煤層注水掘進的實踐與效益分析

郭興明 ,郭 融

（1.山西大同大學建筑與測繪工程學院，山西大同 037003；2.同煤集團馬脊梁煤礦集運站，山西大同 037003）

柳林金家莊煤礦全井田東西長5 100 m，南北寬2 800 m，井田面積6.084 km2，井田構造屬簡單構造，地層傾角平緩，一般為3～7°，礦井設計生產能力120萬t/a，屬高瓦斯礦，2007年4月建成投產。

礦井批準開采3#～10#煤層，現開采的9#煤層北回風大巷位于集中回風大巷北偏東方向，巷道長931.5 m（0～40 m 為8°下山，40～140 m 為平巷，然后沿9#煤層底板布置，見圖1），采用錨網索噴支護。

北回風大巷為煤巷，采用鉆眼爆破法掘進，盡管采取了濕式鑿巖、噴霧灑水降塵和個體防護相結合的防塵措施，但是效果并不理想。為了尋求較為理想的辦法，采用工作面煤層注水的辦法施工，實踐證明效果良好。

圖1 注水巷道位置示意圖

1 煤層注水理論

1.1 煤層注水降塵原理

（1）濕潤煤體內的原生煤塵，使其失去飛揚的能力。

（2）有效地包裹煤體的每個細小部分，當煤體在采掘中破碎時，避免細粒煤塵的飛揚。

（3）水的濕潤作用使煤體塑性增強，脆性減弱。當煤體受外力作用時，許多脆性破碎變為塑性形變，因而大量減少了煤體被破碎為塵粒的可能性，降低了煤塵的產生量。

煤層注水降塵實質是：預先在煤層中鉆孔，然后向鉆孔中注入壓力水，鉆孔中的壓力水通過煤層、煤體中的裂縫進行滲透、壓細、毛細和分子擴散運動，之后擴散的水分滲透并存儲與煤體的裂縫之中，對煤體進行預先的濕潤，從而減少煤體開采時產生的浮游粉塵。

1.2 煤層注水作用

1.2.1 防塵

當壓水進入煤層后，煤層均含水分增加，對減少采煤各環節的粉塵起很大作用。首先，煤層縫隙中原存在的煤塵、粉塵經過注水的濕潤，在開采時失去了飛揚的能力，從根本上消除了粉塵的源頭；其次，注水進入煤層后，水分會均勻地分布在煤體中，當煤體在掘進過程中出現破碎時，其破碎形成的煤粉由于附著水分，同樣失去飛揚能力；再者，水進入煤體后使其塑性增強，脆性減弱，改變了煤體的物理力學性質。當煤體受外界因素影響破碎后，脆性破碎變為塑性變形，從而減少了煤塵量的產生，據統計，水進入煤體后平均降塵率達88%。

1.2.2 降低工作面瓦斯涌出量

在對煤體注水時，高壓水必須克服瓦斯壓力后才能注進水，這樣便改變了煤的力學性質，提高了煤的可塑性，降低了彈性模量，使應力分布均勻化，彈性釋放的速度變小，降低了釋放的功率，水進入煤的空隙，降低了瓦斯的排放。

1.2.3 防沖擊地壓

煤層注入水后軟化了煤體，改變了煤體結構，減弱煤體脆性，提高了煤體的可塑性，促使煤壁前方塑性變性區變寬，應力集中地帶向煤壁深處移動并變寬，進而減弱煤體沖擊傾向，有效改善能量釋放過程中的時間穩定性和空間均勻性。這樣便直接防止了沖擊地壓現象的發生。

1.2.4 可有效避免自然火災

煤體注水后，增大了煤體的熱容量，提高了煤體導熱系數，這樣便降低了遺留煤體中溫度，從而有效延長了煤體的自然發火日期。

1.2.5 加快施工速度

煤體注水除有以上效果外，還可有效降低煤的硬度，提高了爆破效率，從而促進生產效率的提高，降低施工成本。

2 煤層注水參數確定

2.1 影響注水效果因素

（1）煤體孔隙、裂隙對煤層注水產生直接影響。煤體裂隙發育越好越易于注水的完成，煤體硬度比較高的地方，則往往會出現回水現象。但煤體裂隙過大，注入的水體容易流失到其他地方，從而使煤體水分達不到規定的4%，這樣便增大了注水難度。

（2）地壓的集中程度高低影響著煤層注水的難易。工作面松軟的煤層，注水較易，很容易使煤層含水分在4%以上。而在那些強沖擊地壓傾向性的工作面，煤層裂隙發育不完全，這樣必須提高注水壓力，據實驗針對此種煤層，注水壓力10 MPa 為宜，若過高會讓媒體裂隙增大，散失水分增多，反而又降低注水壓力，這樣便直接增大工作量，影響了工作效率。

（3）注水的超前距離是影響注水效果的重要因素。注水的超前距離的判定需根據煤層性質和礦山壓力顯現規律來確定，距離過大則會造成煤層透水性差，難以注水，距離太小則會使注入的水沿較大的裂縫流失，起不到注水防塵效果。確定合適的超前距離可以獲得較好的效果。

（4）煤體的濕潤能力取決于水與煤的濕潤邊角和水的表面張力系數。當煤體性質確定時，降低水表面的張力系數有助于提高煤體的濕潤能力。另外，還需要考慮到煤體內的瓦斯因素的影響，瓦斯壓力是注水的附加阻力，所以為了提高煤層的濕潤能力，需要加大注水壓力來克服瓦斯壓力以確保煤層濕潤效果[1]。

其實，影響煤層注水的主要因素有注水壓力、注水速度、注水量和注水時間等，決定煤層注水除塵率高低的重要因素是注水量或煤的水分增量。實踐證明，通常煤的水分增量變化在50～80%。除塵率和注水的關系，見圖2、圖3。

圖2 除塵率η 與注水量QV的關系圖

圖3 除塵率η 與煤水分增量ΔW 的關系

2.2 注水參數設計

依據北回風大巷地質條件、施工任務、技術裝備、施工隊伍水平，采用“四六”工作制，確定“三掘一支”的施工組織形式，炮眼深度為2 m，考慮炮眼利用率和確保正規循環，循環進尺按6 m計。

2.2.1 鉆孔布置

鉆孔選在支護班進行，選用ZQSJ-140/4.1型氣動鉆機鉆進施工，φ42 螺旋鉆桿。掘進工作面順層呈放射狀單排布置2個平行鉆孔，鉆孔距底板和幫均為1.5 m，沿掘進方向略帶仰角3～5°，偏角15°，鉆孔直徑42 mm，孔深8 m。實現作業時每注水8 m，掘進循環6 m,作為一個注水循環[2]。

2.2.2 注水

該礦工業廣場建有200 m3靜壓水池一座，供井下防塵灑水使用。工作面采用短孔注水方法，用高壓膠管將兩個鉆孔的供水管路連接起來，同時注水，注水器插入鉆孔不小于2.5 m，注水壓力8～10 MPa，使用封孔器封孔[3]。

（1）單孔注水量為：

式中：QW為單孔注水量，m3；K為系數，一般取1.1；L為鉆孔長度，m；B為鉆孔間距，m；H為煤層厚度，m；γ煤的密度，取1.54 t/ m3；q為噸煤注水量，取0.015m3/t。

（2）注水時間為：

式中：V為單孔注水流量，m3/h。

一般來講，煤層注水采用間歇性注水，5 min一次，每次1.6 m3。實際操作，經驗的做法是以煤壁滲水為標志，即可停止[4]。

2.2.3 封孔

選用自帶封孔功能的封孔器，注水管深入孔內2.5 m以上為宜，爆破時去下封孔器[5]。

2.3 注水效果測定

為了檢驗煤塵注水的降塵效果，對煤塵注水前和注水后工作面的煤塵濃度分別進行測試。采取煤層注水措施后，經測定放炮掘進中迎頭粉塵濃度由原來的1 000～2 000 mg/m3，降到200～400 mg/m3，粉塵濃度降為原來的1/3。

3 效益分析

3.1 經濟效益

與傳統的濕式鑿巖、噴霧灑水等綜合防塵方法相比較，采用煤層注水，每個月產生經濟效益及費用節省數據分析如下：

（1）安全防護用品費用節省2萬元；

（2）改善作業環境，提高生產效率，產生經濟效益15萬元；

（3）有效降低了噪聲造成的職業病的發生，節省費用20萬元。

總的經濟效益為：37萬元/月×6個月=222萬元。

3.2 社會效益

（1）煤層注水掘進，降低掘進工作面煤塵，有利于掘進工作面快速、安全的施工，有效防止煤塵爆炸事故的發生；促進煤礦企業健康、安全、持續穩定的發展。

（2）煤層注水掘進，改善作業環境，有效地遏制了由煤塵產生了塵肺病的發病率，使職工的工作效率大大提高，創造更大的經濟效益。

4 結語

（1）隨著開采機械化程度和開采強度的不斷加大，導致掘進工作面的產塵強度及作業環境中粉塵濃度也越來越大，單一煤層注水除塵并不理想，要和濕式鑿巖、噴霧灑水等相結合，會取得更好的效果。

（2）本項目實施，僅注意了工作面，未考慮巷道兩幫注水防塵，如果兩方面均進行，估計效果會更好。

（3）隨著科學技術的發展，裝備智能化的提高，降低粉塵濃度的方法和手段將會更先進。加強通風除塵是主要手段，更要特別注重做好作業人員個人防護工作。