淺談煤層注水對治理煤礦井下災害的重要作用

論文摘要：本文系統分析了煤層注水的鉆孔布置和注水參數的合理確定方法，并結合實際的研究項目論述了煤層注水對防塵、防治沖擊地壓、防火、降溫及對放頂煤開采提高回采率和產量的重要作用。

　　1前言

　　隨著煤礦開采強度的增加，煤礦安全問題也越來越突出。象瓦斯、煤塵爆炸;沖擊地壓、煤與瓦斯突出及并下火災等。一旦發生，不但危及工人的健康與安全，甚至使礦井停產，嚴重的會摧毀礦井.因此，國內外都非常重視對其的研究和治理工作。而煤層注水是煤礦井下治理以上災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

　　2.1鉆孔布置

　　根據煤層的滲透特性，煤層的厚度，工作面長度及巷道布置等.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巷或進風巷中打鉆孔的布置方式。雙向鉆孔布置就是在回風巷和進風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，在垂直于頂底板方向煤層的滲透性較差的情況下，在同一斷面(為了打鉆方便和阻止鉆孔間的串水)布置多個孔的布置方式。在實際注水中，可根據具體條件進行選擇。

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　　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，實踐證明深封孔有利于提高煤層注水的效果，現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，且不宜實現長期間斷性注水。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，將適當配比的水泥砂漿〔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，開泵時將水泥砂漿壓入鉆孔，實現水泥砂漿的深封孔。該封孔方法，一個班可封5~6個孔(>10111)且注水效果好，是較理想的封孔設備。

　　2.2煤層注水參數

　　2.2.1煤層注水滲流方程

　　對于薄及中厚煤層一般用一維滲透來描述

　　對于厚及特厚煤層，水在其中的滲透多用二維非線性滲流來描述，其方程為:

　　上述方程，一般用有限元方法求解，求解后結果與實際吻合較好。在此不詳細討論，下面敘述一種現場常用的方法。

　　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

　　對于扇形鉆孔或其它布置方式，鉆孔注水量，用鉆孔所濕潤的煤量來計算。

　　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;在動壓注水中，若泵的流量和同時注水孔數定后，單孔注水流量就是一確定值。根據國內外經驗，若注水時間允許，應采用長時間小流量注水對煤層濕潤的效果較理想。

　　3煤層注水對各種災害的治理效果分析

　　煤層注水對防治沖擊地壓、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，它通過注水軟化煤體，改變煤體的結構和物理力學性質，來改善煤層開采過程中能量釋放的均勻性，瞬時性和穩定性，達到防治沖擊地壓的目的。

　　3.1.1某礦注水前后沖擊性分析

　　煤體在受力時聚積彈性能并產生沖擊式破壞的能力是煤巖介質的固有屬性，稱為沖擊傾向。煤層產生沖擊地壓主要與煤層地質，頂底板條件，開采方法，煤的強度，彈性，內聚力內摩擦角等有關系。若煤的強度、彈性、內聚力、內摩擦角等較小，而破壞過程較緩慢，塑性大，其沖擊傾向就小。而煤層注水濕潤煤體后，就可以降低強度，內摩擦角等，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的值。

　　3.1.2效果分析

　　通過上述測試數據表明，煤的彈性模量降低44.8%，C(單軸抗壓強度)、列內摩擦角)值分別降低11.2%和70.6%。煤層注水后既降低了煤體的應力集中程度，又擴大了煤壁前方應力降低區的寬度，從而增加了低抗破壞的側向阻力，另外上覆巖層在未開采前與煤體是同一力學體系，兩者相互制約又相互作用。上覆巖層應力分布特性對沖擊地壓起著非常重要的作用。煤層注水后，可使巖層中應力集中峰值向深部移動，分布范圍加大，峰值降低，因此工作面附近一定范圍內的應力下降，這種變化使頂板斷裂位置向煤壁前方轉移，降低了周期來壓對工作面煤壁的影響，減少了頂板來壓誘發沖擊地壓的可能性。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能量釋放的穩定性。

　　通過測試表明，煤體強度下降與注水時間呈負指數關系，因此采用長時間小流量注水，宜于降低

煤體強度。

　　綜上所述，煤層注水軟化煤體，可以降低煤體的物理力學性質增大其塑性，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，是防治粉塵產生最有效的措施，它是通過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存于裂隙與孔隙之中，增加煤體的水分，使煤體得到預先濕潤，以減少采煤時產生浮游粉塵的能力。

　　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均勻程度有關系。某礦放頂煤工作面，采用單向鉆孔布置方式，動、靜壓注水相結合，封孔用水泥砂漿封孔，工作面長160r，飛，鉆孔長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，一臺泵同時注三孔。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5.116%，最高達7.72%。并且濕潤較均勻，因而取得了較好的防塵效果。

　　3.2.2煤層注水對放頂煤工作面各主要塵源的降塵效果

　　在注水鉆孔左右10nl范圍內天天采樣，以考察煤層注水對各主要塵源的降塵效果，其所測結果見表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。采煤機司機處，順風、逆風割煤時的降塵率分別達83.%和69%;采煤機下風流10m處，順風、逆風割煤降塵率分別為88%和85%;放煤工處為27%;放媒口下風流10nl處為31%。因此搞好煤層注水，對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，使發火周期由原來的3一6個月，增邢到5一8個月，工作面平均月推進在50m以上，5個月后推進了250rn以上，工作面遠離發火源，使其沒有足夠的氧氣供給而不能夠充分憔燒發生火災，解決了火害問題，注水后溫度由原來的平均盯度左右，下降到平均25.3度，改善了勞動條件。

　　3、之淇層注水提高頂煤放煤效果

　　在放頂煤開采中，如果煤層比較硬，特別是頂煤較硬，在放煤時，會產生許多大塊煤，易使放煤口堵塞，從而使回收率和產量降低。而煤層注水后能夠有效地濕潤和軟化煤體，煤層注水前，煤層，注水后.其單向抗壓強度，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%，日產也由注水前2900t提高到4700t，工效提高了38.2%，機組故障和截齒損耗大幅度下降，工人的勞動強度也大大減輕。

　　4結論

　　通過以上分析得出以下結論:

　　(1)煤層注水是防治井下災害的綜合性措施。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的合理確定，是影響煤層注水關鍵的因素(對于一定的煤層)。

　　(3)煤層注水能夠改變煤體的結構和物理力學性質，降低煤體的強度，彈性模量，內聚力和摩擦角，改善煤體應力集中及支承壓力和上覆巖層對煤體的影響，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，減少粉塵產生量。實踐表明，煤層注水可使采煤司機及下風流10rn處降塵率達80%。

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

　　(6)煤層注水軟化頂煤，可提高回采率，工效和產量，減少能耗，降低勞動強度。總之，煤層注水是防治井下災害，保證礦井和工人安全的綜合性措施，其推廣應用可有效地降低煤礦井下采煤工作面的災害事故，改善環境，提高工效，促進安全生產。