軟煤層大采高工作面煤壁注水降塵實踐

宋明剛

（山西晉煤集團澤州天安煤業有限公司，山西 晉城 454000）

綜合機械化開采大幅度地提高了礦井的產能和工效，降低了工人勞動強度和材料消耗，同時也產生了大量的煤塵，嚴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，是對已經產生的煤塵采取降塵的方法進行控制，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，從而達到控制煤塵的產生量。目前，煤層注水預濕煤體已經成為了各大礦區降塵的主要手段，并取得了較好的應用效果〔3〕。本研究所采煤層為山西組3＃煤層，煤質松軟易碎，采高較大，在進行鉆孔、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，以期提高作業環境，積累該類型煤層工作面降塵經驗。

1 注水降塵試驗工作面概況

3302工作面為3采區第二個工作面，北部為已經回采結束的3301工作面，南部為正在掘進的3303工作面，西部為采區下山，東部為井田邊界保護煤柱。該工作面設計走向長度為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 的致密性較好的灰巖。根據實驗室分析結果，該3＃煤層原生水分為1.86%，煤層無自燃傾向，穩定性較好。工作面采用機風兩巷布置，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生量的有效措施，是實現預防為主、本質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，經過近幾十年的試驗和理論研究，對于煤層注水降塵原理形成了較為統一的觀點〔4-5〕。認為，煤層注水降塵主要表現在：

（1）高壓水進入煤體裂隙后，將煤體內破碎的粉煤進行預先濕潤，使其在破落時失去飛揚能力；

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

（3）煤體經水濕潤后，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生量，從而達工作面降塵的目的。

3 注水方案的確定

1）注水工藝參數的確定。

（1）注水參數要求：在滿足注水要求的基礎上，合理確定注水鉆孔深度和鉆孔間距，確保注水范圍內的煤體普遍濕潤；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，要求鉆孔與頂底板有一定的距離。

（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）注水物理參數的確定。考慮到3＃煤層物理特性和工作面開采實際，確定采用靜壓水進行煤壁注水，靜壓水水壓為5～6 MPa；根據煤體濕潤所需水量和每個鉆孔擔當濕潤煤體體積，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，一般而言，注水水壓越大，鉆孔注水量越小，注水時間越小，但為了進一步提高煤壁注水效果，注水時間應以鉆孔不出現大量涌水為最佳。

2）注水設備的確定。

（1）鉆機：要求鉆機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：該注水封孔器為進口的Bimbarl型，規格為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，壓力可根據實際調定。

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

4 注水工藝的實施

注水鉆孔打設完畢后，采用單孔注水。將風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行注水時，其它三通閥全部關閉，以防注水水壓不達標。具體注水工藝為：按照設計要求連接好注水管路，開啟工作面接入的靜壓水管進行靜壓注水，若靜壓水達不到要求可采用BRW-80／31.5的乳化泵作為注水泵，當注水達到設計要求時，且鉆孔周圍煤壁有水均勻滲透時方可結束對該鉆孔的注水。

針對3＃煤層松軟易碎，以往在工作面煤壁注水時多發生封孔問題。經研究決定，采用膨脹性能較好的Bimbarl型進口封孔器，同時為了保障封孔質量，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拋出現象，應將封孔器與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驗室測全水分。試驗結果顯示：

（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。

對工作面和回風巷煤塵濃度進行測量，結果顯示：

（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，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粉塵的生成量，這是煤層注水最突出的優點，有利于提高作業環境，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 結語

煤層注水是當前工作面降塵最有效的措施。在3302工作面進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型進口封孔器提高了注水效果。實驗結果表明，通過對3302工作面煤層注水，實現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條件，為礦井“一通三防”工作奠定了基礎。

〔1〕陳 輝.“三軟”煤層工作面注水技術探析〔J〕.煤炭技術，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〔J〕.中州煤炭，2013，（12）：103-104.

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

〔4〕張 維，陳學習.“三軟”煤層綜放工作面注水防塵技術的實驗研究〔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，2005，24（9）：110-111.