰角1．1°～1．3°，確保孔底距煤層頂板0．5～1m。

(6)封孔方法與封孔長度。在煤層完整性和鉆孔質量較好的條件下，選用水力膨脹封孔器封孔，封孔長度取5～6m;在煤層完整性和鉆孔質量較差的條件下，采用水泥注漿泵注漿封孔，封孔長度取8～10m。

2．2．2注水參數

(1)注水超前回采工作面的合理位置。預注水超前工作面位置的確定是注水工作中一個關鍵的技術問題。預注水位置的選擇既要考慮頂煤在前方支承壓力作用下裂隙的發展變化，又要考慮有足夠的時間使注入煤體的水能夠充分潤濕煤體。對于綜放工作面，頂煤在工作面前方的變形具有明顯的漸進性和分區性。實際的最佳注水位置應根據實測的支撐壓力曲線和頂煤位移曲線確定。根據不同硬度煤層支承壓力的分布特征、頂煤變形規律和測試結果，制定硬煤、中硬煤和軟煤預注水超前工作面的合理注水區域位置見表1。

伯方煤礦3#煤的單軸抗壓強度為:上部9．55MPa，下部8．67MPa，平均9．11MPa，屬于軟煤。因此確定開始注水超前工作面煤壁的距離為40～60m，停止注水超前工作面的距離為10～20m。

(2)單孔注水量。

計算公式:Q=K·h·L·ρ·n

z(1)式中，h為煤層厚度，L為工作面長度，S為注水孔間距，ρ為煤的密度，取1．4t/m3，nz為煤體注水后提高的含水率，取1%，K為重復浸潤系數，在一般情況取K=1．2。表2為不同煤層厚度和不同工作面長度條件下單孔注水量的計算結果。

(3)注水時間。鉆孔注水時間與注水量成正比，與注水速度成反比。首先應根據煤層的滲透特性和鉆孔長度選擇注水泵，選定注水泵后即可確定每孔的注水時間，在該礦的實際操作中注水時間以煤壁“掛汗”時為止。

根據t=Q/q，，q為注水泵的流量，選用7BG－4．5/160注水泵，泵的流量為4．5m3/h，則在不同煤層厚度和不同工作面長度條件下每個注水孔的注水時間計算結果見表3。

(4)注水壓力。注水壓力與煤層埋深、上覆巖層的密度、煤層瓦斯壓力以及煤體結構等因素有關〔3〕。

式中，p為注水壓力(終壓)，MPa;c為滲透系數隨注水壓力增加的指數系數，c=0．1581;ρw為水的密度，0．001kg/cm3;q1為單位注水孔長度、單位煤層厚度、單位時間內的1/2注水量，cm3;R為注水區域半徑，cm;a為滲透系數初值，，cm/h;K為重復浸濕和漏水備用系數，取K=1．2。則在不同煤層厚度和不同工作面長度條件下每個注水孔的注水壓力計算結果見表4。

3注水降塵效果及其分析通過測定注水前后割、放煤時的總塵量和呼吸性粉塵濃度評價注水降塵效果，注水前，總含塵量113．6mg/m3，呼吸性粉塵量61．3mg/m3;實施煤層注水后，總含塵量為45．8mg/m3，呼吸性粉塵量為28．6mg/m3，分別比注水前降低59．7%和53．3%。

但由于伯方煤礦開采的3

#煤為無煙煤，質硬、性脆、水潤濕性差，仍遠高于《煤礦安全規程》規定的作業場所空氣中最高粉塵濃度值(總粉塵量＜10mg/m3，呼吸性粉塵＜3．5mg/m3)。要使3#煤綜放工作面粉塵量有明顯降低，達到或接近允許值，必須進行以下工作:(1)注水壓力提高到5MPa以上，確保有效封孔長度3～5m，防止注水孔口附近跑漏水，影響注水質量。

(2)在注水中添加表面潤濕劑，提高水對煤的潤濕效果。

(3)在工作面超前支承壓力影響帶內實施注水工作，采用動壓間斷復注水方式。

(4)采取綜合降塵措施，包括割煤降塵、移架降塵、放煤降塵、破碎機降塵和各轉載點降塵等。

4結論

(1)在3#煤層中實施注水，可以明顯降低粉塵濃度，但有一定局限性，必須加強綜合防塵。

(2)3#煤層為水潤濕性差的煤層，可在注水中添加表面潤濕劑，提高水對煤的潤濕效果。同時采用動壓間斷復注水方式和綜合降塵措施改善注水降塵效果。