爆注一體化技術(shù)在綜采工作面煤塵與瓦斯治理中的應(yīng)用

李延河

(中國(guó)平煤神馬能源化工集團(tuán)六礦，河南省平頂山市，467000)

煤塵和瓦斯是煤礦主要的自然災(zāi)害之一，科學(xué)合理防治煤塵與瓦斯是確保工作面安全高效回采的關(guān)鍵。近年來(lái)，隨著礦井機(jī)械化開采水平和開采強(qiáng)度的不斷提高，綜采工作面產(chǎn)塵量和瓦斯涌出量不斷增加，尤其是在割煤、拉移支架等工序過(guò)程中，大量的煤巖塵不僅降低了工作面可見度，威脅著職工的健康，同時(shí)也加快了設(shè)備的磨損，而工作面瓦斯?jié)舛鹊纳呷艨刂撇划?dāng)還容易引起外超限甚至是瓦斯安全事故[1-4]。平煤股份六礦以往多采用深孔爆破和瓦斯釋放卸壓孔等局部治理瓦斯的措施；治理煤塵采用淺孔注水，工序繁瑣，職工勞動(dòng)強(qiáng)度大，防塵降塵效果較差，不利于綜采工作面瓦斯和煤塵的同步治理。鑒于此，平煤股份六礦決定將深孔爆破與煤層注水相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)爆注一體化，深孔爆破后直接注水，進(jìn)而達(dá)到煤層卸壓、瓦斯釋放、煤體濕潤(rùn)的目的，現(xiàn)以丁5、6-22240工作面為研究對(duì)象進(jìn)行爆注一體化技術(shù)治理煤塵與瓦斯試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)工作面概況

丁5、6-22240工作面位于平煤股份六礦丁二采區(qū)，東部為采區(qū)集中下山，西部為48號(hào)勘探線，南部和北部均為采空區(qū)。工作面所采煤層為丁5煤層和丁6煤層，中間有一層均厚0.5 m的夾矸，合層均厚3.8 m，煤層傾角平均為11°，煤層堅(jiān)固性系數(shù)f為1.1～1.5，原始瓦斯壓力為0.6 MPa，原始瓦斯含量為4.1 m3/t，屬于穩(wěn)定可采軟煤層工作面。工作面直接頂為均厚5.53 m的砂質(zhì)泥巖，基本頂為均厚5.05 m的細(xì)粒砂巖，底板為均厚13.85 m的泥巖。工作面布置進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷2條巷道，均沿丁5煤層頂板掘進(jìn)；走向長(zhǎng)度和傾斜長(zhǎng)度分別為1800 m和159 m，采場(chǎng)布置ZY10000-20/40型支架89臺(tái)。丁5、6-22240工作面為孤島高突工作面，在回采前已經(jīng)實(shí)施順層鉆孔瓦斯抽采，但是受地質(zhì)條件、煤層賦存等條件影響，煤層瓦斯賦存不均，在回采過(guò)程中瓦斯釋放不均。同時(shí)，因合層開采，頂板穩(wěn)定性較差，煤層松軟，在割煤、拉移支架等過(guò)程中煤塵濃度較高。

2 爆注一體化技術(shù)

爆注一體化工藝是利用爆注一體化裝置，在深孔爆破后直接高壓注水，將深孔爆破和高壓注水相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)工作面煤體卸壓、瓦斯治理和煤塵治理的綜合目的。爆注一體化裝置主要包括一字水爆專用藥倉(cāng)、爆注一體化封孔器、送藥器等，在執(zhí)行爆注工藝時(shí)，首先打設(shè)一定深度的鉆孔；然后在水爆專用藥倉(cāng)內(nèi)正向一字型裝藥，同時(shí)在裝藥倉(cāng)內(nèi)連接套管里端系上安全索，利用送藥器將裝藥倉(cāng)送入鉆孔底部，采用爆注一體化封孔器進(jìn)行封孔；最后，按照設(shè)計(jì)水壓進(jìn)行注水后爆破。原深孔爆破工藝是采用鉆孔后將藥卷送至鉆孔底部，在中部填充黃泥和沙體，采用黃泥進(jìn)行封孔后實(shí)施爆破；原注水工藝是打設(shè)鉆孔后，直接將注水器塞入鉆孔進(jìn)行注水。相比于原深孔爆破工藝和注水工藝，爆注一體化技術(shù)是兩者的有機(jī)結(jié)合，在實(shí)行深孔爆破提高煤體裂隙、卸壓煤體和釋放瓦斯的同時(shí)實(shí)現(xiàn)注水濕潤(rùn)煤體。爆注一體化工藝及原深孔爆破工藝如圖1所示。

圖1 爆注一體化工藝和原深孔爆破工藝

3 爆注一體化實(shí)踐應(yīng)用

3.1 爆注一體化技術(shù)實(shí)施

丁5、6-22240工作面傾斜長(zhǎng)度159 m，共布置ZY10000-20/40型支架89臺(tái)，除去機(jī)頭機(jī)尾各7臺(tái)支架，每隔10臺(tái)支架布置1個(gè)爆注鉆孔，鉆孔深度為13 m，孔徑?89 mm，采用ZDY120S型液壓鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔施工。在爆注一體化裝藥倉(cāng)按照一字型進(jìn)行裝藥，每個(gè)裝藥倉(cāng)可裝藥6卷(每卷藥卷長(zhǎng)度440 mm)，在最外面3卷藥上各布置1發(fā)雷管，均為正向裝藥，注水段長(zhǎng)度為11 m，爆注一體化封孔器封孔長(zhǎng)度為1.5 m，封孔器距孔口位置0.5 m?？紤]到注水段長(zhǎng)度較長(zhǎng)，所用雷管腳線長(zhǎng)度要求不低于16 m。爆注一體化封孔器如圖2所示。封孔后，連接封孔器?10 mm高壓管，開啟清水泵，要求泵壓9～10 MPa，當(dāng)封孔器壓力表二顯示不低于8 MPa后停止注水并關(guān)閉高壓球閥二，拆掉注水器連接管，這時(shí)爆注一體化封孔器將孔口完全封住。將靜壓水管連接爆注一體化封孔器?16 mm高壓管，將鉆孔內(nèi)空余部分全部注滿水，注水完成后關(guān)閉高壓球閥一并拆掉注水連接管。如此，按照上述步驟每隔10臺(tái)支架布置1個(gè)爆注鉆孔，要求各鉆孔串聯(lián)一次爆破。每次爆注后，工作面允許推進(jìn)8 m，然后與上次爆注位置錯(cuò)開重新進(jìn)行爆注，確保爆注始終保持5 m的超前距。

圖2 爆注一體化封孔器結(jié)構(gòu)示意

3.2 煤層注水與粉塵治理效果

采用原深孔爆破無(wú)法直接進(jìn)行煤壁注水，為了降低產(chǎn)塵量，在工作面單獨(dú)實(shí)施淺孔注水工藝。采用爆注一體化技術(shù)后，爆破后裂隙率大幅度提升，可以有效地提高注水量和注水范圍，注水區(qū)域煤層含水率由1.3%～1.4%提升至2.4%～2.7%，注水量可達(dá)1.7 m3/孔。普通單獨(dú)注水與爆注一體化注水降塵效果見表1。由表1可知，在未實(shí)施注水時(shí)，回采期間呼吸性粉塵濃度和全塵濃度平均為16.57 mg/m3和24.63 mg/m3，實(shí)施單獨(dú)注水后呼吸性粉塵和全塵濃度平均為12.73 mg/m3和18.23 mg/m3，實(shí)施爆注一體化技術(shù)后呼吸性粉塵和全塵濃度平均為9.83 mg/m3和14.5 mg/m3；采用爆注一體化注水呼吸性粉塵降低率相比于未注水和普通注水分別為40.68%和22.78%，全塵降低率分別為41.13%和20.46%。由此可知，采用爆注一體化有效地提高了煤體的濕潤(rùn)度，粉塵濃度大幅度下降。

表1 普通單獨(dú)注水與爆注一體化注水工作面降塵效果參數(shù)

3.3 工作面瓦斯治理效果

采用原深孔爆破治理瓦斯后，瓦斯涌出量為1.5～22.7 m3，平均瓦斯涌出量為4.92 m3，采用爆注一體化技術(shù)后，瓦斯涌出量為2.62～38.4 m3，平均瓦斯涌出量為21.24 m3，相比于原深孔爆破瓦斯涌出量平均增加了16.32 m3，提高了331.7%。在未實(shí)施爆注一體化技術(shù)前，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛葹?.32%～0.41%，平均瓦斯?jié)舛葹?.37%，實(shí)施爆注一體化技術(shù)后，正?；夭善陂g，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛葹?.19%～0.35%，平均瓦斯?jié)舛葹?.21%，相比未實(shí)施爆注一體化技術(shù)回風(fēng)流瓦斯?jié)舛绕骄档土?.16%；在未實(shí)施爆注一體化技術(shù)前，工作面上隅角瓦斯?jié)舛葹?.56%～0.89%，平均瓦斯?jié)舛葹?.63%，實(shí)施爆注一體化技術(shù)后，正?；夭善陂g，上隅角瓦斯?jié)舛葹?.32%～0.55%，平均瓦斯?jié)舛葹?.42%，相比于未實(shí)施爆注一體化技術(shù)上隅角瓦斯?jié)舛绕骄档土?.21%。由此可知，通過(guò)實(shí)施爆注一體化技術(shù)后，工作面瓦斯大量涌出，瓦斯卸壓效果較好，瓦斯釋放后回采期間回風(fēng)流和上隅角瓦斯明顯下降，說(shuō)明爆注一體化技術(shù)治理工作面瓦斯是可行的。

另外，通過(guò)爆注一體化技術(shù)的實(shí)施，煤巖體應(yīng)力發(fā)生改變，根據(jù)在兩巷煤體內(nèi)埋設(shè)的應(yīng)力計(jì)讀數(shù)分析可知，未實(shí)施爆注一體化技術(shù)前，超前支撐應(yīng)力峰值位于采面煤墻前方10～12 m，實(shí)施爆注一體化技術(shù)后超前支撐應(yīng)力峰值位于煤墻前方13～15m范圍，應(yīng)力前移有利于兩巷的維護(hù)，工作面端頭安全性有所提高。通過(guò)爆注一體化技術(shù)的實(shí)施，煤壁的可塑性也得到大幅度提升，爆注一體化技術(shù)實(shí)施前，在正常回采期間，煤壁片幫率為36%，片幫規(guī)格平均為3.2 m×0.63 m×0.64 m(長(zhǎng)×高×深)，爆注一體化技術(shù)實(shí)施后，煤壁片幫率為12%，片幫規(guī)格平均為2.1 m×0.61 m×0.42 m(長(zhǎng)×高×深)，說(shuō)明通過(guò)爆注一體化技術(shù)可以有效降低煤壁片幫。

4 結(jié)語(yǔ)

爆注一體化技術(shù)是工作面防治煤塵與瓦斯的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了爆破后直接注水降塵。爆注一體化技術(shù)在丁5、6-22240工作面的實(shí)施，達(dá)到了煤層卸壓、瓦斯釋放、煤體濕潤(rùn)、降塵減塵等多重目的，是煤塵與瓦斯治理的新探索。另外，通過(guò)爆注一體化技術(shù)的實(shí)施，從根本上去除了鉆孔填充黃泥、沙管等工序，大幅度降低了職工勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)，將水作為充填介質(zhì)，工序簡(jiǎn)單、費(fèi)用低，還能有效降低瓦斯等有毒氣體濃度，有利于提高工作面安全水平。