煤层注水在矿井深部开采灾害防治中的应用.pdf

2 0 1 2年第 1 期 中州煤炭 总第 1 9 3 期 煤层注水在 矿 井深部开采灾害 防治 中的应用 刘 会 强 ， 张福 伟 义煤集 团公 司 千秋煤矿 ， 河南 义马4 7 2 3 0 0 摘要 煤层 注水在矿井深部开采灾害 的防治中发挥着积 极作用 ， 煤层注水 能够减少煤 尘产 生 ， 预 防煤 与瓦斯 突 出， 防治冲击地 压和煤层 自然发火 ， 降低 工作面温度 ， 提高放顶煤效果 ， 改善井下作业环境 。分 析 了煤 层注 水 的作用机理 ， 通过 在千秋煤矿开展煤层注水 的工程 实例 ， 结合数据分析验证 了煤 层注水的重要作用。 关键词 煤 层注 水； 深部开采 ； 煤与瓦斯突 出； 冲击地压 中图分类号 T D 7 1 3 ． 3 文 献标 志码 A 文章编号 1 0 0 3 0 5 0 6 2 0 1 2 O 1 0 0 8 7 0 4 App l i c a t i o n o f Co a l Se a m W a t e r I n f us i o n i n De e p M i ni ng Di s a s t e r Pr e v e n t i o n Li u Hu i q i a n g， Z h a n g Fu we i Q i a n q i u C o a l Mi n e ， Y i m a C o a l I n d u s t r y G r o u p C o ． ， L t d ． ， Y i ma 4 7 2 3 0 0， C h i n a Abs t r a c t Co a l s e a m wa t e r i nf us i o n h a s a n po s i t i v e e f f e c t o n d i s a s t e r p r e v e n t i o n a n d c o n t r o l o f d e e p mi n i ng ．Co a l s e a m wa t e r i n f u s i o n c a n r e du c e t h e c o a l d us t pr o du c i n g， p r e v e n t c o a l a nd g a s o ut b ur s t ， c o n t r o l r o c k b ur s t a nd c o a l s e a m s p o n t a n e o u s c o mb u s t i o n， r e d uc e t h e t e mpe r a t u r e o f wo r ki ng f a c e， i mp r o v e t he e f f e c t o f t o p c o a l c a v i n g， ma k e un d e r g r o u nd wo r k e nv i r o n me n t b e t t e r t ha n b e f o r e ． Ana l y z e d t h e f u n c t i o n m e c h a n i s m o f c o a l s e a m w a t e r i n f u s i o n ， t h r o u g h t h e e n g i n e e r i n g e x a m p l e o f a p p l y i n g c o a l s e a m w a t e r i n f u s i o n i n Q i a n q i u C o a l Mi n e， t h e i mpo r t a n t r o l e o f t he c o a l s e a m i n f u s i o n wa s ve r i f i ed c o mb i n e d wi t h da t a a n a l y s i s ． Ke ywo r ds c o a l s e a m wa t e r i n f u s i o n； d e e p mi n i ng； c o a l a n d g a s o u t b u r s t ； r o c k b u r s t 煤炭是我国能源安全 的基石 ， 对 国家经济安全 关系重大 。近年来 ， 随着社会对煤炭 资源需求量 的 日益增加以及开采强度 的不断提高 ， 矿井进入深 部开采 已经成为必然趋势 。深部开采不仅提高了采 矿成本 ， 而且面临着高地压 、 高地温 、 高瓦斯 、 强冲击 等多种灾害的威胁 ， 给煤矿安全生产带来 了极大的 问题 。煤层注水作为一种矿井灾害防治措施 ， 在 防治矿尘、 瓦斯突出、 冲击地压 、 煤层 自燃等方面具 有独特的效果 ， 尤其是在 多种灾害并存 的矿井中更 能 发挥 积极有 效 的作用 。 1 煤层 注水 的作 用机 理 1 ． 1减 少煤 尘产 生 通过钻孔进行煤层注水 ， 水沿着煤 的裂隙向被 裂隙分割的煤体渗透并储存于裂隙和孑 L 隙中。 增加 煤体水分 ， 湿润煤体 内的原生煤尘 ， 使其失去飞扬能 力。同时使煤体塑性增 强， 脆性减 弱， 在煤体破碎 收稿 日期 2 0 1 1 0 82 9 作者简介 刘会强 1 9 8 6 一 ， 男 ， 河南 义马人 ， 2 0 0 8年毕业于河 南理 工大学 ， 现从事生产技术管理工作。 时， 许多脆性破碎变为塑性形变 ， 降低了煤体被破碎 为 尘粒 的可 能性 ， 减少 了煤尘 的产 生量 。 1 ． 2预 防煤 与瓦斯 突 出 煤层注水可使煤 的力学性质发生明显变化 ， 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 ， 即高应力向煤体深部转移 ， 应力集 中系 数减小。注水过程 中， 大部分游离态 瓦斯被高压水 挤出煤体提前释放 ， 而部分游离态瓦斯受到高压水 影响转化为吸附状态 ， 延长了瓦斯释放时间 ， 两者同 时呈 现 ， 减 少 了采掘 时 瓦斯 的涌 出量 。同时 ， 煤 体湿 润后 ， 水封 闭 了煤 中微 孔 隙 ， 故 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 ， 可 以消 除 或 降 低 煤 层 的 突 出危 险 性 。 1 ． 3防治冲击地压 煤层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 ， 使应力集中区 弹塑性变形区 向煤体 深部转移 、 加宽 ， 减弱了应力集 中程度 ， 缓和了煤体 压力潜能的积聚， 显著地改善能量释放过程中在 时 8 7 2 0 1 2 年第 1 期 中州煤炭 总第 1 9 3 期 间上的稳定性和在空 间上的均匀性， 从而预防冲击 地压的发生或使其强度减弱 。 1 ． 4防火 与降温 煤层注水后 ， 煤体的含水量 、 导热系数和热容量 增大 ， 使得煤体温度不易升高 ， 水分进入煤的孔隙和 裂隙， 在煤体表面形成一层氧化隔离膜 ， 有效阻碍 了 氧在浮煤中的扩散 ， 破坏了煤与空气 的接触并 降低 煤体温度 ， 煤体氧化速度减缓 ， 从而延长了 自然发火 期 。同时， 冒落的矸石湿润、 膨胀成再生顶板 ， 覆 盖浮煤 ， 减少漏风 ， 抑制 了采空区的浮煤氧化 ， 避免 自燃火灾的发生。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 ， 有利于高温工作 面的降温。 1 ． 5 提高放顶煤效果 煤层注水后 ， 可有效湿润、 软化和破裂煤体 ， 使 煤层硬度降低 ， 单 向抗 压强度减 小 ， 顶煤可放性 提 高， 煤炭的采出率提升， 具有良好的经济效益。 2工程应 用实例 2 ． 1 工程概 况 千秋煤 矿 位 于 义马 煤 田中部 ， 1 9 5 6年筹 建 ， 1 9 5 8年投产， 矿井主采煤层为侏罗纪义马组 2 - 1煤、 2 3煤 合并后称二煤 ， 煤种为长焰煤 ， 纯煤平均厚 度 1 3 ． 8 1 m， 具有强冲击倾 向性 ， 且易 自燃 ， 自然发 火期 3 0 d ， 最短 7 d ， 煤尘爆炸指数为 4 4 ． 5 7 ％ ， 煤尘 具有爆炸 危 险性 ， 矿井 瓦斯 绝 对涌 出量 为 2 5 ． 8 7 m ／ mi n ， 相对涌出量为 5 ． 6 4 m ／ t ， 为低瓦斯矿井 ， 进 入深部开采后存在瓦斯异常区域 ， 故按高瓦斯矿井 进行 管理 。 千秋煤矿是典型的复合型灾害矿井 ， 同时面临 着煤层易 自燃、 冲击地压 、 瓦斯异常涌出等多种灾害 的威胁 ， 因此 ， 寻求一种能够同时作用于多种灾害的 防治手段势在必行 。研究表明， 煤层注水在矿井多 种灾害的防治方面均有 良好的作用 ， 实施煤层 注水 后 ， 矿井灾害得到了有效防治 。 2 ． 2煤层 注水 方案 2 ． 2 ． 1 掘进 工作 面注水 方案 1 正前煤壁浅孑 L 注水。在煤 巷掘进过程 中， 先在掘进工作面正前方煤壁均匀布置 5～l 2个注水 钻孔 图 1 ， 孔深 8～1 0 m， 注水时间 1 ． 0 1 ． 5 h ， 然 后再进行正规掘进作业 ； 平均每个掘进循环注入水 量 7 5 0 0 L， 可使预掘煤层的水分增加 1 ． 5 ％以上。 2 巷帮及疏压硐室浅孔高压注水 。在掘进工 88 ． 作 面巷道 的 上 、 下 帮 和 疏 压 硐 室 内施 工 注 水 孔 图 2 ， 进行高压注水， 超前对煤体进行湿润 、 软化 ， 降 低煤体弹性能， 减少响煤炮次数 ， 降低浮游煤尘产生 量 。①超前注水卸压。在掘进巷道两帮的疏压硐室 内向掘进方 向施工注水孑 L 2个 ， 孑 L 深 6 0 m， 进行超 前煤层注水 ， 注水压力 1 2 MP a 。②滞后注水卸压。 掘进巷道在滞后窝面 6 0 m开始两帮注水卸压 ， 注水 孔间距 2 0 m， 注水孔深度 4 0 m， 注水压力 1 2 MP a 。 ③重复注水卸压 。根据注水有效期限 ， 掌握应力恢 复周期 ， 进行 2次 、 3次甚至多次循环注水卸压 ， 注 水参数相同。通过超前注水卸压 、 滞后注水卸压、 重 复注水卸压 ， 有效改变了煤体的物理力学性质 ， 降低 了煤体储存能量的能力 ， 防止 出现应力增高区， 并能 够使煤层应力保持在较低的水平 ， 对冲击地压的防 治具有积极意义 。 图 1 掘进 工作面正前方煤壁浅孔注水 钻孔布置 疏压 硐室 一 6 0m 广- 1 一 图 2巷帮及疏压硐室浅孔注水钻孔布置 2 ． 2 ． 2回采 工作面 注水 方案 1 煤壁浅孑 L 注水。在工作 面回采过程 中 ， 利 用检修班在工作面煤壁每隔 6 m施工 1个注水钻 孔 ， 注水钻孔深 58 m， 钻 孔 5 0 m m， 仰 角 5 。一 2 5 。 ， 分别进行钻孔施工和注水工作， 注水钻孔 间距 6 m， 3 4个检修班完成煤壁注水的 1个循环。1 个 注水作业循环中湿润煤体长度能满足该注水循环时 间段内的工作面割煤推进度 超前 2 m 。随着采煤 循环推进 ， 循环进行注水孔施工、 注水 。 2 交臂钻孔深孔高压注水 。交臂钻孔布置在 回采工作面两巷内， 根据工作面切眼长度 、 煤层厚度 设定钻孔 的深度。例如工作面切 眼长度 为 1 5 0 m， 2 0 1 2年第 1 期 刘会强 。 等 煤层注水在矿井深部开采灾害防治中的应用 总第 1 9 3期 就分别从两巷各打 8 0 m深注水钻孔 ， 以保证两巷注 水钻孔形成“ 交臂” ， 如图 3所示 。通过对注水孔周 围不 同距离的煤体进行含水率测定以确定注水孔布 置间距 ， 对 比分析注水前后不 同距离煤体含水 率的 变化 ， 确定 出千秋煤 矿地质条件下高压注水 的渗透 半径为 1 0 m， 从而确定了深孑 L 高压注水孔间距为 2 0 m， 既保证 了压力水渗透整个煤层 ， 不 留空 白带 ， 同 时也 最大 限度地 减 少 了钻 孑 L 施 工 量 。 2 0 删 图 3 工作 面交臂钻 孔深孔注水钻孔布置 2 ． 3 注水钻 孔施 工 、 封孔 工艺 及注 水设 备 由于千秋煤矿开采深度 大 已达 8 0 0 m ， 地应 力大 ， 在煤层注水钻孔施工过程 中， 钻进成孔困难 ， 极易出现塌孔 、 卡钻现象。通 过引进使用 MK 4 型 全 液压 钻 机 、 K H Y D1 5 5型 矿 用 岩 石 电 钻 、 K H Y D 7 5 型矿用岩石电钻 ， 试验成功了两巷仰 角和俯角打孔 施工， 保证孑 L 深在 6 0 8 0 m， 成功解决了打钻塌孑 L 、 卡 钻等 问题 ， 保证 了煤 层注 水钻 孑 L 的正 常施工 。 注水孑 L 封 孔采用 专用 的煤 层注 水封 孔器 型 号 MZ F ． 6 5 ／ 1 0 MP a X 1 ． 2 m ， 配合 2 j 1 0 mm高压管 进行深部封孔 ， 下入深度为 1 0 m， 同时采用聚氨酯 和水 泥封孔剂联合封孔 ， 封孔位置距孑 L 口不少于 5 m， 封孑 L 效果 优 良 。 采用 3 B Z ． S Z型三塞高压注水泵进行煤层注水 ， 额定压力为 2 4 MP a ， 有效解决了注水时压力偏小而 不能有效破坏煤体 的问题 ， 使注水效果 以及注水湿 润软 化半 径达 到设 计要 求 。 3煤层注水效果分析 3 ． 1 防尘 2 1 1 4 1 工作面煤壁每天施工浅孔注水孔 2 0个 ， 工作面 自回采以来施工浅孔注水孔 5 4 6 0个 ， 钻孔 工程量 2 7 2 3 0 m， 注水量 2 0 5 5 m ， 采用煤层注水后 煤体水分增加 1 ． 8 ％左右 ， 降尘效果见表 1 。 3 ． 2 防 火 在水中添加阻化剂 ， 通过喷洒 、 压注或雾化的形 表 1 2 1 1 4 1工作面注水前后粉尘浓度测定结果 测尘地点 注 式 ， 将其输运到采空区或煤体中， 在煤表面形成一层 含水液膜， 以惰化煤体表面活性结构 ， 阻止煤和氧的 接触 ， 起到阻化作用。同时 ， 吸水性很强的药剂使煤 处于潮湿状态 ， 水吸热降低煤体表面温度 ， 从而在一 定程度 上抑 制 了煤 的 自热 和 自燃 。 注水后煤体 内在水分增加 1 ． 5 ％ 以上 ， 由于毛 细作用 ， 水分进入煤的孔隙和裂隙， 在煤体表面形成 一 层氧化隔离膜 ， 这就阻碍了氧在浮煤 中的扩散 ， 破 坏 了煤与空气 的接触并降低煤体温度 ， 氧化速度减 缓 ， 防治 煤层 自然 发 火 效 果 明显 。 自开展 煤 层 注水 技术以来 ， 未出现过一起 自然发火现象。 3 ． 3 防治瓦斯 注水后 ， 水对煤及岩石有 明显的破碎作用 ， 煤层 透气性增加 ， 钻孔抽放瓦斯浓度提高， 抽放量明显增 加 ， 释放采掘空间瓦斯减少 ； 水进到煤体后可起到排 挤煤 中瓦斯作用 ， 同时也封闭了煤中微孔隙， 使瓦斯 由游离状态变为吸附状态更 为困难 ； 煤层注水使煤 体 自身力学性质发生变化 ， 而且能使工作面应力 向 煤体深部转移 ， 使煤体瓦斯均匀释放 ， 工作面风流中 平均瓦斯浓度降低 0 ． 1 5 ％以上 ， 杜绝了因响煤炮而 引起的瞬间瓦斯超限现象 。注水前后瓦斯涌出量情 况 见表 2 。 表 2 2 1 1 4 1两巷综 掘工作面注水 前后 瓦斯涌 出情况 注水前 注水后 地 点举 甓 嚣早 甓 葬 浓 度 ／ ％ 浓 度 ／ ％ m mi n一 进风流回风流 抽放 瓦斯 中瓦斯中瓦斯 纯量／ 浓度／ ％ 浓度／ ％ m3 rai n一 回风巷0 ． 6 8 0 ． 5 5 1 ． 0 运输巷0 ． 6 3 0 ． 5 2 0 ． 8 0 4 5 0 ． 40 l 5 0． 4 2 0 ．3 6 1 3 3 ． 4防治冲击地压 对 K B D ． 5 、 K B D - 7电磁辐射仪 以及微震系统所 测数据 ， 钻屑法取样数据和煤层注水前后水分测定 结果进行分析得知 ， 注水过程中 ， 煤体不断破裂， 应 力不断释放， 应力集中区域 的应力得以解除， 煤体含 水率增大， 这些使得煤层 中释放冲击地压和解 除局 8 9 2 0 1 2年第 1 期 中州煤炭 总第 1 9 3 期 部应力集中的效果得 到显现 ， 起到了防治冲击地压 的作用。由图4可知， 煤层注水前后煤体电磁强度 和脉冲强度均下 降。从 图 5可以看 出， 煤体在高压 注水开始后 ， 强度从 3 2 1 m V迅速降到 2 1 8 m V， 说明 高压注水过程中煤体应力得到有效释放。 量 爸 鑫 蒌 嚣 锄 测试位 置， m a 注水前 测试位 置／ m b 注水后 图 4 2 1 1 4 1 运输巷 KB D- 5电磁辐射仪 监测数据 2 o o 9 【 7 1 5 8 0 0 2 0 0 9 1 6 T 0 8 0 0 图 5 2 1 1 4 1运输巷 3 探 头 KB D ． 7电磁辐射仪监测数 据 煤层高压注水过程中煤体破裂产生的微震波被 微震监测系统接收 ， 形成多个事件。由表 3可知 ， 煤 层 注水 前平 均 钻 屑量 为 1 ． 9 1 k g ； 由表 4可知 ， 煤 层 注水后平均钻屑量为 1 ． 8 1 k g ， 钻屑量明显变小 。由 表 5可知， 煤层注水后煤体含水率增大。 3 ． 5煤层 注水 的其他 效果 煤层注水后 ， 对高温工作面起到 了明显的降温 作用， 工作面平均温度降低 1 ． 5 c I 左右 ， 有效改善了 工作面的劳动环境。 煤层注水能够有效湿润和软化煤体 ， 减少综掘 机机组故障， 大幅度降低截齿损耗 ， 提高工作面可见 度 ， 也大大减轻工人 的劳动强度。2 1 1 4 1掘进工作 面 和 2 1 1 7 2掘进工 作面 日进 尺也 由注水 前 的 4 ． 8 m 提高到 6 ． 0 m， 工效提高了2 0 ％ ， 实现了快速掘进。 9 O 表 3注水前钻屑法取样数据 取样编号 钻屑量／ k g 取样编号 钻 屑量／ k g 第 1根 1 ． 9 2 第 6根 1 ． 9 2 第 2根 1 ． 9 1 第 7根 1 ． 9 3 第 3根 1 ． 8 9 第 8根 1 ． 8 6 第 4根 1 ． 9 2 第 9根 1 ． 8 8 第 5根 1 ． 9 7 第 1 0根 1 ． 8 9 表 4注水后钻屑 法取样数据 取样编号 钻屑量／ k g 取样编号 钻屑量／ k g 第 1根 1 ． 7 5 第 6根 1 ． 8 9 第 2根 1 ． 7 6 第 7根 1 ． 7 9 第 3根 1 ． 8 2 第 8根 1 ． 7 8 第 4根 1 ． 8 3 第 9根 1 ． 8 2 第 5根 1 ． 8 4 第 l 0根 1 ． 8 6 表 5煤层注水前后水分测定结果 煤层注水促进了煤体破裂 、 变形 ， 增加了原煤水 分 ， 提高了煤体的可放性 ， 使得工作面架顶顶煤得 以 放完放净 ， 月可多 回收煤炭 8 0 0 0 t ， 创造经济效益 3 6 0万 元 。 4 结语 千秋煤矿通过不断尝试新的煤层注水方式 ， 优 化注水工艺 ， 不仅改善了工作环境 ， 同时也对矿井灾 害进行 了有效防治。多种监测手段验证 ， 煤层注水 在降尘 、 防治瓦斯 、 煤层 自燃， 尤其是在防治冲击地 压中具有积极意义， 为同类型矿井灾害 的防治提供 了借鉴 。 参考 文献 [ 1 ] 曹允伟 ， 王春城 ， 陈雄 ， 等． 煤矿 开采方法[ M] ． 北京 煤炭 工业 出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 2 ] 赵辉 ， 熊祖 强， 王 文． 矿 井深 部开 采 面临 的主 要 问题 及对 策 [ J ] ． 煤炭工程 ， 2 0 1 0 7 1 1 - 1 3 ． [ 3 ] 赵永哲 ． 煤层注水对防治矿井灾害 的作用[ J ] ． 陕西煤炭 ， 2 0 0 9 4 3 4 G6 ． [ 4] 齐庆新 ， 窦林名． 冲击矿压理论 与技术 [ M] ． 徐州 中国矿业 大 学出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 5 ] 罗杰． 综放 工作面煤 层注水 及效 果分析 [ J ] ． 山西 焦煤科 技 ， 2 0 0 9 1 3 1 - 3 3 ． [ 6 ] 王 志坚 ， 王 国芳 ， 陈旭东 ， 等 ． 煤层注水封孔工艺浅谈 [ J ] ． 机 械 管理 开发， 2 0 0 4 5 5 3 - 5 5 ． 责任编辑 刘光雨 嚷挺