172106工作面煤层短臂高压注水预裂技术的应用与效果研究

1、172106工作面煤层短臂高压注水预裂技术的应用与效果研究 1 工作面概况 大淑村矿位于峰峰矿区东北部，矿井设计生产能力为125万吨/年。172106综放工作面走向长度为613m，倾斜长度178m，煤层厚度一般为5.5m。该面下伏保护层174105、174106面，因地质构造，局部未开采，未保护区域在回采前均已通过预抽煤层瓦斯进行了消突。 工作面采至第一段未保护区域时，在工作面采取打瓦斯排放孔进行消突和治理瓦斯，但效果不明显，回采过程中出现了瓦斯浓度达临界值，制约了回采速度。工作面回采至第二段未开采保护区域时，工作面采取了短臂高压注水来消突、灭尘和治理瓦斯，取得了显著效果。 2 煤层注水技术治

2、灾原理 煤层注水具有防治煤与瓦斯突出、治理瓦斯、防灭火、防尘和预防煤尘爆炸的作用，我国已将其列入煤矿安全规程中。 2.1 防治煤与瓦斯突出 煤层高压注水预裂防治煤与瓦斯突出技术措施，是通过钻孔向工作面前方煤体实施高压注水，以改变煤的力学性质、渗透性质及煤层原始应力状态，也相应改变了激发煤与瓦斯突出的条件，从而达到消除或减小突出的目的。 2.2 防治瓦斯超限 研究和试验证明：煤体被充分湿润后，水分不仅占去了贮存游离瓦斯的孔隙，可有效释放出游离态瓦斯，同时固体煤分子对水同样有吸附能力，使瓦斯从吸附状态转变为游离状态更加困难，对吸附瓦斯的涌出起着明显的阻碍作用。注水过程结束后，煤体中瓦斯涌出量和涌出

3、速度都大幅度下降，从而降低了采掘作业过程中的瓦斯浓度。 2.3 防治煤炭自然发火 煤层注水后水分增加，对降低煤体温度、阻止煤炭氧化自燃十分有利。 2.4 防治矿尘危害 高压水注入煤体后，煤体被破坏，水分有效地包裹了煤体的每一个部分，煤体内大量原生煤尘被湿润并黏结，可有效消除尘源。水湿润煤体后，煤层由脆性破坏变为塑性破坏，减少了产尘量。 3 172106工作面高压注水方案 3.1 注水压力的确定 煤层注水初期以压裂造成煤体破坏和松动为主，要求注水压力大于上覆岩层的静水压力； 后期则以渗透方式湿润软化煤体为主，要求水压低于上覆岩层的静水压力。根据本工作面多次反复实验确定，注水初期压力定为10-12

4、mpa，以便有效地压裂和松动煤体；待听到煤体里的煤炮声后将注水压力降至5-7mpa以下，以方便将水尽量多地水注入到煤体当中，起到最有的注水效果。 3.2 注水时间的确定 根据实验，通过及时改变注水压力，可有效延长注水时间。 3.2.1 维持注水初期压力10-12mpa，约十几分钟左右，所注水便会渗透到工作面，达不到最优的注水效果。 3.2.2 先用高压即10-12mpa注水一段时间后，待听到煤炮声降低注水压力，可有效延长注水时间，增大注水量。根据多次注水时间测定，每个注水孔的总体注水时间确定为30min左右可达最优注水效果。 3.3 注水孔的布置及封孔 3.3.1 注水孔的布置 运料巷下帮往下

5、5m至溜子道上帮往上5m。注水孔间距为5m一个，孔深不少于15m，孔径为？准75mm，注水孔距煤层底板均不得低于1.2m，为方便排钻屑，钻孔应有1-3仰角。 为避免串孔，延长注水时间，提高注水效果，第一天要求注水孔打设位置在工作面煤壁的下部，第二天在中部，第三天在上部，三天一循环，且第二天的注水孔打设在第一天注水孔的两个孔中间位置。 3.3.2 注水孔的封孔 封孔长度：根据在上一工作面注水实验发现，若注水孔封孔长度过短，比如封3-4m，会导致注水后的煤壁酥软、片落，对回采生产不利；本次煤层注水要求使用专用封孔器封孔，注水孔封孔长度不得少于10m，效果表明，该距离有效保护了煤壁的完整性，保证了工

6、作面的正常回采。 4 注水效果分析 4.1 防治煤与瓦斯突出方面 采用该注水方案后，有效地降低了工作面的预测指标，数据对比结果下图1。 注水消突后的预测指标比较与之前通过打设超前瓦斯排放孔消突后指标相比，相差不大，下表为2013年5月上旬过第一段未保护区（瓦斯排放孔消突）与2013年10月下旬过第二段未保护区域（注水消突）的工作面预测指标对比图2。 图2表明采用该煤层注水方案可有效降低煤层突出危险性，可达到与打设瓦斯排放孔相当的效果。 4.2 治理工作面回采期间瓦斯的效果 根据现场收集的数据发现： 4.2.1 10月26日生产单位检修班工作程序时间：0：00-2：00打设注水孔，2：00-6：

7、00煤壁注水，图3为注水前后当天检修班煤壁瓦斯变化情况。 图3表明注水期间煤壁瓦斯浓度上升了约0.2%，此时工作面风量为1600m3/min，故风排瓦斯量增加3.2m3/min左右，表明注水过程中有效地释放出了煤层中原本的游离瓦斯。 4.2.2 注水前后172106上顺槽的高位瓦斯抽放孔效果有了明显的提高，瓦斯抽放钻孔的的抽放浓度由原来的14%左右上升到35%左右，瓦斯抽放量为7m3/min，故利用煤层注水预裂技术后工作面增加的抽放纯量为7（35%-14%）=1.47m3/min。 4.2.3 注水后回采期间，尤其是在未保护段回采期间，通过与之前打瓦斯排放孔比较发现，工作面上隅角和回风瓦斯有明

8、显的降低，我们截取了过第一段未保护区域5月6日与过第二段未保护区域期间10月26日全天上隅角和回风的瓦斯数据对比情况，对比数值见图4、图5。 根据图4、5中数据显示，采取煤层注水技术后在未保护段回采期间回风瓦斯浓度约为0.4%-0.5%，相较与采用打设瓦斯排放孔技术回采期间的0.6%-0.7%，有明显的降低；而通过对上隅角瓦斯浓度对比分析可知，采用煤层注水技术后工作面回采期间上隅角瓦斯浓度未出现达到临界值，确保了生产的顺利进行。 4.3 防治煤尘方面 生产过程中虽采取了综合防尘措施，但没有达到预期要求。采取注水后取得了明显效果，通过对运料巷回风侧5m、运料巷回风眼水幕后等5个地点采样，注水后比

9、注水前，粉尘浓度降低了51.2%。同时割煤期间煤机附近明显发现不再产生煤尘飞扬。 5 效益分析 5.1 在防止煤与瓦斯突出方面，煤层注水孔与打瓦斯排放孔效果相当 就该工作面，煤层注水钻孔布置了35个，按要求瓦斯排放孔需布置136个，相比减少了101个孔。工作面分段打释放孔每天打一半，两天一个大循环，每个孔需0.45个工，减少101个孔少用工45个，每工220元。每天节约用工成本为：452202=4950元，该面三处未保护段需打钻53天，总计节约人工成本：495053=26.2万元。 5.2 未保护段注水与打钻治理瓦斯对回采影响比较 一是，打瓦斯排放孔工作量大，一般需要两个班次，只能单班生产；二是，在治理瓦斯上效果不如注水效果，时有瓦斯浓度偏大，影响生产进度。故每天回采进度仅为1刀煤 。采用煤体注水治理瓦斯克服了上述缺点，实现了每天两班生产割3刀煤。每天可多出2刀煤，产量2800吨。 6 结论 6.1 煤层注水技术作为当今煤矿井下较为成熟的治灾技术，大淑村矿在本矿主采工作面研究并选用了适合本矿特点的工艺及参数，为该矿防止煤与瓦斯突出、治理瓦斯、防治煤炭自然发火、减小粉尘危害探索出了新的途径和方法，并对我矿今后的防灾治灾工作提供了长远的指导，社会、经济效益显著。