高河煤矿工作面煤层注水防治煤与瓦斯突出措施探讨

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【摘要】煤层注水具有防治煤与瓦斯突出和预防煤尘爆炸等作用，因此被许多矿井采用。本文以高河煤矿工作面的瓦斯涌出情况为例，通过分析E1303和W1305工作面的逐日风排瓦斯涌出量与抽采量，证实仅靠钻孔抽放与风排瓦斯，不足以很好地解决工作面的瓦斯问题，因此，引入了煤层注水的方法，结合煤层注水的机理，采用煤层注水解决矿井综采工作面的瓦斯问题是合理可行的。结果可对准备工作面的高产高效和安全生产提供一定的参考。

【关键词】煤层注水；高河煤矿；风排瓦斯；抽采

1.引言

煤层注水具有防治煤与瓦斯突出、软化中硬煤层、防止冲击地压和预防煤尘爆炸的作用，因此一直被国内外许多矿井采用，我国已将其列入煤矿安全规程中。[1]自上世纪中期以来，前苏联的沃尔科夫斯基煤层和我国的阳泉3#煤层，在回采工作面采用煤层中注高压水的方式，用以抑制矿井的煤与瓦斯突出，收到了较好的效果。[2]随着近年来生产规模的扩大和煤层开采深度的不断增加，涌现出大批的高瓦斯矿井，作为治理高瓦斯矿井有效措施的煤层注水法又重新被提上日程并加以重视起来，而且一些相关的实验室研究也同样证实煤层注水可以有效抑制煤层气的解吸。[3]本文以山西高河煤矿为例，通过分析该矿工作面的瓦斯涌出情况及瓦斯抽采规模，来分析该矿回采工作面采用煤层注水防治煤与瓦斯突出的可行性。结果可以对高河煤矿或类似矿井准备工作面的瓦斯防治，提供一定的技术参考。

2.矿井及煤层瓦斯赋存概况

高河井田位于长治市以西约4km处，行政区划为长治市郊区、长治县、长子县所辖。其地理座标为：东经112°57′20″～113°06′15″，北纬36°04′40″～36°15′57″。井田内部共有发育较大的褶曲9条、断层19条和陷落柱7个，矿区首采及主采煤层是二叠系下统山西组3#煤层，煤层厚5.18～8.44m，平均厚6.71m。煤层顶板为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩，局部为砂岩；底板为黑色泥岩、砂质泥岩、深灰色粉砂岩。根据水文地质观测资料，井田内无较大的地表水体，地层主要含水层性状稳定，隔水层具一定的隔水作用，水体对矿井生产影响不大。煤质以贫瘦煤为主，灰分以低中灰煤为主，中灰煤零星分布；特低硫、低硫；具有中等热值，精煤回收率良等特性，热稳定性好；煤对CO2反应性较低，为易碎煤，属中等结渣煤，主要作动力用煤、炼焦配煤，也可用作高炉喷吹、化工、建材用煤。

3.工作面瓦斯涌出与抽放现状

本文以高河煤矿目前主采工作面E1303和W1305为例，来介绍综采工作面的瓦斯涌出与抽放现状。

综上所述，仅靠单一的瓦斯抽放系统加风排巷道瓦斯，不足以很好地解决高河矿井综采工作面的瓦斯问题，需要寻求更为适合的方法，来解决风排瓦斯过多的现状。由于矿井的水文地质条件较为稳定，井下可以采用煤层注水的方法来防治煤层瓦斯的异常涌出及煤与瓦斯突出问题。

4.煤层注水机理

4.1煤层注水抑制瓦斯解吸效应[3]

矿井的瓦斯突出归根结底是大量吸附于煤层中的瓦斯气体由于应力的突然降低导致的快速解吸并大量喷出的现象，煤层注水防治瓦斯突出的机理就是煤体注水抑制瓦斯的解吸。从实验条件下的吸附到解吸以及吸附后的高压注水再解吸入手，通过对比注入高压水后的瓦斯解吸规律与未注水的变化，得出注水抑制瓦斯解吸的实验依据，对工程中煤层注水防治瓦斯突出提供一定的参考。

常温下干燥煤样注水前后的解吸对比曲线如图3所示。由图3可以看出无论是解吸量还是解吸速率，注水前远远大于注水后的，注水前的解吸规律与吸附是基本一致的，都是先快后慢最后趋于平衡的过程；但注水后的解吸规律200min内是线性增长，而后逐渐缓慢上升，整个过程没有出现明显的解吸平衡。这说明在相同的解吸时间内，常温下注水前的解吸比较彻底，解吸达到一定的比率后趋于平衡，不再有气体解吸；而注水后的解吸由于受到高压水的浸泡，而使水渗入到煤样的裂隙通道中使吸附在其中的气体无法解吸出来，这时候就形成一个裂隙孔隙中孔隙压力与外界大气压的压力差，随着时间的推移，其中的气体由于压力梯度的作用逐渐缓慢释放出来，但由于水在裂隙中的毛细作用力和表面张力，使得释放出来的气体只占吸附气体的很少一部分。结果得出，注水前的解吸量是注水后的5.4倍，与吸附总量相比较，注水前的解吸率是62.3%，注水后的是11.5%。此实验充分说明，一定压力下的水对煤体的长时浸泡，可以极有效地抑制瓦斯解吸，通过注水浸泡使得解吸率比未注水时降低了80%左右。

4.2煤层注水防治煤与瓦斯突出

煤层注水作为一种防突措施，在前苏联和我国的阳泉矿区，都得到了成功应用，不仅可以作为区域性防突措施，也可以作为局部防突措施，特别是发生煤与瓦斯突出事故频率最高的综采工作面。其作用机理如下：

第一，煤层注水可以软化煤体，使煤体由脆性破坏转化为塑性破坏，改变了煤体的全程应力应变曲线形态，使煤体的冲击倾向显著降低。

第二，煤层注水具有驱赶瓦斯的作用，这是一个非常复杂的固-液-气耦合流动问题，注水后，煤层中的瓦斯和水处于共存的状态，由于煤层的孔隙裂隙有限，必须会出现瓦斯和水竞争吸附的现象。

5.煤层注水具体实施过程

在高河煤矿现有的瓦斯抽采系统中，煤层注水可以利用现有的抽放钻孔，由于煤层瓦斯含量高，在开采之前，必须要经历一定时期的煤层瓦斯预抽，在完成煤层瓦斯预抽后，在原有的抽放钻孔，进行煤层注水的作业过程，注水时间视具体工作面条件而定，一般不低于24h，以充分保证煤体浸润水分，由于水分对煤体瓦斯的封堵作用，可以有效降低涌入巷道中的瓦斯量，保证矿井的高产高效和安全生产。

6.结论

本文以高河煤矿为例，通过分析高河煤矿现采工作面的风排瓦斯涌出与抽采量，得到仅依靠钻孔抽放与风排瓦斯，不足以很好地解决工作面的瓦斯问题，结合煤层注水的机理，引入煤层注水来防治综采工作面瓦斯异常涌出和煤与瓦斯突出。结果表明，高河煤矿综采工作面，采用煤层注水预防瓦斯超限，是合理可行的。