抽采注水“一孔两用”封孔技术研究.pdf

2 0 1 7年第 4 2 卷第 4期 Vo 1 ． 42 No ． 4 能 源 技 术 与 管 理 En e r g y T e c h n o l o gy a n d Ma n a g e me n t 2 9 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ．i s s n ． 1 6 7 2 - 9 9 4 3 ．2 0 1 7 ．0 4 ． 0 1 1 抽 ． -T - ． 注 水 “ 一 孔 两 用 ” 封 孔 技 术 研 究 王峰 大 同煤矿集 团 恒宝源煤 业有 限公 司， 山西 大同 0 3 7 0 0 0 [ 摘要 ] 煤层注水是降低工作 面粉尘的主要技术措施之一。恒宝源煤矿利用工作面抽放孔 对煤体进行注水， 一方面降低 了开采过程 中粉 尘质量浓度 ； 另一方面不需要专门打 注水孔 ， 减 少了工作量。注水量及注水压力又取决于封孔效果的好坏。恒宝源煤矿 采 用“ 两堵一注” 注浆封孔方式 ， 很好地实现 了对注水孔的封堵。 [ 关键词 ] 综采工作 面； 降尘措施 ； 两堵一注； 注水； 封孔技术 [ 中图分类号 ]T D7 1 2 ． 6 2[ 文献标识码 ]B [ 文章编号 ]1 6 7 2 - 9 9 4 3 2 0 1 7 0 4 - 0 0 2 9 - 0 3 1 工程背景 9 煤层 8 1 0 3工作面位于矿井中东部一采区 ， 为 9 层第二个综采工作面。 其西部为 9 层 3 条采 区大巷 ； 南部为 9 层 8 1 0 1 综采工作面 ； 北部为实 体煤层 ； 东部为上磨石沟村保护煤柱 。 工作面倾 向 长度 1 5 0 m， 可采走 向长度 5 0 0 m， 煤层平均厚度 1 1 ． 8 m， 煤层平均倾角 9 。 ， 密度 1 ． 4 t ／ m 3 , 工作面可 采储量 1 2 4万 t ， 可采 出煤量 1 0 0万 t 。 工作面回采 率为 8 0 ％， 工作 面平均 日产 3 0 0 0 t ， 可采期 为 l 5 个月。 9 煤层 8 1 0 3工作面属低瓦斯工作面 ， 煤尘具 有爆炸性 ， 属 自燃煤层 ， 煤层发火期为 7 0 d 。9 煤 层 8 1 0 3工作 面两顺槽 均为矩形断面 ， 2 1 0 3运输 顺槽巷宽 4 ． 7 m、巷高 2 ． 8 m； 5 1 0 3轨道顺槽巷宽 3 ． 7 m、巷高 3 ． 3 m；均采用左旋无纵筋螺纹钢锚 杆 、 钢筋梯梁和锚索联合支护。 工作面配套 Z F 7 5 0 0 ／ 2 2 ／ 3 5型中间架 9 6 架 ， Z F S D 5 6 0 0 ／ 2 2 ／ 3 3型端头架 1组 ， Z F S G 一 6 8 0 0 ／ 2 2 ／ 3 3 型过度架 7架 ； 使用采煤机型号为 MG 一 7 0 0 一 WD， 前刮板运输机型号为 S G Z 一 7 6 4 ／ 4 0 0 ，后刮板运输 机型号为 S G Z 一 7 6 4 ／ 6 3 0 ，转载机型号为 S Z Z 一 8 3 0 ／ 2 5 0 ， 破碎机型号为 P C M一 1 6 0型， 顺槽 可伸缩带式 输送机为 D S J 一 1 0 0 ／ 8 0 ／ 1 6 0型。工作面采用单一走 向长壁后退式综合机械化低位放顶煤采煤方法 ， 采用 自然垮落法管理采空区顶板 ，采用 “ 两采一 放” 放煤工艺。 8 1 0 3工作面瓦斯抽放孔布置沿着工作 面两 侧顺槽展开， 间隔4 m， 钻孔深度 7 5 m 。在工作面 回采过程中 ，由于煤层的含水率很低 ，只有 1 ．0 1 ％， 在进行过瓦斯抽采之后 ， 煤层的含水率降 得更低 ， 使粉尘产生较多 。 这不仅给井下工作人员 的健康构成了极大的威胁，同时也影响了正常生 产 ， 因此必须采取降尘措施。根据现场条件 ， 恒宝 源煤矿采取煤层注水降尘措施 。8 1 0 3工作面可注 性分析 4项指标如表 1 所示。 表 1 8 1 0 3工作面煤样可注性分析 4项指标 2 “ 一孔 两用” 技术方案制定 恒宝源煤矿存在 回采过程 中产生粉尘质量浓 度较大的问题， 必须采取降尘技术措施， 比如在顺 槽和工作面铺设喷雾 、 水幕等 ， 但 是降尘效果并不 是很明显。煤层注水是降低粉尘质量浓度的主要 技术措施之一⋯， 通过对工作面煤层进行注水 ， 提 高煤层 的含水率 ，可 以有效降低 回采过程中的粉 尘质量浓度 。 利用抽采孔进行注水 ， 最主要有 2个 方面的优点 一是可以节省工作量， 不需要重新打 注水孑 L ； 二是可以与 回采进度相匹配， 实现注完水 即回采 ， 保证注水水分最大限度保留。 存在的主要 问题是 抽采过的煤层孔隙裂隙发育充分 ， 为注浆 封孔带来了较大难度 。 方案预先采用“ 两堵一注” 注浆封孔方式如图 1所示 。 1 ． 囊袋 ； 2 ． 单 向阀 ； 3 ． 注浆管 ； 4 ．单 向爆破伐 ； 5 ． 裸管 6 ． 单 向阀 ； 7 ． 返浆管 图 1 “ 两堵一注” 注浆封孔装置 方式 3 0 王峰抽采注水“ 一孔两用 ” 封孔技术研究 2 0 1 7年 8月 Aug ． ，2 01 7 3 现场工业性试验 3 ． 1 现 场试 验 工业性试验选择在恒宝源煤矿 8 1 0 3 工作面， 初始利用工作面辅助进风顺槽巷侧的 8个瓦斯抽 采孔进行煤层注水。 实验注水孔直径 9 4 m m， 孔深 为 7 5 m， 钻孔间距 1 0 m， 采用“ 两堵一 注” 封孔方 式 ， 前后 2个囊袋长度是 1 m， 注浆段长度 与封孔 深度相关。 为了确定最佳 的封孔深度 ， 采用不同封 孔长度进行试验 ，注浆封孔深度 1 2 、 1 4 、 l 6 、 1 8 m 的钻孔各 2个。 在注浆封孔过程中 ， 出现了 3个 现象 ① 2 、 5 、 6号钻孔在注浆封孔过程中出现浆液沿着煤壁 裂隙往外流的现象 ；② 1 号钻孔裸管里面及外壁 往出返浆 ；③4号钻孔无法将封孔器塞到指定位 置 ， 最终封孔深度是 8 m。待封孑 L 浆液凝 固 4 8 h ， 开始对钻孑 L 进行注水 。注水泵使用 2 B Z 一 4 0 ／ 1 2型 脉冲式煤层注水泵 ， 其具体技术参数如表 2所示 。 表 2 2 B Z 一 4 0 ／ 1 2型脉冲式煤层注水泵参数 名称 参数 名称 参数 脉冲强度 ／ MP a 0 ～ 1 2 工作 电压 ／ V 6 6 0 ／ 1 1 4 0 脉冲频率 ， 次 ／ mi n 1 4 6 0 外 型尺寸 ／ mm 1 3 0 06 3 07 1 5 输 出流量 ／ ffmi n 4 0 整机质量 ， k g 5 0 0 电机功率 ／ k W 1 5 电机型号 YB K2 2 0 0 8 3 ． 2 理论注水量计算 单孔注水量按照水分增加法进行计算 Q K B L MT W1 一 W2 式 中 Q为 1 个钻孔注水量 ， m 。 ； 为孔间距 ， 8 1 0 3工作面按照钻孔设计取 1 0 m； 为 1 个钻孔 长度 ， 8 1 0 3 工作面取 7 5 m； 为工作面煤层厚度 ， 8 1 0 3 3 2 作面取 1 1 ． 8 m； 为煤 的密度 ，取 1 ． 4 ff m ； 为注水后要求达到的水分 ，取 4 ％； W 为煤层 原有水分 ， 取 1 ． 0 1 ％； 为水的漏失和注水不均匀 系数 ， 取 1 ． 5 。 按照上式计算 ， 钻孔间距 1 0 m的注水钻孔理 论注水量为 5 5 5 ． 7 0 m’ 。 3 ． 3 试验注水量 在注水过程 中， 注水压力提高到 4 MP a 时 ， 注 水封孔器开始往外射出， 导致注水 中断， 所 以本次 试验的注水压力均维持在 3 M P a以下 ，其 中封孔 深度 1 2 m的单孔注水量最大达 到 2 0 3 ． 9 1 m ， 封 孔 深度 1 4 m的单孑 L 注水 量最大达到 1 6 8 ． 3 6 m ， 封孔深度 1 6 m的单孔注水量最大达到 1 3 8 m3 封孔 深度达到 1 8 m的单孔注水量最大达到 1 4 0 ． 5 0 m ； 注水压力在 2 MP a 左右 。具体如表 3 所示。 表 3 第一 阶段各个钻孔注水参数 4号钻孔 由于煤壁漏水严重无法进行注水 ； 8 号钻孔 由于工作面推进 ， 没有继续注水 。 对本次现 场试验存在的问题主要有 3种 一是在撤 出抽放 管路的时候没有及时进行注浆封孑 L ，导致 4号钻 孔 出现塌孔 ， 注浆封孔器无法塞到指定位置 ， 而且 在注水过程中， 4号钻孔煤壁出水 比较严重 ， 说 明 封孔深度不够。 二是在注浆封孔过程中， 待一注段 的返浆管开始 出浆液 即停止注 浆 ，这样 一注段 的压力和巷道气压相 同，没有达到规定的注浆压 力 。 三是 7号钻孔只进行了 3 d注水 ， 由于工作面 推进原 因没有继续 注水 ， 8号钻孔 距工作 面只有 4 0 m， 没有进行注水试验。 针对第一阶段出现的问题 ，参与试验的人员 对注水方案进行 了改进。首先是注水封孔器在没 有达到注水压力 6 MP a的情况下即往外 出射 ， 对 注水封孑 L 器进行 了加长 ，增加表面螺纹 以增大摩 擦力 ， 在孔 口固定 了注水管 。其次 ， 注水工作人员 与抽采人员及时沟通 ， 当撤 出抽采管路系统时 ， 及 时进行注浆封孔，保证不出现第一阶段的塌孔导 致封孔器塞不到位的情况。第一阶段注浆封孔试 验存在的问题就是封孔效果不好 ， 煤壁漏水严重 。 对此 ， 采取间歇式连续注浆方式 ， 即一注段返浆管 出现返浆现象时， 扎住返浆管继续注浆 ， 待注浆压 力达到指定的 1 ． 5 M P a时 ， 停止注浆 ， 等浆液充分 渗透几分钟 、 压力降下来时继续注浆 ， 连续反复多 次 ， 待最终压力能持续稳定 1 h以上 ， 即达到封孔 效果。第一 阶段没有协调好注水时间和工作面 回 采进度 ，导致 7 、 8 号钻孔没有正常进行注水注浆 试验 ， 一方面是 由于无法达到更高的注水压力 ， 导 致注水速度较慢 ；另一方面是没有充分考虑注水 与回采之间的关系。通过计算 和现场验证 ， 8 1 0 3 工作面推进速度是 4 m ／ d ， 为了更好达到理论注水 量 ， 现场注水速度是 2 1 m 3 ／ d ， 所 以在距工作面大 约 1 2 0 m的位置即可开始进行注浆封孔 ，并进行 注水 ， 以保证注水和回采互不影响。 2 0 1 7年第 4 2卷第 4期 Vo 1 ． 4 2 No．4 能 源 技 术 与 管 理 E n e r T e c h n o l o a n d Ma n a g e me n t 3 1 4 现阶段试验 在 总结第 一阶段注水 试验经验之后 ，在距 8 1 0 3工作 面 1 2 0 m位 置重新选取 了 3个抽放钻 孔 ， 采用 “ 两堵一注” 封孔方式进行封孔 。 钻孔长度 7 5 m， 封孔深度分别 是 l 0 、 1 2 、 1 4 m。此 次 ， 采用 问歇式连续注浆封孔方 式 ，注浆段压力 维持在 1 ． 5 MP a ，注水封孔器不再往 出射 ，现阶段 1号 孔 注水 1 7 5 m ， 2号孔 注 水 1 9 3 m， ， 3号孔 注 水 1 8 4 m ， 注水过程正常。待达到理论注水量 ， 即可 进行注水半径及注水效果考察[ ] 。 5注水半径及注水效果考察 考察指标按照 恒宝源煤矿工作面长孔脉动 注水方案 、 煤矿安全规程 及 M T 5 0 1 1 9 9 6 { 长 钻孔煤层注水方法标准 等相关规范进行 。 考察指 标以煤层含水率变化为准 ， 具体标准如表 4所示。 表 4 考察指标 指标 指标类型参考指标标准／ ％ 备注 1 含水率4 ≥ 4 ％ 为注水有效 2 含水率增加值 2 含水率增加 2 ％为注水有效 考察满足指标 1 、 2之一即可。考察施工钻孑 L 如图 2 所示。 2 m 2 m 1 m 2 m 2 m 2 m 厂 十 、 小 小 ， 、 厂 、 ， } ＼ ／ ／ V 一／ ～／ u／ 考察 考察 考察／ 考察 考察 考察 孑 L 孑 L 孑 L 主 2 王 【 - 孑 L 孑 L 4 孑 L 图2 考察钻孑 L 布置 每一钻孔施工时 ，从深度 2 0 m开始每钻进 2 0 m取一煤样 ，故每一钻孔 取煤 点分别 为深度 2 0 、 4 0 、 6 O 、 8 0 、 1 0 0 、 1 2 0 m。 煤样取出后立 即进行密 封处理 ， 带回实验室对煤样进行水分分析 ， 以确定 注水效果。 6 结论 1 煤层注水是降低工作面粉尘质量浓度最 有效的技术措施， 单纯为了降尘施工注水钻孔， 不 仅增加工作量 ， 而且增加 了生产成本 。 进行注水试 验应该充分利用抽放钻孔 ， 实现“ 一孔两用” 。 2 进行煤层注水 ，封孔效果的好坏是决定 后期注水量和能否提高注水压力的关键 。为此必 须保证封孑 L 效果 ，采用间歇式连续注浆方式可保 证注浆压力维持在 1 ． 5 M P a ， 可充分封堵煤层 的孔 隙裂隙。 3 为了不影响工作面的回采进度 ，应该更 加细化注水速率和回采进度 的相关关系 ，使得达 到预期注水量 几个 工作 日之 内便进行工作面开 采 ， 保证注水效果最大化。 [ 参 考 文 献] [ 1 ] 耿凡， 周福宝 ， 罗刚． 煤矿综掘工作面粉尘防治研究现 状及方法进展[ J J ． 矿业安全与环保 ， 2 0 1 4 5 8 5 8 9 ． [ 2 ] 朱克仁． “ 两堵一注” 瓦斯封孑 L 工艺存在的问题及解决 对策[ J ] ． 能源与环保， 2 0 1 7 1 1 8 2 1 8 5 ． [ 3 ] 王重文， 连现忠． 瓦斯抽采钻孔“ 两堵一注” 带压封孔 技术及装置研究 [ J ] _ 世界科技研究与发展， 2 0 1 6 2 35 73 5 9． [ 作者简介] 王峰 1 9 8 1 一 ， 男， 工程师， 本科学历 ， 现任大同煤矿集 团恒宝源煤业有限公司总工程师 ， 长期从事煤矿技术管理 和研究工作。 [ 收稿 日期 2 0 1 7 0 5 0 3 ] 上接第 1 0页 5 结语 C O 防灭火技术作为一种非常有效 的注惰 防 灭火措施 ， 在江苏煤矿现场得到了广泛应用。 目前 江苏 8 0 ％以上 的煤矿 均配备 了地面压 注 C O 的 防灭火系统。 但其在现场应用也有一定的局限性 ， 如对大倾角俯采工作面使用效果不佳 ，目前江苏 煤矿正在将地面压注 C O 防灭火与地面压注 N 结合起来 ， 综合使用 ， 效果更好 。 [ 参 考 文 献] [ 1 ] 李波 ， 牛振磊 。 程根银． 深部矿井综放工作面压注二氧 化碳防灭火技术研究[ J j ． 华北科技学院学报， 2 0 1 6 ， 1 3 5 1 9 2 2 ． [ 2 ] 周金生，冯德谦． 综放工作面采空区注 C O 气体防止 自然发火技术的应用 [ J ] ． 煤炭技术 ， 2 0 0 5 ， 2 4 2 61 - 62 ． [ 3 ] 刘赛， 刘福义． 矿井采空区C O 防灭火技术发展展望[ J ] ． 煤炭技术， 2 0 1 4 ， 3 3 6 7 - 9 ． [ 作者简介] 杨树 民 1 9 6 0 一 ， 男 ， 高级工程师， 毕业于山东矿业学 院， 现任江苏煤矿安全监察局总工程师， 长期从事煤矿安 全监察及技术工作。 [ 收稿 日期 2 0 1 7 0 5 0 2 ]