綜掘工作面高壓注水防塵排擠瓦斯技術與實踐

葛崇超

（淮北礦業集團公司 石臺礦業公司，安徽 淮北 235053）

針對石臺礦II3119機巷綜掘工作面 瓦斯涌出量大，粉塵濃度高，工人勞動環境差的問題，采用高壓注水綜合防塵排擠瓦斯技術措施，注水壓力8MPa，注水流量控制在0.07m3/min以上，注水時間20 min。提高了工作面降塵效率，均衡了生產和檢修期間工作 面瓦斯涌出量，提高勞動效率和勞動環境質量。

綜掘工作面；高壓注水；粉塵防治；瓦斯防治

煤礦掘進工作面的產塵量在井下總產塵量中所占的比僅次于綜采工作面，并且井巷的掘進又以其工序多，塵源分散、粉塵分散度高的特點，成為防塵的重點。煤層注水是礦井預防重大安全事故的綜合性技術措施。

1 礦井概況

石臺煤礦設計生產能力為60萬噸/年，礦井原設計服務年限57年。2004年礦井生產能力核定為150萬噸。2004年末工業儲量為2853.3萬噸，可采儲量1332.5萬噸。

2 高壓注水防塵機理

高壓注水技術的防塵機理與短孔煤層注水技術相似。通過鉆孔向煤體注入高壓水，使水滲入到煤體內部，增加煤體水份，在落煤時能有效降低其產塵的能力。其降塵機理如下：

（1）原生煤塵在煤體內得到潤濕。在煤體內部的裂隙中，存在著原生煤塵，它們隨煤體破碎而飛揚于巷道中。高壓水進入煤體裂隙后，可將原生煤塵在煤體未破碎前預先潤濕，使其失去飛揚的能力，從而有效地消除塵源。

（2）有效地包裹了煤體的每一個細小部分。水進入煤體裂隙、空隙和層理中，不僅在較大的構造裂隙、層理、節理中存在水，而且在極其微小的孔隙內部， 都有水的注入，這樣就使整個煤體有效地被水包裹起來。有效預防浮游煤塵產生。

（3）改變了煤體的物理力學性質。水進入煤體后增強塑性，減弱脆性，改變了煤的物理力學性質。因而大量減少了煤體破碎為塵粒的可能性，降低了落煤時的煤塵量。

（4）使煤體變得松散和容易割落。是該高壓注水技術區別于傳統煤層注水的關鍵。通過其高壓注水過程使工作面前方一定范圍內的煤體得到壓裂和破碎，并在水壓的作用向煤壁方向產生一定的位移，從而使原來較堅硬的煤體結構變得松散，易被綜掘機割落，降低了綜掘機落煤時對煤體的破碎程度，從而也能有效地降低割煤時的產塵量。

（5）連續的防塵作用。落煤后煤體已被濕潤，在裝載、運輸、提升到地面等過程中均具有一定的防塵作用。

3 高壓注水排擠瓦斯機理

煤是一個多孔隙介質，瓦斯在煤層中的存在形態有兩種：游離狀態和吸附狀態，其中以吸附狀態存在的瓦斯約占煤層瓦斯含量的80%。煤層高壓注水通過高壓水的壓裂作用使工作面前方的煤體產生一定程度的破裂松動和位移，煤體松動范圍的增大，使原本處于集中應力區范圍內煤體中的大部分吸附態瓦斯轉化為游離狀態，并通過水力壓裂形成的裂隙通道迅速地涌出到采掘空間，這就是高壓注水擠排瓦斯的基本機理。

若高壓注水對煤體的壓擠過程安排在工作面的檢修班內，則會使檢修班的瓦斯涌出量增大，瓦斯濃度提高。掘進工作面的瓦斯涌出主要來源于采落的煤炭和煤壁，則工作面的瓦斯涌出高峰是在綜掘機割煤或放炮落煤工序。

總之，煤層高壓注水的使用均化了綜掘工作面的瓦斯涌出強度，降低了落煤時的瓦斯濃度，有利于解決工作面瓦斯經常超限的問題，這對于高瓦斯綜掘工作面具有非常重要的意義。

4 高壓注水應用實踐

II3119機巷綜掘工作面，煤層賦存較穩定，煤厚2.2~4.8m，平均厚4.01m，局部含一層夾矸，厚0.1~0.4m，平均0.2m；煤層頂部普遍受巖漿侵蝕，頂部為火成巖和天然焦，厚0.2~1.2m，平均0.6m。煤層傾角10~25°，平均18°。II3119機巷綜掘工作面沿著向斜軸部掘進，構造帶煤體瓦斯含量比較大，通過高壓注水防塵，同時降低掘進期間的瓦斯涌出量，減少掘進工作面因瓦斯超限的斷電次數的同時提高了工作面的勞動環境。

4.1 注水參數的選擇

（1）注水孔位置

一般情況下在采高范圍內的煤體不是一個均質體，而是由若干不同煤巖類型的自然小分層所組成，它們的裂隙率與孔隙率各不相同，高壓注水時注水孔孔口位置應布置在較硬而致密的小分層理，這樣在注水時就不會過早地破壞孔口發生泄水。

（2）注水孔深度

掘進工作面高壓注水的注水鉆孔的長度為：

式中：L循—掘進工作面日循環進度，m；L超—超前注水有效深度，m；為鉆孔仰角，為打鉆及排鉆屑方便選用向工作面前方的注水孔仰角為1~2°。

II3119機巷綜掘工作面L循＝9m，L超＝1m，則可計算出L采＝10m。

在實際的現場試驗中，實際注水時鉆孔長度為10~11m。

（3）注水孔間距

根據II3119機巷綜掘工作面煤的特性，根據測得的濕潤半徑2.5m，并考慮定孔位的方便，充分濕潤煤體，布孔方式采用五花眼布置。具體參照圖1所示。

（4）注水壓力、流量和時間

根據現場試驗和注水效果考察，選擇注水壓力在5~8MPa，注水單孔流量在0.07m3/min以上。注水時間控制在20min注水效果最好，超過這個時間就容易片幫跑水，影響生產。

5 高壓注水效果考察

對II3119機巷綜掘工作面進行粉塵濃度測定，是在綜掘機正常工作，綜掘機內外噴霧開啟，各工序正常運行的狀態下在綜掘機后測定5個測點所產生的粉塵，各測點注水前后粉塵濃度測定結果顯示，注水后降塵效率在61.36~71.88%。

根據監控系統檢測對注水前后工作面瓦斯濃度變化結果顯示，在注水前工作面平均瓦斯濃度0.4%，絕對瓦斯涌出量1.52m3/min，注水后平均瓦斯濃度0.22%，絕對瓦斯涌出量0.83m3/min。排擠瓦斯效果明顯均衡了瓦斯涌出。

結語

通過對對II3119機巷綜掘工作面采用高壓注水，降低了工作面粉塵濃度，提高了工作面的勞動環境質量，同時也排擠了工作面煤體的瓦斯，均化了瓦斯涌出量，減少了瓦斯濃度超限的可能性。提高了掘進速度和勞動效率，為石臺礦綜掘工作面綜合防塵排擠瓦斯提供了寶貴的經驗。

[1] 張飛，郭文彬.煤體內裂隙對潤濕性能差的煤層注水效果的影響[J].礦業安全與環保，2010，02：20-24.

[2]王佰順，傅昆嵐，胡祖祥.高瓦斯煤層掘進工作面水力壓擠排擠瓦斯技術[J].煤體科學技術，2008，05：56-58.