淺談煤層注水對治理煤礦井下災(zāi)害的重要作用

淺談煤層注水對治理煤礦井下災(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(chǎn)量的重要作用。

　　1前言

　　隨著煤礦開采強(qiáng)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(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)重的會摧毀礦井.因此，國內(nèi)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(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)布置多個孔的布置方式。在實際注水中，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(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，且不宜實現(xiàn)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(dāng)配比的水泥砂漿〔水:水泥:砂子(Zmm>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(xiàn)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(shè)備。

　　2.2煤層注水參數(shù)

　　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(jié)果與實際吻合較好。在此不詳細(xì)討論，下面敘述一種現(xiàn)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(shù)定后，單孔注水流量就是一確定值。根據(jù)國內(nèi)外經(jīng)驗，若注水時間允許，應(yīng)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(zāi)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?，F(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)，來改善煤層開采過程中能量釋放的均勻性，瞬時性和穩(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(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

　　通過上述測試數(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，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，降低了周期來壓對工作面煤壁的影響，減少了頂板來壓誘發(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能量釋放的穩(wěn)定性。

　　通過測試表明，煤體強(qiáng)度下降與注水時間呈負(fù)指數(shù)關(guān)系，因此采用長時間小流量注水，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(yù)先濕潤，以減少采煤時產(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、靜壓注水相結(jié)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(dá)5.116%，最高達(dá)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(nèi)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(jié)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(jī)司機(jī)處，順風(fēng)、逆風(fēng)割煤時的降塵率分別達(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)火周期由原來的3一6個月，增邢到5一8個月，工作面平均月推進(jìn)在50m以上，5個月后推進(jìn)了250rn以上，工作面遠(yuǎn)離發(fā)火源，使其沒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(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，