掘進工作面短壁煤層注水及效果分析

摘要：根據山西壽陽段王煤業集團段王掘進礦工作面煤層狀況，通過合理利用掘進工作面迎頭淺孔抽放鉆孔，進行煤層注水施工工藝，優化煤層注水參數，加強煤層注水管理，使掘進工序產塵量大幅度降低，收到了良好的效果。

關鍵詞：掘進工作面? 利用? 淺孔抽放鉆孔? 煤層注水? 降塵

0 引言

掘進工作面作業地點相對狹小，各工序交叉作業、平行作業較多，高瓦斯礦井中又常用了工作面迎頭淺孔預抽工藝，因此，科學優化掘進工作面煤層注水措施尤為重要，利用工作面淺孔預抽后廢棄鉆孔，進行短壁煤層注水，增加煤的水分，從而減少煤層掘進工過程中煤塵的產塵量。原生煤塵處在煤體內部的縫隙中，在和水進行混合后，就會發生粘結，這種情況下，在煤塊破碎時，就會大大降低煤塵的飛揚能力，這樣就可以減少塵源。在開采煤體時，煤體受到破壞的表面，凹陷的地方，容易有水積存，這樣也可以在很大程度上，煤體細微顆粒的飛揚，減少浮塵。從一些實際現場試驗的具體情況來看：當煤層的含水量達到4%時，煤塵的將減少80%，其除塵效果是比較理想的。

1 煤層注水實踐

1.1 工作面概況 150405掘進工作面煤層厚度為3.19～5.02m，平均厚度4.31m，結構簡單，采用綜合機械化掘進工藝。煤層瓦斯含量8.27m3/t，自然發火期為70天，煤層原生水分為3.12%，煤層總的孔隙率為2.68%，煤塵爆炸指數為6.788Mpam/s，具有爆炸危險性，局部煤質松軟、破碎。

1.2 工作面鉆孔布置 受采動影響，原始煤體及圍巖應力重新分布，形成卸壓區和應力集中區。在卸壓區內煤層膨脹變形，透氣系數大大增加。使用ZQS-150/28型氣動鉆機，施工直徑為Φ69mm鉆孔。鉆孔布置在該區域內，對淺孔瓦斯抽采及掘進工作面短壁注水均有較好的效果。

若瓦斯抽放鉆孔與注水鉆孔分別施工，一方面增加了施工鉆孔數量，另一方面，抽放鉆孔與注水必須分開施工，若同時施工，會造成抽放鉆孔內水量增加，影響抽放效果，而受抽放負壓影響，煤體注水壓力也相應受到影響。煤層內的瓦斯壓力是注水的附加阻力。水克服瓦斯壓力后才是注水的有效壓力，掘進工作面進行了淺孔預抽后，瓦斯壓力降低，再進行煤層注水，可取得更好濕潤效果。

150405掘進工作面利用原淺孔迎頭抽放鉆孔作為煤層注水孔，鉆孔參數見表1，布置方式見圖1。

表1? 鉆孔施工參數表

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工作面采用“四六制”，即：兩班掘進，一個班施工鉆孔，并開始進行瓦斯抽放，一個班實施煤層注水。每天掘進量控制為10m，留有4m的鉆孔超前距，即：抽采、注水14m掘進10m，抽采、注水與掘進交替進行。單孔抽放時間于6小時，單孔注水時間3～4小時。

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圖1? 掘進工作面迎頭鉆孔布置

1.3 封孔工藝 煤層注水的效果很大程度上取決于封孔方法及封孔質量，工作面鉆孔又是二次使用，故對淺孔抽放時期的封孔進行了優化，均選擇使用ZF-B51橡膠封孔器。橡膠注水封孔器由內膠層、增強層、中膠層、外膠層組成。橡膠注水封孔器在承受內部正向壓力下，管體長度縮短，直徑變大呈膨脹狀態，實現封孔功能。

1.4 注水參數 煤層注水濕潤效果的參數主要是注水壓力、流量和注水時間。一般應以在較低的注水壓力情況下保持足夠的流量和較長的注水時間為宜。注水系統有靜壓、動壓之分，靜壓注水系統簡單，直接將注水管通過膠管和閥門與供水管道連接即可進行注水，而動壓注水是在靜壓滿足不了注水壓力的要求時，通過設加壓泵增壓注水，動壓注水系統又分單孔注水系統和多孔注水系統。根絕150405掘進工作面實際情況，采用高壓5D-2/50型注水泵煤層動壓注水，泵與孔之間選用通過分流器（流量調節閥）鋼管和高壓水膠管連接，并配備DC-2/150高壓水表，注水泵工作壓力為150kg/cm3，流量為2m3/h，對工作面6個鉆孔進行同時注水，注水時間一般為4h左右。

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圖2? 掘進工作面短壁注水系統圖

2 煤層注水作用及效果

2.1 降塵效果 在對煤層進行注水之后，可以檢測出，水分升高，平均升高值為1.14%，達到4.26%。通過對煤層進行注水，可以大大減少粉塵，其發揮除塵抑塵的作用的主要原理如下：煤體縫隙在吸收水分之后，可以在很大程度上粘結大量煤塵，這就大大降低了煤塵的擴散能力。在煤體開采過程中，加水之后，煤層濕潤，在受到挖煤機的破碎之后，由于水分含量較多，從而使得煤體的可塑性增強，其脆性減弱，物理性質得到一定的改變，這也就從源頭上減少了煤塵的形成。

注水前、后各工序粉塵濃度對比，如表2。

表2

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2.2 抑制工作面瓦斯的涌出 通過對煤層進行注水，可以在很大程度上降低瓦斯的涌出量，這主要是因為，在注水過程中，高壓水在穿透瓦斯氣體的壓力之后，進入煤層，這就在很大程度上阻止了瓦斯氣體的涌出。根據150405掘進工作面瓦斯涌出情況，注水后工作面瓦斯濃度平均下降了18%左右，回風流中瓦斯濃度基本降低為2%。

2.3 其他效果 煤層注水以后還能取得以下各種效果：降低煤的硬度，軟化煤體，降低切割和破碎能量，降低截齒的消耗，提高了生產效率;減少設備的破壞。測定表明，煤層水分在原基礎上增加0.8%～2%可使煤的單軸抗壓程度降低14%～32%，節能顯著。

3 結論

①選擇合適的超前注水距離，有利于煤層注水和提高煤層濕潤效果。掘進工作面淺孔鉆孔的布置處于卸壓區內煤層膨脹變形，透氣系數大大增加，利用掘進工作面淺孔抽放鉆孔開展短壁煤層注水，淺孔預抽降低了煤層中瓦斯壓力，煤層裂隙內的游離瓦斯得到抽采，為煤層注水減小了壓力，提高了煤層注水效果。②實踐證明：由于注水時水從煤體的裂隙和孔隙中擠走大量的游離瓦斯，并在煤塊表面形成一層水霧膜兒，延遲了瓦斯解吸釋放時間，大大降低了掘進期間瓦斯涌出量。③煤層注水工作關鍵在于鉆孔深度和封孔質量上，必須大力推廣應用新技術、新工藝、新設備，借鑒先進單位經驗，提高煤層注水效果，從根源上杜絕煤塵事故。

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作者簡介：郜艷麗（1987-），女，吉林遼源人，本科學歷，2010年畢業于太原理工大學礦業工程學院，2010年至今任遼源職業技術學院教師，從事礦井通風、礦井防塵、煤礦安全等學科的教學與研究。曾主編吉林大學出版的教材《礦塵防治》，參編吉林大學出版的教材《采礦學》一書。