综采工作面煤层注水技术探索与应用

综采工作面煤层注水技术探索与应用

何峰、徐启雷、朱玉杰、张少林

皖北煤电集团公司  安徽 宿州 234000

摘要：以往工作面采用煤层注水时技术手段单一，仅在面内进行逐排注水，注水效果差，在回采过程中煤尘及瓦斯往往制约着生产。任楼煤矿以创新为导向，采用面内压茬动压注水及风巷+面内综合注水技术后，能够使水体覆盖全部待采煤体，达到预期效果：通过注水增加煤体含水量，减少煤尘，水流渗透煤体时将部分瓦斯排出，有效降低回采期间的瓦斯浓度，注水后提高煤体塑性，避免出现大面积片帮掉顶。

一、工作面概况

试验工作面为8258N、8255综采工作面，工作面回采82煤厚1.7～3.3m，平均2.1m，煤层赋存较稳定，结构简单，煤呈碎块状，黑色，玻璃光泽，煤以半亮煤为主，直接顶为粉砂岩，老顶为细砂岩。依据《任楼煤矿中五采区-720m以浅7、82煤层突出危险性评价》，工作面位于8煤突出危险区，采取开采72煤上保护层区域防突措施。8255工作面在上覆7255、7257保护层工作面的有效卸压保护范围内；8258N工作面在上覆Ⅱ7214、72510N保护层工作面的有效卸压保护范围内。

二、关键技术及技术方案

（一）煤层注水工作原理

煤层注水是指在地下煤层开采前，通过在煤体内部施工钻孔，通过钻孔将水流注入到煤体内部，水流通过煤体内部的裂隙和空隙进行渗透，增加煤体的含水量，减少煤炭开采过程中形成浮尘的可能性，从而达到浸润待采煤体的目的。对于煤层注水原理的总结如下：

1.湿润煤体内部的原生煤尘：煤体内部存在各种微裂隙，原生煤尘广泛分布在这些微裂隙中。加压水进入钻孔后流入到煤体的各种微裂隙和孔隙中，工作面待采煤体都被注入的加压水所渗透包裹，原生煤尘被预先注入的渗流水润湿，从而开采时丧失飞扬性。

2.排出煤体部分瓦斯：实施注水孔后，瓦斯可以随钻孔进行释放，面内注水时，水体通过微裂隙渗入煤体时，将煤体内部分瓦斯排挤出，能够降低回采期间瓦斯浓度。

3.改变了煤体的物理力学性质：水进入待采煤体后，在一定程度上改变了待采煤体的物理力学性质，具体表现为：塑性增强，脆性降低。当待采煤体受采动作用发生破碎时，原有的一部分脆性破碎此时发生改变，转变为塑性变形，避免出现大面积片帮掉顶。

（二）煤层注水技术方案

1.风巷掘进期间，沿工作面走向方向，在下帮布置单排钻孔进行注水，对工作面煤体进行超前润湿。

2.工作面回采期间，沿工作面切眼方向，布置单排钻孔进行注水，对整个工作面进行压茬注水，做到注水全覆盖，补强前期静压注水效果。

三、实施过程说明

（一）风巷深孔静压注水，超前润湿部分煤体。

钻孔长度：孔深30m。

钻孔直径：Φ75mm。

钻孔布置：钻孔布置在顶板下1.5m的煤层，垂直煤壁布置，钻孔角度与煤层倾斜角度一致，孔间距10m。

供水：利用巷道内供水管路内低压水，水流压力1～2MPa。

封孔：每个注水孔安装φ50mm铁套管1m（一端焊接有φ19mm两通），使用封孔剂全长封孔固定套管，套管外露不大于50mm。

封孔长度：采用专用注水封孔器进行封孔，封孔长度2.0m；封孔要严，不能跑水。

封孔方法：用水力膨胀式封孔器进行封孔，封孔器膨胀系数70%～90%，封孔器安全阀启动压力0.4-0.5MPa。

注水方式：封孔后，每5个孔为一组，孔与孔之间采用φ19mm高压软管串联，并与供水管路连接，使用静压水进行注水打开闸阀注水。

（二）面内浅孔动压注水，压茬覆盖全部煤体。

相关技术参数：

1. 注水方式

采用单排钻孔，压茬式循环注水

2.注水参数确认

（1）钻孔布置

钻孔长度：孔深6-10m（孔深必须大于两个采煤圆班推进长度）。

钻孔直径为42mm，钻孔布置在顶板下1m的煤层内，垂直于煤壁，施工钻孔时，为了方便钻屑排出,钻孔应有1～2°的仰角。为防止工作面煤壁片帮，工作面上、下帮10m范围内不施工注水孔。

（2）钻孔间距

确认钻孔湿润半径，根据以往注水数据收集确定湿润半径：2～4m，为保障注水效果，将煤层内钻孔间距定为5ｍ±（根据钻孔湿润半径可适当调整），采用压茬注水时，钻孔间隔打设，孔间距为10m±，推进一个圆班后在上一班打设钻孔之间打设另外一组钻孔。

（3）供水及注水压力：

供水设备：在供液硐室内布置一台BPW320/10M型喷雾泵，额定工作压力10MPa，供液硐室至工作面下出口布置一路Φ54mm钢管，工作面布置注水管路一套。

注水时采用动压注水，水流压力一般为8-10MPa。

（4）单孔计划注水量：

8258N工作面：

Q1=LBMpq=5×10×2.9×1.36×1.5%=2.958m3。

式中：Q1——计划单孔注水量（m3)；L——孔间距5(m)；

B——孔深(m),按孔深10m验算；

M——采高(m)，取2.9m；

p——煤的容重；1.36t /m3；

q——单孔注水总量应当使该钻孔预湿煤体的平均水分含量增量不低于1.5%；

每孔注水时间（t）按下式计算：

t1=Q/V=2.958÷6=30 min

式中t1-注水时间Q1-注水量2.958m3

V-注水流量：SGZ型注水高压注水流量表公称流量6 m3/h。

8255工作面：

Q2=LBMpq=5×10×2.4×1.36×1.5%=2.448m3。

计算方式与8258N工作面Q1计算方式相同，其中M取值2.4m

每孔注水时间（t）按下式计算：

t2=Q2/V=2.448÷6=25 min

式中t1-注水时间Q1-注水量2.448m3

V-注水流量：SGZ型注水高压注水流量表公称流量6 m3/h。

注水时间：当孔深10m时，8258N工作面每孔注水时间为30min，8255工作面每孔注水时间为25min。

（5）注水标准：正常情况下应根据单孔注水时间进行注水，但在实际操作过程中若煤壁向外渗水量较大或压力表数值达到10MPa时，继续注水将无法达到效果，所以当煤壁向外渗水或压力达到10MPa时应停止注水。

3.封孔

（1）封孔长度：采用注水封孔器进行封孔，封孔长度2.0m；封孔要严，不能跑水。

（2）封孔方法：用水力膨胀式封孔器进行封孔，封孔器膨胀系数70%～90%，封孔器安全阀启动压力0.4-0.5MPa。

4.注水流程（动压注水）

安全确认→采取防片帮措施→施工注水钻孔→连接注水管路→打开喷雾泵→注水→结束（注水时间一般以煤壁渗水或压力达到10MPa为准）。

（1）注水工序一般在检修班进行，使用90或140风动钻机进行打孔，配套工具为Φ42mm钻头配合麻花钻杆。

（2）人员进入煤壁前人员进入煤壁前，运输机、煤机停电闭锁并挂牌管理，严格执行敲帮问顶与举牌确认制度，确认安全后方可进入煤壁作业，并保持后路畅通。

（3）钻孔施工、注水前，在施工地点采用便携式防片帮装置护住煤壁。

（4）注水孔施工过程中，要来回抽动，将孔内煤粉排尽，钻孔施工完毕后注水器插入钻孔深度不得小于2ｍ，操作时，不要用力过猛，以免损坏封孔器，封孔器必须连接截止阀，便于注水完毕后卸压。

（5）注水管路、封孔器连接处必须用防倒绳或铁丝与支架固定牢固。

（6）注水前要检查注水系统和注水管线的密封性，在高压管路密封性不好或破损时，禁止注水；同时要认真检查注水枪各接头连接情况，若发现松动，必须及时连好，防止脱扣伤人。当高压管处于承压状态或注水期间，禁止连接、拆卸和修理高压管件。

（7）打眼、注水期间，必须安排专人观察顶板、煤壁及支护情况，若发现异常立即停止作业，撤出人员，采取措施进行处理。

（8）注水时严禁人员站在正对注水孔，防止封孔器窜出伤人。注水过程中发现孔口附近一定范围内的煤壁渗水，应先关闭截止阀，停止注水。待注水孔内水压降下来后再抽出封孔器，防止封孔器突然喷出伤人。

（9）当有下列情况之一者，可不采取煤层注水措施。

①围岩有严重吸水膨胀性质、注水后易造成顶板垮塌或底板变形，或者地质情况复杂、顶板破坏严重，注水后影响采煤安全的煤层；

②注水后会影响采煤安全或造成劳动条件恶化的薄煤层；

③孔隙率小于４％的煤层；

④原有自然水分或防灭火灌浆后水分大于４％的煤层；

⑤煤层很松软、破碎，打钻孔时易塌孔、难于成孔的煤层；

⑥采用下行跨落法开采近距离煤层群或分层开采的厚煤层，上层或上分层的采空区采取了灌水防尘措施时的下一层或下一分层。

（三）工作面注水情况。

超前深孔注水：8258N工作面回采前利用风巷施工的50个顺层孔对工作面煤体进行深孔注水。

回采期间实施面内浅孔注水：8258N工作面5月份-6月份累计打注水孔618个，注水总量726m3；8255工作面5月份-6月份累计打注水孔422个，注水总量458m3。

四、结论及创新点

（一）注水理念改变：回采前超前静压注水

由生产时面内注水转变为掘进期间超前注水

8258N工作面走向长度519m，风巷掘进期间沿工作面走向方向在下帮布置单排钻孔，孔间距10m，孔深30m，钻孔数共计50个。回采前采用静压水通过钻孔对回采范围内部分煤体进行超前润湿，因注水在巷道掘进期间便开始实施，注水持续时间较长，水流扩散范围增大；另外注水点在风巷，位于工作面回采煤体高处，因重力作用水流能够顺煤层内部裂隙自上向下慢慢浸入煤体，有效增加煤体含水量。

（二）注水工艺改变：风巷深孔静压+面内浅孔动压注水

风巷实施深孔静压注水后，在回采期间继续实施浅孔动压注水。形成走向+倾向交叉网格式布置，加大水流扩散面积，对回采煤体进行全覆盖注水，增强注水效果。

（三）注水方式改变：面内压茬注水

传统注水方式采取逐排多孔注水方式，孔间距5m±，孔深3-5m，孔深一般为一个圆班推进长度。8258N工作面切眼长243m，8255工作面切眼长180m，工作面圆班推进后8258N工作面平均每班需打孔36个，8255工作面平均每班需打孔30个。因注水施工在检修班实施，中班接班后便开始割煤，注水施工有效时间短，且打孔数较多，来回安装、拆除设备费工费时，为达到规定孔数往往在注水时缩短注水时间，注水质量不达标，效果差。

现调整钻孔间距及孔深，孔间距10m±，孔深6-10m，孔深一般为两个圆班推进长度，圆班推进后在上组钻孔间施工另一组钻孔，进行压茬式注水。采用此方式注水时，施工钻孔数量缩短一半，减少来回安装、拆除设备时间（风钻施工钻孔深度5m及10m时所差时间较小，可以忽略不计），有效注水时间增加，能够保证注水量，达到预期效果。

（四）一孔多用：释放煤体瓦斯

以往施工逐排多孔时，钻孔长度短，仅能满足工作面推进一个圆班需要，圆班推进后煤壁几乎找不到钻孔，钻孔保持时间短。施工压茬钻孔后，能够加大钻孔深度，钻孔长度能够满足两个圆班需要，延长钻孔保持时间，煤体部分瓦斯能够随孔进行释放，减少煤体瓦斯含量从而降低回采期间瓦斯，利于安全生产。

五、成果评价

（一）湿润煤体，降低煤尘产生量

注水时水流渗透煤体，表现为毛细运动、表面吸附以及扩散等。水流通过钻孔从待采煤体内部的较大孔隙和较大裂隙向其微孔隙和微裂隙进行渗透，主要起润湿煤体，起到降尘的效果。

注水前采煤工作面4月份粉尘传感器超限报警1370次，注水后5月份粉尘传感器累计超限报警228次，同比4月份减少1142次，降幅83%；6月份粉尘传感器累计超限报警11次，同比4月份减少1832次，降幅99%。

（二）释放煤体瓦斯，降低回采期间瓦斯浓度

面内实施注水孔后，瓦斯可以随孔进行释放，另外注水时高速流动的水体渗透到煤体内，将部分瓦斯排挤出去，有效降低了回采期间瓦斯浓度。注入水体能够改变了煤的力学性质，使应力分布均匀化，弹性能释放速度变小，功率降低，降低割煤时瓦斯释放速度，防止瓦斯突然增大，保障安全生产。

注水前后通过现场数据收集，孔内瓦斯浓度由注水前9%左右降低至1%以下，同比降低80%以上，取得了较好的瓦斯治理效果。

注水前采煤工作面4月份日均瓦斯浓度为0.099%，注水后5月份日均瓦斯浓度为0.052%，同比4月份降低47%，降幅47.5%；6月份日均瓦斯浓度为0.038%，同比4月份降低61%，降幅61.6%。注水后生产期间瓦斯影响时间减少，增加有效回采时间，从而提高回采工效。

（三）提高煤体塑性，减少片帮、掉顶事故

煤矿事故中片帮、冒顶诱发的顶板事故所造成的人员伤亡数较多，片帮、冒顶诱发的顶板事故对于工作面生产安全造成巨大威胁，极大地影响了工作面的回采速度。采用注水的方式能够改变煤体自身物理力学参数，从而提高煤体塑性，通过进行合理的煤层注水，能够加宽煤壁前方卸压带，减少煤壁片帮的发生。

8255工作面自回采后未发生过片帮、冒顶事故，8258N工作面回采期间因回采82、83煤，且煤层间存在0.7m厚夹矸，出现过少数片帮情况，但杜绝了人员进入煤壁管理。类比回采条件相似的72510N工作面，回采期间片帮、掉顶情况频繁出现，更是在2021年2月15日因管理工作面片帮、掉顶造成一名职工大腿骨折。因此我们不难看出，通过煤层注水在一定程度上工作面片帮程度较之前大幅降低，有效减少工作面片帮、冒顶事故的发生。

（四）减少伪顶掉落，提高煤质，增加效益

煤层与直接顶之间存在一层伪顶，属随采随落的极不稳定岩层，厚度一般在0.5m左右。在回采过程中煤机截割煤体后，煤层伪顶掉落，混入煤流中，进入运输系统，影响煤质。现通过注水后增强煤体及煤层顶板的粘接性，伪顶掉落时间延长，及时拉移支架后可以有效减少伪顶混入量，原煤中矸石量降低，从而降低原煤灰分，提高煤质。

六、成果推广建议

任楼煤矿综采工作面煤层注水技术在实际应用中效果良好，回采期间煤尘及瓦斯量较之前明显降低，不仅能够有效的防止煤尘、瓦斯等导致的灾害事故的发生，还能增强煤体塑性，减少片帮掉顶的出现，提高煤质，另外随着煤尘的降低，能够改善工作面工作环境，有利职工身体健康。对其他矿井推广应用煤层注水技术，具有极大的参考和借鉴价值。