軟煤層大采高工作面煤壁注水降塵實(shí)踐

宋明剛

（山西晉煤集團(tuán)澤州天安煤業(yè)有限公司，山西 晉城 454000）

綜合機(jī)械化開采大幅度地提高了礦井的產(chǎn)能和工效，降低了工人勞動強(qiáng)度和材料消耗，同時也產(chǎn)生了大量的煤塵，嚴(yán)重威脅著工作面工作人員的身心健康，對于高瓦斯礦井而言，大量的粉塵還會降低瓦斯爆炸極限，增加安全隱患〔1-2〕。當(dāng)前控制工作面煤塵的方法主要有噴霧降塵和煤層注水兩種，前者是一種被動式的降塵方法，是對已經(jīng)產(chǎn)生的煤塵采取降塵的方法進(jìn)行控制，后者是一種主動地、根本性的降塵手段，是通過改變煤體濕潤度，從而達(dá)到控制煤塵的產(chǎn)生量。目前，煤層注水預(yù)濕煤體已經(jīng)成為了各大礦區(qū)降塵的主要手段，并取得了較好的應(yīng)用效果〔3〕。本研究所采煤層為山西組3＃煤層，煤質(zhì)松軟易碎，采高較大，在進(jìn)行鉆孔、封孔和注水等工序較普通煤層工作面更難操作。以3302工作面為例，研究軟煤層大采高工作面煤塵注水降塵，以期提高作業(yè)環(huán)境，積累該類型煤層工作面降塵經(jīng)驗(yàn)。

1 注水降塵試驗(yàn)工作面概況

3302工作面為3采區(qū)第二個工作面，北部為已經(jīng)回采結(jié)束的3301工作面，南部為正在掘進(jìn)的3303工作面，西部為采區(qū)下山，東部為井田邊界保護(hù)煤柱。該工作面設(shè)計走向長度為840 m，傾斜長度為120 m，煤層埋藏深度為541.6～565.3m；煤層傾角為4.6°～9.5°，平均為6.4°；煤層厚度為2.7～3.8m，平均為3.5m；該工作面煤層松軟易碎，煤層硬度f=0.6～1.2，屬于典型的大采高軟煤層工作面。該工作面圍巖條件簡單，無偽頂，直接頂為4.5 m 的粉砂巖，基本頂為6.5m 的致密性較好的砂巖，直接底為均厚3.6m 的泥巖、砂巖互層，基本底為均厚4.8m 的致密性較好的灰?guī)r。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室分析結(jié)果，該3＃煤層原生水分為1.86%，煤層無自燃傾向，穩(wěn)定性較好。工作面采用機(jī)風(fēng)兩巷布置，采場布置80臺液壓支架。

2 煤壁注水降塵原理

注水是減少工作面煤塵發(fā)生量的有效措施，是實(shí)現(xiàn)預(yù)防為主、本質(zhì)治理煤塵的有效途徑，煤層注水降塵一直是采礦界"一通三防"人員研究的重點(diǎn)，經(jīng)過近幾十年的試驗(yàn)和理論研究，對于煤層注水降塵原理形成了較為統(tǒng)一的觀點(diǎn)〔4-5〕。認(rèn)為，煤層注水降塵主要表現(xiàn)在：

（1）高壓水進(jìn)入煤體裂隙后，將煤體內(nèi)破碎的粉煤進(jìn)行預(yù)先濕潤，使其在破落時失去飛揚(yáng)能力；

（2）水沿煤體裂隙進(jìn)入到煤體深部，水在煤體各裂隙、深部空隙之中充填，將破碎的煤塊進(jìn)行包裹，這樣由于水膜的存在，煤塊在破落過程中產(chǎn)生的粉塵量會大大減小；

（3）煤體經(jīng)水濕潤后，其塑性和粘度會大大提高，脆性會相對減弱，這樣會降低煤體破碎為粉煤粒的可能性，從而從根本上抑制了煤塵的產(chǎn)生。

由上述分析可知，通過煤層水可以提高煤體濕潤度和粘度，降低煤體破碎時粉煤的產(chǎn)生量，從而達(dá)工作面降塵的目的。

3 注水方案的確定

1）注水工藝參數(shù)的確定。

（1）注水參數(shù)要求：在滿足注水要求的基礎(chǔ)上，合理確定注水鉆孔深度和鉆孔間距，確保注水范圍內(nèi)的煤體普遍濕潤；為增加煤體濕潤的均勻性，同時考慮到減少鉆孔施工工程量，要求鉆孔與頂?shù)装逵幸欢ǖ木嚯x。

（2）鉆孔布置要求：3302工作面采高為3.5m，由此確定采用單排孔進(jìn)行注水，孔深為7500mm，鉆孔Φ42mm，孔間距為6000mm，打鉆范圍為整個工作面全長，在工作面夾矸較多地帶可以適當(dāng)加大孔間距（見圖1）。

圖1 3302工作面煤壁高壓注水鉆孔布置示意

（3）注水物理參數(shù)的確定?？紤]到3＃煤層物理特性和工作面開采實(shí)際，確定采用靜壓水進(jìn)行煤壁注水，靜壓水水壓為5～6 MPa；根據(jù)煤體濕潤所需水量和每個鉆孔擔(dān)當(dāng)濕潤煤體體積，確定每個鉆孔的注水量為5.8t；注水時間的確定于水壓和注水量密切相關(guān)，一般而言，注水水壓越大，鉆孔注水量越小，注水時間越小，但為了進(jìn)一步提高煤壁注水效果，注水時間應(yīng)以鉆孔不出現(xiàn)大量涌水為最佳。

2）注水設(shè)備的確定。

（1）鉆機(jī)：要求鉆機(jī)具有隊煤層和巖層鉆孔的能力，該項目選用ZMS15T 型煤電鉆。

（2）封孔器：采用橡膠封孔器，外徑40～90 mm，長度500～2500mm。

（3）注水管：采用20mm 鋼管，壁厚2.5mm。

（4）注水封孔器：該注水封孔器為進(jìn)口的Bimbarl型，規(guī)格為25mm×800mm。

（5）泵：選擇型號為BRW-80／31.5的乳化泵作為注水泵，該泵額定流量為80L／min，壓力可根據(jù)實(shí)際調(diào)定。

（6）其余設(shè)備包括地質(zhì)羅盤儀、輔助排粉設(shè)備、注水表、壓力表、高壓膠管、管路接頭、單向閥等。

4 注水工藝的實(shí)施

注水鉆孔打設(shè)完畢后，采用單孔注水。將風(fēng)巷靜壓水用高壓軟管接通，并連接至工作面，每隔6m 安裝一個三通閥。Φ20mm 注水管用k型活接頭連接至封孔器上，另一端連接在三通閥上。采用單孔注水，連接至工作面的靜壓水管在鉆孔進(jìn)行注水時，其它三通閥全部關(guān)閉，以防注水水壓不達(dá)標(biāo)。具體注水工藝為：按照設(shè)計要求連接好注水管路，開啟工作面接入的靜壓水管進(jìn)行靜壓注水，若靜壓水達(dá)不到要求可采用BRW-80／31.5的乳化泵作為注水泵，當(dāng)注水達(dá)到設(shè)計要求時，且鉆孔周圍煤壁有水均勻滲透時方可結(jié)束對該鉆孔的注水。

針對3＃煤層松軟易碎，以往在工作面煤壁注水時多發(fā)生封孔問題。經(jīng)研究決定，采用膨脹性能較好的Bimbarl型進(jìn)口封孔器，同時為了保障封孔質(zhì)量，要求鉆孔排除的煤屑要清理干凈，采取必要的措施保障在靜壓管道出現(xiàn)冒漏時不致影響封孔器膨脹。另外，為了防止封孔器因摩擦力低而出現(xiàn)拋出現(xiàn)象，應(yīng)將封孔器與Φ20mm 注水管連接固定在一起。

5 注水效果分析

1）煤體濕潤效果。

由于3302采用工作面全長注水，故在工作面上段出口處向下每隔30 m 布置一測站，共計4 個測站。在各測站分別距離底板1.2 m，2.4 m 和3.6 m 采用掏槽法取3個煤樣，煤樣尺寸為400mm×400mm，將煤樣采用油布包裹好送至實(shí)驗(yàn)室測全水分。試驗(yàn)結(jié)果顯示：

（1）煤體濕潤度隨距離注水鉆孔距離的增大而降低，在2個鉆孔中間部分濕潤度最低。

（2）注水效果較好，所采煤樣水分增量均超過1%，認(rèn)為該鉆孔布置方案較合理，能夠保證煤體的濕潤。

（3）鉆孔上方煤體濕潤度較鉆孔下方濕潤效果好，分析認(rèn)為3302工作面頂板圍巖條件交差，超前支承壓力容易造成煤壁酥軟，致使煤體裂隙增多，鉆孔上部煤體裂隙率普遍高于鉆孔下方煤體裂隙率，高壓水容易在鉆孔上部煤體中運(yùn)移，故上部煤體濕潤效果較好。

2）煤塵降低效果。

對工作面和回風(fēng)巷煤塵濃度進(jìn)行測量，結(jié)果顯示：

（1）割煤、落煤、移架等工序的全塵和呼吸性粉塵濃度均與注水鉆孔位置密切相關(guān)，且離鉆孔越近，粉塵濃度越低，這也說明煤體在注水鉆孔周圍濕潤性普遍較高。

（2）通過風(fēng)巷呼吸性粉塵濃度的測定可知，煤層通過鉆孔注水后大大降低了微細(xì)粉塵的生成量，這是煤層注水最突出的優(yōu)點(diǎn)，有利于提高作業(yè)環(huán)境，減少粉塵對職工的傷害。

（3）與煤層注水前相比，采煤各工序降塵率普遍較高，工作面全塵濃度降至78.3mg／m3，為注水前全塵濃度的18.6%；呼吸性粉塵濃度降至31.4mg／m3，為注水前呼吸性粉塵濃度的20.6%。

6 結(jié)語

煤層注水是當(dāng)前工作面降塵最有效的措施。在3302工作面進(jìn)行煤層注水采用靜壓水作為注水水源，簡化了注水工藝，利用Bimbarl型進(jìn)口封孔器提高了注水效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過對3302工作面煤層注水，實(shí)現(xiàn)了煤層較好濕潤目的，工作面全塵和呼吸性粉塵濃度得到了大幅的降低，有效的改善了工作面作業(yè)條件，為礦井“一通三防”工作奠定了基礎(chǔ)。

〔1〕陳 輝.“三軟”煤層工作面注水技術(shù)探析〔J〕.煤炭技術(shù)，2008，27（8）：158-159.

〔2〕王雨生，陳 攀，常海祥，等.九里山14102工作面煤層注水降塵技術(shù)〔J〕.中州煤炭，2013，（12）：103-104.

〔3〕史富川，康聚鼎.礦井綜合防塵技術(shù)及管理〔M〕.北京：煤炭工業(yè)出版社，1994.

〔4〕張 維，陳學(xué)習(xí).“三軟”煤層綜放工作面注水防塵技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究〔J〕.煤礦安全，2000，（7）：29-32.

〔5〕楊 健.采煤工作面煤壁淺孔動壓注水治理煤塵分析〔J〕.煤炭技術(shù)，2005，24（9）：110-111.