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高瓦斯矿井特厚开采煤层注水技术研究与应用
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内容提示：随着煤炭开采深度的延深，瓦斯、煤尘、冲击地压、煤与瓦斯突出、地温等自然灾害危害程度不断升级，灾害事故严重，迫切需要采取行之有效的灾害防治技术，解决煤炭开采中的安全问题。国内外科研工作者对煤层注水技术进行了大量研究，证明煤层注水能有效治理煤尘、瓦斯、煤层自燃、冲击地压、地温等自然灾害。
摘要：随着煤炭开采深度的延深，瓦斯、煤尘、冲击地压、煤与瓦斯突出、地温等自然灾害危害程度不断升级，灾害事故严重，迫切需要采取行之有效的灾害防治技术，解决煤炭开采中的安全问题。国内外科研工作者对煤层注水技术进行了大量研究，证明煤层注水能有效治理煤尘、瓦斯、煤层自燃、冲击地压、地温等自然灾害。（参考《建筑中文网》）
关键词：高瓦斯特厚煤层 注水技术 应用
1 概况
亭南矿井位于彬长矿区中部，紧靠312国道，地理位置优越，交通便利。井田面积33.82km2，主采侏罗系8#煤层，煤层平均厚度8.29m，可采储量190Mt，煤质为中灰、特低硫、低磷、中高发热量的优质烟煤，属不粘煤31号，煤层倾角2～10°。矿井核定生产能力3Mt/a。
根据煤炭科学总院抚顺分院对矿井8#煤层的煤尘爆炸性和自燃倾向性鉴定结果：8#煤层煤尘爆炸指数30.06～30.86%，其火焰长度为300mm，抑制煤尘爆炸最低岩粉用量为50%，煤尘具有爆炸性；8#煤层吸氧量0.46～0.51mg/g干煤，自燃倾向等级二类，属自燃煤层。根据西安科技大学提供的《亭南煤样自然发火实验报告》，8#煤最短自然发火期为39～46天。
矿井采用中央并列抽出式通风，主井、副井进风，回风井回风。该矿2008年度瓦斯鉴定结果，矿井相对瓦斯涌出量为9.789m3/t，瓦斯绝对涌出量为52.585m3/min，定为高瓦斯矿井。
亭南矿井煤体强度高，顶煤不易跨落，同时在割煤期间粉尘多，瓦斯涌出量大，严重制约回采工作面安全高效生产，煤层注水主要用途就是为了使顶煤得到充分破坏而及时垮落，提高煤炭产量和生产效率，杜绝瓦斯煤尘事故，改善劳动环境。
2 煤层注水技术方案及工艺
为了合理确定煤层注水技术方案，在充分调研工作面煤层、构造、结构及瓦斯基本情况的基础上，确定了工作面煤尘注水技术方案。并根据注水技术方案编制了实施煤层注水的安全技术措施，从技术源头上保证了煤层注水工作的实施和成功。
2.1 注水参数及工艺的确定 经过近一个月的反复试验和摸索，形成了一套适合113综放面短孔高压注水挤排瓦斯和防尘技术参数，具体如下：
2.1.1 钻孔位置：在113回风顺槽超前支护以外20m处，靠生产煤壁侧布置第一个钻孔，然后依次往外每隔10m均匀布置钻孔。
2.1.2 钻孔布置：在每个钻场内，钻孔垂直巷道，方位角为55°，仰角为5°-10°。
2.1.3 钻孔结构：用Ф94mm钻头钻进至终孔。
2.1.4 开孔位置：在8煤层中，从巷道底板起1.5m处，终孔位置：在8煤层顶板处。
2.1.5 终孔深度：注水孔深度预计为61m-90m之间。
2.1.6 钻机型号：使用MK-4钻机和MK-5钻机。
2.2 注水工艺
2.2.1 封孔采用橡胶快速封孔器封孔，封孔器长1.5m。封孔深度1.5m以上。
2.2.2 静水压力：注水压力控制在3.5Mpa左右，使煤壁出现一定程度的渗水。
2.2.3 单孔注水时间：工作面采至离注水孔3m左右时，或以实际操作煤壁明显出水，可停止注水，撤出设备。
2.2.4 注水系统由压力表、安全阀、溢流阀、高压钢丝胶管、双功能高压水表、高压橡胶自动封孔器组成。
3 综放工作面煤层高压注水效果
3.1 采高变化 煤体强度高，在回采过程中采高为8m，有2m左右顶煤跨落不下来，通过煤层注水破坏了煤层的原有结合力，使顶煤及时垮落，经测定煤层注水后，采高为10m。
3.2 煤体水份变化 煤层注水后的水份增量，经过打钻取样测定，煤体的原始水份为1.89-2.20%，平均2.12%。距注水孔1m处曾测得钻屑的最高水份达到28.93%，距注水孔3m处的煤体水份平均为4.48%，水份增量达2.36个百分点。
3.3 降尘效果 为了考察和评价113综放面高压注水的降尘效果。设点对采煤机司机工作位置、割煤机下风侧10m处、割煤机上风侧10m处、移架工移架位置处、移架点下风侧5m处、割煤时在工作面下端口向外10m处、割煤时在工作面上端口向外10m处等固定地点分别在煤尘注水前后进行了采样，各固定地点降尘情况
高压注水的降尘效果较为明显。7个测尘点的降尘率在41～60%之间，平均50.71%。尤其是对采煤机割煤时的降尘效果最为显著，降尘率达50%。由于煤层高压注水有效地增加了煤体的内水份，使得采落后的煤炭在整个运输过程中的产尘量都有所降低，从工作面下端口向外10m处和割煤机上风侧的测尘结果来看，煤层注水对煤炭运输过程中的降尘效果较为明显。另外，在高压水的作用下，一部分水渗入到了煤层的顶板裂隙中，使得在移架时的产尘量也大大降低，移架处的降尘率达53%。
3.4 注水湿润半径 注水湿润半径根据初步考察结果，可达到3m以上。但由于煤层裂隙发育情况的不均一性，注水湿润半径在整个工作面存在差异，有待今后进一步考察。
3.5 挤排瓦斯效果
3.5.1 注水对瓦斯的挤排效果 为了摸清高压注水对瓦斯的挤排效果，我们特地于3月19日和21日两个中班暂停注水，以便于对比分析。根据3月19至25日T1瓦斯探头监测值计算出的平均浓度
在19日中班不注水的情况下，中班的T1值平均0.494，而相邻的20日中班T1值由于高压注水的瓦斯挤排作用，浓度增大到0.579，增大了0.08；22日中班与21中班相比，浓度增大了0.118，4天的瓦斯浓度对比结果平均增大了0.1。113综放工作面的风量为1600m3/min，按此计算，则注水挤排出的绝对瓦斯量达3.5m3/min。
由于检修班高压注水将工作面前方一定深度范围内煤体中的瓦斯挤排出一部分，致使生产班的瓦斯涌出量有所降低，尤其是使夜班的瓦斯浓度降低较为明显，基本消除了工作面回风流瓦斯浓度处于临界状态，实现了工作面的安全高效。
为了进一步验证工作面煤层高压注水对煤体瓦斯的挤排作用，还专门用便携式瓦斯仪测定了注水过程中煤壁瓦斯浓度的变化情况。测定方法是：注水前在注水孔的下风侧5m处的煤壁附近挂一便携仪，然后开始注水，注水压力3.5MPa，在5min的注水时间内，便携仪显示的浓度值增大，注水结束后便携仪的值有所减少。在注水期间，注水孔前后2～3m范围内的煤壁由于受高压水的压力作用出现了一定程度的片帮现象。
3.5.2 注水钻孔瓦斯的排放效果 从开孔到注水前钻孔瓦斯涌出情况的测定结果看，在注水孔打好还未注水时，孔口下风侧贴近煤壁处的瓦斯浓度为0.7～0.8%，孔口上风侧煤壁处的瓦斯浓度为0.2～0.3%，这说明注水孔在注水前有瓦斯的不断排出，注水孔在注水前起着排放瓦斯的作用。
3.6 注水前后钻屑量及钻孔瓦斯涌出初速度考察 根据对注水前后钻屑量及每米钻孔瓦斯涌出初速度的测定结果，注水后每米钻屑量为2～2.8kg，比注水前略有降低，降幅在0.3～0.5kg。但每米钻孔瓦斯涌出初速度却有明显的降低。注水前每米钻孔瓦斯涌出初速度810～1524 ml/min，平均为1369ml/min，注水后在330～870ml/min，平均为690ml/min，注水后比注水前降低50%。分析其原因：钻屑量略有降低，说明高压注水并没有使钻孔深度控制范围内的煤体得到明显卸压，而钻孔瓦斯涌出初速度明显降低的原因是水大量地渗入到被影响煤体的裂隙中，阻碍了煤体中吸附瓦斯的解吸。
参考文献：
[1]张红军.煤层注水技术在车集煤矿的应用.煤矿开采2008（2）.
[2]李俊龙.唐安煤矿煤层注水技术的应用.矿业安全与环保 2006(S1). 来源: 《建筑中文网》.
关键词：高瓦斯特厚煤层 注水技术 应用
1 概况
亭南矿井位于彬长矿区中部，紧靠312国道，地理位置优越，交通便利。井田面积33.82km2，主采侏罗系8#煤层，煤层平均厚度8.29m，可采储量190Mt，煤质为中灰、特低硫、低磷、中高发热量的优质烟煤，属不粘煤31号，煤层倾角2～10°。矿井核定生产能力3Mt/a。
根据煤炭科学总院抚顺分院对矿井8#煤层的煤尘爆炸性和自燃倾向性鉴定结果：8#煤层煤尘爆炸指数30.06～30.86%，其火焰长度为300mm，抑制煤尘爆炸最低岩粉用量为50%，煤尘具有爆炸性；8#煤层吸氧量0.46～0.51mg/g干煤，自燃倾向等级二类，属自燃煤层。根据西安科技大学提供的《亭南煤样自然发火实验报告》，8#煤最短自然发火期为39～46天。
矿井采用中央并列抽出式通风，主井、副井进风，回风井回风。该矿2008年度瓦斯鉴定结果，矿井相对瓦斯涌出量为9.789m3/t，瓦斯绝对涌出量为52.585m3/min，定为高瓦斯矿井。
亭南矿井煤体强度高，顶煤不易跨落，同时在割煤期间粉尘多，瓦斯涌出量大，严重制约回采工作面安全高效生产，煤层注水主要用途就是为了使顶煤得到充分破坏而及时垮落，提高煤炭产量和生产效率，杜绝瓦斯煤尘事故，改善劳动环境。
2 煤层注水技术方案及工艺
为了合理确定煤层注水技术方案，在充分调研工作面煤层、构造、结构及瓦斯基本情况的基础上，确定了工作面煤尘注水技术方案。并根据注水技术方案编制了实施煤层注水的安全技术措施，从技术源头上保证了煤层注水工作的实施和成功。
2.1 注水参数及工艺的确定 经过近一个月的反复试验和摸索，形成了一套适合113综放面短孔高压注水挤排瓦斯和防尘技术参数，具体如下：
2.1.1 钻孔位置：在113回风顺槽超前支护以外20m处，靠生产煤壁侧布置第一个钻孔，然后依次往外每隔10m均匀布置钻孔。
2.1.2 钻孔布置：在每个钻场内，钻孔垂直巷道，方位角为55°，仰角为5°-10°。
2.1.3 钻孔结构：用Ф94mm钻头钻进至终孔。
2.1.4 开孔位置：在8煤层中，从巷道底板起1.5m处，终孔位置：在8煤层顶板处。
2.1.5 终孔深度：注水孔深度预计为61m-90m之间。
2.1.6 钻机型号：使用MK-4钻机和MK-5钻机。
2.2 注水工艺
2.2.1 封孔采用橡胶快速封孔器封孔，封孔器长1.5m。封孔深度1.5m以上。
2.2.2 静水压力：注水压力控制在3.5Mpa左右，使煤壁出现一定程度的渗水。
2.2.3 单孔注水时间：工作面采至离注水孔3m左右时，或以实际操作煤壁明显出水，可停止注水，撤出设备。
2.2.4 注水系统由压力表、安全阀、溢流阀、高压钢丝胶管、双功能高压水表、高压橡胶自动封孔器组成。
3 综放工作面煤层高压注水效果
3.1 采高变化 煤体强度高，在回采过程中采高为8m，有2m左右顶煤跨落不下来，通过煤层注水破坏了煤层的原有结合力，使顶煤及时垮落，经测定煤层注水后，采高为10m。
3.2 煤体水份变化 煤层注水后的水份增量，经过打钻取样测定，煤体的原始水份为1.89-2.20%，平均2.12%。距注水孔1m处曾测得钻屑的最高水份达到28.93%，距注水孔3m处的煤体水份平均为4.48%，水份增量达2.36个百分点。
3.3 降尘效果 为了考察和评价113综放面高压注水的降尘效果。设点对采煤机司机工作位置、割煤机下风侧10m处、割煤机上风侧10m处、移架工移架位置处、移架点下风侧5m处、割煤时在工作面下端口向外10m处、割煤时在工作面上端口向外10m处等固定地点分别在煤尘注水前后进行了采样，各固定地点降尘情况
高压注水的降尘效果较为明显。7个测尘点的降尘率在41～60%之间，平均50.71%。尤其是对采煤机割煤时的降尘效果最为显著，降尘率达50%。由于煤层高压注水有效地增加了煤体的内水份，使得采落后的煤炭在整个运输过程中的产尘量都有所降低，从工作面下端口向外10m处和割煤机上风侧的测尘结果来看，煤层注水对煤炭运输过程中的降尘效果较为明显。另外，在高压水的作用下，一部分水渗入到了煤层的顶板裂隙中，使得在移架时的产尘量也大大降低，移架处的降尘率达53%。
3.4 注水湿润半径 注水湿润半径根据初步考察结果，可达到3m以上。但由于煤层裂隙发育情况的不均一性，注水湿润半径在整个工作面存在差异，有待今后进一步考察。
3.5 挤排瓦斯效果
3.5.1 注水对瓦斯的挤排效果 为了摸清高压注水对瓦斯的挤排效果，我们特地于3月19日和21日两个中班暂停注水，以便于对比分析。根据3月19至25日T1瓦斯探头监测值计算出的平均浓度
在19日中班不注水的情况下，中班的T1值平均0.494，而相邻的20日中班T1值由于高压注水的瓦斯挤排作用，浓度增大到0.579，增大了0.08；22日中班与21中班相比，浓度增大了0.118，4天的瓦斯浓度对比结果平均增大了0.1。113综放工作面的风量为1600m3/min，按此计算，则注水挤排出的绝对瓦斯量达3.5m3/min。
由于检修班高压注水将工作面前方一定深度范围内煤体中的瓦斯挤排出一部分，致使生产班的瓦斯涌出量有所降低，尤其是使夜班的瓦斯浓度降低较为明显，基本消除了工作面回风流瓦斯浓度处于临界状态，实现了工作面的安全高效。
为了进一步验证工作面煤层高压注水对煤体瓦斯的挤排作用，还专门用便携式瓦斯仪测定了注水过程中煤壁瓦斯浓度的变化情况。测定方法是：注水前在注水孔的下风侧5m处的煤壁附近挂一便携仪，然后开始注水，注水压力3.5MPa，在5min的注水时间内，便携仪显示的浓度值增大，注水结束后便携仪的值有所减少。在注水期间，注水孔前后2～3m范围内的煤壁由于受高压水的压力作用出现了一定程度的片帮现象。
3.5.2 注水钻孔瓦斯的排放效果 从开孔到注水前钻孔瓦斯涌出情况的测定结果看，在注水孔打好还未注水时，孔口下风侧贴近煤壁处的瓦斯浓度为0.7～0.8%，孔口上风侧煤壁处的瓦斯浓度为0.2～0.3%，这说明注水孔在注水前有瓦斯的不断排出，注水孔在注水前起着排放瓦斯的作用。
3.6 注水前后钻屑量及钻孔瓦斯涌出初速度考察 根据对注水前后钻屑量及每米钻孔瓦斯涌出初速度的测定结果，注水后每米钻屑量为2～2.8kg，比注水前略有降低，降幅在0.3～0.5kg。但每米钻孔瓦斯涌出初速度却有明显的降低。注水前每米钻孔瓦斯涌出初速度810～1524 ml/min，平均为1369ml/min，注水后在330～870ml/min，平均为690ml/min，注水后比注水前降低50%。分析其原因：钻屑量略有降低，说明高压注水并没有使钻孔深度控制范围内的煤体得到明显卸压，而钻孔瓦斯涌出初速度明显降低的原因是水大量地渗入到被影响煤体的裂隙中，阻碍了煤体中吸附瓦斯的解吸。
参考文献：
[1]张红军.煤层注水技术在车集煤矿的应用.煤矿开采2008（2）.
[2]李俊龙.唐安煤矿煤层注水技术的应用.矿业安全与环保 2006(S1). 来源: 《建筑中文网》.
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200909/13405.htm
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