浅谈煤层注水对治理煤矿井下灾害的重要作用

浅谈煤层注水对治理煤矿井下灾害的重要作用

论文摘要：本文系统分析了煤层注水的钻孔布置和注水参数的合理确定方法，并结合实际的研究项目论述了煤层注水对防尘、防治冲击地压、防火、降温及对放顶煤开采提高回采率和产量的重要作用。

　　1前言

　　随着煤矿开采强度的增加，煤矿安全问题也越来越突出。象瓦斯、煤尘爆炸;冲击地压、煤与瓦斯突出及并下火灾等。一旦发生，不但危及工人的健康与安全，甚至使矿井停产，严重的会摧毁矿井.因此，国内外都非常重视对其的研究和治理工作。而煤层注水是煤矿井下治理以上灾害的综合性理想措施，也是保证井下安全的有效途径。

　　2.　煤层注水钻孔布置及钻孔参数

　　2.1钻孔布置

　　根据煤层的渗透特性，煤层的厚度，工作面长度及巷道布置等.有单向(图l、图5)、双向(图2、图3、图4)及扇形钻孔布置(图3、图5)方式。单向钻孔布置就是在回风巷或进风巷中打钻孔的布置方式。双向钻孔布置就是在回风巷和进风巷中平均布置钻孔的方式。而扇形钻孔布置则是由于煤层厚度太大，在垂直于顶底板方向煤层的渗透性较差的情况下，在同一断面(为了打钻方便和阻止钻孔间的串水)布置多个孔的布置方式。在实际注水中，可根据具体条件进行选择。

　　2.1.2封孔

　　为了使钻孔中的压力水不至于从巷帮被压酥的大裂隙中跑掉，一般要求封孔深度要大于煤层由于矿山压力作用被压酥带的宽度。对于扇形钻孔布置，为了不使钻孔间相互串水，封孔深度一般在10~2肠rn之间，实践证明深封孔有利于提高煤层注水的效果，现在常用的封孔方式有封孔器和水泥砂浆两种。封孔器封孔效果不佳，且不宜实现长期间断性注水。水泥砂浆封孔效果好、可靠，是较理想的封孔方式。为了解决注水或瓦斯抽放等的封孔问题，在“七·五”期间我们研制了SLB型水泥砂浆封孔泵，用该泵封孔最大封孔深度>25m。封孔时，将适当配比的水泥砂浆〔水:水泥:砂子(一0.5:1:1〕装入泵中，将输出管头固定在有注水管(抽放瓦斯管)的钻孔口部，开泵时将水泥砂浆压入钻孔，实现水泥砂浆的深封孔。该封孔方法，一个班可封5~6个孔(>10111)且注水效果好，是较理想的封孔设备。

　　2.2煤层注水参数

　　2.2.1煤层注水渗流方程

　　对于薄及中厚煤层一般用一维渗透来描述

　　对于厚及特厚煤层，水在其中的渗透多用二维非线性渗流来描述，其方程为:

　　上述方程，一般用有限元方法求解，求解后结果与实际吻合较好。在此不详细讨论，下面叙述一种现场常用的方法。

　　2.2.2注水压力

　　煤层注水压力一般要求大于煤层中瓦斯(或其它气体)压力，又小于煤层被水压裂的压力，可由下式给出。

　　2.2.3注水t及注水流t

　　对于扇形钻孔或其它布置方式，钻孔注水量，用钻孔所湿润的煤量来计算。

　　Q=Kmq(5)

　　在静压注水中，注水流量随钻孔中注水阻力的变化而变化，是一不定值;在动压注水中，若泵的流量和同时注水孔数定后，单孔注水流量就是一确定值。根据国内外经验，若注水时间允许，应采用长时间小流量注水对煤层湿润的效果较理想。

　　3煤层注水对各种灾害的治理效果分析

　　煤层注水对防治冲击地压、防尘、防火降温和软化顶煤提高回采率等都起着很重要的作用。现分述如下。

　　3.1煤层注水防治冲击地压

　　煤层注水是一种防治冲击地压的非常有效的措施，它通过注水软化煤体，改变煤体的结构和物理力学性质，来改善煤层开采过程中能量释放的均匀性，瞬时性和稳定性，达到防治冲击地压的目的。

　　3.1.1某矿注水前后冲击性分析

　　煤体在受力时聚积弹性能并产生冲击式破坏的能力是煤岩介质的固有属性，称为冲击倾向。煤层产生冲击地压主要与煤层地质，顶底板条件，开采方法，煤的强度，弹性，内聚力内摩擦角等有关系。若煤的强度、弹性、内聚力、内摩擦角等较小，而破坏过程较缓慢，塑性大，其冲击倾向就小。而煤层注水湿润煤体后，就可以降低强度，内摩擦角等，使煤体显著塑化，从而降低其冲击倾向。表l为某矿注水前后各参数的值。

　　3.1.2效果分析

　　通过上述测试数据表明，煤的弹性模量降低44.8%，C(单轴抗压强度)、列内摩擦角)值分别降低11.2%和70.6%。煤层注水后既降低了煤体的应力集中程度，又扩大了煤壁前方应力降低区的宽度，从而增加了低抗破坏的侧向阻力，另外上覆岩层在未开采前与煤体是同一力学体系，两者相互制约又相互作用。上覆岩层应力分布特性对冲击地压起着非常重要的作用。煤层注水后，可使岩层中应力集中峰值向深部移动，分布范围加大，峰值降低，因此工作面附近一定范围内的应力下降，这种变化使顶板断裂位置向煤壁前方转移，降低了周期来压对工作面煤壁的影响，减少了顶板来压诱发冲击地压的可能性。此外，煤层注水软化煤体后，使煤体的能量释放速度显著下降，破坏形式趋于缓慢，显著改善了煤体破坏时能量释放的稳定性。

　　通过测试表明，煤体强度下降与注水时间呈负指数关系，因此采用长时间小流量注水，宜于降低

煤体强度。

　　综上所述，煤层注水软化煤体，可以降低煤体的物理力学性质增大其塑性，减少或防止冲击地压的危害。

　　3.2煤层注水防尘

　　煤层注水防尘，是防治粉尘产生最有效的措施，它是通过钻孔并利用水的压力将水注入即将回采的煤层中，注入煤层中的水沿着煤的裂隙向被裂隙分割的煤块渗透并储存于裂隙与孔隙之中，增加煤体的水分，使煤体得到预先湿润，以减少采煤时产生浮游粉尘的能力。

　　3.2.1煤层注水水分增加效果

　　煤层注水降低粉尘浓度，主要与煤体的水分含量、注水后水分增量和湿润均匀程度有关系。某矿放顶煤工作面，采用单向钻孔布置方式，动、静压注水相结合，封孔用水泥砂浆封孔，工作面长160r，飞，钻孔长110nl，封孔深度6ln、煤层的孔隙率为10.36%，采用7GB一3.6/160型煤层注水泵，一台泵同时注三孔。该工作面煤层注水的效果非常理想。在原始水分为3.914%这样高的情况下，还平均使水分增加了1.202%，达5.116%，最高达7.72%。并且湿润较均匀，因而取得了较好的防尘效果。

　　3.2.2煤层注水对放顶煤工作面各主要尘源的降尘效果

　　在注水钻孔左右10nl范围内天天采样，以考察煤层注水对各主要尘源的降尘效果，其所测结果见表2所示。

　　由表2可知，该工作面煤层注水取得了很好的降尘效果。采煤机司机处，顺风、逆风割煤时的降尘率分别达83.%和69%;采煤机下风流10m处，顺风、逆风割煤降尘率分别为88%和85%;放煤工处为27%;放媒口下风流10nl处为31%。因此搞好煤层注水，对降低工作面粉尘浓度，减少其污染是非常重要的。

　　3.3煤层注水防火与降温

　　上述某矿在煤层注水中，加入了防火阻化剂，使发火周期由原来的3一6个月，增邢到5一8个月，工作面平均月推进在50m以上，5个月后推进了250rn以上，工作面远离发火源，使其没有足够的氧气供给而不能够充分憔烧发生火灾，解决了火害问题，注水后温度由原来的平均盯度左右，下降到平均25.3度，改善了劳动条件。

　　3、之淇层注水提高顶煤放煤效果

　　在放顶煤开采中，如果煤层比较硬，特别是顶煤较硬，在放煤时，会产生许多大块煤，易使放煤口堵塞，从而使回收率和产量降低。而煤层注水后能够有效地湿润和软化煤体，煤层注水前，煤层，注水后.其单向抗压强度，注水前为20MPa，注水后为8.SMPa。注水软化后的煤体大块少了，顶煤放出率由注水前的74.8%提高到86.3%，日产也由注水前2900t提高到4700t，工效提高了38.2%，机组故障和截齿损耗大幅度下降，工人的劳动强度也大大减轻。

　　4结论

　　通过以上分析得出以下结论:

　　(1)煤层注水是防治井下灾害的综合性措施。并且能够减少切割能量，提高工效和工作面产量与回采率，是非常有效的措施。

　　(2)煤层注水的钻孔布置和注水参数的合理确定，是影响煤层注水关键的因素(对于一定的煤层)。

　　(3)煤层注水能够改变煤体的结构和物理力学性质，降低煤体的强度，弹性模量，内聚力和摩擦角，改善煤体应力集中及支承压力和上覆岩层对煤体的影响，减少或防止了冲击地压的危害。

　　(4)煤层注水可使煤体水分增加，软化煤体，减少粉尘产生量。实践表明，煤层注水可使采煤司机及下风流10rn处降尘率达80%。

　　(5)煤层注水(加入阻化剂)可以使自然发火周期增大，避免火灾的危害，还可降低温度，改善劳动条件。

　　(6)煤层注水软化顶煤，可提高回采率，工效和产量，减少能耗，降低劳动强度。总之，煤层注水是防治井下灾害，保证矿井和工人安全的综合性措施，其推广应用可有效地降低煤矿井下采煤工作面的灾害事故，改善环境，提高工效，促进安全生产。