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摘 要：本文系统分析了煤层长钻孔注水的钻孔布置、封孔和注水参数的合理确定方法，并结合研究项目论述了煤层注水对防尘、防治冲击地压、防火、降温及对放顶煤开采提高回采率和产量的重要作用。
关键词：煤层长钻孔注水;安全;防尘;放顶煤;回收率;灾害治理
一、煤层注水钻孔布置及钻孔参数
（一）钻孔布置。根据煤层的渗透特性，煤层的厚度，工作面长度及巷道布置等. 注水钻孔采用单向或双向布置方式。单向钻孔长度比采煤工作面长度短20～40m，双向钻孔长度比1/2工作面长度短5-8m，封孔长度大于10m，并应保证注水过程中煤壁不漏水、不跑水;工作面投产前1个月必须施工完第一个注水孔，并进行超前动压注水。第一个注水孔位置要设置在超前工作面距离15米处，钻孔孔距按20m设计（遇断层时可进行调整），随工作面推进，超前施工注水孔，打钻位置要选在工作面超前压力影响外。当钻孔进入工作面超前动压影响明显范围内，可进行二次静压补水，静压注水孔距离工作面3-5m内方可不再注水。单孔注水量应使该钻孔预湿煤体的平均含水分大于4%。距工作面最近的钻孔开始注水时超前工作面回采距离不得小于月推进度，超前时间不得小于1个月。在实际注水中，可根据具体条件进行选择。
（二）封孔。采用注浆封孔工艺，封孔长度必须大于卸压孔深度，并且封孔长度应超过巷帮煤体的破碎带，深度不小于15m，封严、封实，确保注水过程中煤壁不漏水、不跑水，在防冲卸压重点影响地段需要增大封孔长度或调整超前注水时间。
封孔时，下入Φ25mm钢管，将钢管前端接上一个接箍，缠上棉纱（或大麻）后插入孔内，铁管露出孔壁10～15cm，然后将孔口铁管与钻孔之间进行封堵，然后用0.5：1的水：水泥浓度的浆液进行注浆封孔，使用注浆泵向孔内注浆，待注浆泵起压（1Mpa以上）孔口有泥浆渗出时，停止输浆。
（三）煤层注水参数。（1）根据公式Q=K·M·lj·l·ρ·δ计算单孔注水量。式中：Q——单孔注水量，m3;k——钻孔前方煤体湿润系数，取1.1～1.3;M——煤层厚度，m;lj——钻孔间距，m;l——钻孔长度，m;ρ——煤的密度，t/m3;δ——吨煤注水量，
m3/t，取0.02～0.04m3/t。（2）注水方式及注水压力、流量。动压采用3ZSB-158/18型高压注水泵对煤体实行高压注水，多孔并联式注水，每次注3孔，动压注水时泵工作压力8～16MPa，单孔注水流量达到0.3-2.Om3/h;动压注水结束后，采用静压进行补水，静压补水时管网压力2.0～4.0MPa。静压补水时可不控制单孔注水流量。
二、煤层注水对各种灾害的治理效果分析
（一）煤层注水防治冲击地压。煤层注水是一种防治冲击地压的非常有效的措施，它通过高压水冲击入煤体的层理、节理中，使煤体逐渐龟裂，产生较大裂隙，破坏煤体的整体性，使煤体脆性减弱，塑性增强，从而改变了煤体的物理力学性质，使煤体失去了冲击倾向性。
（1）某矿注水前后冲击性分析。煤体在受力时聚积弹性能并产生冲击式破坏的能力是煤岩介质的固有属性，称为冲击倾向。煤层产生冲击地压主要与煤层地质，顶底板条件，开采方法，煤的强度，弹性，内聚力内摩擦角等有关系。若煤的强度、弹性、内聚力、内摩擦角等较小，而破坏过程较缓慢，塑性大，其冲击倾向就小。而煤层注水湿润煤体后，就可以降低强度，内摩擦角等，使煤体显著塑化，从而降低其沖击倾向。（2）效果分析。通过上述测试数据表明，煤的弹性模量降低44.8%，C（单轴抗压强度）、列内摩擦角）值分别降低11.2%和70.6%。煤层注水后既降低了煤体的应力集中程度，又扩大了煤壁前方应力降低区的宽度，从而增加了低抗破坏的侧向阻力，另外上覆岩层在未开采前与煤体是同一力学体系，两者相互制约又相互作用。上覆岩层应力分布特性对冲击地压起着非常重要的作用。煤层注水后，可使岩层中应力集中峰值向深部移动，分布范围加大，峰值降低，因此工作面附近一定范围内的应力下降，这种变化使顶板断裂位置向煤壁前方转移，降低了周期来压对工作面煤壁的影响，减少了顶板来压诱发冲击地压的可能性。此外，煤层注水软化煤体后，使煤体的能量释放速度显著下降，破坏形式趋于缓慢，显著改善了煤体破坏时能量释放的稳定性。通过测试表明，煤体强度下降与注水时间呈负指数关系，因此采用长时间小流量注水，宜于降低煤体强度。综上所述，煤层注水软化煤体，可以降低煤体的物理力学性质增大其塑性，减少或防止冲击地压的危害。
（二）煤层注水防尘。（1）煤层注水水分增加效果。煤层注水降低粉尘浓度，主要与煤体的水分含量、注水后水分增量和湿润均匀程度有关系。某矿放顶煤工作面，采用单向钻孔布置方式，动、静压注水相结合，一台泵同时注三孔。该工作面煤层注水的效果非常理想。在原始水分为3.914%这样高的情况下，还平均使水分增加了1.202%，达5.116%，最高达7.72%。并且湿润较均匀，因而取得了较好的防尘效果。（2）煤层注水对放顶煤工作面各主要尘源的降尘效果。在注水钻孔左右10m范围内天天采样，以考察煤层注水对各主要尘源的降尘效果。该工作面煤层注水取得了很好的降尘效果。采煤机司机处，顺风、逆风割煤时的降尘率分别达83%和69%;采煤机下风流10m处，顺风、逆风割煤降尘率分别为88%和85%;放煤工处为27%;放媒口下风流10m处为31%。因此搞好煤层注水，对降低工作面粉尘浓度，减少其污染是非常重要的。
（三）煤层注水防火与降温。上述某矿在煤层注水中，加入了防火阻化剂，使发火周期由原来的3一6个月，增加到5一8个月，工作面平均月推进在50m以上，5个月后推进了250m以上，工作面远离发火源，使其没有足够的氧气供给而不能够充分憔烧发生火灾，解决了火害问题，注水后温度由原来的平均28度左右，下降到平均25.3度，改善了劳动条件。
（四）煤层注水提高顶煤放煤效果。在放顶煤开采中，如果煤层比较硬，特别是顶煤较硬，在放煤时，会产生许多大块煤，易使放煤口堵塞，从而使回收率和产量降低。而煤层注水后能够有效地湿润和软化煤体，煤层注水前，煤层，注水后.其单向抗压强度，注水前为20MPa，注水后为8.8MPa。注水软化后的煤体大块少了，顶煤放出率由注水前的74.8%提高到86.3%，日产也由注水前2900t提高到4700t，工效提高了38.2%，机组故障和截齿损耗大幅度下降，工人的劳动强度也大大减轻。
三、结论
通过以上分析得出以下结论：（1）煤层长钻孔注水是防治井下灾害的综合性措施。能够降低煤的硬度，软化煤体，降低切割和破碎能量，降低采煤机截齿的消耗，提高生产效率，减小设备的损耗，提高工效及工作面产量与回采率，是非常有效的措施。（2）工作面长钻孔煤层注水，注水效果和降尘效果非常显著，降尘率在80%以上，提高了工作面回风流的质量，使工作面的环境和劳动卫生条件得到极大的改善。（3）煤层注水效果的关键在于注水孔的布置、注水孔的深度、注水时间，所以应用新技术、新工艺、新设备，借鉴先进单位的经验，提高煤层注水的效果。坚持注水是关键，要从根源上降低煤尘还一线职工一个优越的环境。（4）煤层注水（加入阻化剂）可以使自然发火周期增大，避免火灾的危害，还可降低温度，改善劳动条件。（5）煤层注水软化顶煤，可提高回采率，工效和产量，减少能耗，降低劳动强度。总之，煤层注水是防治井下灾害，保证矿井和工人安全的综合性措施，其推广应用可有效地降低煤矿井下采煤工作面的灾害事故，改善环境，提高工效，促进安全生产。
关键词：煤层长钻孔注水;安全;防尘;放顶煤;回收率;灾害治理
一、煤层注水钻孔布置及钻孔参数
（一）钻孔布置。根据煤层的渗透特性，煤层的厚度，工作面长度及巷道布置等. 注水钻孔采用单向或双向布置方式。单向钻孔长度比采煤工作面长度短20～40m，双向钻孔长度比1/2工作面长度短5-8m，封孔长度大于10m，并应保证注水过程中煤壁不漏水、不跑水;工作面投产前1个月必须施工完第一个注水孔，并进行超前动压注水。第一个注水孔位置要设置在超前工作面距离15米处，钻孔孔距按20m设计（遇断层时可进行调整），随工作面推进，超前施工注水孔，打钻位置要选在工作面超前压力影响外。当钻孔进入工作面超前动压影响明显范围内，可进行二次静压补水，静压注水孔距离工作面3-5m内方可不再注水。单孔注水量应使该钻孔预湿煤体的平均含水分大于4%。距工作面最近的钻孔开始注水时超前工作面回采距离不得小于月推进度，超前时间不得小于1个月。在实际注水中，可根据具体条件进行选择。
（二）封孔。采用注浆封孔工艺，封孔长度必须大于卸压孔深度，并且封孔长度应超过巷帮煤体的破碎带，深度不小于15m，封严、封实，确保注水过程中煤壁不漏水、不跑水，在防冲卸压重点影响地段需要增大封孔长度或调整超前注水时间。
封孔时，下入Φ25mm钢管，将钢管前端接上一个接箍，缠上棉纱（或大麻）后插入孔内，铁管露出孔壁10～15cm，然后将孔口铁管与钻孔之间进行封堵，然后用0.5：1的水：水泥浓度的浆液进行注浆封孔，使用注浆泵向孔内注浆，待注浆泵起压（1Mpa以上）孔口有泥浆渗出时，停止输浆。
（三）煤层注水参数。（1）根据公式Q=K·M·lj·l·ρ·δ计算单孔注水量。式中：Q——单孔注水量，m3;k——钻孔前方煤体湿润系数，取1.1～1.3;M——煤层厚度，m;lj——钻孔间距，m;l——钻孔长度，m;ρ——煤的密度，t/m3;δ——吨煤注水量，
m3/t，取0.02～0.04m3/t。（2）注水方式及注水压力、流量。动压采用3ZSB-158/18型高压注水泵对煤体实行高压注水，多孔并联式注水，每次注3孔，动压注水时泵工作压力8～16MPa，单孔注水流量达到0.3-2.Om3/h;动压注水结束后，采用静压进行补水，静压补水时管网压力2.0～4.0MPa。静压补水时可不控制单孔注水流量。
二、煤层注水对各种灾害的治理效果分析
（一）煤层注水防治冲击地压。煤层注水是一种防治冲击地压的非常有效的措施，它通过高压水冲击入煤体的层理、节理中，使煤体逐渐龟裂，产生较大裂隙，破坏煤体的整体性，使煤体脆性减弱，塑性增强，从而改变了煤体的物理力学性质，使煤体失去了冲击倾向性。
（1）某矿注水前后冲击性分析。煤体在受力时聚积弹性能并产生冲击式破坏的能力是煤岩介质的固有属性，称为冲击倾向。煤层产生冲击地压主要与煤层地质，顶底板条件，开采方法，煤的强度，弹性，内聚力内摩擦角等有关系。若煤的强度、弹性、内聚力、内摩擦角等较小，而破坏过程较缓慢，塑性大，其冲击倾向就小。而煤层注水湿润煤体后，就可以降低强度，内摩擦角等，使煤体显著塑化，从而降低其沖击倾向。（2）效果分析。通过上述测试数据表明，煤的弹性模量降低44.8%，C（单轴抗压强度）、列内摩擦角）值分别降低11.2%和70.6%。煤层注水后既降低了煤体的应力集中程度，又扩大了煤壁前方应力降低区的宽度，从而增加了低抗破坏的侧向阻力，另外上覆岩层在未开采前与煤体是同一力学体系，两者相互制约又相互作用。上覆岩层应力分布特性对冲击地压起着非常重要的作用。煤层注水后，可使岩层中应力集中峰值向深部移动，分布范围加大，峰值降低，因此工作面附近一定范围内的应力下降，这种变化使顶板断裂位置向煤壁前方转移，降低了周期来压对工作面煤壁的影响，减少了顶板来压诱发冲击地压的可能性。此外，煤层注水软化煤体后，使煤体的能量释放速度显著下降，破坏形式趋于缓慢，显著改善了煤体破坏时能量释放的稳定性。通过测试表明，煤体强度下降与注水时间呈负指数关系，因此采用长时间小流量注水，宜于降低煤体强度。综上所述，煤层注水软化煤体，可以降低煤体的物理力学性质增大其塑性，减少或防止冲击地压的危害。
（二）煤层注水防尘。（1）煤层注水水分增加效果。煤层注水降低粉尘浓度，主要与煤体的水分含量、注水后水分增量和湿润均匀程度有关系。某矿放顶煤工作面，采用单向钻孔布置方式，动、静压注水相结合，一台泵同时注三孔。该工作面煤层注水的效果非常理想。在原始水分为3.914%这样高的情况下，还平均使水分增加了1.202%，达5.116%，最高达7.72%。并且湿润较均匀，因而取得了较好的防尘效果。（2）煤层注水对放顶煤工作面各主要尘源的降尘效果。在注水钻孔左右10m范围内天天采样，以考察煤层注水对各主要尘源的降尘效果。该工作面煤层注水取得了很好的降尘效果。采煤机司机处，顺风、逆风割煤时的降尘率分别达83%和69%;采煤机下风流10m处，顺风、逆风割煤降尘率分别为88%和85%;放煤工处为27%;放媒口下风流10m处为31%。因此搞好煤层注水，对降低工作面粉尘浓度，减少其污染是非常重要的。
（三）煤层注水防火与降温。上述某矿在煤层注水中，加入了防火阻化剂，使发火周期由原来的3一6个月，增加到5一8个月，工作面平均月推进在50m以上，5个月后推进了250m以上，工作面远离发火源，使其没有足够的氧气供给而不能够充分憔烧发生火灾，解决了火害问题，注水后温度由原来的平均28度左右，下降到平均25.3度，改善了劳动条件。
（四）煤层注水提高顶煤放煤效果。在放顶煤开采中，如果煤层比较硬，特别是顶煤较硬，在放煤时，会产生许多大块煤，易使放煤口堵塞，从而使回收率和产量降低。而煤层注水后能够有效地湿润和软化煤体，煤层注水前，煤层，注水后.其单向抗压强度，注水前为20MPa，注水后为8.8MPa。注水软化后的煤体大块少了，顶煤放出率由注水前的74.8%提高到86.3%，日产也由注水前2900t提高到4700t，工效提高了38.2%，机组故障和截齿损耗大幅度下降，工人的劳动强度也大大减轻。
三、结论
通过以上分析得出以下结论：（1）煤层长钻孔注水是防治井下灾害的综合性措施。能够降低煤的硬度，软化煤体，降低切割和破碎能量，降低采煤机截齿的消耗，提高生产效率，减小设备的损耗，提高工效及工作面产量与回采率，是非常有效的措施。（2）工作面长钻孔煤层注水，注水效果和降尘效果非常显著，降尘率在80%以上，提高了工作面回风流的质量，使工作面的环境和劳动卫生条件得到极大的改善。（3）煤层注水效果的关键在于注水孔的布置、注水孔的深度、注水时间，所以应用新技术、新工艺、新设备，借鉴先进单位的经验，提高煤层注水的效果。坚持注水是关键，要从根源上降低煤尘还一线职工一个优越的环境。（4）煤层注水（加入阻化剂）可以使自然发火周期增大，避免火灾的危害，还可降低温度，改善劳动条件。（5）煤层注水软化顶煤，可提高回采率，工效和产量，减少能耗，降低劳动强度。总之，煤层注水是防治井下灾害，保证矿井和工人安全的综合性措施，其推广应用可有效地降低煤矿井下采煤工作面的灾害事故，改善环境，提高工效，促进安全生产。