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常村煤矿
常村煤矿“煤层注水”新技术预防自然灾害
2009-10-22
河南义马煤业集团常村矿以预防煤尘、瓦斯、冲击地压、自然发火灾害为目的，在采掘工作面全面推行“煤层注水”新技术，今年以来，先后投入高压注水泵3台，钻机4台，煤层注水达8000余立方。
实施煤层注水后，冲击地压强度明显减弱，冲击频率降低；采掘期间瓦斯涌出量减少；同时，减少了煤尘的产生，延长了煤体自燃发火期。
煤层注水是通过钻孔，将压力水和水溶液注入煤体，增加水分，以改变煤的物理力学性质，减少煤尘的产生，减少冲击地压、煤与煤层气突出和自燃发火的新技术。
为了加强该技术的推广应用，常村矿在《常村煤矿采掘工作面煤层注水施工及管理办法》中规定：
煤层注水工作必须纳入正常的生产作业计划，所有采掘工作面全部按煤层注水区域进行管理，不注水的采掘工作面不准生产。
同时，对煤层注水工作制定了相关的技术要求，对煤层注水泵、钻机型号、注水钻孔参数、注水压力、注水量等按不同地区进行了认真的选型和设计。
要求设计注水应力应等于上覆岩层的重量，注水流量应使注水期内煤层的水份增加率达到1.5%以上。
采掘工作面必须安装专用注水管路，并且要使用直径不小于100mm的无缝钢管，以满足注水压力和流量的要求。
该矿还对回采工作面（包括二分层工作面采空区）、掘进工作面煤层注水施工制定了具体的详细工作方案。
回采工作面煤层注水施工方案：
在实煤体及下分层工作面本煤层注水钻场及注水孔布置上，要求在回采工作面上巷下帮施工若干个钻场，每个钻场内呈放射状单排布置5个注水孔（孔径75mm），钻孔距底板1m，沿煤层倾角布置，钻孔之间的水平夹角均为30°。
上巷下帮两钻场中间部分采取辅助浅孔（孔深20m左右，孔间距20m）注水。
在下巷上帮每隔20米开设小钻场（钻场规格以现场实际需要定），钻场内垂直煤壁布置一个钻孔（孔径75mm），钻孔距底板1m，沿煤层倾角打设，钻孔长度为60m。
上下巷注水孔交错长度不小于10m，注水孔参数要求以工作面煤层注水设计为准。
在二分层工作面采空区注水钻场及注水孔布置上，要求在回采工作面上巷下帮和下巷上帮施工若干个小钻场（钻场规格以现场实际需要定），每个钻场内呈放射状单排布置3个注水孔（孔径75mm），钻孔距底板1m，上巷下帮钻孔竖直仰角为20°，下巷上帮钻孔竖直仰角为40°，每个钻场内各个钻孔之间的水平夹角均为60°。
注水孔参数要求以工作面煤层注水设计为准，应保证钻孔到达采空区。
同时，要求注水压力不小于12MPa，每孔流量3m3/h，注水施工必须超前回采工作面100米完成。
钻机采用ZDY3200S型钻机和YD-40型岩石电钻，注水泵采用三塞高压注水泵。
具体的采煤工作面煤层注水施工相关参数要求以煤层注水设计为准。
掘进工作面煤层注水施工方案：
在注水孔布置及参数设计上，掘进工作面巷道两侧和正前方均采取本煤层注水。
在巷道两侧垂直巷道轴线顺沿煤层倾角布置钻孔，注水孔直径75mm，孔间距为20m，距底板1m，深度为40m；掘进工作面正前方放射状布置3个钻孔，距底板1m，深度为20m，注水孔直径75mm，工作面正头注水孔角度+3°，中心孔顺煤层走向，两帮孔与垂线呈15°外扎角。
同时，要求注水压力不小于12MPa，每孔流量3m3/h。
工作面正头严格按照“注水施工20m、掘进15m”的正规循环进行作业，两侧滞后正头20m进行注水作业。
钻机采用YD-40型岩石电钻，注水泵采用三塞高压注水泵。
具体的掘进工作面煤层注水施工相关参数要求以煤层注水设计为准。
此外，注水孔封孔方法可以采用水泥砂浆、聚胺酯或专用封孔器封孔，封孔深度一般不小于10米，应保证注水过程中煤壁及钻孔不崩孔、渗水、漏水或跑水。
每一钻孔必须安装高压球阀、高压水表以控制和掌握注水流量。
煤层注水的考核和效果检验以流量表和水分鉴定仪考核检验为准。
煤层注水在煤矿安全中的应用及效果浅析
发布:
2010-1-2810:
06|作者:
大众健康网|来源:
大众健康网
1煤层注水及方法
煤层注水是在回采前预先在煤层打若干钻孔，通过钻孔注入压力水，使其渗入煤体内部，破坏煤体内原有的煤－瓦斯两相体系的平衡，形成煤－瓦斯－水三相体系，体系内各个介质相互作用，使煤的物理化学性质、力学性质及热力学性质发生变化。
煤层注水按钻孔深度分深孔注水和浅孔注水。
深孔注水是在回采工作面前方进风巷或回风巷沿煤层倾斜平行于工作面打孔，孔深一般为工作面斜长的2/3，孔径75～100mm。
用水泥浆或橡胶封孔器封孔后，即可开始注水。
与浅孔注水相比，深孔注水成本较高，打钻较困难，只适用于中厚与厚煤层。
优点是预湿范围大，能充分湿润，而且不影响采煤工作。
但在有些矿区，由于煤层没有受到破坏，注水较困难，注水量小。
2煤层注水在煤矿安全中的作用机理及效果
2.1防尘
煤层注水是回采工作面最有效的防尘措施。
水的除尘机理包括以下3个方面：
（1）湿润煤体内的原生煤尘，使其失去飞扬的能力；
（2）有效地包裹煤体的每个细小部分，当煤体在开采中破碎时，避免细粒煤尘的飞扬；
新汶孙村矿和本溪彩屯矿实施煤层注水后，除尘率分别达到73％和79％。
表1是“三软”综放工作面通过实施煤层注水及其他防尘措施后的降尘率。
（3）水的湿润作用使煤体塑性增强，脆性减弱。
当煤体受外力作用时，许多脆性破碎变为塑性形变，因而大量减少了煤体被破碎为尘粒的可能性，降低了煤尘的产生量。
新汶孙村矿和本溪彩屯矿实施煤层注水后，除尘率分别达到73％和79％。
表1是“三软”综放工作面通过实施煤层注水及其他防尘措施后的降尘率。
表1“三软”综放工作面降尘率
位置
采煤机司机
移架司机
放煤司机
回风巷
全尘/％
69.1
44.2
84.1
69.4
呼吸性粉尘/％
42.3
41.2
66.9
45.3
2.2预防煤与瓦斯突出
研究和试验考察表明，注水湿润煤体，可使煤的力学性质发生明显变化，煤的弹性和强度减小，塑性增大，从而使巷道前方的压力分布发生变化，即高压力向煤体深部转移，压力集中系数减小。
煤体湿润后，其透气性也将成百上千倍的降低，水对瓦斯的运动起到明显的阻碍效应，煤中瓦斯涌出量和涌出速度都在大幅度下降。
上述的各种变化，都表明注水湿润煤体，可以消除或降低煤层的突出危险。
在阳泉矿区3号煤层两对突出矿井的6个具有突出危险性的综采工作面使用浅孔煤壁注水后，瓦斯突出和喷出次数与采用前相比，减少了72.2％，平均突出强度也降低了36.5％。
2.3减小工作面回风流中的瓦斯浓度
煤层注水对治理瓦斯的作用，不仅表现在预防煤与瓦斯突出，而且也表现在减小工作面生产时回风流中瓦斯浓度，其原因有2个。
（1）湿润煤体中的水分对瓦斯的运动起阻碍作用，使一部分瓦斯在煤体破坏后不涌入采掘空间而是随煤体被运出工作面。
（2）打孔破坏了煤体内原有的煤－瓦斯体系的平衡，注水前后则形成了新的煤－瓦斯－水三相体系，体系的这些变化都会导致瓦斯的涌出。
郑州煤炭工业集团公司裴沟煤矿的25031工作面在浅孔注水工作中，注水前干孔孔口瓦斯浓度可达2％以上，注水后的湿孔孔口瓦斯浓度则可超过4％。
该工作面注水之后生产过程中瓦斯超限次数明显减少。
安徽恒源煤电股份有限公司625采煤工作面进行煤壁注水以后，瓦斯绝对涌出量降低幅度在29.4％～33.3％之间。
阳泉3号煤层在煤壁实施浅孔注水后，采煤班作业时瓦斯涌出量平均降低了25.07％。
2.4防治冲击地压
煤层注水防治冲击地压的机理是：
高压注水改变了煤体的裂隙结构，使煤体脆性减弱，塑性增强。
促使煤壁前方塑性变形区（卸压带）加宽，使集中压力区（弹塑性变形区）向煤壁深处移动并加宽，减弱了压力集中程度，缓和了煤体压力潜能的积聚，从而预防冲击地压的发生或使其强度减弱。
抚顺胜利矿采用煤层注水防治冲击地压，收到较好效果。
其对比情况见表2。
表2抚顺胜利矿预防冲击地压效果
工作面类别
最大压力位置/m
压力集中系数
增压边界与煤壁距离/m
干工作面
工作面前方5
2.5
<14
湿工作面
工作面前方10
1.4
10～20
2.5防火与降温
分层法开采厚或特厚易燃煤层时，在放顶后，向采空区注水，或在放顶前用水遍洒放顶步距条带，能起到防火作用。
因为注水后煤体的导热系数和热容量增大，使煤体的温度不易升高，如果顶板为泥质岩石，则此法效果更佳，注水（或洒水）后，冒落的矸石湿润，膨胀成再生顶板，覆盖浮煤，减少漏风，从而抑制了采空区的浮煤氧化。
陕西崔家沟矿和徐州大黄山矿采用此法防火均取得了良好效果。
温度较低的冷水注入煤体后，由于水有较大的比热容和汽化潜热，对高温工作面的降温也是有利的。
3提高煤层注水效果的措施
对一定的煤层条件和注水设备，可在注水工艺上采取措施以增大煤层注水量，提高注水速度（注流量），使注水效果更佳。
3.1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，因而可能阻碍水的湿润作用。
而当采用间歇反复注水时，则可消除这一缺点。
另外，注水后煤体内产生的裂隙是可变的，第一次注水时泄露的地点在第二次注水时不一定继续泄水，所以间歇注水能增大注水量。
3.2孔内震动爆破提高透水性
在注水孔内装药进行注水前的震动爆破，可以有效地提高注水速度。
石炭井矿务局在透水性较差的煤层中，采用孔内震动爆破方法提高了注水流量。
其方法是在钻孔中盛满水，将矿用安全炸药（4～5卷）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，爆破结束后，即封孔注水。
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，使煤体得到松动，为正常注水创造条件。
表3是石岩井矿务局二、三矿孔内震动爆破的结果。
表3石炭井矿务局孔内震动爆破结果
矿别及层别
工作
面名称
孔深/m
爆破
次数
注水流量
/L·h-1
二矿5层煤
2521上
40
1
2
10~20
10~20
500
800
三矿5层煤
3512上
23~31
1
42
196
三矿9层煤
3914
21~23
1
67
162
3.3使用湿润剂
煤的湿润边界角在60°～80°之间，不能与清水很好地湿润，为了提高煤层注水的效果，可在水中加入湿润剂，以提高湿润速度和范围。
如阳泉一矿在注入煤层的水中加入0.5％浓度的洗衣粉，使注水速度提高了24％。
目前，我国各注水矿井使用湿润剂的还不多，对湿润剂的种类，效果及开发还需要研究和探讨。
浅谈煤层注水对治理煤矿井下灾害的重要作用
论文关键词：
煤层注水 安全 防尘 放顶煤 回收率 灾害治理
论文摘要：
本文系统分析了煤层注水的钻孔布置和注水参数的合理确定方法，并结合实际的研究项目论述了煤层注水对防尘、防治冲击地压、防火、降温及对放顶煤开采提高回采率和产量的重要作用。
1前言
随着煤矿开采强度的增加，煤矿安全问题也越来越突出。
象瓦斯、煤尘爆炸;冲击地压、煤与瓦斯突出及并下火灾等。
一旦发生，不但危及工人的健康与安全，甚至使矿井停产，严重的会摧毁矿井.因此，国内外都非常重视对其的研究和治理工作。
而煤层注水是煤矿井下治理以上灾害的综合性理想措施，也是保证井下安全的有效途径。
2. 煤层注水钻孔布置及钻孔参数
2.1钻孔布置
根据煤层的渗透特性，煤层的厚度，工作面长度及巷道布置等.有单向（图l、图5）、双向（图2、图3、图4）及扇形钻孔布置（图3、图5）方式。
单向钻孔布置就是在回风巷或进风巷中打钻孔的布置方式。
双向钻孔布置就是在回风巷和进风巷中平均布置钻孔的方式。
而扇形钻孔布置则是由于煤层厚度太大，在垂直于顶底板方向煤层的渗透性较差的情况下，在同一断面（为了打钻方便和阻止钻孔间的串水）布置多个孔的布置方式。
在实际注水中，可根据具体条件进行选择。
2.1.2封孔
为了使钻孔中的压力水不至于从巷帮被压酥的大裂隙中跑掉，一般要求封孔深度要大于煤层由于矿山压力作用被压酥带的宽度。
对于扇形钻孔布置，为了不使钻孔间相互串水，封孔深度一般在10~2肠rn之间，实践证明深封孔有利于提高煤层注水的效果，现在常用的封孔方式有封孔器和水泥砂浆两种。
封孔器封孔效果不佳，且不宜实现长期间断性注水。
水泥砂浆封孔效果好、可靠，是较理想的封孔方式。
为了解决注水或瓦斯抽放等的封孔问题，在“七·五”期间我们研制了SLB型水泥砂浆封孔泵，用该泵封孔最大封孔深度>25m。
封孔时，将适当配比的水泥砂浆〔水:
水泥:
砂子（一0.5:
1:
1〕装入泵中，将输出管头固定在有注水管（抽放瓦斯管）的钻孔口部，开泵时将水泥砂浆压入钻孔，实现水泥砂浆的深封孔。
该封孔方法，一个班可封5~6个孔（>10111）且注水效果好，是较理想的封孔设备。
2.2煤层注水参数
2.2.1煤层注水渗流方程
对于薄及中厚煤层一般用一维渗透来描述
对于厚及特厚煤层，水在其中的渗透多用二维非线性渗流来描述，其方程为:
上述方程，一般用有限元方法求解，求解后结果与实际吻合较好。
在此不详细讨论，下面叙述一种现场常用的方法。
2.2.2注水压力
煤层注水压力一般要求大于煤层中瓦斯（或其它气体）压力，又小于煤层被水压裂的压力，可由下式给出。
2.2.3注水t及注水流t
对于扇形钻孔或其它布置方式，钻孔注水量，用钻孔所湿润的煤量来计算。
Q=Kmq（5）
在静压注水中，注水流量随钻孔中注水阻力的变化而变化，是一不定值;在动压注水中，若泵的流量和同时注水孔数定后，单孔注水流量就是一确定值。
根据国内外经验，若注水时间允许，应采用长时间小流量注水对煤层湿润的效果较理想。
3煤层注水对各种灾害的治理效果分析
煤层注水对防治冲击地压、防尘、防火降温和软化顶煤提高回采率等都起着很重要的作用。
现分述如下。
3.1煤层注水防治冲击地压
煤层注水是一种防治冲击地压的非常有效的措施，它通过注水软化煤体，改变煤体的结构和物理力学性质，来改善煤层开采过程中能量释放的均匀性，瞬时性和稳定性，达到防治冲击地压的目的。
3.1.1某矿注水前后冲击性分析
煤体在受力时聚积弹性能并产生冲击式破坏的能力是煤岩介质的固有属性，称为冲击倾向。
煤层产生冲击地压主要与煤层地质，顶底板条件，开采方法，煤的强度，弹性，内聚力内摩擦角等有关系。
若煤的强度、弹性、内聚力、内摩擦角等较小，而破坏过程较缓慢，塑性大，其冲击倾向就小。
而煤层注水湿润煤体后，就可以降低强度，内摩擦角等，使煤体显著塑化，从而降低其冲击倾向。
表l为某矿注水前后各参数的值。
3.1.2效果分析
通过上述测试数据表明，煤的弹性模量降低44.8%，C（单轴抗压强度）、列内摩擦角）值分别降低11.2%和70.6%。
煤层注水后既降低了煤体的应力集中程度，又扩大了煤壁前方应力降低区的宽度，从而增加了低抗破坏的侧向阻力，另外上覆岩层在未开采前与煤体是同一力学体系，两者相互制约又相互作用。
上覆岩层应力分布特性对冲击地压起着非常重要的作用。
煤层注水后，可使岩层中应力集中峰值向深部移动，分布范围加大，峰值降低，因此工作面附近一定范围内的应力下降，这种变化使顶板断裂位置向煤壁前方转移，降低了周期来压对工作面煤壁的影响，减少了顶板来压诱发冲击地压的可能性。
此外，煤层注水软化煤体后，使煤体的能量释放速度显著下降，破坏形式趋于缓慢，显著改善了煤体破坏时能量释放的稳定性。
通过测试表明，煤体强度下降与注水时间呈负指数关系，因此采用长时间小流量注水，宜于降低煤体强度。
综上所述，煤层注水软化煤体，可以降低煤体的物理力学性质增大其塑性，减少或防止冲击地压的危害。
3.2煤层注水防尘
煤层注水防尘，是防治粉尘产生最有效的措施，它是通过钻孔并利用水的压力将水注入即将回采的煤层中，注入煤层中的水沿着煤的裂隙向被裂隙分割的煤块渗透并储存于裂隙与孔隙之中，增加煤体的水分，使煤体得到预先湿润，以减少采煤时产生浮游粉尘的能力。
3.2.1煤层注水水分增加效果
煤层注水降低粉尘浓度，主要与煤体的水分含量、注水后水分增量和湿润均匀程度有关系。
某矿放顶煤工作面，采用单向钻孔布置方式，动、静压注水相结合，封孔用水泥砂浆封孔，工作面长160r，飞，钻孔长110nl，封孔深度6ln、煤层的孔隙率为10.36%，采用7GB一3.6/160型煤层注水泵，一台泵同时注三孔。
该工作面煤层注水的效果非常理想。
在原始水分为3.914%这样高的情况下，还平均使水分增加了1.202%，达5.116%，最高达7.72%。
并且湿润较均匀，因而取得了较好的防尘效果。
3.2.2煤层注水对放顶煤工作面各主要尘源的降尘效果
在注水钻孔左右10nl范围内天天采样，以考察煤层注水对各主要尘源的降尘效果，其所测结果见表2所示。
由表2可知，该工作面煤层注水取得了很好的降尘效果。
采煤机司机处，顺风、逆风割煤时的降尘率分别达83.%和69%;采煤机下风流10m处，顺风、逆风割煤降尘率分别为88%和85%;放煤工处为27%;放媒口下风流10nl处为31%。
因此搞好煤层注水，对降低工作面粉尘浓度，减少其污染是非常重要的。
3.3煤层注水防火与降温
上述某矿在煤层注水中，加入了防火阻化剂，使发火周期由原来的3一6个月，增邢到5一8个月，工作面平均月推进在50m以上，5个月后推进了250rn以上，工作面远离发火源，使其没有足够的氧气供给而不能够充分憔烧发生火灾，解决了火害问题，注水后温度由原来的平均盯度左右，下降到平均25.3度，改善了劳动条件。
3、之淇层注水提高顶煤放煤效果
在放顶煤开采中，如果煤层比较硬，特别是顶煤较硬，在放煤时，会产生许多大块煤，易使放煤口堵塞，从而使回收率和产量降低。
而煤层注水后能够有效地湿润和软化煤体，煤层注水前，煤层，注水后.其单向抗压强度，注水前为20MPa，注水后为8.SMPa。
注水软化后的煤体大块少了，顶煤放出率由注水前的74.8%提高到86.3%，日产也由注水前2900t提高到4700t，工效提高了38.2%，机组故障和截齿损耗大幅度下降，工人的劳动强度也大大减轻。
4结论
通过以上分析得出以下结论:
（1）煤层注水是防治井下灾害的综合性措施。
并且能够减少切割能量，提高工效和工作面产量与回采率，是非常有效的措施。
（2）煤层注水的钻孔布置和注水参数的合理确定，是影响煤层注水关键的因素（对于一定的煤层）。
（3）煤层注水能够改变煤体的结构和物理力学性质，降低煤体的强度，弹性模量，内聚力和摩擦角，改善煤体应力集中及支承压力和上覆岩层对煤体的影响，减少或防止了冲击地压的危害。
（4）煤层注水可使煤体水分增加，软化煤体，减少粉尘产生量。
实践表明，煤层注水可使采煤司机及下风流10rn处降尘率达80%。
（5）煤层注水（加入阻化剂）可以使自然发火周期增大，避免火灾的危害，还可降低温度，改善劳动条件。
（6）煤层注水软化顶煤，可提高回采率，工效和产量，减少能耗，降低劳动强度。
总之，煤层注水是防治井下灾害，保证矿井和工人安全的综合性措施，其推广应用可有效地降低煤矿井下采煤工作面的灾害事故，改善环境，提高工效，促进安全生产。
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