3第三章 煤层注水设计

第三章煤层注水设计第一节设计基础资料和主要内容一、设计基础资料1.煤的物理机械特征(煤的透水性、原始水分、孔隙率、湿润边角、硬度、裂隙发育情况、煤的饱和含水率)、顶底板的物理力学性质(透水性、孔隙率、硬度、自然含水率、饱和含水率)、煤尘爆炸指数。

2.煤的赋存条件，包括倾角、厚度、构造及稳定性等。

3.矿井开拓系统、采区巷道布置及采煤方法。

4.工作面产量、推进度、通风方式，进、回风巷几何尺寸和支护形式。

5.水源及供水系统。

二、煤层注水设计主要内容1.煤层注水方式选择。

2.煤层注水工艺及参数计算。

3.煤层注水设备及供水管径的选择。

4.绘制煤层注水系统图。

5.编写煤层注水设计说明书。

三、煤层注水设计应注意的问题1.煤层厚度小于0．6m时，不宜注水。

2.煤层孔隙率小于4％时，其透水性接近于零，此时不宜注水。

3.煤层孔隙率大于或等于40％时，煤层成为多孔均质体，天然含水率已达1，此时已无需注水。

4.煤层湿润边角θ≥90°时，为不可湿润煤体，注水防尘效果不好。

5.长孔注水，孔长不能小于待注水煤层工作面倾斜长的2／3。

6.应有比较充裕的注水时间。

第二节煤层注水方式及其选择一、煤层注水方式煤层注水方式是指钻孔的位置、长度和方向。

我国目前使用的注水方式有长孔注水、短孔注水（浅孔注水），深孔注水和巷道钻孔注水四种方式。

1.长孔注水在采煤工作面前方的进风巷，或回风巷沿煤层倾斜方向平行于煤层工作面打钻。

长孔注水分为单向和双向长孔注水两种形式，如图3―1所示。

2.短孔注水(浅孔注水)沿采煤工作面与煤壁垂直或或斜交打钻孔孔注水,孔长一般为2m ～3.5m ，如图3―2a 所示。

3.深孔注水沿采煤工作面、垂直工作面煤壁打孔,孔长一般为5～25m ，如图3―2b 所示。

4.巷道钻孔注水由上邻近煤层的巷道向下煤层打钻注水或由底板巷道向煤层注水,在一个钻场可打多几个垂直于煤层或扇形布置方式的钻孔,通过钻孔进行注水，如图3―3所示。

二、注水方式的选择长孔注水是一种先进的注水方式，钻孔能湿润较大区域的煤体，获得较长的注水时间，煤体湿润均匀，采、注无干扰，所以为各国广泛采用。

缺点是打长钻孔的难度大，定向打钻困难，对地质条件的适应性差。

短钻孔注水适用于煤层赋存不稳定、地质结构复杂、煤层薄、产量较低的采煤工作面，或者工作面顶、底板为易吸水膨胀岩性时。

由于短孔注水压力低，所以其工艺装备简单，具有较大的适应性和灵活性。

缺点是钻孔数量多，湿润范围小，钻孔长度短，易跑水；由于注图3―1 长孔注水示意图（a ） 上向孔； （b ）下向孔 ；（c ）双向长钻孔注水方式示意图1－回风巷；2－开切眼；3－运输巷图3－3巷道钻孔注水示意图1－巷道；2、3－钻孔；4－上煤层；5－下煤层3－2 短孔、深孔注水方式示意图a －短孔b －深孔1－回风巷；2－运输巷水必须在准备班进行，容易与回采作业发生矛盾，对生产能力高的工作面不适用，加上降尘效率不如深孔和长孔注水，所以正规工作面已较少采用。

深孔注水钻孔较长，要求煤层赋存稳定。

它可适用于各种工作面顶、底板状态。

与短孔注水比较，其钻孔数量少，湿润范围大且均匀，降尘效果较好。

但它对注水压力要求较高，注水工艺装备较复杂，而且采用这种方式的前提是作业循环中要有准备班。

巷道钻孔注水费用高，尽管可以小流量长时间注水，注水效果好，但采用较少。

第三节注水工艺及参数确定一、长孔注水工艺及参数确定1. 钻孔直径钻孔直径主要由钻机、钻杆直径所决定。

我国采用岩石电钻打孔时，孔径一般为45mm 左右，用钻机打钻时，孔径为53～60mm，少数大于70mm。

在孔径选择时，要考虑煤的硬度、破碎情况、封孔技术及注水量等因素。

通常，如果煤的硬度大、注水量大、封孔技术好孔径可取较大一些，反之宜取较小的钻孔直径。

根据我国目前统配煤矿注水实情，钻孔直径均在45～75mm之间。

2.钻孔长度单向钻孔注水时孔长的计算。

L＝L l—M (3-1) 式中 L——钻孔长度，m；L1——工作面长度，m；M——与煤层透水性和钻孔方向有关的参数，透水性弱的煤层上、下向孔，M均取20m；对透水性强的煤层，上向孔取M≥20m，下向孔M＝(1／3～2／3)L1。

根据我国的注水经验，钻孔长度为30～100m，即工作面长度的1／3～9／10的范围。

3.钻孔间距在实际注水中，合理的钻孔间距一般通过实践来确定。

我国矿井注水采用的钻孔间距大多为10～25m，设计时可按15～20m考虑。

4.钻孔角度钻孔角度原则上与煤层倾角保持一致，使钻孔始终保持在煤层内，以免穿透顶底板；考虑到钻杆的下沉，开口位置宜靠近煤层上部；煤层有夹矸时，应使钻孔穿透夹石，以使各自然分层均被湿润。

5.封孔深度封孔深度一般通过试验和生产实践确定，我国煤矿封孔深度一般为2．5～10m。

6.封孔方式煤层注水是通过密封在钻孔内的注水管将水注入钻孔并渗入煤体。

封孔即把注水管封在钻孔内。

封孔方法有两种，即水泥砂浆封孔和封孔器封孔。

(1)水泥砂浆封孔这种封孔方式的具体操作及注意事项如下：a.注水管机采工作面注水应采用外径为25 mm、壁厚为2．5mm，或外径为20mm、壁厚为2mm的聚氯乙烯硬管作为注水管。

管长2m，管与管之间通过用同类材料制成的接头连接起来。

最后一根注水管，应采用相同直径、长为0．8m的钢管。

当注水压力较高并采用SLB--1型水泥砂浆封孔泵向钻孔注入水泥砂浆时，为确保塑料注水管能被水泥砂浆均匀地包裹起来，使其具有可靠的耐压强度，可在管的一端，距端头200mm处圆周上焊上塑料板条或黏上木条以扶正注水管。

塑料板条或木条长80mm 、宽10mm ，与管接触的一面呈凹弧形，曲率半径与管的曲率半径相同。

3条板条或木条在管的圆周上互成120°，在轴线方向上，各板条或木条首尾相距30mrn 。

黏木条后的分布圆直径应比钻孔直径小3mm ～4mm 。

水泥砂浆层厚不得小于13mm 。

炮采工作面注水既可采用聚氯乙烯硬管，亦可采用外径为17mm 或21mm 的钢管作为注水管。

采用钢管时可不焊接板条。

b. 泥浆堵头常用方法是在注水管上距前端管口150mm 处横插一个比封孔直径短的棒，将布条或棉纱均匀分布在管的圆周上，在棒的前头用钢丝捆紧。

捆有布条处的直径要比封孔直径小一些，以保证能顺利送进孔内。

c. 封孔施工将捆有布条的注水管先送进钻孔，随后逐根送入孔内。

管接头的螺丝扣要缠上密封胶带或涂上白铅油并加麻绳，严密连接。

送完注水管后，将注水管轻轻向后拉一下，使布条在孔内固紧。

向封孔段送水泥砂浆的方法基本上有以下四种：水泥砂浆封孔泵注浆。

向孔内注浆前1d ～2d ，先在孔口用水泥固定一个木塞。

木塞上有两个通孔，一个孔穿过注水管，一个孔安装注浆接头。

注浆时，用夹布胶管将注浆接头与专门用于封孔的SLB —1型水泥砂浆封孔泵连接起来。

封孔后的状况如图3—4所示。

水泥砂浆的水、灰、砂比为0．5：1：1。

为使水泥砂浆固化后的收缩量尽可能小一些，水的用量应以水泥砂浆呈稠状为准。

当封近水平钻孔时，为确保封孔质量，最好采用硅酸盐膨胀水泥。

砂子要过筛，控制粒径在2mm 以下。

采用水泥砂浆封孔泵注浆，只要能满足水泥砂浆层厚不小于13mm ，就可不再扩孔。

灌注水泥砂浆。

该方法主要用于钻孔倾角大、封孔深度浅的下向孔。

将灰砂比为1：2的稀水泥砂浆倒入注水管与钻孔之间的环形空间即可完成封孔。

灌浆时，封孔段不得有积水。

送泥器送泥封孔。

将灰砂比为1：2的灰砂掺合均匀，用水拌成炮泥状，然后填入如图3—5所示的送泥器中。

把送泥器送进钻孔，将接头2与钻杆连接起来，一直接到扩孔段的孔底，再通过高压软管将钻杆与注水泵连接起来。

开动水泵即可将灰砂泥送进钻孔预定位置。

送泥时需用力抵住钻杆后退。

如此反复进行，直至填满钻孔。

每送进两次，需沿钻孔拨动一下注水管，以改变具位置。

采用的注水管以Ｄg15的普通钢管为宜。

人工送泥。

当钻孔倾角较小和封孔深度较浅时，可采用此法。

即用水将水泥和砂拌成炮图3—4 水泥砂浆封孔后的状况示意图1一钢丝；2一棉纱；3--水泥砂浆；4一塑料管；5－支撑板；6-—管接头；7---钢管；8一堵孔木塞；9—注浆管接头；10——连接螺母；11一注浆夹布胶管图3一5送泥器示意图1—拉杆；2--接头；3—套筒；4一垫圈；5--活塞；6--密封圈；7一螺栓泥状，用月牙形铁铲送进孔内并捣实即可。

(2)封孔器封孔主要介绍以下两种方式：a. YPA 型水力膨胀式封孔器封孔。

将这种封孔器(见图3—6)与注水管连接起来，送至预定的封孔位置，通过高压软管与水泵连通。

开泵后，封孔器胶管在水压作用下膨胀，封住钻孔，水从喷嘴经挡水罩流出，进入钻孔。

注水结束后，封孔器胶管将随压力下降和消失而逐渐恢复原状，然后取出再用。

使用时，有时会因地压大造成钻孔缩小或塌孔，使封孔器难以取出。

机采工作面使用时应注意，一旦取不出封孔器，要保证不造成采煤障碍。

b. MF 型摩擦式封孔器封孔将这种封孔器(见图3—7)与注水管(钢管)连接起来，送至钻孔的封孔位置，顺时针旋动注水管使其向前移动，橡胶密封筒被压缩膨胀，封住钻孔，然后注水。

注水结束后，逆时针旋转注水管，密封胶筒卸压并恢复原形，然后取出再用。

7.注水压力我国注水经验，一般静压注水水压不超过2450kPa ，动压注水水压一般可达到4900～19600kPa 左右。

8.注水流量静压注水流量一般为：0.001～0.027m 3/h ·m ；动压注水量一般为：0.02～0.24 m 3/h ·m 。

9.注水量一般地煤层注水每个钻孔的注水量为：Q=L 1BMrq (3―2)式中：Q — 每孔的注水量， m 3；r —煤的密度，t/ m 3；L 1— 工作面长度，m ；B —钻孔间距，m ；M —煤层厚度， m ；q —吨煤注水量。

一般为0.03m 3/t 。

在实际工作中，要根据实际情况来来确定钻孔间距和注水量，而且还可以在水中加入湿润剂，以提高湿润速度和范围，从而达到好的防尘效果。

如阳泉一煤矿，在水中加入0.5%浓度的洗衣粉，注水速度会提高25%，前苏联广泛用专用湿润剂，湿润范围扩大50%。

10.注水时间图3—6 YPA 型水力膨胀式封孔器1一挡水罩；2—喷嘴；3—O 型封圈；4—外套；5—芯子；6—胶图3—7 MY 型摩擦式封孔器1一注水管；2—连接器；3—推压器；4一垫圈；5—橡胶密封；6—中间隔垫；7一短管螺母；8实践工作中应避免出现等待注水的现象。

一般来讲，采煤工作面深孔注水，应有半个月左右的提前量。

过早注水，采煤时煤体会失水干燥；过晚注水，煤体不能充分湿润，会影响防尘效果。

单孔注水实践中以煤壁渗水为参照，经验公式如下：单孔注水时间为：QTV(3―3)式中： T —注水时间，h；Q—钻孔注水量，m3；V—注水速度，m3/h。