綜采工作面煤層注水工藝

尹 偉

（山西潞安集團司馬煤業公司， 山西 長治 046000）

煤炭生產一直是我國的支柱產業，年煤炭消耗量處于世界前列，在國家經濟發展中發揮著重要的功能。近年來，伴隨著自動化設備等相關技術的不斷升級發展，我國煤炭開采多由基于工作面的大型綜采設備操作完成。綜采工作面的作業，包括鉆煤、爆破、掘進、采煤、頂板、運輸和設備檢修等。其中，鉆煤、爆破、掘進、采煤等幾個環節的作業，通常會產生大量的礦塵，在很大程度上不僅增加了綜采工作面的作業難度，也威脅著作業人員的生命健康與安全。顯然，工作面礦塵是非常嚴重的危害性問題。目前，多數綜采設備上均配置有除塵設備，但效果不佳，難以從根本上解決這一問題。綜觀各類除塵方法，煤層注水工藝具有降塵明顯、防治沖擊地壓、防止瓦斯涌出、軟化煤層、提高割煤效率等諸多優點。本文以某礦綜采工作面為例，在實施煤層注水后，觀察、測試、分析降塵效果和瓦斯防治效果。

1 綜采工作面情況概述

本文以某礦綜采工作面煤層為研究實例。其煤層為8號煤，容重為1.37 t/m3，厚度在0.5～3.1m的范圍之間，硬度系數介于1.5～2.3 之間，為中硬煤層；頂板為泥制粉砂巖，硬度系數介于3～5 之間；底板為全砂質泥巖，硬度系數介于3～5 之間；煤層傾角在3°～5°之間，煤層中上部有一層厚度約0.2m的由炭質泥巖為主的煤矸石，硬度系數介于3～5 之間。水文方面，該礦所處地區雨季雨水量較大，地下水位較高，在其沖刷下，煤層厚度近年明顯變薄，回采效果明顯受到影響。

該工作面為東西走向的傾斜工作面，長度約250 m，平均厚度為3.23 m，采取一次全采高的采煤工藝，將所有厚度內的煤層一次性全部采出，不留浮煤和頂煤。

該綜采工作面瓦斯參數如表1 所示。

表1 瓦斯參數統計表

2 工作面注水工藝

注水工藝的操作應用，需要提前進行針對性的設計，以確保對煤層實施注水操作后，工作面的降塵、軟化、瓦斯防治等效果能夠達到實際開采煤層的需求。

2.1 工作面注水參數設計

在實施工作面注水作業時，需要提前設計好相關的參數，主要有注水壓力、注水時間、單孔注水時間、一個循環總注水量等。注水壓力：通常依據工作面開采初期清水泵的壓力而定，本文研究的工作面開采中，清水泵的壓力為15 MPa，即注水壓力為15 MPa。

1）總注水時間。規定時間內完成所有注水孔的注水操作。通常依據檢修工作時間確定，以實現對注水過程的全程監控。在本工作面開采中，一個檢修班的實際工作時間為6 h，那么總注水時間為6 h。

2）單孔注水時間。一般以當煤壁出水為準，確定單孔注水時間，與注水壓力、流量等有關。工作經驗表明，注水過程中單孔注水時間一般在5～10 min。在本文研究的工作面中，基于單孔注水時間滿足標準要求的考慮，采取了兩個鉆孔同步注水的方法，此時，單孔注水時間為：6×60/56/2=3.21 min。

3）一個循環注水總量。通過噸煤注水量乘以工作面長度、厚度、高度、容重可得。該工作面長250 m、厚3.23 m、高9 m，容重1.37 t/m3，假設噸煤注水量為25 L，那么一個循環注水總量可計算：250×3.23×9×1.37×25=248912 m3。隨后，可分別計算得出單孔注水量為4.1 m3，總注水注量為4444.9 m3/h，單孔注水流量為2222.5 m3/h。

此外，在注水作業過程中，采取動壓注水方式，將清水泵的壓力控制在15 MPa 左右，注水時間限定在6 h 以內，鉆孔與注水同步操作，以確保注水時間能夠符合作業要求。

2.2 注水系統設備選型

在綜采工作面的注水系統中，通常主要有清水泵、自動封孔器、高壓水管、高壓水表、減壓閥等設備，如表2 所示為關鍵設備的參數統計表。

表2 注水系統關鍵設備參數統計表

在注水作業過程中，需要作業人員嚴格按照綜采工作面注水工作規章制度、關鍵設備安全操作規范等規定的條款進行操作，以確保注水操作準確無誤，保障最終的注水效果。

3 工作面注水效果分析

通常，工作面注水效果的衡量，主要從降塵效果和瓦斯防治效果兩個角度進行。

3.1 降塵效果分析

本次研究中，采用型號為AKFC-92A 的礦用粉塵采樣器，主要測量工作面關鍵位置的礦塵濃度。該型號的礦用粉塵采樣器，設計原理是濾膜測塵，通過測量采樣前后濾波的質量來計算確定測量位置的礦塵質量濃度，計算公式為：

式中：C 代表粉塵質量濃度；m1代表采樣前濾膜質量；m2代表采樣后濾膜質量；Q 代表設備采樣流量；t代表設備采樣時間。

為了檢驗降塵效果，分別從采煤機上下風側10m處、采煤機司機位置、移架工移架處、移架點下風側10m等位置進行測試，如表3 所示為測試后的礦塵濃度數據，并計算降塵率進行對比分析。

表3 不同位置降塵效果對比分析表

如表3 所示，經過測試、計算與對比分析，可以看出在對綜采工作面注水后，采煤機司機位置及上下風側、移架工移架位置與移架點下風側等關鍵位置的礦塵濃度均有明顯降低，說明通過采取在工作面注水的方法可以降低作業期間的礦塵濃度，進而達到降塵抑塵的效果。

3.2 瓦斯防治效果分析

在對工作面煤層進行注水作業時，受水流高壓作用，煤層內外會出現不同程度的裂隙，這會導致瓦斯會以吸咐狀態游離在采掘空間內，由于煤體受水分包裹，致使瓦斯難以釋放，進而降低了采煤過程中瓦斯的涌出量。

為了分析瓦斯防治效果，需要對注水前后煤層瓦斯深度的變化情況、涌出速度進行測試。經過測試，本工作面的瓦斯涌出量明顯降低，特別是在丙班工作中，瓦斯濃度明顯降低，說明煤層注水工藝具有防治煤層瓦斯的效果。

4 結語

一直以來，煤層工作面的礦塵、瓦斯是制約煤層開采速度的主要因素，并始終威脅著生產安全。近年來，隨著綜采自動化技術水平的不斷升級發展，一些綜采設備上設計配備了相應的噴霧除塵設備，起到了降低粉塵的作用，但依舊難以從根本上解決礦塵和瓦斯的問題。本文通過研究，認為采用煤層注水工藝可以降低礦塵和瓦斯濃度，有效抑制瓦斯涌出，在實際生活中具有積極的推廣價值。