采煤工作面煤层注水设计方案静压注水.doc

2101采煤工作面煤层注水
设计方案

鸿利煤业有限公司
2023年12月12日

2101工作面煤层注水设计方案
煤层注水是采煤工作面最有效的防尘措施之一，实践证明，实行煤层注水不仅能有效减少采煤工作面煤尘的产生，并且可以改变煤体的多种物理力学性质，减少冲击地压、煤层自燃发火，对采煤工作面的安全生产具有重大的意义。为有效改善我我矿2101采煤工作面的作业环境，提高生产效率，遏制煤尘事故发生，决定对该工作面实行煤层注水，特编写《2101采煤工作面煤层注水设计方案》如下：
一、工作面概况
该工作面倾向长度为390m，工作面长度为103m，面积为40170㎡，煤层倾角为2～5°，平均3.5°，煤层厚度0.8～1.52m，煤层平均厚度为1.2m。
二、工作面地质构造
工作面总体为单斜构造，煤层倾角2-5°，经回风顺槽掘进至340m时揭露，有一条走向42°，倾角75°落差70—80m的正断层；运送顺槽在掘进至317m时揭露一直径为25m的陷落柱；切眼从运送顺槽侧开始掘进至53m处时揭露断层走向40°，倾角75°，经打钻探煤得知落差在70—80m，据分析该断层和回风顺槽揭露的为同一断层。会对以后回采导致一定的影响。在过断层或陷落柱期间必须制定《安全技术措施》。
据2023年山西省煤炭工业局综合测试中心《鉴定报告》，本煤层自燃倾向性等级为Ⅱ级，属于易自燃煤层；煤层具有爆炸性。
三、设计目的
有效减少2101采煤工作面在回采过程中的产尘量，减少工作面的粉尘浓度，提高作业场合能见度，改善工作面的作业环境，防止职业病的发生，从主线上杜绝粉尘危害。并为2101采煤工作面回采过程中的瓦斯治理发明良好的条件、奠定坚实的基础。
四、注水钻孔参数的拟定
1、注水方式：采用工作面倾向单向长钻孔注水
2、注水方法：采用静压注水（具体方式根据现场情况决定）
3、钻孔布置：从2101采煤工作面辅助运送巷沿煤层延伸方向、距底板1.4m处打平行于工作面的下向孔，采用静压注水的方法进行煤层预注水。
4、钻孔直径：Ф65mm
5、钻孔深度
L=L1-M=103-1/3×103=68.67m。取68m
式中：L—钻孔长度，m
L1 —工作面长度，m
M —与煤层透水性和钻孔方向有关的参数（取下向孔且煤层透水性强，取1/3L1），m
6、钻孔间距
B=2.5Rh=2.5×2.3×3.5=20.125m。取20m。
式中：B —钻孔间距，m
R —湿润半径，m
H —巷道净高（注水工作面、回风巷），m
7、钻孔倾角
γ=α－θ=5°－0.3°=4.7°
式中：γ—钻孔倾角 α—煤层倾角
θ—钻孔最大下沉角；θ＝arctan h/L=0.3°
h —钻杆下沉距离，m L —钻孔深度，m
h/L—钻杆下沉率，一般为0.3—5％，本设计取0.3％
8、2101采煤工作面注水钻孔参数表
本次施工在2101采煤工作面运送顺槽，从开切眼位置至设计停采线位置，每隔20m钻一个注水孔，设计钻孔工19个。
地点
钻孔编号
机心高度(m)
钻孔直径(mm)
钻孔倾角(°)
钻孔深度(m)
2101综
采
工
作
面
辅
助
运
输
巷
1～5
1.40
65
5°
68
6～10
1.40
65
5°
68
11～15
1.40
65
5°
68
16～19
1.40
65
5°
68
五、煤层注水参数的拟定
1、注水系统
设计采用静压注水系统，详见附图《2101采煤工作面煤层注水系统示意图》。
采用多孔注水，同时注水钻孔数为3个。在2101采煤工作面运送顺槽静压供水管路的三通阀门上引出Ф25的的高压胶管，接入分流器，分出三支Ф10的高压胶管作为注水管路，并在注水管路上接入压力表、流量表和流量调节阀等。单孔累计注水时间不少于1个月或直到煤帮在预定湿润范围内“出汗”为止。注水超前回采的距离不小于1个月的推动度，超前时间不少于1个月。
2、注水压力
由于设计采用静压注水，所注水为纯水，因此注水压力以1.5～5Mpa为宜；一般采用调节钻孔的注水量流量来控制注水压力，注水时从低压逐渐升压，直至注水压力稳定为止。
3、单孔注水量
Q=2BLMγ（W1-W2）K
=11.5×68×1.2×1.35×（4%-2.55%）×1.5=27.55 m3
式中：Q—一个钻孔注水量，m3
B—孔间距，m
L—钻孔长度，m
M—工作面煤层厚度，m，根据2101实际情况，取1.2m
γ—煤容重，t/ m3 ，3#煤层1.35 t/ m3
W1—注水后规定达成的水分取，取4% m3/t
W2——煤层原有水分，取2.55% m3/t
（W1-W2）一般取1%～2%，本设计中取1.45% m3/t
k—考虑围岩吸取水分，水的漏失和注水不均匀系数，取1.5
4、注水流量
注水流量不宜过大，小流量注水对煤层的湿润效果最佳。只要时间允许，应尽量采用小流量注水，注纯水时注水流量可取15～20L/min。
5、单孔注水时间
t＝[Q / (60×q)] ×1000
＝[48.62 / (60×20)] ×1000
＝40.52h=2d
式中：t ─ 单孔累计注水时间，h
Q ─ 单孔注水量，Q＝27.55m3
q ─ 注水流量 q＝20l/min
在实际注水中，亦可把预定湿润范围内“出汗”现象作为煤体受到全面湿润的标志。“出汗”后即可结束注水。注水工作制度采用全天24小时不间断注水。
6、注水超前于回采的距离和时间
为提高煤层注水效果，煤层注水工作应在常压带内进行。为保证足够的注水量，注水工作不易过迟。
⑴超前距离：
距工作面最近的注水孔开始注水时，超前工作面的距离可按下式计算：
Lm＝Lq＋[Ta＋t×(t1＋t2)/(24×t1)] ×V
式中：Lm ─ 注水开始时超前工作面的距离，m
Lq ─ 工作面前方应力集中带宽度，取Lq＝30 m
Ta ─ 注水钻孔倒孔转换时间，d；取Ta＝0；
t ─ 单孔累计注水时间，取t＝40.52h
t1 ─ 每次纯注水时间，取t1＝24h
t2 ─ 注水间隙时间，取t2＝0h
V ─ 工作面正常的推动度，取V＝2.4m/d
Lm＝30＋[0＋40.52×(24＋0) / (24×24) ] ×2.4＝35m
⑵超前时间：
T＝Lm / V＝35 / 2.4＝15d
式中：T ─ 注水的最小超前时间，d
Lm─ 注水开始时超前工作面的距离，m
V ─ 工作面正常的推动度，取V＝2.4m/d
根据煤层注水技术标准（Q/.02.1.09.002-2023）：注水超前回采的距离不小于月推动度，超前时间不小于1个月，2101采煤工作面注水超前回采的距离暂定为60m，超前回采时间暂定为30d。注水过程取样分析，并根据上述计算结果合理选取注水超前回采的距离和超前回采时间。
7、2101采煤工作面日注水量
Q′=nQ/t=3×27.55 / 2=41.325 m3/d
式中：Q′─ 工作面日注水量，m3/d
n ─ 同时注水的钻孔数，个
Q ─ 单孔注水量，m³
t ─ 单孔注水时间，d
六、封孔
1、封孔深度
封孔是注水工作中德一个重要环节，封孔质量的好坏直接关系着注水的成败。根据我盘区巷道边沿破碎带宽度，设计封孔深度为3m。
封孔深度应保证注水时不从孔口及附近煤壁透水、渗水、泄水；封孔深度必须超过巷道边沿煤体破碎带宽度，在地质构造带（如断层）附近，应适当增长封孔深度。
2、封孔方法
采用封孔器自动封孔。
封孔器胶筒外径比钻孔直径小5～10mm，采用Ф60mm的封孔器，将封孔器送入钻孔，接上注水管再推入钻孔设计位置，运用注水压力或机械力等使封孔器膨胀封住钻孔。
七、劳动组织
1、2101采煤工作面煤层注水所需设备及材料参数一览表
序号
设备材料名称
型 号
规 格
数量
备 注
1
深孔钻机

2
压力表

3
流量表

4
钻头

5
钻杆

6
封孔器

7
分流器

8
流量调节阀门

9
钢管

10
高压胶管

11
法兰盘

2、人员组织一览表
序号
工种
班次
合计
早班
中班
零班
1
带班长
1
1
1
3
2
钻机司机
2
2
2
6
3
检修工
1
1
1
3
4
巡回记录员
1
1
1
3
5
瓦斯员
1
1
1
3
6
安全员
1
1
1
3
7
技术员
1
1
1
3
8
合计
8
8
8
24

3、作业方式：边钻边注水
4、作业工时：200个工时
八、安全措施
（一）钻机操作及安全技术措施
1、运送钻机的安全规定
（1）钻机装好车后，应用钢丝绳等封扎牢固，封绳不得少于两股，以免物料滑动或失落。
（2）平巷人力推车，必须遵守下列规定：
一个人只准推一辆车。同向推车的间距，在轨道坡度小于或等于5‰时，不得小于10m；坡度大于5‰时，不得小于30m；坡度大于7‰时，严禁人力推车。
在夜间或井下，推车人必须备有矿灯，在照明局限性的区段，应将矿灯挂在矿车进行方向的前端。
推车时必须时刻注意前方，在开始推车、停车、掉道、发现前方有人或有障碍物，从坡度较大的地方向下推车以及接近孔岔、弯道、巷道口、风门、硐室出口时，推车人都必须及时发出警号。严禁放飞车。
人力推物料车时，手不要抓在车沿上，或有棱角处。
（3）上、下山运送严格执行如下规定：
斜井串车提高，严禁蹬钩。行车时，严禁行人。
运送物料时，每次开车前把钩工必须检查牵引的车数、各车的连接和装载情况。牵引车数超过规定、连接不良或转载超重、超高、超宽或偏载严重有翻车危险是，都不得发出开车信号。
绞车提高运送过程中，上山及下部所有人员均需进入规避硐内，矿车运营范围内严禁有人逗留、行走，严格执行“行车不行人制度”。
绞车司机必须由通过专门培训，取得合格证的专职（或兼职）人员担任，并持证上岗，严格按小绞车操作规程作业。绞车提高过程中，绞车司机严禁擅离工作岗位。上、下车场把钩工要精力集中认真负责，按章作业。
2、安装及移动钻机的安全规定
（1）不得用锚杆锚索起吊钻机；
（2）在斜巷中稳钻时，钻机必须下道，钻机下方的趄柱不少于两根，并用钢丝绳或铁链与巷道内的固定物固定住，吊住钻机的绞车要有专人看管。
（3）进入现场的所有设备要符合井下防爆规定。设备进入现场前，要对现场安全环境进行检查，施工地点必须做到支护良好、通风、通电、通水、通气、通电话、排水通畅、底板平整、瓦斯煤尘、避灾路线等符合安全标准规定后，方可进入施工现场。
（4）钻机机身安装必须平稳，上紧底固螺丝，电器设备要垫高防潮，钻场前后10m之内的支护要完好，电缆要上钩并悬挂整齐、钻具器材要上架并码放整齐，机械转动部分防护栏、防护罩要安装齐全。
（5）钻机要打牢压柱及趄柱。在斜巷稳钻时必须执行如下规定：
①钻机必须下道，钻机垫平，钻机下方必须使用不少于两根的趄柱，并用可靠的钢丝绳或铁链与铁路或其他巷道上的固定物连接在一起。
②巷道坡度较大时，除采用上述措施外，还要用绞车钢丝绳拉着钻机，使绞车处在制动状态，并指定专人监护绞车防止有人开动。
（6）调试钻机，检查钻机各转动部分运转是否正常；开关启动是否灵活可靠，各种零部件及钻具是否齐全、合格，发现不符合规定者，必须进行解决或更换。
（7）检查机械设备安装质量及安全设施情况，经试车合格后方可开钻。
3、钻孔施工安全措施
（1）钻探工必须通过安全、技术培训，可以掌握钻机的操作工艺，并经考试合格取得相关有效证件后，方可入井作业。
（2）瓦斯员必须通过安全、技术培训，可以掌握光瓦的操作工艺，并经考试合格取得相关有效证件后，方可入井作业。
（3）其他相关人员必须通过安全教育培训，且经考试合格后方可入井作业。
（4）开工前对所有施工人员进行技术交底和措施贯彻，保证每一个施工人员都可以了解掌握施工过程中的各种技术规定和相关规定，并做好措施贯彻签字记录。
（5）井下施工要严格执行《煤矿安全规程》、《地质勘探安全规程》及盘区有关的规定，特别要做到：
严格按照煤矿三大规程作业，不得违章指挥，不违章作业、不违反劳动纪律，严格执行不安全不生产的原则。
施工人员下井必须持证上岗，工作中坚守岗位，无特殊因素不得随意远离打钻地点走动。
入井前要按规定配带好矿灯、矿帽、自救器。
上、下井时必须听从现场管理人员指挥，不得拥挤、抢候车，听从管理人员指挥。乘坐提人候车时身体及携带的工具严禁外露过长，保证安全。
严禁携带烟草和点火物品，严禁穿化纤衣服，入井前8小时严禁喝酒。
人员在上、下山巷道内行走时，坚持“行车不行人”制度，严禁蹬钩扒车。
（6）严格按设计方案中规定的方位角、倾角、孔径、孔深进行施工；开孔位置方位角、倾角、孔径、孔深都必须符合设计规定，方位角左右误差不得超过1°，倾角不超过±0.1°。
（7）钻探工人穿戴要整齐、利落、衣襟袖口、裤脚必须束紧。
（8）开钻人员不得紧靠钻杆，给压要均匀，判断要准确，孔内情况要及时掌握，钻速及压力要及时调整，以保证正常钻速。
（9）启动开关时，注意力要集中，做到手不离按钮，眼不离钻机，随时观测和听从司机命令，准确、及时、迅速地启动和关闭开关，为防止钻杆滑落伤人，正对钻杆下方严禁站人。
（10）打钻用水要保证有足够的流量，严禁打干眼。
（11）严禁用手、脚和其它物件直接制动机械运转部分，严禁将工具和其它物品放在钻机，水泵电机的保护罩上。
（12）当钻进过程中如发现进尺慢、孔内返水变大或变小、水压忽然增大或顶钻等情况时，要立即停钻，但不要退出钻杆，派人监视水情，并立即报告矿调度室及有关部门，如涌水量远大于排水能力，要用木楔将孔口封住。
（13）若发现机械设备有异常情况时，必须立即停止施工，及时查明因素进行解决，不得凑合或让机械设备带病作业。
（14）孔深达成规定期，要用清水将孔内煤岩粉打扫干净再起钻。
（15）发生断杆、掉钻头、孔内弃物、卡杆等事故后当班必须查明因素和情况准确计算钻杆长度立即向有关领导报告。
（16）临时停电时，必须将钻杆退出5米外，班后要将钻杆所有拔出，防止卡钻。
（17）正常作业时，施工人员要协调配合作业，设备运转、停机时要先招呼、再操作。严禁不打招呼启动。同时加强对设备的使用与维护保养，严格按照设备的操作规程进行操作。
（18）上下钻具时，钻机上下夹持器应配合使用。拧卸钻具和加减尺时应将钻具卡牢，作业人员应站在钻杆两边作业，防止钻具下窜伤人。钻具的加、减尺过程中，人必须站在钻杆的两侧施工，严禁站在钻杆的后端工作。施工中人员应分立钻机两侧，防止孔内忽然来水、来压顶出钻杆伤人。
（19）严格执行停送电制度，停电以后必须验电，然后把开关的把手封锁在停电位置上，做明显标志或派专人看守。工作结束后必须全面检查，待一切无误其它岗位没有作业人员后方可送电撤人。钻机移位时要停电作业，严禁带电检修和搬迁电器设备。
（20）施工现场要配备专用电话，当班班长负责当班施工中的安全、质量和人员管理工作，每班到现场后班长应及时把井下人数、工程进度等情况向矿调度室报告。钻孔施工时要协调好矿井其它岗位作业人员，钻机作业中不准轨道行车，因矿井需要必须行车时应将钻机等设备移动至安全地带。
（21）钻进时要时刻注意掌握所钻煤岩层的稳定情况，发现异常情况要及时解决，严禁强拉硬拧。每次钻杆下入前要检查丝扣的好坏，钻杆是否有弯曲及裂痕等，不合格钻杆严禁下入孔内。
（22）在钻进时，发现片帮、来压或地层异常时，应当立即向矿调度室报告，情况危急时，应立即撤出施工地点。
（23）若两钻机平行施工时，要互相协调，加强沟通，共同做好现场安全文明生产。
（24）每班的跟班技术员应将钻机编号、倾角、终孔深度、孔底岩性扩孔深度、水文变化、机械运送情况等具体记录并向下班交班。
（二）注水操作及安全技术措施
1、封孔前要检查注水孔内的堵塞物是否排除清理，保证注水孔固位煤帮，顶板支护完好，发现不安全因素及时解决。
2、按标准规定进行封孔，封孔的深度要符合设计规定，同时要严把封孔质量关，保证注水孔严密不漏水。
3、采用多孔并联注水，一次允许注水孔不得超过3个。
4、注水流量按20L/min左右，发现煤壁在预定范围内出现水珠后，应停止注水。
5、安排专人进行煤层注水工作，全天24小时不间断注水，每个注水工要掌握注水的工艺规定，并严格执行煤层注水操作规程。
6、注水前应检查注水管路是否完好，仪表和开关等能否正常工作，确认注水系统完好后，方可依次打开注水开关，进行煤层注水工作。
7、注水人员必须严格执行现场交接班制度，班中具体记录注水压力、水表读数、注水流量等各种参数，出井后认真填写煤层注水记录，每组注水孔注水完毕后，由技术人员对每个注水孔实际注水参数进行记录整理，填入煤层注水台帐。
8、注水如发生异常情况，应立即停止注水，待查明因素，解决完毕后，方可进行正常注水工作。
9、注水后要及时记录各种数据，分析注水结果，不断总结经验，为下一次的注水工作提供准确可靠的依据。
10、注水管路、仪表仪器悬挂整齐，仪表放到安全地点。
11、不得随意停注水。
12、专用的注水管路不得兼作他用。
九、煤层注水的降尘效果及其检测
1、降尘率计算
C=[（G2-G1）-（G′2-G′1）]/（G2-G1）×100%
式中：C─ 降尘率，%
G2、G1─ 分别为未实行煤层注水前开采时，工作面回风流及进风流中的含尘量，mg/m³
G′2、G′1─ 分别为实行煤层注水后开采时，工作面回风流及进风流中的含尘量，mg/m³
预计降尘效果为50%～80%。
十、附图
1、2101采煤工作面示意图
2、2101采煤工作面注水钻孔布置示意图
3、2101采煤工作面钻孔布置侧视图
4、2101采煤工作面注水钻孔封孔剖面示意图
5、2101采煤工作面注水系统示意图