萬家莊煤業煤層注水降塵試驗研究

高世寧

（山西煤炭進出口集團蒲縣萬家莊煤業有限公司，山西 蒲縣 041000）

萬家莊煤業公司開采機械化程度高，產塵量大，采煤工作面粉塵污染情況嚴重。粉塵污染嚴重危害到了職工的人身安全，并給煤礦開采帶來了嚴重的安全隱患，因此必須采用降塵防塵措施來解決采煤工作面粉塵濃度過高的問題。

1 試驗工作面概況

萬家莊煤業公司地處蒲縣黑龍關鎮，井田面積13.897 2 km2，年生產能力120 萬t，主要開采2#煤層。試驗工作面確定為該礦20104 工作面。該工作面走向長度1 114.7 m，傾斜長218.6 m，煤層總厚度5.86 m，煤層傾角2～14°，平均傾角7°。2#煤層原始水分1.38%～1.52%。2019 年2 月，為進一步治理采煤工作面粉塵，對萬家莊煤業20104 工作面進行了煤層注水試驗。煤的水分由1.38%～1.52%增加至2.97%左右，有效降低了工作面回采期間的粉塵產生量及存在的安全隱患，保障了工作面的安全生產。

2 煤層注水鉆孔施工工藝

（1）利用抽放鉆孔靜壓注水，共施工本煤層抽放鉆孔720 個，鉆孔平均長度為100 m，間距為3 m，孔徑94 mm。

（2）空白帶重新施工鉆孔動壓注水試驗。鉆孔布置方式：采用雙向鉆孔布置方式，由3#巷向1#巷方向鉆進，孔平行工作面。3#巷第一孔距3#巷2#聯絡橫川以西10 m 處，后面空間距設置為5 m，在鉆孔時可根據地質情況進行適當調整，終孔在停采線附近為8 m，鉆孔垂直煤壁，離底板高度1.5 m，設計孔深100 m，孔徑110 mm。注水鉆孔示意圖如圖1 所示。

圖1 注水鉆孔示意圖

3 煤層注水試驗

3.1 利用抽放鉆孔靜壓注水試驗

3.1.1 靜壓注水試驗方案

試驗方案：鉆孔內PE 管使用封孔器注水。試驗采用的封孔器型號為ZFA16，外徑28 mm，膨脹范圍70～80 mm，封孔長度根據需要確定。其結構主要由進口鋼套管、分段封孔器、帶孔鋼套管、高壓膠管等組成。

試驗過程：高壓軟管與封孔器接通，伸入PE管內6～8 m，利用靜壓水自然壓力使封孔器膨脹后注水。試驗發現，使用靜壓注水量達到3～5 m3后，鉆孔附近的錨桿、錨索有滲水現象，但仍能繼續注水。

萬家莊煤業2#煤層比較軟，容易發生塌孔，影響注水效果。原有抽放管封孔8～10 m，封孔深度比較短，而幫錨索深度6.3 m，容易漏水。采用該抽放鉆孔靜壓注水試驗可知，鉆孔內PE 管使用封孔器注水方案比較簡單、可行，為提高注水效果，采用每班注水1～2 h，幫錨桿或錨索孔大量出水后停止注水，同時使用煤塵抑制劑。

3.1.2 靜壓注水孔距切眼距離選擇

試驗靜壓注水方案效果同時對抽放鉆孔靜壓注水進行測試，共對距切眼的19個抽放鉆孔進行測試，孔間距為3 m，距切眼最遠抽放孔57 m。根據改變注水壓力、注水時間、注水口的觀察可以看出，超前工作面15 m 以后，靜壓注水壓力2 MPa，切眼煤體無變化，巷道煤壁錨桿眼處有水滲出；而超前工作面50 m 以外的抽放鉆孔進行靜壓注水時，受采動和礦壓影響變化小，靜壓注水效果相對比較好。

3.1.3 靜壓注水效果分析

鉆孔內PE 管使用封孔器注水的抽放鉆孔靜壓注水方案比較簡單、可行。為提高注水效果，采用每班注水1～2 h，幫錨桿或錨索孔大量出水后停止注水，同時使用煤塵抑制劑。

靜壓注水前工作面全塵濃度平均534.7 mg/m3，注水后降至403 mg/m3，平均降塵率24.1%。呼塵濃度平均203.4 mg/m3，注水后降至146.7 mg/m3，平均降塵率27.9%。

靜壓注水后，煤體水分由原來的平均1.38%加至1.72%，注水效果不佳。效果不佳原因分析：萬家莊煤業煤層比較軟，再加上地壓大，抽放鉆孔容易塌孔，同時受動壓影響，距工作面較近的鉆孔被壓實，直接影響注水效果。原有抽放管封孔8～10 m，封孔深度比較短，而幫錨索深度6.3 m，容易漏水。

3.2 空白帶重新施工鉆孔動壓注水試驗

3.2.1 動壓注水試驗方案

設計試驗方案：“兩堵一注”水泥封孔后進行注水。使用5 根寸半管（20 m）并在寸半管19 m處加套環，以防A、B 膠流入孔里，將里段堵死。孔口寸半管外露長度500 mm，如孔口不飽和，可采用速凝劑進行封堵。具體操作如下：

（1）取出足量的A、B 膠，然后在連好的封孔管接口處纏3～5 m 的白布，將A、B 膠倒入白布內，攪拌后待發泡開始，將封孔管塞進孔內，外露長度300 mm。

（2）采用風動水泥注漿泵對抽放鉆孔進行二次注漿封孔，直到水泥從排氣孔內流出。

注水鉆孔封孔后，利用脈沖注水泵對鉆孔進行中高壓注水。現場對6 個鉆孔進行封孔及注水效果試驗，封孔長度選取為10～20 m，最大注水壓力選擇6 MPa。根據注水時間及注水口周圍巷幫或錨索的滲水情況可以看出，萬家莊煤業20104 工作面煤層動壓脈動注水孔注水壓力在8 MPa 時，注水封孔應大于14 m。注水孔不同封孔長度注水效果如表1所示。

表1 注水孔不同封孔長度注水效果表

3.2.2 潤濕半徑試驗

對工作面9 個鉆孔進行編號測試，其中注水孔位于所有鉆孔最中間，在注水孔兩側分別編號4 個測試觀察孔，每個鉆孔間距5 m，鉆孔潤濕半徑隨著注水時間的增加而變大。其中3#、6#孔注水量達34.3 m3，潤濕半徑達10 m，注水48 h 后2#、7#孔末出現溢水現象，確定注水鉆孔間距取10 m。

脈沖動壓注水，封孔深度不小于14 m；20104工作面動壓注水濕潤半徑為10 m；采用動壓注水平均單孔注水量為37 m3。

采用動壓注水時，流量表顯示注水困難時停止注水，待濕潤2 h 后使用靜壓注水1 h。兩種注水方式循環注水，以達到最佳效果。

4 應用效果分析

通過對20104 工作面試驗考察結果，采用動、靜壓循環注水方案對各產塵點粉塵濃度的實測對比，加入濃度為0.15%的煤塵抑制劑后，注水前工作面全塵濃度最大為587.7 mg/m3，注水后最小降至211.8 mg/m3，平均降塵率為57.6%，呼塵濃度由247.2 mg/m3降至90.4 mg/m3，平均降塵率為54.2%，檢測結果如表2 所示。測定結果煤體含水率由1.38%增大到2.97%，試驗效果良好。

5 結論

采煤工作面煤塵濃度大，治理困難，針對萬家莊煤業公司20104 工作面進行了煤層注水試驗，取得了較好的降塵效果。利用抽放鉆孔“一孔兩用”進行煤層注水，在設計施工抽放鉆孔時，每隔15 m的抽放鉆孔封孔長度要達到14 m，先抽瓦斯再注水，采用專用封孔器在抽放管內封孔14 m，做到“一孔兩用”，同時添加煤塵抑制劑，能有效提高注水效果。采用動壓注水時，流量表顯示注水困難時，先期采用靜壓注水1 h，再進行動壓注水，實現靜壓與動壓循環交替的注水方式能有效提高注水效果。

表2 注水降塵前后粉塵濃度檢測表