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1452020 年第 3 期 采煤工作面煤层注水参数试验研究 王兴华 马小磊 （山东万祥矿业有限公司，山东 济南 271107） 摘 要 通过在 6198 采煤工作面现场施工煤层注水钻孔采取煤样，实验室试验注水钻孔水压力分布、煤样含水率变化， 得到了工作面煤层注水影响半径等技术参数，为采煤工作面煤层注水提供了一定的参考依据。 关键词 煤层注水 水压力分布 含水率变化 影响半径 中图分类号 TD714.4 文献标识码 A doi10.3969/j.issn.1005-2801.2020.03.057 Experimental Study on Water Injection Parameters of Coal Seam in Mining Face Wang Xing-hua Ma Xiao-lei （Shandong Wanxiang Mining Co., Ltd., Shandong Jinan 271107） Abstract Through the water injection drilling of coal seam in the 6198 coal face, the water pressure distribution and water content change of the water injection drilling hole are tested in the laboratory, and the technical parameters such as the influence radius of coal seam water injection are obtained, which provides a certain reference basis for coal seam water injection in the coal face. Key words infusion in seam water pressure distribution moisture content change radius of influence 收稿日期 2019-10-26 作者简介 王兴华（1977-），男，山东万祥矿业有限公司从事一通 三防技术管理工作。 1 矿井概况 潘西煤矿采用立井～斜井联合开拓方式，综合 机械化采煤，走向长壁后退式采煤法，全部垮落 法管理顶板。6198 采煤工作面位于后六采区，走 向长度平均 1850m，倾斜长度平均 195m，煤层走 向 102136，煤层倾向 1246，煤层倾角平均 26，煤厚平均 2.8m。山东鼎安技术检测有限公司 对 6198 采煤工作面进行了煤尘爆炸性检测，检测结 果水分 0.79，灰分 12.09，挥发分 31.74，真 相对密度 1.34，吸氧量 0.52cm3/g，有煤尘爆炸危 险性。6198 采煤工作面采用煤层注水的方式进行煤 尘防治，为了确定煤层注水影响半径等参数，潘西 煤矿与中国矿业大学合作， 开展煤层注水参数研究。 2 采煤工作面煤层注水试验及现场煤样采集 2.1 钻机及注水泵的选择 采 用 ZQJC-360/8.0 型 气 动 架 柱 式 钻 机， Φ76mm 的螺旋钻杆，Φ82mm 的钻头，能够满足 功率、扭矩的要求。 采用 7BZ-4.5/16 型高压煤层注水泵，额定流量 4.5m/h，工作压力 816MPa，电机功率 30kW，能 够满足流量、压力的要求。 2.2 钻孔封孔及注水方法 煤 层 注 水 钻 孔 采 用 Φ76mm 的 螺 旋 钻 杆、 Φ82mm 的钻头施工，钻孔间距 20m，钻孔深度 60m。施工完毕后采用 Φ25mm 套管注水泥砂浆进 行封孔，封孔长度超过巷帮煤体的破碎带且不小于 20m。 在钻孔外露端接上高压注水管， 安装好压力表、 流量计。采用动压注水和静压补水的联合注水系统， 动压注水量达到设计注水量后，改为静压补水。 2.3 试验煤样采集 测试所需煤样全部在 6198 采煤工作面采集。 在工作面距注水位置 20m 附近施工 3 个取样钻孔， 取煤层原始新鲜煤样 3 份。煤层注水后，分别在距 注水孔 4m、6m、8m、10m 位置施工 12 个取样钻孔， 每孔取煤粉 3 份。煤样在井下现场用密封袋密封包 装，贴好编号标签，送至中国矿业大学实验室进行 试验。 3 实验室煤层注水试验 3.1 注水钻孔水压力试验 以 6198 采煤工作面煤层物理力学参数为基础 1462020 年第 3 期 建立钻孔注水模型，注水孔直径为 82mm，注水压 力为 3MPa。根据注水模型显示，可以观察到注水 后的煤层水压力分布情况在煤层内部形成了一个 以注水孔为中心的渗流场，煤层孔隙水压力以注水 孔为中心呈辐射状分布，距离注水孔越近，孔隙水 压力越高。 3.2 煤样含水率试验 将保持天然含水状态的原始煤样和注水后距离 注水钻孔 4m、6m、8m、10m 的煤样分别取 3 份试 验样品，放入干燥箱中进行烘烤，每隔一定时间取 出试验样品称量。经过 24 个小时烘烤后，计算各 个煤样的含水率，如表 1 所示。 表 1 不同位置煤样含水率（单位g） 编号总重量1h3h6h12h15h21h24h含水率 原样 149.8549.7049.7049.6449.6349.6049.5949.590.52 原样 250.8250.7250.7250.6450.6150.6150.6050.590.45 原样 353.8153.7153.6853.6253.5953.5953.5753.560.47 平均51.4951.3851.3751.3051.2851.2751.2551.250.48 4m151.1450.6850.5750.4150.3750.3650.3050.301.67 4m252.0251.6151.4751.3351.3151.3051.2751.271.46 4m352.5752.1451.9751.8351.7851.7851.7551.751.58 平均51.9151.4851.3451.1951.1551.1551.1151.111.57 6m149.2449.1049.0949.0248.9748.9848.9648.950.59 6m251.0250.9650.9150.8350.8350.8250.8150.810.41 6m347.3247.1747.1447.0347.0046.9746.9546.950.79 平均49.1949.0849.0548.9648.9348.9248.9148.900.59 8m152.1251.9351.8751.8451.8251.8051.7951.790.64 8m251.1751.0350.9950.9250.8950.8650.8450.840.65 8m349.6049.4949.4649.3749.3749.3349.3149.310.59 平均50.9650.8250.7750.7150.6950.6650.6550.650.63 10m150.8950.7850.7150.6550.5850.5650.5550.550.67 10m248.9448.8348.7748.6848.6548.6548.6548.650.60 10m349.9749.8749.8349.7249.7249.7049.6649.660.62 平均49.9349.8349.7749.6849.6549.6449.6249.620.63 由表 1 可以看出，原始煤层的煤样含水率为 0.48，距离注水钻孔 4m 处煤样含水率 1.57，距 离注水钻孔 6m 处煤样含水率 0.59，距离注水钻 孔 8m 处煤样含水率 0.63，距离注水钻孔 10m 处 煤样含水率 0.63。距离注水钻孔越近煤样的含水 率越高，随着距离的增加，煤样的含水率在下降。 当距离注水钻孔一定距离时，煤样的含水率基本保 持不变。从测试的效果来看，距离注水钻孔 4m 处， 煤样的含水率较高，当达到 6m 时煤样的含水率急 剧下降。这表明煤层的注水效果随着与注水钻孔距 离的增加而逐渐变差，从 4m 位置到 6m 位置注水 效果发生显著变化，而从 6m 开始钻孔注水效果基 本趋于平缓。煤样含水率的变化表明煤层注水效果 在 4m 以内为最好，距离钻孔 6m 和 8m 处的钻孔含 水率与未注水的煤样含水率非常接近，表明钻孔内 压力水对 6m 以外的区域影响相当小。 1472020 年第 3 期 4 结论 通过数值模拟得出煤层注水孔两侧的水压呈指 数降低，越靠近注水孔，降低速度越快，水压力梯 度越大。 通过实验室测定原始煤层含水率 0.48，注水 后距离注水孔 4m、6m、8m、10m 处的煤层含水率 分别为 1.57、0.59、0.63、0.63。得出煤层 3MPa 水压注水后距离注水孔 4m 范围内煤层注水效 果良好，6m 及超过 6m 的位置注水效果一般，煤层 含水率趋于平稳。 通过综合数值模拟与注水试验，得出注水孔直 径 82mm、注水压力 3MPa 时，煤层注水影响半径 为 4m。 【参考书目】 ［1］ 张国枢 . 通风安全学 [M]. 徐州中国矿业大学出 版社，2007. ［2］ 王省身 . 矿井灾害防治理论与技术 [M]. 徐州中 国矿业大学出版社，1986. （上接第 141 页） 关子程序，维修人员就可以通过控制箱进行相关操 作，控制有关指令输出。 4.2 全自动控制模式 主控制程序在每一个循环执行周期都会调用全 自动控制子程序，根据监测到的水位信息控制水泵 运行。在控制模块中内置智能逻辑运算，根据水仓 水位以及水泵运行状态，智能决定水泵运行，降低 能耗以及设备磨损。在全自动控制模式下可以对水 位变化率进行识别，当发现水仓水位发生较大变化 时，能够提前控制水泵运行，做到主动预防。控制 系统对水泵累计运行时间以及运行状态进行记录， 合理选择主水泵以及备用水泵，提升水泵的使用时 限，降低设备磨耗。 4.3 半自动控制 该种控制方式是水泵自动排水系统的基本控制 方式，在该种模式下，井下作业人员可以单独对某 台水泵的运行进行控制，同时该水泵也可以根据传 感器监测到的水仓水位信息自动运行，从而确保井 下水仓水位标高。 5 组态软件设计 该软件主要是在地面监控中心服务器上运行， 主要作用是监控井下水泵房各类设备运行状态、数 据存储、报表生成、输出运行曲线等并对数据进行 汇总存储。在井下中央水泵房或者设备出现异常情 况时，能够发出声光报警信号，并记录报警信息。 具体软件运行框架结构如图 5 所示。 6 结束语 在煤矿生产中，排水系统自动化控制对提升矿 井现代化、信息化以及数字化控制具有重要促进意 义，在保障矿井生产安全的同时也提升了矿井工作 效率。井下水泵房自动化排水系统于 2018 年 6 月 开始在中兴矿应用，不仅实现了井下水泵房的无人 值守自动化排水，而且减少了井下巡查人员及操控 人员数量，确保了整个排水系统平稳正常运行，提 高了矿井生产安全系数以及矿井经济效益。 图 5 组态软件框架结构 【参考书目】 ［1］ 李向军 . 煤矿井下中央水泵房自动化排水系统优 化研究 [J]. 山西能源学院学报，2018，31（02） 15-17. ［2］ 焦永富，程中平，李志鹏 . 基建矿山大水矿床排 水系统优化研究 [J]. 矿业工程，2018，16（01） 20-23. ［3］ 闫亚珍 . 煤矿井下中央水泵房自动化排水系统优 化研究 [J]. 山东煤炭科技，2016（03）137-139. ［4］ 车永军，王成真，杜利宏 . 煤矿井下中央水泵 房自动化排水系统研究与应用 [J]. 煤矿开采， 2013，18（05）28-3137. ［5］ 程伦新 . 井下自动排水系统控制策略的研究 [D]. 辽宁工程技术大学，2012. ［6］ 李泽松 . 井下水泵房自动排水系统研究 [D]. 太原 理工大学，2005.