水峪煤業61124綜放工作面煤層注水降塵技術研究

韋 偉

(山西焦煤汾西礦業集團 水峪煤業公司，山西 孝義 032300)

汾西礦業集團水峪煤業位于山西省孝義市，現階段正在進行太原組10+11號煤層的采掘工作。61124工作面為六采區新的回采工作面，開采10+11號煤層，煤層平均厚度6.97 m，平均傾角3°，采用綜合機械化放頂煤采煤法。工作面地面標高933～1 049 m，工作面標高768～790 m，工作面煤巖類型為中灰富硫主焦煤，水峪煤業為瓦斯礦井，礦井瓦斯相對涌出量0.35 m3/t，煤塵有爆炸性，61124工作面采用U型通風方式。為將工作面粉塵濃度控制在較低的范圍內，設計采用工作面混合注水降塵技術。

1 注水鉆孔參數研究

1.1 鉆孔參數設計

61124工作面回采巷道沿煤層底板布置，注水鉆孔不僅需要潤濕采煤機割煤高度(2.8 m)內的煤體，還需潤濕放頂煤厚度(2.8～7.0 m)，因此注水鉆孔應向上傾斜布置，但需防止鉆孔穿入頂板巖層，鉆孔的合理傾斜角度可通過下式計算[1-2]：

γ=±α+θ

(1)

式中：γ為鉆孔傾角，(°)；α為煤層傾角，(°)，鉆孔向上傾斜時取+，向下傾斜時取-；θ為鉆孔與煤層傾斜方向的夾角，(°)。

61124工作面煤層傾角為3°，鉆孔與煤層傾角方向夾角為1°，由上式計算可得，61124材料巷內注水鉆孔傾角為-2°，運輸巷內注水鉆孔傾角為4°。61124工作面采用雙側長鉆孔注水工藝，工作面長度為135 m，設計鉆孔長度為60 m。

1.2 潤濕半徑考察

注水鉆孔潤濕半徑是指單個鉆孔注水所能有效潤濕煤層的范圍[3-4]，為合理布置注水鉆孔，避免在煤層中出現注水“空白區”，應首先掌握水峪煤業10+11號煤層的注水鉆孔潤濕半徑。采用德爾測定方法，在切眼附近的運輸巷內施工注水實驗鉆孔，采用直徑75 mm的鉆頭施工，注水后以實驗鉆孔為中心在不同水平距離條件下施工考察鉆孔，將考察鉆孔鉆屑帶回實驗室測定其水分增量，當水分增量大于等于1%，表明該區域已有效潤濕，采用以上方法得到5個注水鉆孔的潤濕半徑，見表1。

表1 注水鉆孔潤濕半徑實驗測試結果

由表1可以看出，注水時間越長，注水量越多，鉆孔潤濕半徑越大。注水前期，水在煤層內的擴散速度較快，1號鉆孔注水時間僅13 h，注水量達到18 m3，潤濕半徑達到3.4 m，隨著注水時間的延長，潤濕半徑逐漸增大，2號鉆孔注水時間增大為42 h，潤濕半徑增大為4.0 m，當注水時間達到64 h及以上時，3號～5號鉆孔潤濕半徑平均為5.1 m，由此可確定61124工作面注水鉆孔潤濕半徑為5.1 m，因此確定注水鉆孔布置間距為10 m。

2 注水工藝研究

2.1 注水工藝設計

參考類似地質條件下的成功案例[5]，設計61124工作面采用脈沖動壓、靜壓相結合的混合注水方式，最大脈沖壓力為7.0 MPa，動壓和靜壓注水時間基本相同，首先采用靜壓注水，注水4 h后停止2 h，然后進行動壓注水4 h，關閉注水泵，間隔2 h再次開始靜壓注水。重復以上步驟直至鉆孔周圍煤壁“出汗”。注水鉆孔封孔采用BFK型封孔泵進行水泥封孔，封孔長度為12 m，封孔材料為硅酸鹽水泥添加適量的膨脹劑，漿液水灰比為5∶2，封孔段兩端采用聚氨酯面紗封堵，封孔兩天后開始進行注水，水泥砂漿封孔示意如圖1(a)所示。61124工作面注水系統如圖1(b)所示，采用四孔聯合注水，每個鉆孔分別連接ZGS型多功能高壓水表測量注水壓力和注水量，每個鉆孔均安裝截止閥控制鉆孔的注水時間。

圖1 61124工作面長鉆孔注水示意

2.2 最佳注水區域確定

采煤工作面開采將引起前方煤巖體內的垂直應力發生變化，超前支承壓力影響下，在前方煤層內由近至遠形成塑性區、彈性區及原巖應力區。預注水的合理位置要求具有足夠的注水時間，且注水區域煤層內裂隙發育較好使水能夠潤濕較大范圍內的煤體，超前支承壓力將影響煤層內的裂隙發育，為確定61124工作面最佳注水區域，在工作面運輸巷側布置ZYJ-25型鉆孔應力計，共布置5個應力測試鉆孔，間隔5 m。測站布置如圖2所示。

記錄注水過程中，超前工作面不同距離注水鉆孔的平均流量，結合鉆孔應力計測試結果，整理可得注水流量及垂直應力隨著與工作面距離的變化規律如圖3所示。根據煤層內支承應力及注水流量的變化規律將工作面前方進行劃分，共劃分為3個區域。I區：破碎區，工作面前方0～8 m，該區域煤巖體破碎嚴重，孔隙率大，采用長鉆孔注水時，易發生“跑水”現象，大量的水將滲流至工作面，影響工作面的正常生產；II區：塑性區，工作面前方8～15 m，該區域支承應力較大，注水流量顯著降低，垂直應力作用下煤層內裂隙、縫隙閉合，注水效果較差；III區：彈性區，工作面前方15～40 m，支承壓力逐漸減小，注水流量逐漸增大，并穩定在原巖注水流量附近，水的滲流速率快，且具有充足的注水時間，注水效果較好。綜上可知，61124工作面最佳注水區域為超前工作面15～40 m。

圖2 鉆孔應力計布置平面

圖3 支承應力與注水流量變化曲線

3 應用效果分析

為考察水峪煤業61124工作面采用長鉆孔煤層注水技術的降塵效果，采用濾膜采樣法測定粉塵濃度，通過直讀式粉塵濃度測試儀進行測定，粉塵濃度測點布置如圖4所示。

圖4 61124工作面煤塵測點布置

采用粉塵采樣器跟蹤測定各測點在煤層注水前后全塵和呼吸性粉塵的濃度，整理得到表2所示結果。由表2可以看出，煤層注水前，工作面各處的全塵濃度平均值為479.5 mg/m3，呼吸性粉塵濃度平均值為155.7 mg/m3，移架司機及采煤司機處全塵和呼吸性粉塵的濃度均較高，煤層注水后，工作面全塵濃度整體下降78.1%，呼吸性粉塵濃度整體下降71.8%，移架司機處呼吸性粉塵濃度下降76.6%，采煤司機處呼吸性粉塵濃度下降69.2%，工作面粉塵濃度降低明顯，工作面環境得到極大的改善，煤層注水在水峪煤業61124工作面取得了良好的應用效果。

表2 61124工作面粉塵濃度測試結果

4 結 語

煤塵是煤礦五大自然災害之一，嚴重威脅著職工的身體健康和作業環境。本文以水峪煤業61124綜放工作面為背景，設計采用脈沖動壓、靜壓相結合的混合注水方式，有效潤濕煤層，降低工作面粉塵濃度，取得了良好效果，有效改善了工作面的作業環境。