淺談煤層注水對(duì)治理煤礦井下災(zāi)害的重要作用

論文摘要：本文系統(tǒng)分析了煤層注水的鉆孔布置和注水參數(shù)的合理確定方法，并結(jié)合實(shí)際的研究項(xiàng)目論述了煤層注水對(duì)防塵、防治沖擊地壓、防火、降溫及對(duì)放頂煤開(kāi)采提高回采率和產(chǎn)量的重要作用。

　　1前言

　　隨著煤礦開(kāi)采強(qiáng)度的增加，煤礦安全問(wèn)題也越來(lái)越突出。象瓦斯、煤塵爆炸;沖擊地壓、煤與瓦斯突出及并下火災(zāi)等。一旦發(fā)生，不但危及工人的健康與安全，甚至使礦井停產(chǎn)，嚴(yán)重的會(huì)摧毀礦井.因此，國(guó)內(nèi)外都非常重視對(duì)其的研究和治理工作。而煤層注水是煤礦井下治理以上災(zāi)害的綜合性理想措施，也是保證井下安全的有效途徑。

　　2.　煤層注水鉆孔布置及鉆孔參數(shù)

　　2.1鉆孔布置

　　根據(jù)煤層的滲透特性，煤層的厚度，工作面長(zhǎng)度及巷道布置等.有單向(圖l、圖5)、雙向(圖2、圖3、圖4)及扇形鉆孔布置(圖3、圖5)方式。單向鉆孔布置就是在回風(fēng)巷或進(jìn)風(fēng)巷中打鉆孔的布置方式。雙向鉆孔布置就是在回風(fēng)巷和進(jìn)風(fēng)巷中平均布置鉆孔的方式。而扇形鉆孔布置則是由于煤層厚度太大，在垂直于頂?shù)装宸较蛎簩拥臐B透性較差的情況下，在同一斷面(為了打鉆方便和阻止鉆孔間的串水)布置多個(gè)孔的布置方式。在實(shí)際注水中，可根據(jù)具體條件進(jìn)行選擇。

???

　　2.1.2封孔

　　為了使鉆孔中的壓力水不至于從巷幫被壓酥的大裂隙中跑掉，一般要求封孔深度要大于煤層由于礦山壓力作用被壓酥帶的寬度。對(duì)于扇形鉆孔布置，為了不使鉆孔間相互串水，封孔深度一般在10~2腸rn之間，實(shí)踐證明深封孔有利于提高煤層注水的效果，現(xiàn)在常用的封孔方式有封孔器和水泥砂漿兩種。封孔器封孔效果不佳，且不宜實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期間斷性注水。水泥砂漿封孔效果好、可靠，是較理想的封孔方式。為了解決注水或瓦斯抽放等的封孔問(wèn)題，在“七·五”期間我們研制了SLB型水泥砂漿封孔泵，用該泵封孔最大封孔深度>25m。封孔時(shí)，將適當(dāng)配比的水泥砂漿〔水:水泥:砂子(一0.5:1:1〕裝入泵中，將輸出管頭固定在有注水管(抽放瓦斯管)的鉆孔口部，開(kāi)泵時(shí)將水泥砂漿壓入鉆孔，實(shí)現(xiàn)水泥砂漿的深封孔。該封孔方法，一個(gè)班可封5~6個(gè)孔(>10111)且注水效果好，是較理想的封孔設(shè)備。

　　2.2煤層注水參數(shù)

　　2.2.1煤層注水滲流方程

　　對(duì)于薄及中厚煤層一般用一維滲透來(lái)描述

　　對(duì)于厚及特厚煤層，水在其中的滲透多用二維非線性滲流來(lái)描述，其方程為:

　　上述方程，一般用有限元方法求解，求解后結(jié)果與實(shí)際吻合較好。在此不詳細(xì)討論，下面敘述一種現(xiàn)場(chǎng)常用的方法。

　　2.2.2注水壓力

　　煤層注水壓力一般要求大于煤層中瓦斯(或其它氣體)壓力，又小于煤層被水壓裂的壓力，可由下式給出。

　　2.2.3注水t及注水流t

　　對(duì)于扇形鉆孔或其它布置方式，鉆孔注水量，用鉆孔所濕潤(rùn)的煤量來(lái)計(jì)算。

　　Q=Kmq(5)

　　在靜壓注水中，注水流量隨鉆孔中注水阻力的變化而變化，是一不定值;在動(dòng)壓注水中，若泵的流量和同時(shí)注水孔數(shù)定后，單孔注水流量就是一確定值。根據(jù)國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，若注水時(shí)間允許，應(yīng)采用長(zhǎng)時(shí)間小流量注水對(duì)煤層濕潤(rùn)的效果較理想。

　　3煤層注水對(duì)各種災(zāi)害的治理效果分析

　　煤層注水對(duì)防治沖擊地壓、防塵、防火降溫和軟化頂煤提高回采率等都起著很重要的作用。現(xiàn)分述如下。

　　3.1煤層注水防治沖擊地壓

　　煤層注水是一種防治沖擊地壓的非常有效的措施，它通過(guò)注水軟化煤體，改變煤體的結(jié)構(gòu)和物理力學(xué)性質(zhì)，來(lái)改善煤層開(kāi)采過(guò)程中能量釋放的均勻性，瞬時(shí)性和穩(wěn)定性，達(dá)到防治沖擊地壓的目的。

　　3.1.1某礦注水前后沖擊性分析

　　煤體在受力時(shí)聚積彈性能并產(chǎn)生沖擊式破壞的能力是煤巖介質(zhì)的固有屬性，稱為沖擊傾向。煤層產(chǎn)生沖擊地壓主要與煤層地質(zhì)，頂?shù)装鍡l件，開(kāi)采方法，煤的強(qiáng)度，彈性，內(nèi)聚力內(nèi)摩擦角等有關(guān)系。若煤的強(qiáng)度、彈性、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角等較小，而破壞過(guò)程較緩慢，塑性大，其沖擊傾向就小。而煤層注水濕潤(rùn)煤體后，就可以降低強(qiáng)度，內(nèi)摩擦角等，使煤體顯著塑化，從而降低其沖擊傾向。表l為某礦注水前后各參數(shù)的值。

　　3.1.2效果分析

　　通過(guò)上述測(cè)試數(shù)據(jù)表明，煤的彈性模量降低44.8%，C(單軸抗壓強(qiáng)度)、列內(nèi)摩擦角)值分別降低11.2%和70.6%。煤層注水后既降低了煤體的應(yīng)力集中程度，又?jǐn)U大了煤壁前方應(yīng)力降低區(qū)的寬度，從而增加了低抗破壞的側(cè)向阻力，另外上覆巖層在未開(kāi)采前與煤體是同一力學(xué)體系，兩者相互制約又相互作用。上覆巖層應(yīng)力分布特性對(duì)沖擊地壓起著非常重要的作用。煤層注水后，可使巖層中應(yīng)力集中峰值向深部移動(dòng)，分布范圍加大，峰值降低，因此工作面附近一定范圍內(nèi)的應(yīng)力下降，這種變化使頂板斷裂位置向煤壁前方轉(zhuǎn)移，降低了周期來(lái)壓對(duì)工作面煤壁的影響，減少了頂板來(lái)壓誘發(fā)沖擊地壓的可能性。此外，煤層注水軟化煤體后，使煤體的能量釋放速度顯著下降，破壞形式趨于緩慢，顯著改善了煤體破壞時(shí)能量釋放的穩(wěn)定性。

　　通過(guò)測(cè)試表明，煤體強(qiáng)度下降與注水時(shí)間呈負(fù)指數(shù)關(guān)系，因此采用長(zhǎng)時(shí)間小流量注水，宜于降低

煤體強(qiáng)度。

　　綜上所述，煤層注水軟化煤體，可以降低煤體的物理力學(xué)性質(zhì)增大其塑性，減少或防止沖擊地壓的危害。

　　3.2煤層注水防塵

　　煤層注水防塵，是防治粉塵產(chǎn)生最有效的措施，它是通過(guò)鉆孔并利用水的壓力將水注入即將回采的煤層中，注入煤層中的水沿著煤的裂隙向被裂隙分割的煤塊滲透并儲(chǔ)存于裂隙與孔隙之中，增加煤體的水分，使煤體得到預(yù)先濕潤(rùn)，以減少采煤時(shí)產(chǎn)生浮游粉塵的能力。

　　3.2.1煤層注水水分增加效果

　　煤層注水降低粉塵濃度，主要與煤體的水分含量、注水后水分增量和濕潤(rùn)均勻程度有關(guān)系。某礦放頂煤工作面，采用單向鉆孔布置方式，動(dòng)、靜壓注水相結(jié)合，封孔用水泥砂漿封孔，工作面長(zhǎng)160r，飛，鉆孔長(zhǎng)110nl，封孔深度6ln、煤層的孔隙率為10.36%，采用7GB一3.6/160型煤層注水泵，一臺(tái)泵同時(shí)注三孔。該工作面煤層注水的效果非常理想。在原始水分為3.914%這樣高的情況下，還平均使水分增加了1.202%，達(dá)5.116%，最高達(dá)7.72%。并且濕潤(rùn)較均勻，因而取得了較好的防塵效果。

　　3.2.2煤層注水對(duì)放頂煤工作面各主要塵源的降塵效果

　　在注水鉆孔左右10nl范圍內(nèi)天天采樣，以考察煤層注水對(duì)各主要塵源的降塵效果，其所測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2所示。

　　由表2可知，該工作面煤層注水取得了很好的降塵效果。采煤機(jī)司機(jī)處，順風(fēng)、逆風(fēng)割煤時(shí)的降塵率分別達(dá)83.%和69%;采煤機(jī)下風(fēng)流10m處，順風(fēng)、逆風(fēng)割煤降塵率分別為88%和85%;放煤工處為27%;放媒口下風(fēng)流10nl處為31%。因此搞好煤層注水，對(duì)降低工作面粉塵濃度，減少其污染是非常重要的。

　　3.3煤層注水防火與降溫

　　上述某礦在煤層注水中，加入了防火阻化劑，使發(fā)火周期由原來(lái)的3一6個(gè)月，增邢到5一8個(gè)月，工作面平均月推進(jìn)在50m以上，5個(gè)月后推進(jìn)了250rn以上，工作面遠(yuǎn)離發(fā)火源，使其沒(méi)有足夠的氧氣供給而不能夠充分憔燒發(fā)生火災(zāi)，解決了火害問(wèn)題，注水后溫度由原來(lái)的平均盯度左右，下降到平均25.3度，改善了勞動(dòng)條件。

　　3、之淇層注水提高頂煤放煤效果

　　在放頂煤開(kāi)采中，如果煤層比較硬，特別是頂煤較硬，在放煤時(shí)，會(huì)產(chǎn)生許多大塊煤，易使放煤口堵塞，從而使回收率和產(chǎn)量降低。而煤層注水后能夠有效地濕潤(rùn)和軟化煤體，煤層注水前，煤層，注水后.其單向抗壓強(qiáng)度，注水前為20MPa，注水后為8.SMPa。注水軟化后的煤體大塊少了，頂煤放出率由注水前的74.8%提高到86.3%，日產(chǎn)也由注水前2900t提高到4700t，工效提高了38.2%，機(jī)組故障和截齒損耗大幅度下降，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度也大大減輕。

　　4結(jié)論

　　通過(guò)以上分析得出以下結(jié)論:

　　(1)煤層注水是防治井下災(zāi)害的綜合性措施。并且能夠減少切割能量，提高工效和工作面產(chǎn)量與回采率，是非常有效的措施。

　　(2)煤層注水的鉆孔布置和注水參數(shù)的合理確定，是影響煤層注水關(guān)鍵的因素(對(duì)于一定的煤層)。

　　(3)煤層注水能夠改變煤體的結(jié)構(gòu)和物理力學(xué)性質(zhì)，降低煤體的強(qiáng)度，彈性模量，內(nèi)聚力和摩擦角，改善煤體應(yīng)力集中及支承壓力和上覆巖層對(duì)煤體的影響，減少或防止了沖擊地壓的危害。

　　(4)煤層注水可使煤體水分增加，軟化煤體，減少粉塵產(chǎn)生量。實(shí)踐表明，煤層注水可使采煤司機(jī)及下風(fēng)流10rn處降塵率達(dá)80%。

　　(5)煤層注水(加入阻化劑)可以使自然發(fā)火周期增大，避免火災(zāi)的危害，還可降低溫度，改善勞動(dòng)條件。

　　(6)煤層注水軟化頂煤，可提高回采率，工效和產(chǎn)量，減少能耗，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。總之，煤層注水是防治井下災(zāi)害，保證礦井和工人安全的綜合性措施，其推廣應(yīng)用可有效地降低煤礦井下采煤工作面的災(zāi)害事故，改善環(huán)境，提高工效，促進(jìn)安全生產(chǎn)。