浅谈薄煤层长短钻孔联合注水技术的应用论文
综采工作面在生产过程中会产生大量的煤尘，不仅危害工人身体健康，还会加速磨损采煤机械，严重时可能发生煤尘爆炸造成重大事故，而煤层注水技术能从根本上减少煤尘的产生，降低工作面的粉尘浓度，改善作业环境. 煤层注水降尘技术是采煤工作面最有效的防尘措施之一，其工艺经济简单，在矿井生产中便于操作，不影响正常生产，已在煤矿煤尘治理方面得到广泛的应用; 此外，煤层注水后对于抑制工作面瓦斯涌出、减少冲击地压危害、降低矿井高温热害等也都能起到一定的积极作用，是保证矿井安全生产的有效途径. 注水工艺、注水参数会直接影响注水效果，本文以垞城煤矿92103 综采工作面的复杂条件为背景，对注水工艺优化设计和试验，通过比较工作面煤层注水前后煤样全水分及粉尘浓度的变化，验证煤层注水降尘技术获得了良好的效果，为薄煤层、煤层硬度大等地质条件的煤层注水研究提供参考.
1 煤层注水作用机理及影响因素
1. 1 煤层注水降尘的原理
煤层注水是在采煤工作面回采之前在煤层中沿煤层走向打若干钻孔，利用钻孔注入含压防尘水，增加煤岩含水量，在开采过程中减少或者基本消除浮游煤尘的一种防尘技术. 其作用机理主要为: 一是将水注入煤层后能在开采前预先润湿煤体，使得原生煤尘无法在开采时悬浮于空气中，丧失了飞扬能力，从而消除了原生尘源; 二是开采割煤过程中煤体被破坏后，由于水分原因，破碎的微粒煤体无法飞扬; 三是水能改变煤体的物理性质，增加其可塑性，降低脆性，从而减少煤尘的产生. 煤尘注水的实质是预先湿润煤体能够在产生煤尘之前将其消除，和其他捕集或者稀释等防尘方法相比，这是一种最为积极有效的防尘技术.
1. 2 煤层注水效果的影响因素
影响煤层注水效果的因素主要有2 方面. 一是煤层的自然因素的影响，包括孔隙率、普氏系数f值、裂隙发育程度以及所含瓦斯压力、煤层受压情况等. 二是煤层的注水工艺的影响，包括注水方式、注水参数、超前距离、添加湿润剂等. 当煤层厚度小于0. 6m 或者煤层孔隙率小于4%时，不宜采用煤层注水.
2 煤层注水参数确定
2. 1 工作面概况
垞城煤矿92103 工作面采用倾斜长壁采煤法，上行开采，工作面走向长S = 560 m，倾向长L = 125 m.煤层为小湖系9 号煤层，煤层厚度0. 4 ～ 2. 8 m，平均厚度h = 1. 2 m，煤层倾角24° ～ 34°，平均α = 28°，煤层普氏系数f = 5. 8; 煤层自燃发火期3 ～ 6 个月，9煤挥发份为34. 87%，煤尘爆炸指数大于30%，有易燃易爆危险性，煤层原生水分为2. 78%.
2. 2 注水参数选择
合适的注水方式直接影响煤层注水的效率. 煤层注水有长钻孔注水、短钻孔注水、深孔注水和巷道注水4 种方式.薄煤层注水遇到的问题主要有2 个方面: 一方面由于92103 工作面受煤层硬度较大、存在断层等因素影响，长钻孔施工过程遇到卡钻等现象，钻孔的长度往往达不到设计要求，湿润范围大大缩小，形成了注水盲区; 另一方面9 号煤层空隙率低、渗透性差等地质构造条件，使得注水较为困难，湿润的效果不理想. 因此，在煤层注水时就必须选择湿润半径大、润湿效果好的注水方式，且同时从劳动量、作业时间以及经济角度等方面出发，结合表1，最终选择长、短钻孔相结合的联合注水方式.长、短钻孔联合注水即在工作面回风巷常压带中利用MK - 4 型钻机长孔单向高压注水; 利用检修班时在工作面卸压带采取ZM 型煤电钻短孔低压注水. 注水过程中利用深部矿区矿井防尘水源及压力控制阀，采取小流量长时间进行注水.
回采工作面受采场地压作用，在工作面前方煤体形成了卸压带、集中应力带和常压带. 卸压带煤体受动压作用后应力降低，次生裂隙发育完全，透水性显著提高，钻孔施工简单、注水压力要求小. 短钻孔注水弥补了薄煤层钻孔卡钻及打钻困难导致的注水盲区的问题，长钻孔高压注水解决了渗透性差及注水困难等导致注水效果差的问题.长、短钻孔联合注水方式充分利用了2种注水方式的优点，又对各自的缺点进行互补，使得水分能够大面积的充分润湿煤体，发挥出了煤层注水最大的降尘效果.根据现有的工具及工作面的特性参考《长钻孔煤层注水方法MT501 - 1996》计算得到注水参数
2. 3 封孔工艺
封孔好坏影响煤层注水压力及质量，且注水孔漏水影响工作环境. 合理的封孔长度应超过煤邦煤体的破碎带，使得钻孔口周围煤壁不发生跑水. 长钻孔的封孔长度为8 m，短钻孔的封孔长度为1. 5 m，外部使用封孔器封孔. 注水后当注水孔两侧的煤壁或煤邦有水渗出时，暂停对该孔注水.
3 煤层注水实践效果分析
3. 1 煤层全水分检验
92103 工作面煤层注水后，采用钻屑法化验取样煤层全水分. 考虑到钻孔间距为15 m，因此分别在距工作面上出口5，20，30，45 m 处各打1 个钻孔，钻孔深度约为25 m，钻深每隔5 m 取一次样，测出煤样含水率对注水后煤层样品全水分测定，可用看出2#钻孔基本没有得到湿润，即不在湿润半径内. 而在湿润半径内煤层的水分含量平均为4. 10%，新增水分平均为1. 32%，效果显著.
3. 2 煤层注水减尘效果
92103 工作面在注水前选取4 个测尘点进行了2 个班次的粉尘质量浓度测定. 注水后测定了3 个班次，取其平均值作为该班该测尘点的粉尘质量浓度. 4 个测尘点分别是采煤机司机处、采煤机司机下风20 m处、移架司机处、移架司机下风20 m处. 煤尘注水降尘率可按下式计算:C =( c2 - c1) - ( c'2 - c'1)c2 - c1× 100%. ( 1)式中，C: 降尘率，%; c2，c1: 煤层注水前，产尘点上、下风侧风流中的煤尘浓度，mg /m3 ; c'2，c'1: 煤层注水后，产尘点上、下风侧风流中的煤尘浓度，mg /m3 .各测点的数据及降尘率对比可知采用煤层注水降尘技术后，综采工作面的平均降尘率均超过65%，产尘点降尘率最高，煤层注水减尘效果显著.
3. 3 煤层注水有助于抑制工作面瓦斯涌出
煤体润湿后，一是水分变了煤体的物理性质，增加了煤的可塑性，使应力分布均匀，降低煤层透气性;二是水分驱替和溶解孔、裂隙中的瓦斯，消除了瓦斯压力产生的块间分离作用力的影响，阻碍瓦斯的运动，从而降低了煤层瓦斯的涌出量. 经测得92103 工作面回采期间回风偶角瓦斯平均浓度为0. 6%，回风流中瓦斯平均浓度为0. 4%，对比煤层注水前瓦斯浓度下降了约20%，煤层注水抑制对工作面瓦斯涌出作用显著.
3. 4 煤层注水有助于防止冲击地压
煤层注水后，增加煤体含水量，裂隙中靠水分子的表面吸附力在裂隙面中间形成水膜粘着力和水本身的粘滞作用使块体间粘性结合，大大提高了发生煤爆冲击所需要的能量( 发生的难度加大) . 使得其强度和冲击指数随之降低，从而降低了冲击地压的强度和发生冲击地压的可能性. 在工作面煤层注水几个循环后，发现后期钻孔的煤粉量明显降低，说明冲击地压的危险得了到控制.
3. 5 煤层注水有助于降低工作面温度
煤层注水将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，有利高温工作面的降温，特别是深部开采工作面效果尤为显著. 92103 工作面属于深部开采，煤层注水后平均温度下降了2 ～ 3 ℃，改善了工作面作业环境.
4 结论
1) 煤层注水后使煤体全水分达4%以上，对综采工作面降尘效果能达到65%以上，大大降低了工作面粉尘浓度，改善了工作环境，降低了发生煤尘爆炸事故的可能性.
2) 煤层注水在矿井瓦斯防治、防冲击地压以及降低工作面温度等方面有一定的作用.
3) 长、短钻孔联合注水方式充分利用了2 种注水方式的优点，又对各自的缺点进行互补，使得水分能够大面积的充分润湿煤体，发挥出了煤层注水最大的降尘效果，特别适用于薄煤层、硬度大等复杂条件的工作面，在煤矿安全生产中有较高的安全和经济效益.
4) 煤层注水参数优化应用非常复杂，目前对于参数的优化选择方面的数学模型和软件模拟研究较少，这方面发展的应用价值却逐年升高，因此在该领域还需进一步的加强研究.
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