苇湖梁煤矿注水弱化现场试验方案.docx
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苇湖梁煤矿注水弱化现场试验方案
苇湖梁煤矿注水弱化现场试验方案
1．试验工作面基本情况
苇湖梁煤矿现开采水平为第二水平，标高+550——+670，阶段高120米。
地面标高+820。
按如下顺序进行工作面试验：
东一B4+5；东二B1+2；东三石门东B1+2。
如下表1所示：
表1各工作面参数
工作面名称
开采水平
分段高度（m）
工作面长度（m）
走向长度（m）
东一B4+5
+592
20
22.8
280
东二B1+2
+592
18
28.4
565
东三石门东B1+2
+579
18－105
29.5
1300
其中东一+592B4+5工作面为综放回采，产量1300t左右，回采率72%，上阶段回采正常，产量900t左右，回采率68%。
东二+592B1+2工作面为准备工作面，上阶段回采正常，产量1500t左右，回采率73%。
东三石门东+579B1+2工作面为准备工作面，该水平B1+2煤层分三段，段高分别为18米、55米、105米，其中段高18米的走向长度为600米，段高55米的走向长度为300米，段高105米的走向长度400米。
上阶段小窑开采，仓采，仓间煤柱已残采完毕，可能有水或火，资料掌握不全。
B1+2煤层柱状图如下所示：
B4+5煤层柱状图如下所示：
2．试验阶段
试验方案主要分以下三阶段进行：
（1）煤样物理力学参数的测试
本阶段主要内容是：
对B1+2、B4+5煤层取煤样，在实验室测定其注水前含水率、抗压强度及在注纯水和添加不同软化剂的条件下，煤样含水率、抗压强度的值。
该阶段的主要目的是：
确定要使顶煤满足放出要求，煤体所需达到的含水率，从而为后续阶段注水参数的确定提供依据；并试验研究各种不同软化剂的软化效果。
（2）现回采工作面试钻孔、注水
本阶段主要内容是：
在现回采工作面的不同区域分别钻单孔和扇形孔，并以一定的压力注入一定的水量，然后在每一钻孔周围10米范围内取煤样并分析其含水率，从而为后续确定注水孔长度、间距等参数提供依据。
（3）确定下一分段注水参数
通过以上两阶段的试验，可以确定各注水参数的值。
然后研究两种不同工作面情况下的注水方案。
一是：
如果预注水工作面的上分段正在回采而本分段还没有开采的条件下研究在其上一分段打下行孔向本分段煤层进行注水的方案，并评价注水效果；二是：
如果预注水工作面正在回采，而其上一分段工作面已回采完毕的条件下，研究在本工作面打上行孔或是再在上分段掘进专用注水巷道向工作面煤体进行注水，并评价注水效果。
3．主要试验内容与方法
经研究发现当煤体的强度降低到10MP以下后就会满足工作面的放煤要求。
而煤层注水软化技术是利用高压水对原始状态下的煤体进行冲击、浸润。
煤体在高压水流的作用下，逐渐龟裂，产生裂隙，使煤的整体性遭到破坏。
另外，水在高压作用下，以小流量浸润到煤体内部结构中，使煤体间吸收大量的水，煤体吸收饱和水分以后，开始膨胀，从而使煤质变得松软，达到煤体软化的目的。
即注水的作用是：
“高压致裂，低压软化”。
这里涉及到两个主要参数的确定，一是当煤体的含水率达到多少的时候其强度为10MP以下；二是多大压力的高压水才会对煤体有压裂作用。
对于第一个参数的确定可以对所采煤层进行取煤样，然后在实验室测定不同浸水时间情况下的含水率与单向抗压强度，从而可得出含水率与抗压强度的关系，从而得到要使煤体强度降低到10MP以下所需的煤体含水率。
另外，煤体在纯水和添加软化剂的水的浸泡下其差别很大。
为了使顶煤在一定的时间段内弱化松碎，在注水中添加一定的软化剂。
软化剂的主要作用原理是：
浸润冲蚀煤中所有弱面中的充填物，对其实现“分离弱化”的作用。
故而要研究不同软化剂的软化效果，从而选择经济合理的软化添加剂。
对于第二个参数的确定先根据所采煤体的埋深用经验公式计算其值，再进行数值模拟实验，综合两者的结果确定一个试验值，然后在工作面打孔进行试验，从而最终确定其值。
由以上两个基本参数为前提在工作面打孔进行试验，从而确定合理的注水孔长度、封孔长度、注水孔间距等值。
3.1顶煤软化含水率的确定
分别在B1+2，B4+5煤层超前工作面60米后的不同位置取煤样，分为两组，即B1+2煤样为分组1、B4+5煤样为分组2。
每组13个，共26块煤样，加工成300mm×300mm×300mm的立方体形状（如有困难，可加工成直径10cm，高度30cm的圆柱体形状）。
将煤样按分组进行随机编号并在实验室中进行含水率与抗压强度的测定。
其中每组取5个煤样在添加5种不同的软化剂的情况下比较其与在纯水情况下对煤样的软化特性，选择的软化剂有以下5种：
洗衣粉（活力28）、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠、丁二酸钠、工业碱。
浓度都为0.5%。
（如果购买以上的软化剂有困难，可只选择活力28洗衣粉和工业碱进行试验）
测试结果填在下表2和表3中。
表2B1+2煤样含水率测定表
煤样编号
浸泡时间（小时）
浸液
含水率（%）
抗压强度（MP）
1-1
0
水
1-2
0
水
1-3
0
水
1-4
6
水
1-5
12
水
1-6
24
水
1-7
32
水
1-8
48
水
1-9
6
添加洗衣粉（活力28）
1-10
6
添加十二烷基苯磺酸钠
1-11
6
添加十二烷基磺酸钠
1-12
6
添加丁二酸钠
1-13
6
添加工业碱
表3B4+5煤样含水率测定表
煤样编号
浸泡时间（小时）
浸液
含水率（%）
抗压强度（MP）
2-1
0
水
2-2
0
水
2-3
0
水
2-4
6
水
2-5
12
水
2-6
24
水
2-7
32
水
2-8
48
水
2-9
6
添加洗衣粉（活力28）
2-10
6
添加十二烷基苯磺酸钠
2-11
6
添加十二烷基磺酸钠
2-12
6
添加丁二酸钠
2-13
6
添加工业碱
由测得的含水率与抗压强度可以绘制煤体软化特性曲线。
并可得出不同浸水时间t的煤样含水率η与其单轴抗压强度σ的关系的通式为：
a,b的大小由实验可得出。
从而可求出要使顶煤强度降低到10MP以下所需的煤体含水率的大小。
该值为以后各项工作面参数的确定提供依据。
并且比较各种软化剂对煤样的软化效果，从而选择合适的软化剂。
3.2顶煤致裂水压试验值的确定
有资料表明，煤层被水压裂的压力可根据其上覆覆盖层的压力进行估算。
即当煤层注水压力满足以下关系即可对煤体产生压裂作用。
P汴>0.75P地
式中：
P注——煤层注水压力，Pa;
P地——上覆岩层压力，Pa.
P地可由下式估算：
P地=（0.25~0.3）×105H=5.7~7.2MPa
式中：
H——煤层埋深。
可得当注水压力达到4.3~5.4Mp时，即可对煤体产生压裂作用。
3.3试验注水孔布置
目前国内外较成熟的有单向单孔布置、单向扇形孔布置、双向钻孔布置和利用顶分层巷道注水钻孔布置等。
对这些钻孔布置在苇湖梁+592东一B4+5工作面进行试验，从而找出适合于苇湖梁煤矿的最佳钻孔布置方式。
3.3.1预注水超前工作面位置的确定
工作面前方顶煤裂隙的发育可划分为4个分区：
原生裂隙闭合区、原生裂隙张开区、次生裂隙发育区和大变形区。
在裂隙比较发育而张开量又不大的区域进行注水，既能保证注水范围扩大，又能充分利用毛细现象润湿煤体，防止水沿大裂缝泄漏。
表4列出软煤、中硬煤和硬煤工作面预注水的最佳区域。
针对苇湖梁煤矿煤层属于中硬煤的特点，选择超前工作面30米为注水开始位置，停止位置为距工作面末端20米。
表4不同煤层的最佳注水区域
煤层类别
普氏系数
注水超前工作面位置（m）
开始位置
停止位置
软煤
≤1
70~35
20~10
中硬煤
1~2.5
60~30
15~8
硬煤
＞2.5
45~25
10~3
3.3.2单孔布置试验
在超前+592东一B4+5工作面50米的位置打试验孔，进行注水试验。
注水孔位于回风巷，与回风巷轴线垂直，孔底距运输巷距离为工作面长度的1/3，距顶煤最上部为顶度厚度的1/3，由此可确定出注水孔的孔长与倾角。
对+592东一B4+5工作面来说，工作面长22.8米，顶煤高为20米，故可计算出注水孔孔长为20米，倾角为41度。
钻孔参数如下表5所示：
表5单孔布置参数
钻孔编号
超前位置（m）
钻孔长（m）
孔径（mm）
封孔长（m）
倾角（θ）
1
50
20
50
5
41
钻孔布置如下图所示：
3.3.3扇形孔布置试验
在距回采工作面末端30米的位置打扇形孔。
扇形孔位置应在如下图所示范围内。
钻孔参数如下表6所示：
表6扇形孔布置参数
钻孔号
孔长（m）
孔径（mm）
倾角
封孔长（m）
孔间距
5
16
50
20
4
1.5米
6
20
50
41
3
7
30.4
50
60
4
3.3.4试注水参数
钻孔打好后，进行试注水，每孔注水量24t。
由煤层注水泵流量为2m3/h即得每孔注水时间12小时。
合理的注水压力一般先根据煤层条件计算出范围，然后由试验具体确定。
选择注水压力2MP~6MP进行。
开始以小流量、低压水注水为主，目的是不过早地将煤体压裂，以煤体浸润为主，使亲水矿物充分与水接触达到弱化。
然后再提高注水泵压力，对煤体压裂。
对每孔注水时，每隔一小时记录一次流量与注水压力，并填入如下表7：
工作面：
班次：
注水压裂孔编号：
年月日记录人：
注水时间（t）
流量（L/min）
注水压力（Mpa）
备注
1
2
3
注水泵技术特征型号：
额定压力：
额定流量：
由上表数据可绘制出注水压力、流量、时间关系图。
煤层注水软化应执行以下几项制度：
（1）制定注水专业班组的工种岗位责任制，明确专业班组及各个岗位的职责。
（2）制定煤层注水各工序的操作规程，保证施工质量及施工中的安全。
（3）制定煤层注水的质量标准。
3.3.5注水湿润半径及钻孔间距的确定
为了比较单孔和扇形孔的注水效果并测定这两种布置方式下的注水湿润半径，从而最终确定钻孔间距。
应在每一钻孔注水完毕后，在该钻孔15米范围内每隔3米取1块煤样，共5块煤样，测定其含水率，从而可确定出不同钻孔条件下煤体的湿润半径R。
根据注水压力P随远离钻孔呈非线性衰减的规律，每孔充分浸湿范围约R/3，其余2R/3的范围需要重复浸湿，得钻孔间距为：
S=4R/3
3.3.6提高注水效果措施
提高煤层注水效果还可以在注水工艺上采取一些措施。
主要有以下几种措施：
（1）间歇注水
煤层注水时，压力水快速流入煤体裂隙，裂隙表面往往为气泡所覆盖，因而可能阻碍水湿润作用。
而采用间歇反复注水时，则可消除这一缺点。
另外间歇注水可以在两次注水之间空出一定时间，使进入裂隙系统的水在毛细作用下渗入孔隙。
当注入结束时，煤体内产生的裂隙是可变的，第一次注水时发现泄水的地点，在第二次注水时不一定继续泄水，这说明在两次注水间歇时间里，煤体湿润膨胀变形使原有裂隙封闭，阻止继续泄水，所以间歇注水要比连续注水的湿润效果好。
（2）孔内震动爆破提高透水性
在孔内装药进行注水前的震动爆破，可以有效地提高注水流量，降低注水压力。
具体方法是在钻孔中盛满水，将矿用安全炸药（4~5节）置于防水套中做成爆破筒送入钻孔内，爆破筒中放置2个起爆雷管引爆，在孔口敞开的情况下进行水封爆破。
爆破时，孔内的水将爆炸压力均匀传递给孔壁，以很高的压力挤入煤体，形成或扩大了煤体裂隙，并使之与其他裂隙沟通，增加了煤体的透水性。
爆破结束后，即可封孔注水。
孔内爆破的作用是利用爆破产生的高压作为注水的初始压力，打开裂隙，同时在爆破震动下，煤体得到松动，为正常注水创造条件。
经过孔内爆破的钻孔注水流量可以提高数倍到数十倍。
（3）使用湿润剂提高湿润效果
国内某矿在注水时加入0.5%洗衣粉作为湿润剂，使注水速度显著提高。
当前，我国各注水矿井使用湿润剂的还不多，对湿润剂的种类、效果及其使用方法还有待试验总结。
4．下一步注水方案
由前面的研究成果，可确定出最终注水参数。
包括注水孔超前工作面位置、注水孔长度、封孔长度、注水孔倾角、注水孔间距、注水孔布置方式（有单孔布置与扇形孔布置两种方式）、每孔注水量、注水时间、注水压力等参数。
注水的作用是：
“高压致裂，低压软化”，通过一定压力的水使顶煤中裂隙发展和扩张，从而形成大量的水渗流通道。
然后，通过一定持续时间的水的浸泡作用，降低煤的强度。
鉴于急倾斜水平分段放顶煤的特点，顶煤高度大，所以最佳注水方案是在本分段回采过程中即向下一分顶煤体打下行孔进行注水，当下分段煤体开始回采时，由于其在常时间的水的浸润作用下，煤体强度大大地降低，满足顶煤落放要求，从而提高工作面顶煤的放出率，达到增产增效的目的。
其钻孔布置如下图所示。
其参数的确定有赖于前述各阶段的研究成果。
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