开采煤层注水参数研究

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摘要:介绍了山西兰花集团伯方煤矿3202综放工作面煤层注水方式选择和注水技术参数的确定方法以及注水降尘效果。结合现场实际，分析总结提出进一步提高注水降尘效果的具体技术措施。

关键词:综放开采;煤层注水;技术参数;降尘效果

0引言在煤矿生产过程中，煤尘严重地威胁着生产安全和矿工的身心健康。主要表现在2个方面:一是对人体健康的危害，即工人长期吸入矿尘，轻者患呼吸道炎症，重者患尘肺病;二是引起燃烧和爆炸事故〔1－2〕。煤层注水技术是矿井最重要的降尘措施之一，基于伯方煤矿3202综放工作面的具体情况，设计了该煤层注水方式及注水参数，并将其应用于现场实践。

1试验工作面概况

3202综放工作面位于二盘区运输巷的右侧，为二盘区首采工作面，其两侧均为实体煤。工作面的巷道布置见图1。煤层赋存深度225～250m，平均

230m。工作面长145m(走向方向)推进长度705m(倾斜方向)，煤层厚度5．82m，倾角3°～5°，赋存稳定。3#煤层的直接顶为3．68m厚的泥岩，老顶为8．36m厚的中砂岩;直接底为2．29m厚的细砂岩，老底为6．96m厚的黑色泥岩。工作面整体为一单斜构造，倾角3°～5°，无断层和褶皱，但有2个陷落柱。1个位于距回风顺槽100m处，对生产无影响;另1个回风顺槽100m处，其大小为长轴80m，短轴50m，对回采有影响，回采至该陷落柱时需搬迁工作面。

2煤层注水方式及注水参数的确定2．1注水方式的选择按照水进入煤体的形式可以分为:长钻孔注水、短钻孔注水和深孔注水;按照水的供给方式可以分为:静压注水和动压注水。

根据伯方煤矿综放工作面的具体条件，考虑3#煤层的渗透性、采煤作业和注水作业的相互干扰程度、综放工作面的巷道布置、煤的埋藏深度、顶板岩石遇水的软化程度等，确定采用长钻孔、动压注水方式。

2．2注水参数确定

2．2．1钻孔(1)钻孔布置。采用单侧布孔法，钻孔布置在回风顺槽内距底板(即煤层底板)1．3m左右高度处。

(2)钻孔长度L。钻孔长度取决于工作面长度、煤层透水性及钻孔方向。单向钻孔的钻孔长度L=L1－L2，工作面长度L1为145m;L1为孔底至另一个顺槽煤帮距离，根据伯方煤矿3#煤的渗透性，取L2=25m;则钻孔长度为L=120m。

(3)钻孔间距B。钻孔间距B取20m。

(4)钻孔水平转角。为避免回采工作面推进过程与注水钻孔平行接触，防止工作面煤壁片帮，保持在工作面推进方向上注水量的均匀性，一般取注水孔的水平转角为70°～75°。

(5)钻孔倾角。钻孔仰角1．1°～1．3°，确保孔底距煤层顶板0．5～1m。

(6)封孔方法与封孔长度。在煤层完整性和钻孔质量较好的条件下，选用水力膨胀封孔器封孔，封孔长度取5～6m;在煤层完整性和钻孔质量较差的条件下，采用水泥注浆泵注浆封孔，封孔长度取8～10m。

2．2．2注水参数

(1)注水超前回采工作面的合理位置。预注水超前工作面位置的确定是注水工作中一个关键的技术问题。预注水位置的选择既要考虑顶煤在前方支承压力作用下裂隙的发展变化，又要考虑有足够的时间使注入煤体的水能够充分润湿煤体。对于综放工作面，顶煤在工作面前方的变形具有明显的渐进性和分区性。实际的最佳注水位置应根据实测的支撑压力曲线和顶煤位移曲线确定。根据不同硬度煤层支承压力的分布特征、顶煤变形规律和测试结果，制定硬煤、中硬煤和软煤预注水超前工作面的合理注水区域位置见表1。

伯方煤矿3#煤的单轴抗压强度为:上部9．55MPa，下部8．67MPa，平均9．11MPa，属于软煤。因此确定开始注水超前工作面煤壁的距离为40～60m，停止注水超前工作面的距离为10～20m。

(2)单孔注水量。

计算公式:Q=K·h·L·ρ·n

z(1)式中，h为煤层厚度，L为工作面长度，S为注水孔间距，ρ为煤的密度，取1．4t/m3，nz为煤体注水后提高的含水率，取1%，K为重复浸润系数，在一般情况取K=1．2。表2为不同煤层厚度和不同工作面长度条件下单孔注水量的计算结果。

(3)注水时间。钻孔注水时间与注水量成正比，与注水速度成反比。首先应根据煤层的渗透特性和钻孔长度选择注水泵，选定注水泵后即可确定每孔的注水时间，在该矿的实际操作中注水时间以煤壁“挂汗”时为止。

根据t=Q/q，，q为注水泵的流量，选用7BG－4．5/160注水泵，泵的流量为4．5m3/h，则在不同煤层厚度和不同工作面长度条件下每个注水孔的注水时间计算结果见表3。

(4)注水压力。注水压力与煤层埋深、上覆岩层的密度、煤层瓦斯压力以及煤体结构等因素有关〔3〕。

式中，p为注水压力(终压)，MPa;c为渗透系数随注水压力增加的指数系数，c=0．1581;ρw为水的密度，0．001kg/cm3;q1为单位注水孔长度、单位煤层厚度、单位时间内的1/2注水量，cm3;R为注水区域半径，cm;a为渗透系数初值，，cm/h;K为重复浸湿和漏水备用系数，取K=1．2。则在不同煤层厚度和不同工作面长度条件下每个注水孔的注水压力计算结果见表4。

3注水降尘效果及其分析通过测定注水前后割、放煤时的总尘量和呼吸性粉尘浓度评价注水降尘效果，注水前，总含尘量113．6mg/m3，呼吸性粉尘量61．3mg/m3;实施煤层注水后，总含尘量为45．8mg/m3，呼吸性粉尘量为28．6mg/m3，分别比注水前降低59．7%和53．3%。

但由于伯方煤矿开采的3

#煤为无烟煤，质硬、性脆、水润湿性差，仍远高于《煤矿安全规程》规定的作业场所空气中最高粉尘浓度值(总粉尘量＜10mg/m3，呼吸性粉尘＜3．5mg/m3)。要使3#煤综放工作面粉尘量有明显降低，达到或接近允许值，必须进行以下工作:(1)注水压力提高到5MPa以上，确保有效封孔长度3～5m，防止注水孔口附近跑漏水，影响注水质量。

(2)在注水中添加表面润湿剂，提高水对煤的润湿效果。

(3)在工作面超前支承压力影响带内实施注水工作，采用动压间断复注水方式。

(4)采取综合降尘措施，包括割煤降尘、移架降尘、放煤降尘、破碎机降尘和各转载点降尘等。

4结论

(1)在3#煤层中实施注水，可以明显降低粉尘浓度，但有一定局限性，必须加强综合防尘。

(2)3#煤层为水润湿性差的煤层，可在注水中添加表面润湿剂，提高水对煤的润湿效果。同时采用动压间断复注水方式和综合降尘措施改善注水降尘效果。