煤層注水掘進(jìn)的實(shí)踐與效益分析

郭興明 ,郭 融

（1.山西大同大學(xué)建筑與測(cè)繪工程學(xué)院，山西大同 037003；2.同煤集團(tuán)馬脊梁煤礦集運(yùn)站，山西大同 037003）

柳林金家莊煤礦全井田東西長(zhǎng)5 100 m，南北寬2 800 m，井田面積6.084 km2，井田構(gòu)造屬簡(jiǎn)單構(gòu)造，地層傾角平緩，一般為3～7°，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力120萬(wàn)t/a，屬高瓦斯礦，2007年4月建成投產(chǎn)。

礦井批準(zhǔn)開(kāi)采3#～10#煤層，現(xiàn)開(kāi)采的9#煤層北回風(fēng)大巷位于集中回風(fēng)大巷北偏東方向，巷道長(zhǎng)931.5 m（0～40 m 為8°下山，40～140 m 為平巷，然后沿9#煤層底板布置，見(jiàn)圖1），采用錨網(wǎng)索噴支護(hù)。

北回風(fēng)大巷為煤巷，采用鉆眼爆破法掘進(jìn)，盡管采取了濕式鑿巖、噴霧灑水降塵和個(gè)體防護(hù)相結(jié)合的防塵措施，但是效果并不理想。為了尋求較為理想的辦法，采用工作面煤層注水的辦法施工，實(shí)踐證明效果良好。

圖1 注水巷道位置示意圖

1 煤層注水理論

1.1 煤層注水降塵原理

（1）濕潤(rùn)煤體內(nèi)的原生煤塵，使其失去飛揚(yáng)的能力。

（2）有效地包裹煤體的每個(gè)細(xì)小部分，當(dāng)煤體在采掘中破碎時(shí)，避免細(xì)粒煤塵的飛揚(yáng)。

（3）水的濕潤(rùn)作用使煤體塑性增強(qiáng)，脆性減弱。當(dāng)煤體受外力作用時(shí)，許多脆性破碎變?yōu)樗苄孕巫?，因而大量減少了煤體被破碎為塵粒的可能性，降低了煤塵的產(chǎn)生量。

煤層注水降塵實(shí)質(zhì)是：預(yù)先在煤層中鉆孔，然后向鉆孔中注入壓力水，鉆孔中的壓力水通過(guò)煤層、煤體中的裂縫進(jìn)行滲透、壓細(xì)、毛細(xì)和分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，之后擴(kuò)散的水分滲透并存儲(chǔ)與煤體的裂縫之中，對(duì)煤體進(jìn)行預(yù)先的濕潤(rùn)，從而減少煤體開(kāi)采時(shí)產(chǎn)生的浮游粉塵。

1.2 煤層注水作用

1.2.1 防塵

當(dāng)壓水進(jìn)入煤層后，煤層均含水分增加，對(duì)減少采煤各環(huán)節(jié)的粉塵起很大作用。首先，煤層縫隙中原存在的煤塵、粉塵經(jīng)過(guò)注水的濕潤(rùn)，在開(kāi)采時(shí)失去了飛揚(yáng)的能力，從根本上消除了粉塵的源頭；其次，注水進(jìn)入煤層后，水分會(huì)均勻地分布在煤體中，當(dāng)煤體在掘進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)破碎時(shí)，其破碎形成的煤粉由于附著水分，同樣失去飛揚(yáng)能力；再者，水進(jìn)入煤體后使其塑性增強(qiáng)，脆性減弱，改變了煤體的物理力學(xué)性質(zhì)。當(dāng)煤體受外界因素影響破碎后，脆性破碎變?yōu)樗苄宰冃危瑥亩鴾p少了煤塵量的產(chǎn)生，據(jù)統(tǒng)計(jì)，水進(jìn)入煤體后平均降塵率達(dá)88%。

1.2.2 降低工作面瓦斯涌出量

在對(duì)煤體注水時(shí)，高壓水必須克服瓦斯壓力后才能注進(jìn)水，這樣便改變了煤的力學(xué)性質(zhì)，提高了煤的可塑性，降低了彈性模量，使應(yīng)力分布均勻化，彈性釋放的速度變小，降低了釋放的功率，水進(jìn)入煤的空隙，降低了瓦斯的排放。

1.2.3 防沖擊地壓

煤層注入水后軟化了煤體，改變了煤體結(jié)構(gòu)，減弱煤體脆性，提高了煤體的可塑性，促使煤壁前方塑性變性區(qū)變寬，應(yīng)力集中地帶向煤壁深處移動(dòng)并變寬，進(jìn)而減弱煤體沖擊傾向，有效改善能量釋放過(guò)程中的時(shí)間穩(wěn)定性和空間均勻性。這樣便直接防止了沖擊地壓現(xiàn)象的發(fā)生。

1.2.4 可有效避免自然火災(zāi)

煤體注水后，增大了煤體的熱容量，提高了煤體導(dǎo)熱系數(shù)，這樣便降低了遺留煤體中溫度，從而有效延長(zhǎng)了煤體的自然發(fā)火日期。

1.2.5 加快施工速度

煤體注水除有以上效果外，還可有效降低煤的硬度，提高了爆破效率，從而促進(jìn)生產(chǎn)效率的提高，降低施工成本。

2 煤層注水參數(shù)確定

2.1 影響注水效果因素

（1）煤體孔隙、裂隙對(duì)煤層注水產(chǎn)生直接影響。煤體裂隙發(fā)育越好越易于注水的完成，煤體硬度比較高的地方，則往往會(huì)出現(xiàn)回水現(xiàn)象。但煤體裂隙過(guò)大，注入的水體容易流失到其他地方，從而使煤體水分達(dá)不到規(guī)定的4%，這樣便增大了注水難度。

（2）地壓的集中程度高低影響著煤層注水的難易。工作面松軟的煤層，注水較易，很容易使煤層含水分在4%以上。而在那些強(qiáng)沖擊地壓傾向性的工作面，煤層裂隙發(fā)育不完全，這樣必須提高注水壓力，據(jù)實(shí)驗(yàn)針對(duì)此種煤層，注水壓力10 MPa 為宜，若過(guò)高會(huì)讓媒體裂隙增大，散失水分增多，反而又降低注水壓力，這樣便直接增大工作量，影響了工作效率。

（3）注水的超前距離是影響注水效果的重要因素。注水的超前距離的判定需根據(jù)煤層性質(zhì)和礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律來(lái)確定，距離過(guò)大則會(huì)造成煤層透水性差，難以注水，距離太小則會(huì)使注入的水沿較大的裂縫流失，起不到注水防塵效果。確定合適的超前距離可以獲得較好的效果。

（4）煤體的濕潤(rùn)能力取決于水與煤的濕潤(rùn)邊角和水的表面張力系數(shù)。當(dāng)煤體性質(zhì)確定時(shí)，降低水表面的張力系數(shù)有助于提高煤體的濕潤(rùn)能力。另外，還需要考慮到煤體內(nèi)的瓦斯因素的影響，瓦斯壓力是注水的附加阻力，所以為了提高煤層的濕潤(rùn)能力，需要加大注水壓力來(lái)克服瓦斯壓力以確保煤層濕潤(rùn)效果[1]。

其實(shí)，影響煤層注水的主要因素有注水壓力、注水速度、注水量和注水時(shí)間等，決定煤層注水除塵率高低的重要因素是注水量或煤的水分增量。實(shí)踐證明，通常煤的水分增量變化在50～80%。除塵率和注水的關(guān)系，見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 除塵率η 與注水量QV的關(guān)系圖

圖3 除塵率η 與煤水分增量ΔW 的關(guān)系

2.2 注水參數(shù)設(shè)計(jì)

依據(jù)北回風(fēng)大巷地質(zhì)條件、施工任務(wù)、技術(shù)裝備、施工隊(duì)伍水平，采用“四六”工作制，確定“三掘一支”的施工組織形式，炮眼深度為2 m，考慮炮眼利用率和確保正規(guī)循環(huán)，循環(huán)進(jìn)尺按6 m計(jì)。

2.2.1 鉆孔布置

鉆孔選在支護(hù)班進(jìn)行，選用ZQSJ-140/4.1型氣動(dòng)鉆機(jī)鉆進(jìn)施工，φ42 螺旋鉆桿。掘進(jìn)工作面順層呈放射狀單排布置2個(gè)平行鉆孔，鉆孔距底板和幫均為1.5 m，沿掘進(jìn)方向略帶仰角3～5°，偏角15°，鉆孔直徑42 mm，孔深8 m。實(shí)現(xiàn)作業(yè)時(shí)每注水8 m，掘進(jìn)循環(huán)6 m,作為一個(gè)注水循環(huán)[2]。

2.2.2 注水

該礦工業(yè)廣場(chǎng)建有200 m3靜壓水池一座，供井下防塵灑水使用。工作面采用短孔注水方法，用高壓膠管將兩個(gè)鉆孔的供水管路連接起來(lái)，同時(shí)注水，注水器插入鉆孔不小于2.5 m，注水壓力8～10 MPa，使用封孔器封孔[3]。

（1）單孔注水量為：

式中：QW為單孔注水量，m3；K為系數(shù)，一般取1.1；L為鉆孔長(zhǎng)度，m；B為鉆孔間距，m；H為煤層厚度，m；γ煤的密度，取1.54 t/ m3；q為噸煤注水量，取0.015m3/t。

（2）注水時(shí)間為：

式中：V為單孔注水流量，m3/h。

一般來(lái)講，煤層注水采用間歇性注水，5 min一次，每次1.6 m3。實(shí)際操作，經(jīng)驗(yàn)的做法是以煤壁滲水為標(biāo)志，即可停止[4]。

2.2.3 封孔

選用自帶封孔功能的封孔器，注水管深入孔內(nèi)2.5 m以上為宜，爆破時(shí)去下封孔器[5]。

2.3 注水效果測(cè)定

為了檢驗(yàn)煤塵注水的降塵效果，對(duì)煤塵注水前和注水后工作面的煤塵濃度分別進(jìn)行測(cè)試。采取煤層注水措施后，經(jīng)測(cè)定放炮掘進(jìn)中迎頭粉塵濃度由原來(lái)的1 000～2 000 mg/m3，降到200～400 mg/m3，粉塵濃度降為原來(lái)的1/3。

3 效益分析

3.1 經(jīng)濟(jì)效益

與傳統(tǒng)的濕式鑿巖、噴霧灑水等綜合防塵方法相比較，采用煤層注水，每個(gè)月產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益及費(fèi)用節(jié)省數(shù)據(jù)分析如下：

（1）安全防護(hù)用品費(fèi)用節(jié)省2萬(wàn)元；

（2）改善作業(yè)環(huán)境，提高生產(chǎn)效率，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益15萬(wàn)元；

（3）有效降低了噪聲造成的職業(yè)病的發(fā)生，節(jié)省費(fèi)用20萬(wàn)元。

總的經(jīng)濟(jì)效益為：37萬(wàn)元/月×6個(gè)月=222萬(wàn)元。

3.2 社會(huì)效益

（1）煤層注水掘進(jìn)，降低掘進(jìn)工作面煤塵，有利于掘進(jìn)工作面快速、安全的施工，有效防止煤塵爆炸事故的發(fā)生；促進(jìn)煤礦企業(yè)健康、安全、持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)展。

（2）煤層注水掘進(jìn)，改善作業(yè)環(huán)境，有效地遏制了由煤塵產(chǎn)生了塵肺病的發(fā)病率，使職工的工作效率大大提高，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）隨著開(kāi)采機(jī)械化程度和開(kāi)采強(qiáng)度的不斷加大，導(dǎo)致掘進(jìn)工作面的產(chǎn)塵強(qiáng)度及作業(yè)環(huán)境中粉塵濃度也越來(lái)越大，單一煤層注水除塵并不理想，要和濕式鑿巖、噴霧灑水等相結(jié)合，會(huì)取得更好的效果。

（2）本項(xiàng)目實(shí)施，僅注意了工作面，未考慮巷道兩幫注水防塵，如果兩方面均進(jìn)行，估計(jì)效果會(huì)更好。

（3）隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，裝備智能化的提高，降低粉塵濃度的方法和手段將會(huì)更先進(jìn)。加強(qiáng)通風(fēng)除塵是主要手段，更要特別注重做好作業(yè)人員個(gè)人防護(hù)工作。