綜掘工作面煤壁淺孔注水粉塵治理研究與實踐

鄭 磊，黃金星，2，崔秀偉，蔡 麗

（1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400037；2.重慶大學 資源及環境科學學院，重慶400010；3.金科地產集團股份有限公司，重慶400020）

隨著煤礦開采技術的發展，掘進工作面采用大型綜掘設備進行掘進已經十分普遍，大型綜掘工作面掘進速度雖然得到了極大的提高，但是隨之產生的粉塵量也大大增加。大量的粉塵不僅容易引發塵肺病，引起煤塵爆炸，而且還破壞了設備的工作環境加速了井下機械的磨損，降低掘進機司機的視覺能見度增加事故發生率，嚴重威脅著工人的身體健康和煤礦安全生產，因此綜掘工作面的粉塵治理十分必要。

在綜掘工作面眾多煤塵防治技術當中，煤層注水是降低煤礦粉塵產生最為有效的措施〔1－3〕。煤層注水后由于煤中水分的增加，可以有效濕潤煤體中的原生粉塵使其失去飛揚能力，注水還可以增加煤體塑性，大大降低開采過程中粉塵的產生量，此外煤層注水還利于防止沖擊地壓和煤與瓦斯突出〔3－6〕。因此，研究適合綜掘工作面的煤層注水技術，對于綜掘面粉塵治理以及煤礦安全生產具有重要的意義。

1 工作面概況

某礦E1S725－1＃矸石置換巷道工作面煤層厚度2.85～3.70m，平均3.23m，頂板和底板均為砂巖。采用S－150JA型掘進機沿煤層頂板截割并自行裝煤，使用刮板輸送機、膠帶輸送機將煤炭運至煤倉。綜掘工作面絕對瓦斯涌出量1.5m3／min，相對瓦斯涌出量5.84m3／（t.d），煤塵爆炸指數65%。采用2BKJ№6.3（30kW×2）局部通風機向工作面供風，工作面實際供風量350m3／min。注水前實際生產時總粉塵濃度和呼吸性粉塵濃度分別達1000mg／m3和300mg／m3以上。

2 煤壁淺孔注水工藝設計與實踐

按注水方式煤層注水可分為三類：淺孔注水、長孔注水、深孔注水。受采動影響掘進面的前方煤體中形成了卸壓帶、集中應力帶和常壓帶，卸壓帶煤體次生裂隙發育，透水性強容易注水。淺孔注水鉆孔長度一般不大于5m，鉆孔剛好位于卸壓帶，因此決定在E1S725－1＃矸石置換道采用淺孔注水，利用井下供水管路中的水導入鉆孔進行靜壓注水。

2.1 鉆孔布置

在進行鉆孔布置的時候一個十分重要的參考依據就是煤層的濕潤半徑。根據實驗得到，該工作面淺孔注水鉆孔的濕潤半徑一般為1.0～1.5m，因此在鉆孔的平面布置時兩鉆孔間距不宜大于3m。掘進工作面超前支承壓力的峰值位于煤壁前方3～4m左右的位置，為了充分濕潤工作面的煤體，鉆孔長度選擇為2.5m，最終鉆孔布置設計見圖1。注水孔采用手持鉆機施工，鉆頭直徑42mm，利用管網將地面的水通過自然靜壓差導入鉆孔。

圖1 煤壁淺孔鉆孔布置示意

鉆孔按照設計進行施工，當地質情況發生變化時根據煤層厚度情況適當調整。打鉆時，要保證鉆孔質量，防止塌孔或鉆孔成型不好造成封孔不嚴影響注水質量。

2.2 注水鉆孔封孔

煤層注水中一個十分重要的環節就是注水鉆孔的封孔，封孔質量的好壞直接影響到鉆孔注水是否成功。目前常見的封孔方式有：水泥封孔、封孔器封孔、聚氨酯封孔。水泥封孔又可分為人工送水泥、壓氣送水泥和注漿封孔泵送水泥等。本方案采用ZF－A22型橡膠封孔器封孔，封孔器內徑22mm，外徑39mm，長1.2m適用于孔徑42～50mm（見圖2）。

圖2 橡膠快速封孔器

3 現場應用與效果考察

通過綜掘工作面煤壁淺孔注水現場應用實踐，當注水達到預定的濕潤范圍內的煤壁出現均勻“出汗”（滲出水珠）時，停止注水（見圖3）。

圖3 工作面煤壁淺孔注水現場布置

為了對注水效果進行評價，從兩個方面進行了注水效果考察，分別是：煤體濕潤情況，煤層注水后降塵效率。

煤層濕潤情況考察主要是通過測量注水鉆孔的濕潤半徑來確定煤層的濕潤情況，該方法是在掘進工作面以注水鉆孔為中心，水平向巷幫，每隔0.2m進行打鉆屑鉆孔，取打鉆1.5m后的鉆屑，進行全水“分分析，以全水”分來判斷注水后煤體的濕潤半徑。通過現場實際測量得到注水2h后煤層的濕潤半徑基本穩定在1.0～1.5m之間，煤體水分含量由原始含水量3.15%提高到4.23%，煤層平均含水率提高了1.08%。

煤層注水的降塵效果表現為掘進時空氣中含塵量的降低，其降塵效率按照下列公式計算：

式中：η為降塵效率，%；cx為注水前風流中粉塵濃度，mg／m3；cs為注水后風流中粉塵濃度，mg／m3。

采用濾膜質量法，分別在掘進機司機處以及司機后15 m處布置測點（見圖4）。在沒有注水情況下，用采樣器分別在兩個測點位置進行采樣，每個測點采3個樣計算粉塵濃度。注水完成后再在對應的位置重復進行采樣，通過注水前后粉塵濃度的變化，確定煤層注水對降塵效率的影響。

圖4 綜掘面粉塵濃度測定位置示意

通過測量發現，煤層注水前采煤機司機位置粉塵濃度為486mg／m3，采煤機司機后15m處粉塵濃度為872mg／m3；采用煤層注水后采煤機司機位置粉塵濃度降低到234.7mg／m3，采煤機司機后15m處粉塵濃度降低到443 mg／m3，采煤機司機位置處的降塵效率為51.7%，采煤機司機后15m處的降塵效率為49.2%。

4 結語

通過E1S725－1＃矸石置換巷道綜掘工作面采用煤壁淺孔注水綜合粉塵治理的實踐，初步確定適合該煤層注水的鉆孔布置形式及鉆孔的具體參數、封孔方法和注水參數，取得了使工作面粉塵降低49%以上的效果。

此外，通過煤層注水后降塵效果考察我們發現，雖然通過注水掘進工作面粉塵降低了接近一半，但是工作面粉塵絕對濃度仍然很高，因此對于該工作面的粉塵治理還需采取其他降塵措施，通過綜合粉塵防治以保證工作面的粉塵治理達標。

〔1〕李德文，馬 俊，劉何青 .煤礦粉塵及職業病防治技術〔M〕.徐州：中國礦業大學出版社，2007.

〔2〕王青松，金龍哲，孫金華 .煤層注水過程分析和煤體潤濕機理研究〔J〕.安全與環境學報，2004，4（1）：70－72.

〔3〕張設計，祁瑞清，劉 佩，等 .煤層注水實驗及效果分析〔J〕.礦業安全與環保，2006，33（增）：1－2.

〔4〕董憲偉，張 寅 .煤層注水降塵新工藝及效果分析〔J〕.煤炭技術，2012，31（11）：57－58.

〔5〕聶 文，粟才泉，程衛民，等 .高地壓低孔隙率煤層注水工藝設計〔J〕.煤炭科學技術，2011，39（3）：59－62.

〔6〕宋維源 .阜新礦區沖擊地壓及其注水防治研究［D〕.阜新：遼寧工程技術大學，2004.