煤层注水试验在梁北矿实施方案

煤层注水试验在梁北矿实施方案
郑浩
摘要：针对梁北矿煤层赋存条件，结合工作面风机巷施工的本煤层瓦斯抽放钻孔，利用钻孔封孔管对煤层进行注水来湿润煤体，降低工作面回采期间的粉尘浓度，稀释煤层裂隙中的瓦斯，保障职工的健康安全。

关键词：煤层爆炸危险；瓦斯抽放钻孔；封孔管；煤层注水；
1、矿井概况
梁北矿为煤与瓦斯突出矿井，主采煤层为二叠纪山西组底部二
煤，煤层走向196°，
1
倾角12.5°，煤层平均厚度4.2m。

煤层瓦斯压力0.6—3.65Mpa，瓦斯含量4.91—13.97m3/t，
硬度系数0.15-0.3，煤层透气性系数0.0011—0.0454m2/Mpa.d，属于较难抽放煤层。

二
1煤层具有煤与瓦斯突出危险性，为煤与瓦斯突出矿井。

煤尘具有爆炸危险性（爆炸指数为
煤层一般无自然倾向性，（自然发火期82天），属Ⅲ类不易自然煤层。

17.19%--18.42%），二
1
2、方案的提出
煤层具有突出危险性，必须加大通风风量稀释瓦斯浓度，导致回采工作面由于矿井二
1
风量大、风速高，造成粉尘漂移速度快，采取一般常压喷雾降尘措施后粉尘浓度仍有600mg/m3以上，接尘人员的接尘浓度严重超标。

煤层松软，且采高较大，致使采煤过程中跨落严重，粉尘扩散冲击力极大，简由于二
1
单地采取单一防尘措施极难控制其对作业场所的污染。

3、注水试验方案
3.1、煤层注水目的
利用回采工作面风机巷已实施的本煤层瓦斯抽放钻孔，在开采前一定时间内进行煤层注水，并通过动压注水，静压注水及动、静压交替注水试验研究，以确定最佳注水效果。

3.2、试验系统布置
图1 注水系统
1—注水管；2—水泥砂浆；3—压力表；4—阀门；5—分流器；6—钢丝编织高压胶管及接头；7—单向阀；8—注水表；9—注水泵；10—水箱；11—静压防尘水管。

在静压注水时直接将6与11连接即可。

2.3、注水参数
（1）开孔位置：距巷道底板1.0～1.5m。

（2）钻孔倾角：和工作面煤层倾角相同
（3）钻孔间距：5～7m，4个孔为一组（主要考虑到煤层软，亲水性差）。

（4）钻孔长度：60+5m（按工作面120m）。

（5）钻孔直径：φ50～90mm。

（6）单孔注水流量q
根据国内外经验及梁北矿二
1
煤层特点。

取单孔平均注水流量为10～20L/min，即0.6～
1.2m3/h。

（静压注水时可不控制单孔注水流量）
（7）动压注水压力P
2.6 MPa≤P≤18.9 MPa
一般情况下注水压力应满足以下条件：
（1.2～1.5）P
w ≤P≤P
r
式中：P——注水压力，MPa；
P
w ——煤层中瓦斯压力，MPa（根据11081面作业规程，P
w
取1.75 MPa）；
P
r ——上覆岩层压力，MPa（P
r
=ρ*g*h=2700×10×700=18.9 MPa）。

（8）单孔注水量Q
Q≥45m3
钻孔的注水量是影响煤体湿润状态和防尘效果的主要因素。

注水量的大小，应根据该钻孔所承担的湿润煤体总量及其增加的水分值来设计，可按下式计算：
Q=kl l
j
Mγq
式中：Q——一个钻孔的注水量，m3；
k——钻孔终端前方煤体湿润系数，取1.1；
l——钻孔长度，按65m计算；
l
j
——钻孔间距，按5m计算；
M——煤层厚度，按4.6m计算；
γ——煤的容重，取1.35T/m3；
q——吨煤注水量， 0.02m3/T。

计算得出单孔注水量Q＞44.4m3。

（9）注水时间T
T=6~12天
T=Q/q=44/（0.6～1.2）=73h~37h ，按一天注水不小于6小时
（10）同时注水钻孔数量n
n=Tv/l
j
式中：v——工作面日推进度，3m/d。

计算得出同时注水的钻孔数量为3.6~7.2个，考虑水泵流量以及现场施工难度取n=4。

（11）注水超前工作面距离lc
l c = T
d
v＋l
t
式中：l
t
——停止注水时钻孔距工作面的距离，取15m；
T
d
——注水时间，按6天计算。

计算得出注水超前工作面距离至少为33m。

考虑到这是按理想状态注水水分增量的最低要求计算的，因此取注水超前工作面距离为40m～50m。

2.4、封孔工艺
煤层注水对封孔工艺的要求很高，优良的封孔质量是取得注水工作成功的前提，应特别注意封孔阶段的工作质量。

封孔工艺流程
图2 封孔工艺流程图
注水管的选择、预处理及埋设
注水管选用抗静电阻燃的硬质PVC管（硬质聚氯乙烯管）或PE管，以防采煤机割煤时产生火花。

在注水管的前端捆扎棉纱，捆扎好的棉纱应呈马尾状，避免将棉纱捆扎成一团。

捆扎棉纱距注水管端头的距离应大于0.5m，防止由于棉纱对钻孔堵塞不严，注浆过程中少量水泥浆渗漏对注水管产生影响。

注水管露出煤壁段应用铁管代替，铁管在钻孔内的长度应保证固化后的水泥浆能完全将铁管与塑料管连接段包裹，一般要求铁管距煤壁孔口处的长度大于0.5m；铁管与塑料管
之间的联结方式有两种：硬质塑料管与铁管之间采用螺纹连接；对于PE管与铁管之间采用铁丝捆扎的方法；铁管与软质塑料管之间的结合段长度应大于0.1m。

将预处理好的注水管送入钻孔内，在送管过程中应避免将注水管外拉，注水管送到钻孔内预定位置后，应将注水管稍微外拉，使棉纱成团，防止水泥浆流入钻孔非封孔段。

图3 水泥浆封孔布置示意图
注浆管的埋设
注水管埋设好后，将注浆管（其一端连接在封孔设备的出口上）送入钻孔内，注浆管送入钻孔内的长度不应小于500mm，注浆管送入钻孔后，用棉纱团将注水管、注浆管孔口段堵塞，其长度不小于200mm，以避免在封孔过程中注浆管向外退出；对于上向孔，在孔口采用木楔裹缠棉纱将注水管楔紧，保证封孔深度和质量。

水泥稠浆的准备
（1）混合水泥浆用量的确定：
混合水泥浆的多少采用下式计算：
G=(V
1-V
2
)×K×γ
式中：G——所需混合水泥浆的质量；
V
1
——封孔长度范围段钻孔的体积；
V
2
——封孔长度范围段瓦斯抽放管或注水管的体积；
K——系数，K=1.2；
γ——混合后水泥浆的密度，经测定水灰比：水泥：水=1：0.4的水泥稠浆密度约为2t/m3。

（2）水泥及清水用量的确定
根据实际使用及实验室试验结果表明，具有良好封孔效果的水泥稠浆的水灰比为：水泥：水=1：0.4。

配制上述质量为G的水泥稠浆所需水泥及清水用量为：
硅酸盐水泥：水泥用量 G
灰 =
40
.1
G
清水用量 G
水 = G- G
灰
（3）封孔设备的选择
选用KFB型矿用封孔泵进行封孔，该泵主要由防爆电机、安全离合器、减速系统、搅拌机、离合器、离合器操作手柄、送浆泵及机座组成。

其主要技术性能参数如下：
工作压力：1.2MPa；
工作流量:8～10L/min；
防爆电机:2.2Kw,380/660V。

搅拌机净容量：50L。

3、效果考察方案
煤体注水时当达到设计注水流量或煤壁有水渗出即可停止注水。

可从三个方面进行动压、静压及动、静压交替注水效果比较：
①达到相同注水量所用注水时间。

用时少的注水方式为优。

②煤体水分增量。

在两个注水孔之间打钻取岩芯，测量煤体的水分增量。

煤体水分多
的注水方式为优。

③降尘效果。

分别测量煤体注水前后工作面生产时产生的粉尘浓度，以检测煤层注水
防尘的效果。