[科普中国]-高压注水软化顶板采煤法

高压注水软化顶板采煤法如同人工强制爆破放顶采煤法一样，也是根本消除采空区顶板大面积悬而不冒对采场的威胁，实现长壁采煤法代替短壁采煤法的有效方法之一。我国从1979年开始对高压注水软化顶板进行试验研究，现已基本获得成功，并进一步推广应用。高压注水软化顶板方法是指借助于钻孔向坚硬顶板注入高压水，高压水进入顶板岩层使坚硬完整的顶板岩层产生裂隙或离层，降低顶板的坚硬程度，使其软化并在上覆岩层的作用下实现自行垮落。

岩体高压注水的基本原理我们知道采空区顶板岩层的可冒落性，主要取决于岩层内岩石性质、顶板岩层结构及分层厚度、岩层裂隙的发育程度及裂隙发育的方向等因素。而顶板注高压水的目的就在于通过压力水的作用，增加岩层结构的松散性和裂隙的发育程度，隙低岩层岩石强度，从而提高顶板的可冒落性。压力水对顶板岩层的作用主要表现在增加和扩展裂隙，破坏岩体的整体结构及其强度。概括起来说，高压注水对岩体的作用有二：软化作用和压裂作用。因此，向顶板注高压水，可使坚硬完整难冒的顶板变成稳定可冒的顶板1。

水对岩体的压裂作用水对岩体的压裂作用是指注入岩体中的高压水克服了特定地质条件下的原岩应力（自重应力构造应力），对岩体中的层理、节理、裂隙等岩体弱面及岩石中的微裂隙、微孔隙和闭合孔隙的强行压入，促使岩体和岩石中的各种结构弱面扩展，从而降低岩体的整体强度的过程。

一般来说，注水孔总会穿过一些发育程度不同的结构及构造弱面和空隙。开始注水时，这些弱面的透通性能差，透水量小，注水孔周边岩体的抗力也大，表现为泵表压迅速升高；当泵压达到第一个峰值时，注水孔中的水便积聚了大量的压力势能，这些能量很快克服了孔周围某些弱结构处岩体的抗力，使岩体开裂，形成新的渗水面和透水通道，这时孔中能量也就释放了，透水速度加快，表现为泵表压突然下降至某一稳定值，注水量也加大了。这一过程就像泵表压的变化一样，在向岩体注水的整个过程中将多次返复不断地发生。从而也使岩体在高压水的作用下，各种弱面将由注水孔开始，不断地向外扩展，以到最终达到压裂岩体，使其软化的作用。这个最高峰值称为压裂值。

总之，水对坚硬顶板岩体的两个作用是相辅相承的，压力水注入注水孔后，水对岩体的作用首先是软化，软化降低了岩体的强度，是压裂岩体的前提，也是降低岩体强度的最终目的；压裂可进一步构通岩体的空隙，使岩体的软化范围更加扩大，同时压裂也是使岩体裂解的最终目的。软化和压裂的共同作用，使岩体的强度下降，完整性变差，最终使坚硬难冒的顶板变成稳定或中等稳定的可冒顶板。为长壁冒落法开采坚硬难冒顶板下煤层创造了条件。

顶板注水方案的设计自1979年以来，我国对煤层顶板预注水软化岩层的方法进行了一系列的试验研究，积累了大量的经验，为今后的进一步推广应用提供了一些重要的设计依据。注水软化顶板方案设计应遵循的基本原则是：

（1）顶板岩层被软化的厚度以保证冒落后，碎矸能充填满采空区为准，一般要大于采高的5-8倍。

（2）当坚硬顶板下位岩层是由两个以上岩性不同的岩层组成时，应以长、短孔的方式分别对各层布置注水孔，分别注水。要有针对性地保证重点注水层的受水量。

（3）对于不同的老顶来压区域，应采取不同的注水措施。老顶初次来压区，即初采段约为回采工作面长的范围内，为降低顶板的坚硬程度，缩短老顶的垮落步距，减少来压强度，应加大注水量，增加注水次数及增加超前注水时间。初次来压后到回采工作面停采前30m为正常注水软化区。最后是停采搬家区，应适当减少注水。

（4）孔的布置要保证顶板软化范围内受水均匀。岩层的受水性能与其本身的岩性、透水性、结构等有关，也与注水时间和注水压力有关。但更重要的是注水孔的深度和孔间距。通常在老顶初次来压区内要加密注水孔，孔距为20-30m；正常注水区为30-40m即可；对于极不易冒落的区域也要加密注水孔。

（5）注水孔的仰角是由要处理岩层的高度和工作面的长度决定的。但是，还要考虑满足现场施工条件和钻机的性能。一般为17°-24°，过小钻孔排粉困难，过大封孔较困难。

注水孔的水平转角一般为70°左右，主要考虑被压裂软化的顶板以斜交形式逐步与回采工作面相遇，从而防止顶板沿工作面煤壁切落。注水孔与回采巷道成一定的水平转角布置，也能增加巷道中施工的活动空间，有利于钻孔和封孔等工序的施工。

（6）注水压力要保证顶板在规定的注水时间内达到设计注水量。顶板的坚硬完整程度不同，所需注水压力也不同2。

注水工艺与注水方式1.注水工艺

顶板注水工艺包括向顶板钻注水孔，注水孔封堵和通过注水孔向顶板内注水等主要工序。钻进注水孔由于顶板是由岩性不同的岩层复合而成，故钻孔机就要能同时适应各种坚硬岩层钻孔，如QZJ-100B型风动潜孔钻机就是比较理想的钻机，如顶板只需软化砂岩层，那就用TXU-75, 型普通液压钻机或机械旋转式钻机均可。用钻机按照注水孔设计参数需求向上在顶板上钻孔，钻孔打好后，就要封堵注水孔。

注水孔的封堵包括孔口封堵和不受水岩层段的封堵，它是向顶板实现有效注水的重要环节。通常可用机械封孔器封孔和水泥浆封孔，封孔器封孔的特点是简单易行，操作方便，而且可以反复使用，但封孔长度受限制；水泥浆封孔以压风为动力，将注浆机内的砂浆吹入孔中封孔段，并设置带阀注水管，凝固三天即可注水，这种封孔方法特点是封孔深度控制灵活，最大封孔深度可达50m。注水孔封堵完毕即进行注水工作。

2.注水方式

顶板注水方式有双侧布孔注水单侧布孔注水两种方式。双侧布孔注水方式也叫双巷注水方式，是指当在回采工作面的两条回采巷道内同时布孔，并且在其中完成向煤层顶板钻孔、注水等主要工序的顶板软化工作，这种从两条顺槽向顶板同时注水的方式称为双侧布孔注水方式。

这种注水方式的特点是从回采工作面的上下两条顺槽内进行注水工作，钻孔的单孔长度相对较短，而两巷钻孔总进尺和却较长，故施工容易；煤层顶板的受水也比较均匀，并且回采工作面中部顶板受水层较高，两端头处受水层位较低，有利于顶板岩层的冒落；注水速度相对较单侧注水快。这种注水法适用顶板岩层坚硬、结构及构造极不发育的条件，回采工作面的长度在150m以上的采空区顶板的软化处理2。

注水方法与注水设备1.注水方法

根据矿井地质条件的不同，所采用煤层开采方法的不同，坚硬顶板注水软化的方法也是各种各样，归纳起来有如下几种：

（1）区域注水法

（2）分层重点注水法

（3）一次性注水法

（4）重复注水法

（5）采空区补充注水法

（6）单泵注水法

（7）多泵注水法

2.注水设备

煤层坚硬顶板软化注水常用的设备有：钻注水孔用的钻机、封堵注水孔用的注浆机和封孔器、注水用的柱塞水泵等。

注水软化顶板效果及优缺点1.注水软化顶板的效果

由于煤矿地质条件的各异，每次顶板注水质量的不同，注水后顶板软化的效果也是各种各样的。概括起来有如下几种：

（1）顶板注水后，有效地促使了坚硬顶板的软化和破碎，提高了顶板的可冒落性；为用长壁工作面开采坚硬顶板煤层创造了条件。

（2）减小了老顶初次来压和周期来压的步距及来压强度，提高了回采工作的安全性。

（3）注水后煤层也相应地吸收了一部分水，有利于减少煤尘，提高破煤效率。

（4）注水后，顶板变得可冒落了，减少了用来支撑顶板的煤柱损失，提高回采率。

2.高压注水软化顶板的特点及适用条件

与人工爆破强制放顶相比，高压注水软化顶板方法有以下特点：

（1）人工强制爆破放顶，采空区悬顶大，冒落矸石块度也比较大，约为注水法的2-6倍，对采空区的充填效果也较差；拉顶放炮时常出现较大的冲击载荷，不利于采场支护，而注水软化顶板方法却没有这些缺点。

（2）周期来压步距较小。注水法周期来压步距平均约20m；而人工爆破放顶平均约30m。

（3）顶板注水循环周期长，且需超前回采工作面作业；而放炮放顶可即时作业，作业机械化速度快。

（4）注水法放顶工艺复杂，设备多。

（5）注水法比爆破法多打2倍的钻孔。

（6）当注水软化顶板效果不佳时，可以辅以人工爆破强制放顶；当未具备注水条件，或因地质构造及临近采区的影响，而堵漏水技术又尚未得到完善的情况下可采用人工爆破强制放顶法来实现长壁工作面综合机械化采煤。

（7）当煤层的瓦斯含量高，不宜采用爆破放顶法时，可采用注水软化顶板法3。

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所