辛置礦2-559工作面煤層注水降塵技術(shù)應(yīng)用

孫海峰

（霍州煤電集團(tuán)公司辛置煤礦，山西 霍州 031412）

1 工程概況

山西焦煤公司霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦2-559工作面位于450 水平南五采區(qū)，工作面標(biāo)高為306～370 m，工作面北為2-534 工作面采空區(qū)，東部為2-560 掘進(jìn)工作面，南部為310 回風(fēng)巷、310皮帶巷及310 軌道巷，西部為上跑蹄風(fēng)井與工業(yè)廣場(chǎng)保安煤柱。工作面開采2#煤層，煤層厚度為3.35～4.41 m，平均厚度為3.75 m，平均傾角5°，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含兩層夾矸，煤層頂板巖層為泥巖和K8中細(xì)砂巖，底板巖層為泥巖和中砂巖，2#煤層煤塵具有爆炸性。

2-559 工作面采用一次采全高綜合機(jī)械化采煤法進(jìn)行回采，采高為：3.35～4.10 m，循環(huán)進(jìn)度0.8 m。由于工作面煤層節(jié)理裂隙發(fā)育，且采用綜采回采期間工作面的粉塵含量較高，為優(yōu)化工作面的回采作業(yè)環(huán)境，在工作面回采前采用煤層注水降塵技術(shù)。

2 煤層注水降塵方案

2.1 煤層注水降塵機(jī)理

在煤層內(nèi)進(jìn)行注水作業(yè)時(shí)，動(dòng)力水進(jìn)入煤層后主要先在內(nèi)部的裂隙和孔隙中進(jìn)行滲透，當(dāng)注水完畢后，水在煤體中會(huì)出現(xiàn)毛細(xì)運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，達(dá)到增大煤體內(nèi)水分的目的。煤層注水降塵機(jī)理主要包括：①潤(rùn)濕了煤層內(nèi)的原生煤塵，使煤塵喪失飛揚(yáng)能力；②有效的包裹了煤體的細(xì)小部分，降低浮游煤塵的產(chǎn)生；③改變了煤體的物理力學(xué)性質(zhì)，降低煤體破碎成塵的可能性；④注水后的煤層，在工作面后續(xù)整個(gè)生產(chǎn)流程中具有連續(xù)防塵的作用。

在進(jìn)行煤層注水作業(yè)時(shí)，注水壓力和注水濕潤(rùn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)起著決定性的作用，動(dòng)壓水會(huì)最先沿著鉆孔向煤壁四周的原生裂隙通道內(nèi)流動(dòng)，在水壓作用下煤體裂隙會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展發(fā)育，從而為水流進(jìn)一步提供流通的通道；隨著注水作業(yè)的進(jìn)行，煤層裂隙范圍區(qū)域的煤體會(huì)逐漸濕潤(rùn)直至達(dá)到飽和狀態(tài)。在注水過程中，隨著水在煤體裂隙內(nèi)的流動(dòng)，壓力會(huì)逐漸損失，故在注水孔周圍的煤體表現(xiàn)為飽和吸水狀態(tài)。隨著距離注水鉆孔距離的增大，煤體的濕潤(rùn)逐漸進(jìn)入到非飽和區(qū)和非濕潤(rùn)區(qū)，煤體濕潤(rùn)區(qū)的分布見圖1。

圖1 距離鉆孔中心變化煤體濕潤(rùn)區(qū)的分布

2.2 注水降塵方案

（1）注水鉆孔布置方式

根據(jù)2-559 工作面的地質(zhì)條件，結(jié)合工作面現(xiàn)場(chǎng)施工條件及注水降塵技術(shù)原理，設(shè)置工作面采用雙側(cè)布孔注水，即分別在運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷內(nèi)布置注水鉆孔。注水鉆孔布置在距離巷道底板1 m的位置處，鉆孔直徑為75 mm，長(zhǎng)度為60 m；注水鉆孔布置的合理間距為能確保兩鉆孔濕潤(rùn)范圍可相互覆蓋，根據(jù)眾多試驗(yàn)研究及工程實(shí)踐結(jié)果可知[1-2]，鉆孔濕潤(rùn)半徑為5.3 m。為此，設(shè)置注水鉆孔的間距為10 m，施工鉆孔的傾角為-3°，工作面最佳注水區(qū)域?yàn)槌肮ぷ髅?5～40 m 的范圍，注水鉆孔布置形式見圖2。

圖2 煤層注水鉆孔布置形式

（2）注水工藝參數(shù)

①注水方式：為確保煤層注水的降塵效果，現(xiàn)采用靜壓注水與動(dòng)壓注水相結(jié)合的施工工藝。其中，動(dòng)壓注水采用脈動(dòng)動(dòng)壓工藝，在進(jìn)行煤層注水施工中，通過設(shè)置好脈沖壓力，并合理調(diào)控注水過程，以此確保注水效果。

②單孔注水量：鉆孔的單孔注水量可通過下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：Q為單個(gè)鉆孔注水量，m3；B 為孔間距，m；L為鉆孔長(zhǎng)度，m；M 為煤層厚度，m；r 為煤容量，T/m3；W1為注水后要求達(dá)到的水分，取4%；W2為煤層原有水分，1.03%；K 為考慮圍巖吸收水分、水的流失和注水不均勻系數(shù)，一般取1.5～2.0。

Q 為單孔注水量，結(jié)合工作面的各項(xiàng)參數(shù)，計(jì)算得出單孔注水量Q=219.57 m3。

③脈沖壓力及注水時(shí)間：脈沖動(dòng)壓注水時(shí)，合理的注水壓力能夠?qū)崿F(xiàn)煤層內(nèi)部孔隙與裂隙的相互溝通。基于眾多理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)[3-4]，綜合確定最大的脈沖注水壓力為7 MPa；另外考慮到本工作面采用脈沖動(dòng)壓注水和靜壓注水相結(jié)合的方式，為確保兩種注水時(shí)間基本相等，設(shè)置先采用靜壓注水作業(yè)。靜壓注水作業(yè)的持續(xù)時(shí)間為4 h，在其結(jié)束后的2 h 內(nèi)，再進(jìn)行脈動(dòng)動(dòng)壓注水作業(yè)。當(dāng)脈沖動(dòng)壓注水時(shí)其終孔壓力達(dá)到最大壓力，且注水時(shí)間達(dá)到4 h 時(shí)，間隔2 h，繼續(xù)進(jìn)行動(dòng)壓注水，如此循環(huán)往復(fù)，直至單孔注水量達(dá)到設(shè)計(jì)值，或煤壁出現(xiàn)“冒汗”現(xiàn)象時(shí)停止脈沖動(dòng)壓注水作業(yè)。

④封孔工藝：本次注水鉆孔封孔采用水泥封孔，使用的材料主要為425#普通硅酸鹽水泥和膨脹劑，水泥砂漿的水泥：水=1:0.4，設(shè)置封孔長(zhǎng)度為12 m，在封孔長(zhǎng)度范圍內(nèi)的兩端采用聚氨酯面紗形成封閉，為注入水泥漿提供保障，封孔方式見圖3。

圖3 封孔方式

（3）注水系統(tǒng)及施工方法

本次煤層注水鉆孔采用脈沖式動(dòng)壓與靜壓相結(jié)合的混合注水方式。注水時(shí)采用三孔并聯(lián)注水。在進(jìn)行鉆孔注水作業(yè)時(shí)，先將注水管路連接至靜壓水管上，靜壓注水作業(yè)結(jié)束后，開啟脈沖動(dòng)壓注水泵，在脈沖注水時(shí)間達(dá)到后關(guān)閉脈沖注水泵，再間隔2 h后繼續(xù)進(jìn)行靜壓注水作業(yè)，如此循環(huán)往復(fù)直至鉆孔注不進(jìn)水或者煤壁表面出現(xiàn)“出汗”現(xiàn)象時(shí)即可停止該鉆孔的注水作業(yè)，并及時(shí)封堵孔口[5-6]。注水系統(tǒng)布置形式見圖4。

圖4 注水系統(tǒng)布置方式

3 降塵效果分析

為分析驗(yàn)證2-559 工作面煤層注水降塵的效果，分別在煤層注水前后進(jìn)行呼吸性粉塵和全塵濃度的測(cè)試作業(yè)。現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行粉塵濃度測(cè)試時(shí)，布置4 個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)分別布置在采煤機(jī)司機(jī)處、液壓支架移架處、工作面回風(fēng)巷10～15 m 和采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)10 m 的位置處，測(cè)塵點(diǎn)布置位置見圖5。

圖5 測(cè)塵點(diǎn)布置位置

根據(jù)粉塵濃度測(cè)試結(jié)果，能夠得出工作面不同測(cè)點(diǎn)在煤層注水前后粉塵濃度的測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 煤層注水前后粉塵濃度對(duì)比

分析表1可知，煤層注水后，工作面不同區(qū)域的呼塵和全塵濃度均大幅下降。其中，四個(gè)測(cè)點(diǎn)中呼塵降塵率最大的為工作面回風(fēng)巷10～15 m的范圍，該處降塵率可達(dá)58.1%；四個(gè)測(cè)點(diǎn)中全塵降塵率最大的為采煤機(jī)司機(jī)處，該處降塵率可達(dá)58.8%，其次為工作面回風(fēng)巷10～15 m 處，該處全塵降塵率為58.7%?；谏鲜鰧?shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知，煤層注水降塵技術(shù)實(shí)施后，工作面各區(qū)域呼塵降塵率均在53%以上，全塵降塵率均在56%以上，降塵效果顯著。

4 結(jié)語(yǔ)

基于2-559 工作面的煤層賦存特征及開采條件，根據(jù)煤層注水降塵機(jī)理進(jìn)行工作面煤層注水降塵方案的設(shè)計(jì)，確定工作面采用靜壓與動(dòng)壓注水相結(jié)合的注水方式，從注水鉆孔布置、注水工藝參數(shù)、注水系統(tǒng)及施工方法三個(gè)方面具體進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)注水前后粉塵濃度測(cè)試可知，煤層注水方案實(shí)施后，降塵效果顯著。