煤层注水湿润半径考察报告.pdf
#矿 13-1 煤层注水湿润半径 考察报告 二一五年三月 2/112/11 目 录 1 试验目的.1 2 概况.1 2.1 煤层情况.1 2.2 顶底板情况.1 2.3 煤层其他参数情况.2 3 注水试验设计.2 3.1 试验主要设备.2 3.2 钻孔设计.3 4 注水湿润半径考察.4 4.1 动压注水湿润半径考察.4 4.2 静压注水湿润半径考察.6 5 结论.9 1/111/11#矿 13-1 煤层注水湿润半径考察报告 1 试验目的 为更好的考察矿井 13-1 煤层注水湿润半径，为 13-1 煤层注水相关技术参数提供可靠设计依据，在 13-1 煤层 121301 工作面机巷距切眼以南 20m 处巷道内设计注水试验钻孔，开展煤层注水试验，分别采取动压和静压注水进行试验，对 13-1 煤层的注水湿润半径进行考察。2 概况 2.1 煤层情况 13-1 煤层位于第四含煤段中部，全区稳定可采。根据工作面内及附近地质勘探钻孔及风、机、切眼等巷道实际揭露的地质资料分析，121301 工作面 13-1煤层全层厚度为 3.006.20m，平均厚度（含夹矸）为 5.00m；13-1 煤层平均含有一层夹矸，夹矸多为炭质泥岩，次为泥岩，结构复杂，厚度为 00.60m，平均厚度为（最大为 0.5m、最小为 0.1m）0.40m；纯煤厚平均厚度为（最大为5.6m、最小 2.8m）4.60m；通过加权平均，13-1 煤层结构为 0.60（0.40）4.00m。根据 121301 工作面风、机两巷以及切眼实际揭露的地质资料，工作面内13-1 煤层倾角 415，平均倾角约为 11。在断层及构造影响区域，煤层局部倾角变化较大。为避免断层、构造等地质因素对试验造成影响，试验选择煤层稳定无地质构造的区域进行。2.2 顶底板情况 1煤层顶板岩性 老顶：中砂岩或粉砂岩；中砂岩呈浅灰白色,中粒砂状结构,泥、硅质胶结,颗粒成份以石英,长石为主，厚度 03.25m，平均厚度 1.62m，普氏硬度系数6.87.8；粉砂岩呈浅灰色,硅泥质胶结,成分以石英,长石为主,含少量云母岩屑,水平斜层理，厚度 02.35m，平均厚度 1.12m，普氏硬度系数 4.86.2。直接顶：砂质泥岩。灰色深灰,砂状泥质结构,中厚层状,水平层理,岩性2/112/11 硬脆,芯完整,裂隙少，厚度 0.701.65m，平均厚度 1.25m，普氏硬度系数 4.25.3m 2煤层底板岩性 泥岩、砂质泥岩。泥岩呈灰黑,泥质结构,薄层状,炭质含量较高,滑面不发育，厚度 00.90m，平均厚度 0.40m，普氏硬度系数 3.64.1；砂质泥岩呈深灰色,含砂泥质结构,少量滑面,致密性脆，厚度 02.20m，平均厚度 0.71m，普氏硬度系数 4.25.3。2.3 煤层其他参数情况 121301 工作面 13-1 煤层为黑色，以块状为主，局部为碎块状，玻璃光泽，内生裂隙发育，见有钙质黄铁矿充填，以亮煤为主，暗煤次之，根据井田内钻孔煤层取样测试资料：13-1 煤层普式硬度系数约为 1.6，容重为 1.4t/m3；原煤水份 1.85%；灰分 24.82%；全硫平均值为 0.16%；根据 121301 工作面掘进期间瓦斯等参数测试情况，在121301 工作面机巷内测试原始瓦斯含量 4.4241m3/t,最大瓦斯压力 0.37Mpa，煤的坚固性系数 f 值为 0.791.07,煤的瓦斯放散初速度p 值为 2.13.7。根据中煤科工集团在 111301 工作面取样测试，13-1 煤的孔隙率为 2.10%。3 注水试验设计 在 121301 工作面机巷距切眼 20m 处，巷道的东帮和西帮各施工一个注水试验钻孔，分别进行动压注水和静压注水试验。3.1 试验主要设备 1动压注水设备：脉冲式注水泵 动压注水时采用 2BZ40/12 型脉冲式煤层注水泵进行注水。其电机功率11kw，脉冲强度0-12Mpa，输出流量40L/min。2封孔器 封孔器为自动封孔器，型号为FKSS-71/5，注水压力在1-5Mpa，长度为2.6m，内径为71mm。3流量计 3/113/11 流量计量采用 SGZ 型高压水表，对注水流量进行统计，同时显示注水压力，SGZ 型高压水表流量 0.15.0m3/h，压力可达 25Mpa。4截止阀及管路 注水所用的水源由井下清水管路分流出来，在分流管路上安装阀门控制，注水管路采用矿用高压胶皮软管。动压注水通过注水泵向煤层内进行注水，静压注水利用管路水压不经过注水泵直接注入煤层。3.2 钻孔设计 1动压注水 在 121301 工作面机巷西帮距离切眼 20m 处依次向外设计 4 个钻孔，其中 1个注水试验钻孔，3 个考察钻孔，1#号钻孔用于注水试验，2、3、4#钻孔进行湿润考察，2、3、4#钻孔距 1#注水孔的距离分别为 2、2.5、3m。2静压注水 在 121301 工作面机巷东帮距离切眼 20m 处依次向外设计 4 个钻孔，其中 1个注水试验钻孔，3 个钻孔考察，5#号钻孔用于注水试验，6、7、8#钻孔进行湿润考察，6、7、8#钻孔距 5#注水孔的距离分别为 3、4、5m。3钻孔参数 根据试验区域煤层角度，钻孔沿煤层倾向施工，动压注水钻孔迎角 10施工，静压注水钻孔俯角 10施工，动静压注水钻孔均采用孔径75mm，钻孔深度 50m，采用自动封孔器，封孔深度 3m，动静压注水考察钻孔和分别和动静压注水钻孔保持一样的施工角度，开孔在煤层中间位置，考察钻孔直径 94mm，深度 30m，在注水结束后分别在设计位置施工考察钻孔取煤样，送实验室测定煤样的含水量。表 1 注水钻孔设计参数表 孔号 方位角（）倾角（）孔径（mm）孔深（m）钻孔间距（m）备注 1#292.8 10 75 50 0 动压注水孔 2#292.8 10 75/94 30 2 考察孔 3#292.8 10 75/94 30 2.5 考察孔 4#292.8 10 75/94 30 3 考察孔 5#112.8-10 75 50 0 静压注水孔 4/114/11 6#112.8-10 75/94 30 3 考察孔 7#112.8-10 75/94 30 4 考察孔 8#112.8-10 75/94 30 5 考察孔 图 1 煤层注水钻孔设计示意图 4注水参数 煤层注水参数主要是指注水压力、注水速度、注水量和注水时间。注水量或煤的水分增量是煤层注水效果的标志，本次试验分别采用动压注水和静压注水的方式，动压注水采用2BZ40/12型脉冲式煤层注水泵，注水压力控制在2.53.2MPa 左右，注水时间控制在 4 个小时。静压注水采用清水管路自注，通过安设压力表和流量计计量压力和流量，注水时间 7 天。4 注水湿润半径考察 4.1 动压注水湿润半径考察 1煤层动压注水实施情况 根据设计，2015年2月13日早班在121301工作面机巷距离工作面切眼20m处施工动压注水钻孔，在钻孔施工至 30m 深时，通过取芯钻杆采取煤样送化验室测定煤层原始水份，钻孔最终施工深度 50m，施工完毕后，安装动压注水泵和注水管路及压力表、流量表等相关附属装置，采用矿用高压软管，利用自动封孔器封孔后开始进行煤层注水。根据现场计量数据，注水时间 4 个小时，注水压力 3.0MPa，注水量共计 7.9m，平均注水流量 1.98m3/h。煤层动压注水实施数据详见表 2。20m1#4#50m30m机巷5#50m3#30m121301 工作面3m1m2m0.5m5/115/11 表 2 煤层动压注水实施数据统计表 钻孔 编号 钻孔长度(m)孔径(mm)封孔深度(m)注水时间(h)注水压力(MPa)注水流量（m3/h）注水量(m3)1 50 75 3 4.0 3 1.98 7.9 2煤层动压注水考察 动压注水结束按照设计位置分别在距注水孔 2m、2.5m、3m 的位置施工考察孔，考察孔深 30m，采取煤样送化验室测试煤样的水份含量，通过注水后的煤层的水份含量和煤层原始水份含量的对比，分析煤层动压注水后的注水湿润情况，从而确定动压注水的湿润效果。动压注水水份测试结果如表 3 所示：表 3 动压注水水份含量分析表 孔号 距注水孔距离（m）注水前水份Mad(%)注水后水份Mad(%)注水后水份增加量（%）注水后水份增加率（%）2 2 2.2 3.94 1.74 79.09 3 2.5 2.2 3.02 0.82 37.27 4 3 2.2 2.45 0.25 11.36 3.943.022.452.22.633.43.84.24.651.522.533.54距注水钻孔距离（m)水份Mad（%）图 2 动压注水煤层含水量变化趋势图 图 3 动压注水煤层含水量增加率变化趋势图 79.0937.2711.360.0020.0040.0060.0080.00100.001.522.533.54距注水钻孔距离（m)水份增加率(%)6/116/11 根据经验，煤层注水的效果和煤层的含水量有直接的关系，一般认为，煤体的水份增加 1%才有较为明显的降尘效果，考虑到 AQ1020-2006 煤矿井下粉尘综合防治技术规范要求，注水总量应使钻孔预先湿润煤体的平均水份含量大于或于 1.5%，因此，本次试验湿润半径的考察以注水钻孔为中心，周围煤体的水份增加 1.5%的界限确定为湿润半径。动压注水完毕后，按照设计对注水后煤层采取煤样进行水分测定分析，测试结果如表 3 所示，通过对测试煤层含水量变化分析，可以看出，2#考察孔煤样的含水量比煤层原始含水量有明显的增加，含水量达到 3.94%，比原始含水量增加 1.74%，相对煤层原始含水量，增加率达到 79.09%；注水后 3#考察孔煤样的含水量也有增加，含水量达到 3.02%，比原始含水量增加 0.82%，相对煤层原始含水量，增加率达到 37.27%；4#考察孔距离注水孔最远，通过表 4 数据可以看到，煤样的含水量变化很小。根据煤层动压注水含水量变化趋势图和含水量增加率变化曲线图可以看到，从 2#钻孔到 3#钻孔煤样的含水量均比煤层原始含水量增大，距离注水钻孔越近含水量及含水量增加率越大，随着和注水钻孔距离的加大，煤样含水量及含水量增加率均下降的较快；通过图 2、图 3 可以看到在 3#至 4#钻孔之间煤层的含水量及含水量增加率的曲线变的较缓，表明从 3#钻孔向外煤层水份已经变化不大，注水效果已经很小。根据以上试验数据，结合 13-1 煤层空隙率等情况，按照煤层的含水量增加1.5%来考察煤层的湿润半径，在上述条件静压注水的情况下，煤层湿润半径为2.0m。试验表明，煤层含水量随着距离注水钻孔的距离越近，注水效果越好，随着和注水钻孔距离的增加，注水效果逐渐降低，当达到一定的距离后，注水将不再有效，在采用低压 3MPa 的注水压力，动压注水的情况下，持续不间断的注水 4 个小时，煤层湿润半径为 2.0m。4.2 静压注水湿润半径考察 1煤层静压注水实施情况 2015 年 2 月 14 日早班在 121301 工作面机巷巷道东帮距离工作面切眼 20m处施工静压注水钻孔，在钻孔施工至 30m 深时，通过取芯钻杆采取煤样送化验室测定煤层原始水份，钻孔最终施工深度 50m，施工完毕后，通过高压软管和7/117/11 巷道内的清水管路相连，在管路上提前安装压力表、流量表等相关附属装置，利用自动封孔器封孔，通过管路内的静水压力实现对钻孔内的连续、小流量的注水。根据现场计量数据，注水时间 164 小时（约 7 天），注水压力 1.1MPa，注水量共计 65.6m，平均注水流量 0.4m3/h。煤层静压注水实施数据详见表 4。表 4 煤层静压注水实施数据统计表 钻孔 编号 钻孔长度(m)孔径(mm)封孔深度(m)注水时间(h)注水压力(MPa)注水流量（m3/h）注水量(m3)5 50 75 3 164 1.1 0.4 65.6 2煤层静压注水考察 煤层静压连续注水 7 天，注水结束按照设计位置分别在距注水孔 3、4、5m的位置施工 6#、7#、8#考察孔，考察孔深 30m，采取煤样送化验室测试煤样的水份含量，考虑到静压注水的方式注水时间长，注水流量大，为加强考察效果，在距离注水孔 6、7m 的位置采用刻槽法增加两个煤样，定义为 9#、10#，测定煤体含水率，通过注水后的煤层的水份含量和煤层原始水份含量的对比，分析煤层静压注水后的注水湿润情况。静压注水水份测试结果如表5 所示：表 5 静压注水水份含量分析表 孔号 距注水孔距离（m）注水前水份Mad(%)注水后水份 Mad(%)注水后水份增加量（%）注水后水份增加率（%）6 3 2.15 4.25 2.1 97.67 7 4 2.15 3.82 1.67 77.67 8 5 2.15 3.67 1.52 70.70 9 6 2.15 2.94 0.79 36.74 10 7 2.15 2.68 0.53 24.65 4.253.823.672.942.682.22.73.23.74.24.72.533.544.555.566.577.58距注水孔距离（m）水份Mad(%)图 4 静压注水煤层含水量变化趋势图 8/118/11 97.6777.6770.7036.7424.65-20.000.0020.0040.0060.0080.00100.00120.002.53.54.55.56.57.5距注水孔距离（m）水份增加率（%）图 5 静压注水煤层含水量增加率变化趋势图 静压注水完毕后，采取煤样进行水分测定分析，测试结果如表 5 所示，可以看出，静压注水后煤层水份发生了明显的增加，6、7、8#煤样水样增加量明显，均超过了 1.5%。其中最近的 6#煤样水份含量增加到 4.25%，增加了2.1%，水份含量增加率达到97.67%；7、8、9、10#煤样水份含量分别增加到 3.82%、3.67%、2.94%、2.68%，水份分别增加了 1.67%、1.52%、0.79%、0.53%，水份含量增加率分别达到77.67%、70.70%、36.74%、24.65%；其中 9#、10#煤样由于距离注水孔较远，水份含量增加不大，水份增加量达不到1.5%。根据煤层静压注水含水量变化趋势图（图 4）和含水量增加率变化曲线图（图 5）可以看到，在采用静压，小流量，长时间的持续注水的情况下，注水后煤层的含水量及含水量的变化率曲线随着距离的变化表现出总体比较平缓均匀的下降趋势，表明采用静压注水煤层的湿润效果较好，随着和注水钻孔距离的增加，注水效果基本按照比较均匀的速度逐渐降低。利用表 5 中的数据对随着距注水孔的距离的变化，煤样水份增加率进行回归分析，得出图 5 拟合曲线，并得到含水量随着距注水孔距离变化方程：0877.52306.0.0171x0y2x；R2=0.9667，表明数据相关性较好。x距注水钻孔的距离（m）；y水份的增加率（%）；结合 13-1 煤层空隙率等情况，按照煤层的水份增加量达到 1.5%来考察煤层的湿润半径，在上述条件静压注水的情况下，煤层湿润半径为 5.1m。可见，在采用静压，低压、小流量，长时间的持续注水的情况下，注水煤层的湿润效果较好，煤层湿润半径达到了 5.1m。9/119/11 5 结论 通过以上对动压、静压注水试验分析，得出如下结论：1 煤层注水后，煤层含水量及含水量增加率随着距注水钻孔距离的增加逐渐降低，动压注水降低速度较快，静压注水降低速度较为平缓均匀。2动压注水时间短，注水流量小，在采用上述试验条件的情况下，动压注水湿润半径达到 2.0m。3静压注水，煤层注水效果较好，煤层含水量增加均匀，且含水量增加较大，在上述静压注水条件下，注水湿润半径达 5.1m。4建议在条件许可的情况下，采用静压注水，进行低压、长时间、低流量的方式进行注水，可有效提高煤层注水效果。
