煤层注水防尘施工技术优化策略

煤层注水湿润煤体是采煤工作面防尘的基本措施。长钻孔煤层注水已被广泛应用，其降尘效果与煤层的裂隙和孔隙的发育程度、注水参数等因素有关，一般的降尘率可达到50%甚至80%以上。随着综采放顶煤开采工艺的广泛采用，长钻孔煤层注水的钻孔布置方式、封孔工艺、注水方法及装备也有了新进展。

一、钻孔布置

图13－1　单向超长钻孔扇形布置方式

1－回风巷；2－进风巷

图13－2　双向双钻孔布置方式

1－回风巷；2－进风巷

采用综采放顶煤开采工艺开采厚煤层时，多数是一次采全高。由于水在煤层中沿垂直层理方向的渗透性很差，因此，在注水钻孔的布置上应充分考虑到煤层全厚的湿润问题。很多煤矿根据本矿的巷道布置等具体条件探索了各种布孔方式，较为典型的有单向及双向两种布孔方式，如图13－1及图13－2所示。上部钻孔与下部钻孔的孔口间距为1～3m，钻孔间距视煤层透水性而定，一般为10～25m，透水性强的煤层钻孔间距大些，反之，则小些。

二、封孔

封孔深度和封孔质量是煤层注水的重要环节。封孔深度应超过沿巷道边缘煤体的卸压带宽度，一般不小于6m，当注水压力大于2.5Mpa时，应大于6m乃至20m。

封孔方法有两种：一种是水泥砂浆封孔，另一种是封孔器封孔。采用封孔器封孔虽然简单，但多次重复使用时难以保证封孔质量。相反，由于水泥砂浆封孔方法的改进和完善，以及封孔质量可靠，近几年得到了广泛采用。利用改进的新型水泥砂浆封孔泵封孔，满足了煤层注水封孔的要求。该泵的结构如图13－3所示。

封孔前先用搅拌机将水泥和砂子制成高筒度水泥砂浆，再拨动离合器，启动送浆泵，将水泥砂浆快速地送进钻孔内。由于该泵的送浆能力较大，其封孔深度，对水平钻孔可达30m；对垂直向上钻孔可达20m。封孔泵的主要技术参数见表13－15。

图13－3　KFB型矿用封孔泵结构示意图

1－电机；2－离合安全器；3－变速系统；4－搅拌机；5－离合器；6－离合器操作手柄；7－送浆泵；8－机座

表13－15　封孔泵主要技术参数表

三、注水

煤层注水有两种方法：一是利用矿井地面贮水池，通过井下供水管网实施静压注水；二是利用井下的水泵实施动压注水。

（一）静压注水

静压注水工艺简单，既节省费用，又便于管理，但它的适用范围受到了一定的限制。过去仅能对透水性强的煤层采用静压注水，而近年来有了新的发展，对透水性差的煤层也可以采用静压注水，其技术关键是选定的最佳的超前距离（开始注水时钻孔距工作面的距离）。如某矿3号煤层，其自然水分为3%，孔隙率仅为2.76%，属于难注水煤层，但采取双顺槽长钻孔的布置方式实施静压注水获得成功。其做法是：注水前先掌握综采放顶煤工作面顶煤位移规律及矿山压力规律，以判断最佳的注水超前距离。超前距离过大，顶煤尚未发生位移也未产生裂隙，煤体透水性差，难以注水；超前距离过小，顶煤位移量大，次生裂隙过于发育，注入的水易沿较大裂隙流失，影响注水效果。实测数据表明，矿山压力对进风顺槽影响范围为60m，对回风顺槽影响范围为32m。在动压区内，顶煤产生大量次生裂隙，距工作面4～6m时，顶煤水平位移量急剧增大，产生更多更宽的次生裂隙。为此确定超前距离为30～35m；当工作面推进至距钻孔4～6m时，立即停止注水。此时注水地点的静水压力为2.5～3.5Mpa。在钻孔间距为10m条件下，注水时间在6天以上，吨煤注水量达20.6L／t。注水后煤的水分增加到4.85%，煤体受到较充分的湿润，在割煤及放煤等各生产环节都获得了较好的降尘效果。

（二）动压注水

长钻孔动压注水的适用性强，被很多煤矿采用，其注水系统如图13－4所示。系统中的水表现已应用SGS型双功能高压水表，既可测注水量，又可测注水压力。

图13－4　动压注水系统

1－注水管；2－水泥砂浆；3－压力表；4－高压胶管；5－阀门；6－分流器；7－单向阀；8－注水表；9－注水泵；10－供水桶(www.xing528.com)

该注水系统的特点是，通过分流器的自动调节，使各钻孔的注水流量保持大致相等，以实现一台水泵向多个钻孔同时注水的目的。其不足之处是当钻孔的注水阻力发生较大变化（如各钻孔长度相差太大，或者注水过程中裂隙泄水）时，分流器的调节作用降低，难以保证各钻孔的注水流量相等。

近年来，煤炭科学研究总院重庆分院，研制出一种MZKX型煤层注水自动控制系统（装置），它能根据煤层的渗透特性及注水压力与流量的变化进行自动调节，将注水参数调节到最适宜的状态，并能将注水参数存贮、显示和打印出来。有一些煤矿的煤层适合用动压和静压交替进行的注水方式进行注水，如果采用这种自动控制系统便可实现动压注水和静压注水的自动切换。

MZKX型煤层注水自动控制系统（装置）主要由液压系统、电气系统和单片计算成本测控系统组成。

液压系统由水泵、电机、伺服流量控制阀、流量传感器、压力传感器、截止阀及管路等组成，如图13－5所示。其作用是：向钻孔输送符合注水参数要求的水；监测各钻孔在注水过程中变化的注水压力和流量，并根据计算机指令调节注水压力和流量。水泵的额定压力为16Mpa，流量为4.5m3／h。

图13－5　自动控制注水系统液压系统原理图

1－进水管；2－水泵；3－单向阀；4－闸阀；5、9－压力传感器；6－压力控制开关；7－伺服流量控制阀；8－流量传感器；10－注水管

电气系统由电机控制开关、压力控制开关、伺服流量控制阀的功率放大器及单片计算机外围电气线路等组成。它是压力传感器、流量传感器、伺服流量控制阀与计算机之间的信号传输通道，起信号传输、电的控制及伺服流量控制阀功率的放大作用。

单片计算机测控系统由硬件和软件部分组成。其作用是采集注水流量、注水压力及水泵入口压力的数据；控制伺服流量控制阀的阀芯开度，从而控制静压与动压注水流量或压力。

MZKX型煤层注水自动控制系统（装置）具有如下功能：

1.测量并显示注水压力、瞬时注水流量及累计注水量；

2.设定每个通道注水压力和注水量；

3.根据每个通道的设定压力调节相应通道的流量；

4.当某一通道注水量达到设定值时，便停止该通道的注水；当所有通道的注水都达到设定值时，则全部停止注水并进行提示；

5.动压注水与静压注水的自动切换。

MZKX型煤层注水自动控制系统（装置），已在煤矿的煤层注水中应用，实现了自动控制注水参数的注水工艺，获得了良好的注水防尘效果。