水峪煤業61135工作面煤層注水防塵技術應用

（山西焦煤汾西礦業集團水峪煤業有限責任公司，山西 孝義 032300）

1 工程概況

山西焦煤集團汾西水峪煤業為低瓦斯礦井，工作面相對瓦斯涌出量0.35m3/t。礦井主采的10+11#煤層煤質為中灰富硫主焦煤，煤層有自然發火特性，最短發火期84天。直接頂為泥巖，老頂為K2石灰巖，底板為鋁質泥巖，煤層結構復雜，煤塵具有爆炸性，煤層傾角2°～5°，平均傾角3°。

61135工作面位于水峪煤業井田10+11#六采區，工作面埋深為165～259m，走向長度為190m，傾斜長度為1420 m；工作面東臨六采區大巷，西部為井田邊界，北部為61133工作面采空區。工作面主采的10+11#煤層，煤層厚度6.72～6.82m，平均厚度6.77m，。工作面采用綜合機械化低位放頂煤采煤法，采高為3.0m，循環步距0.8m，采放比為1:1.26。

由于61135工作面采用綜采放頂煤采煤方法，且10+11#煤塵有爆炸危險性，煤層的全水分較低，平均為3.34%，工作面回采時煤塵濃度較大，本文試圖探索煤層注水技術來降低工作面煤塵濃度。

2 煤層注水壓力確定

煤層注水技術的主要原理為通過在煤體內預設超前鉆孔，采用壓力泵將水注入到煤層中，壓力水在煤體內部的孔隙中逐漸滲透，從而提高煤層的整體含水率，達到預先濕潤煤體的作用，并有效降低煤體的強度，減少工作面回采期間的揚塵量，改變工作面的作業環境[1-2]。

為研究煤層注水后煤層內孔隙水壓力的分布規律，本文采用COMSOL數值分析軟件模擬煤體的注水作業。根據61135工作面的實際情況，建立長×寬=40 m×40m的模型，設置注水鉆孔長度為20m，孔徑為94 mm，本次模擬將煤體視為多孔均勻介質，忽略煤層傾角及水重力對注水效果的影響，具體參數與邊界條件的設置情況見表1。

表1 數值模擬分析參數取值

圖1 不同注水壓力下煤層孔隙水流速度分布云圖

通過分析圖1可知，隨著注水壓力的增大，煤層內的孔隙水流速呈現出逐漸增大的趨勢。但從整體上看，不同注水壓力下煤體內孔隙水壓力的分布范圍大致相同，孔隙水流的速度在注水鉆孔周圍最大，隨著距注水鉆孔距離的增大呈現出逐漸遞減的趨勢。

根據數值模擬結果，同樣能夠得出不同注水壓力下煤層的濕潤半徑，具體情況見表2。

表2 不同注水壓力下煤層濕潤半徑

根據表2可知，隨著注水壓力增大，煤層濕潤半徑逐漸增大，注水壓力從6MPa增大為8MPa時，煤層濕潤半徑增幅明顯，當注水壓力從8MPa增大為9MPa時，煤層濕潤半徑增幅較小，這表明當注水壓力大于8MPa時，煤層濕潤半徑受注水壓力的影響減弱。因此，考慮到全礦的安全和經濟效益，并確保煤層注水取得較好的降塵效果，將煤層注水壓力設定為8MPa。

3 注水方案設計與應用效果分析

3.1 方案設計

根據61135工作面的實際情況，并結合煤層注水技術原理，將注水工作面的各項參數設置如下：

（1）鉆孔布置及參數

設計本次注水鉆孔直徑為94 mm，鉆孔深度為180m，注水鉆孔在回風順槽內布置，在距離巷道底板2m的高度處施工，鉆孔間距為20m，共計布置65個注水鉆孔，鉆孔布置形式見圖2。

圖2 61135工作面注水鉆孔布置

（2）注水參數

注水參數主要包括注水壓力、單孔注水流量、動靜壓注水時間、單孔注水量等，具體參數如下：

①水壓力：根據數值模擬分析結果，將本次注水作業時的注水壓力設置為8MPa。

②單孔注水流量：根據相關理論研究與工程實踐[3-4]，確定動壓注水時的流量為1.5～3.6m3/h，靜壓注水時不控制注水流量。

③動靜壓注水時間：在進行單孔動靜壓注水作業時，確定單孔注水時間為12d。

④單孔注水量:具體單孔注水量計算式[5-6]為：

式中：Q為注水鉆孔的單孔注水量；J1為鉆孔間距，20 m；K為鉆孔前方煤體的濕潤系數，取為1.93；h為煤層厚度，取為6.7 m；l為鉆孔長度，180 m；δ為噸煤注水量，取為0.015m3/t；ρ為煤的密度，取為1.3 t/m3；基于上述數據能夠計算得出單孔注水量Q=907.7m3/t，并控制單孔動壓注水量占總注水量的20%，靜壓注水量占總注水量的80%。

（3）注水設備及工藝

本次注水作業采用的主要設備有坑道鉆機、注水泵、泥漿泵、分流器及鉆頭等，注水泵型號為B223ZSB-158/18，最大注水壓力為18MPa，功率為55 kW，其設備配備情況見表3。

表3 61135工作面煤層注水作業設備

在進行注水作業時，采用全孔段動靜壓交替注水工藝，具體工藝流程為：①按照設計方案在回風巷施工注水鉆孔；②鉆孔施工完畢后，采用水泵壓水進行沖孔作業，將鉆孔內的鉆渣沖出，此時水泵的工作壓力不宜小于2MPa；③采用速凝漿液固管的方式進行封孔作業，其封孔長度為5 m；④注水鉆孔封孔1～2 d后，按照設計方案連接注水系統，打開供水閥，進行動靜壓交替注水作業。當注水壓力達到8MPa時，且水在鉆孔周圍滲出時，可結束鉆孔的注水作業，此時應關閉注水泵，卸壓拆管，繼續進行下一個鉆孔的注水作業。其注水作業過程見圖3。

圖3 注水作業過程

3.2 應用效果分析

為分析煤層注水后的降塵效果，對61135工作面煤層注水前后工作面割煤作業時，回風順槽的總粉塵濃度、非呼吸粉塵濃度和呼吸性粉塵濃度的進行檢測，檢測結果見表4。

表4 注水作業前后工作面粉塵濃度檢測數據

通過分析表4可知，在工作面采用注水技術后，工作面割煤作業時呼吸性粉塵濃度和非呼吸性粉塵濃度分別下降了45.4%和50%，總體粉塵濃度下降了48.2%。在61135工作面注水作業前后，分別對煤體的含水率進行測定發現，煤體注水前全水分為3.34%，煤層注水后的全水分為4.39%，相較與注水前增大了31.4%。

綜合上述分析可知，61135工作面煤層注水提升了煤體的含水率，降低了工作面回采時的粉塵量，注水降塵效果較顯著。

4 結語

1）借助COMSOL軟件對煤層注水作業進行模擬分析發現，隨著注水壓力的增大，煤層內的孔隙水流速及煤層濕潤半徑均呈現出逐漸增大的趨勢，但當注水壓力大于8MPa時，煤層濕潤半徑受注水壓力的影響減弱，結合61335工作面特征，確定注水壓力為8MPa。

2）當注水壓力設置為8MPa，鉆孔直徑為94 mm，深度120m，間距20m時，對61135工作面煤層進行動靜壓交替注水后，工作面割煤作業時呼吸性粉塵濃度和非呼吸性粉塵濃度分別下降了45.4%和50%，總體粉塵濃度下降了48.2%。

3）對工作面煤層注水前后的煤體含水量進行測定發現，注水后煤層水分增大明顯，相較于注水前煤層全水分增大了31.4%，煤層注水效果較好。