高壓注水軟化頂板採煤法

高壓注水軟化頂板採煤法如同人工強制爆破放頂採煤法一樣，也是根本消除採空區頂板大面積懸而不冒對采場的威脅，實現長壁採煤法代替短壁採煤法的有效方法之一。我國從1979年開始對高壓注水軟化頂板進行試驗研究，現已基本獲得成功，並進一步推廣套用。高壓注水軟化頂板方法是指藉助於鑽孔向堅硬頂板注入高壓水，高壓水進入頂板岩層使堅硬完整的頂板岩層產生裂隙或離層，降低頂板的堅硬程度，使其軟化並在上覆岩層的作用下實現自行垮落。

基本介紹

• 中文名：高壓注水軟化頂板採煤法
• 外文名：High pressure water injection softening roof coal mining method
• 學科：煤炭工程
• 領域：能源
• 始於：1979年
• 性質：代替短壁採煤法的有效方法

岩體高壓注水的基本原理

我們知道採空區頂板岩層的可冒落性，主要取決於岩層內岩石性質、頂板岩層結構及分層厚度、岩層裂隙的發育程度及裂隙發育的方向等因素。而頂板注高壓水的目的就在於通過壓力水的作用，增加岩層結構的鬆散性和裂隙的發育程度，隙低岩層岩石強度，從而提高頂板的可冒落性。壓力水對頂板岩層的作用主要表現在增加和擴展裂隙，破壞岩體的整體結構及其強度。概括起來說，高壓注水對岩體的作用有二：軟化作用和壓裂作用。因此，向頂板注高壓水，可使堅硬完整難冒的頂板變成穩定可冒的頂板。

水對岩體的壓裂作用

水對岩體的壓裂作用是指注入岩體中的高壓水克服了特定地質條件下的原岩應力（自重應力構造應力），對岩體中的層理、節理、裂隙等岩體弱面及岩石中的微裂隙、微孔隙和閉合孔隙的強行壓入，促使岩體和岩石中的各種結構弱面擴展，從而降低岩體的整體強度的過程。

一般來說，注水孔總會穿過一些發育程度不同的結構及構造弱面和空隙。開始注水時，這些弱面的透通性能差，透水量小，注水孔周邊岩體的抗力也大，表現為泵表壓迅速升高；當泵壓達到第一個峰值時，注水孔中的水便積聚了大量的壓力勢能，這些能量很快克服了孔周圍某些弱結構處岩體的抗力，使岩體開裂，形成新的滲水面和透水通道，這時孔中能量也就釋放了，透水速度加快，表現為泵表壓突然下降至某一穩定值，注水量也加大了。這一過程就像泵表壓的變化一樣，在向岩體注水的整個過程中將多次返復不斷地發生。從而也使岩體在高壓水的作用下，各種弱面將由注水孔開始，不斷地向外擴展，以到最終達到壓裂岩體，使其軟化的作用。這個最高峰值稱為壓裂值。

總之，水對堅硬頂板岩體的兩個作用是相輔相承的，壓力水注入注水孔後，水對岩體的作用首先是軟化，軟化降低了岩體的強度，是壓裂岩體的前提，也是降低岩體強度的最終目的；壓裂可進一步構通岩體的空隙，使岩體的軟化範圍更加擴大，同時壓裂也是使岩體裂解的最終目的。軟化和壓裂的共同作用，使岩體的強度下降，完整性變差，最終使堅硬難冒的頂板變成穩定或中等穩定的可冒頂板。為長壁冒落法開採堅硬難冒頂板下煤層創造了條件。

頂板注水方案的設計

自1979年以來，我國對煤層頂板預注水軟化岩層的方法進行了一系列的試驗研究，積累了大量的經驗，為今後的進一步推廣套用提供了一些重要的設計依據。注水軟化頂板方案設計應遵循的基本原則是：

（1）頂板岩層被軟化的厚度以保證冒落後，碎矸能充填滿採空區為準，一般要大於采高的5-8倍。

（2）當堅硬頂板下位岩層是由兩個以上岩性不同的岩層組成時，應以長、短孔的方式分別對各層布置注水孔，分別注水。要有針對性地保證重點注水層的受水量。

（3）對於不同的老頂來壓區域，應採取不同的注水措施。老頂初次來壓區，即初采段約為回採工作面長的範圍內，為降低頂板的堅硬程度，縮短老頂的垮落步距，減少來壓強度，應加大注水量，增加注水次數及增加超前注水時間。初次來壓後到回採工作面停采前30m為正常注水軟化區。最後是停采搬家區，應適當減少注水。

（4）孔的布置要保證頂板軟化範圍內受水均勻。岩層的受水性能與其本身的岩性、透水性、結構等有關，也與注水時間和注水壓力有關。但更重要的是注水孔的深度和孔間距。通常在老頂初次來壓區內要加密注水孔，孔距為20-30m；正常注水區為30-40m即可；對於極不易冒落的區域也要加密注水孔。

（5）注水孔的仰角是由要處理岩層的高度和工作面的長度決定的。但是，還要考慮滿足現場施工條件和鑽機的性能。一般為17°-24°，過小鑽孔排粉困難，過大封孔較困難。

注水孔的水平轉角一般為70°左右，主要考慮被壓裂軟化的頂板以斜交形式逐步與回採工作面相遇，從而防止頂板沿工作面煤壁切落。注水孔與回採巷道成一定的水平轉角布置，也能增加巷道中施工的活動空間，有利於鑽孔和封孔等工序的施工。

（6）注水壓力要保證頂板在規定的注水時間內達到設計注水量。頂板的堅硬完整程度不同，所需注水壓力也不同。

注水工藝與注水方式

1.注水工藝

頂板注水工藝包括向頂板鑽注水孔，注水孔封堵和通過注水孔向頂板內注水等主要工序。鑽進注水孔由於頂板是由岩性不同的岩層複合而成，故鑽孔機就要能同時適應各種堅硬岩層鑽孔，如QZJ-100B型風動潛孔鑽機就是比較理想的鑽機，如頂板只需軟化砂岩層，那就用TXU-75, 型普通液壓鑽機或機械旋轉式鑽機均可。用鑽機按照注水孔設計參數需求向上在頂板上鑽孔，鑽孔打好後，就要封堵注水孔。

注水孔的封堵包括孔口封堵和不受水岩層段的封堵，它是向頂板實現有效注水的重要環節。通常可用機械封孔器封孔和水泥漿封孔，封孔器封孔的特點是簡單易行，操作方便，而且可以反覆使用，但封孔長度受限制；水泥漿封孔以壓風為動力，將注漿機內的砂漿吹入孔中封孔段，並設定帶閥注水管，凝固三天即可注水，這種封孔方法特點是封孔深度控制靈活，最大封孔深度可達50m。注水孔封堵完畢即進行注水工作。

2.注水方式

頂板注水方式有雙側布孔注水單側布孔注水兩種方式。雙側布孔注水方式也叫雙巷注水方式，是指當在回採工作面的兩條回採巷道內同時布孔，並且在其中完成向煤層頂板鑽孔、注水等主要工序的頂板軟化工作，這種從兩條順槽向頂板同時注水的方式稱為雙側布孔注水方式。

這種注水方式的特點是從回採工作面的上下兩條順槽內進行注水工作，鑽孔的單孔長度相對較短，而兩巷鑽孔總進尺和卻較長，故施工容易；煤層頂板的受水也比較均勻，並且回採工作面中部頂板受水層較高，兩端頭處受水層位較低，有利於頂板岩層的冒落；注水速度相對較單側注水快。這種注水法適用頂板岩層堅硬、結構及構造極不發育的條件，回採工作面的長度在150m以上的採空區頂板的軟化處理。

注水方法與注水設備

1.注水方法

根據礦井地質條件的不同，所採用煤層開採方法的不同，堅硬頂板注水軟化的方法也是各種各樣，歸納起來有如下幾種：

（1）區域注水法

（2）分層重點注水法

（3）一次性注水法

（4）重複注水法

（5）採空區補充注水法

（6）單泵注水法

（7）多泵注水法

2.注水設備

煤層堅硬頂板軟化注水常用的設備有：鑽注水孔用的鑽機、封堵注水孔用的注漿機和封孔器、注水用的柱塞水泵等。

注水軟化頂板效果及優缺點

1.注水軟化頂板的效果

由於煤礦地質條件的各異，每次頂板注水質量的不同，注水後頂板軟化的效果也是各種各樣的。概括起來有如下幾種：

（1）頂板注水後，有效地促使了堅硬頂板的軟化和破碎，提高了頂板的可冒落性；為用長壁工作面開採堅硬頂板煤層創造了條件。

（2）減小了老頂初次來壓和周期來壓的步距及來壓強度，提高了回採工作的安全性。

（3）注水後煤層也相應地吸收了一部分水，有利於減少煤塵，提高破煤效率。

（4）注水後，頂板變得可冒落了，減少了用來支撐頂板的煤柱損失，提高回採率。

2.高壓注水軟化頂板的特點及適用條件

與人工爆破強制放頂相比，高壓注水軟化頂板方法有以下特點：

（1）人工強制爆破放頂，採空區懸頂大，冒落矸石塊度也比較大，約為注水法的2-6倍，對採空區的充填效果也較差；拉頂放炮時常出現較大的衝擊載荷，不利於采場支護，而注水軟化頂板方法卻沒有這些缺點。

（2）周期來壓步距較小。注水法周期來壓步距平均約20m；而人工爆破放頂平均約30m。

（3）頂板注水循環周期長，且需超前回採工作面作業；而放炮放頂可即時作業，作業機械化速度快。

（4）注水法放頂工藝複雜，設備多。

（5）注水法比爆破法多打2倍的鑽孔。

（6）當注水軟化頂板效果不佳時，可以輔以人工爆破強制放頂；當未具備註水條件，或因地質構造及臨近採區的影響，而堵漏水技術又尚未得到完善的情況下可採用人工爆破強制放頂法來實現長壁工作面綜合機械化採煤。

（7）當煤層的瓦斯含量高，不宜採用爆破放頂法時，可採用注水軟化頂板法。