三軟厚煤層放頂煤工作麵的注水降塵
1 引言
煤層注水預濕煤體作為采煤工作麵防治煤塵的治本性措施,在我國許多煤礦已得到廣泛應用,並取得了良好的效果。但在鄭州礦區“三軟”煤層實施這一措施時,由於其煤質鬆軟易碎、親水性差等原因,在鑽孔、封孔和注水方麵都存在問題［1］［2］。本文針對鄭州礦區超化煤礦11091綜放工作麵的開采條件研究試驗了注水防塵技術,取得了“三軟”厚煤層注水的經驗和參數,為鄭州礦區類似條件的工作麵推廣該方法提供了參考。
11091工作麵的開采條件為:煤厚13.2m、傾角8°、煤層硬度f0.3～0.5、接觸角57.8°、采高2.6m、放煤高度10.6m。
該工作麵傾斜長度130m,走向長度830m,開采二1煤層,煤厚和煤層傾角比較穩定,煤的自然發火期1～3個月。工作麵的地質構造比較簡單,總體形態為單斜構造。
2 注水試驗
2.1 鑽孔
(1)打鑽工藝。由於是“三軟”煤層,因此采用壓風排粉的打鑽工藝。鑽機使用TUX-75型,最大打鑽能力可達80m。為保證鑽孔質量,采用自行設計的三翼鑽頭,該鑽頭配有6塊YG8刀片,三塊用於鑽進,三塊用於切削孔壁,打出的鑽孔光滑圓直,質量較好。
(2)鑽孔布置。由於綜放工作麵注水要解決頂煤潤濕的問題,因此其鑽孔布置與一般工作麵不同,目前較成熟的有單向扇形鑽孔布置、雙向鑽孔布置和利用頂分層巷道注水鑽孔布置等［3］。考慮到“三軟”煤層打扇形鑽孔時封孔比較困難,在運輸巷實施注水技術上不易保證,決定采用單向鑽孔布置方式,即從軌道巷內開鑽,穿層布置。為防止注入的水經煤層與頂板的交界麵流失,終孔點距頂板垂距應控製在1.0m以上。鑽孔布置剖麵如圖1所示。
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圖1 注水鑽孔布置剖麵圖
(3)鑽孔傾角。為更加充分地潤濕全煤層,鑽孔長度L設計為鑽機最大打鑽能力,即80m。
鑽孔傾角可根據圖1,由下式計算:
α=1/ 2arcsin［(M-h1-Bsinao-h0/cosα0)/L］
式中:α—鑽孔傾角,度;M—煤層厚度,m;B為巷道底寬,m;α0—煤層傾角,度。經計算得鑽孔傾角為4°。
為方便施工,最大限度地提高鑽孔有效長度,鑽孔方位角力求平行於工作麵或與施工巷道垂直。
合理的鑽孔間距應使兩鑽孔間煤體在規定的注水時間內得到較好的潤濕,鑽孔間距取決於煤層注水後的潤濕半徑。通過計算,結合以往注水經驗,鑽孔間距取20m。
2.2 封孔
“三軟”煤層的封孔是注水技術中非常關鍵的部分,以往的注水也都因封孔問題解決不好而失敗［4］。本次試驗針對“三軟”煤層煤的強度低,鬆軟易碎,遇水成泥的特點,從法國引進了膨脹性能較好、富有彈性的Bimbarl型水力膨脹式封孔器,為保證封孔成功,在試驗中做到了如下幾點:(1)提高鑽孔質量,要求孔徑圓整,孔壁光滑,彎度要小,同時 鑽孔時煤屑要排淨;(2)為防止注水期間因各種原因停泵時,封孔器收縮,發生鑽孔漏水和封孔器卡死在鑽孔中的現象,專門設計了一種單向自動截止閥,與Bimbarl型封孔器配套使用,使之在停泵期間仍能繼續呈膨脹狀態;(3)為防止注水期間因摩擦力不足而使封孔器拋出鑽孔,將封孔器及其相連鋼管進行了固定。試驗封孔
深度19.2m,封孔壓力4.5～5Mpa,經多次間歇注水,沒有發生漏水和卡孔現象,封孔效果比較理想。
2.3 注水壓力和流量
合理的注水壓力一般先根據煤層條件計算出範圍,然後由試驗具體確定。本工作麵根據煤層中瓦斯壓力和上履岩層的厚度、密度,計算出注水壓力範圍為1～5Mpa。在注水試驗中,發現注水過程基本上可分為四個階段,即注水初期階段、注水相持階段或注水困難階段、流量增長階段和流量下降階段。對應的注水壓力、流量、時間關係如圖2所示。
圖2 注水壓力、流量、時間關係圖
從圖中可以看出,注水開始階段(0～80min範圍內),隨著壓力的升高,注水流量迅速升高,產生這種狀況的原因是,在注水初始階段,煤體內孔隙、裂隙空間內沿未被水和煤層氣充滿,處於非飽合狀態,注入水能順利進入並逐漸充滿孔裂隙空間內,增加飽合度。
在飽合度增加至一定程度時,注水進入相持或困難階段(80～500min範圍內)。此階段在注水壓力不增加的情況下,注水流量不再升高,甚至發生緩慢下降現象,主要原因是隨飽合度增加,注入水所受阻力逐漸增大。
相持階段過後,煤體注水進入第三階段(500～800min範圍內)。表現為壓力不增大,流量卻迅速增大,達到近20L/min,甚至注水壓力略有降低時,注水流量並不減少。其原因是在該階段,注水壓力大於煤層弱麵強度,有將煤層的某些弱麵壓裂的現象,因而產生的次生裂隙比較豐富,又增加了儲水空間,相應地降低了飽合度,注入水有較多的滲流孔道,其所受阻力低於注水相持階段,使得注水流量處於增長狀態。
此後注水流量進入持續下降階段(800min以後)。在此階段注水壓力如果不增加,流量會持續下降至零。由於煤層中的弱麵裂隙已全麵打開,而注水壓力(約5Mpa)又小於煤體壓裂壓力(開采深度300m,地層壓力7.4Mpa),煤體在此壓力下不可能進一步擴展儲水空間與滲流通道。如果要進一步提高注水流量隻有將注水壓力升高至7Mpa以上(水力壓裂注水方法)。
3 研究結論
(1)試驗表明,對本工作麵的開采條件,注水壓力以4～5Mpa為宜,使注水流量保持在8L/min以上,從而能夠更好地潤濕煤體,注水的最大壓力不宜超過5Mpa。
(2)通過工作麵取煤樣,實驗室進行煤體含水率和產塵量關係的研究得出,本工作麵煤體平均水分增量達1%以上時就有良好的降塵效果,按鑽孔走向間距取20m,此時算得每米鑽孔所需最低水量為1.24t。
(3)按上述方法進行注水時煤體水分增量的規律性。沿注水鑽孔兩側,煤體全水分隨與鑽孔距離的增大而減小,基本上呈“∩”型分布;距離鑽孔約11m以內,煤體水公增量一般大於1%,且有一定的規律性,11m以外的水分增量普遍低於1%,因此鑽孔的潤濕半徑可認為約11m;此外,試驗研究中發現,鑽孔範圍內頂煤的潤濕隨著距鑽孔孔口距離的增大,潤濕均勻性變好。
(4)沿鑽孔長度方向,割煤工序的降塵率逐漸減小,說明對采高範圍內的煤體潤濕效果越來越差;對放煤工序,降塵率則逐漸增大,說明頂煤的潤濕效果越來越好,這與潤濕效果考察是一致的。
