晉華宮礦8109綜采工作面煤層注水降塵實踐

蔣 華

（同煤集團晉華宮礦，山西 大同 037016）

晉華宮礦8109綜采工作面開采過程產塵量大，濃度最高達到3 000～3 300 mg/m3。盡管工作面采用了吊掛防塵水簾、噴霧降塵等措施，回風巷距工作面8 m、進風側以及移架處總塵濃度仍然高達1 000 mg/m3、1 200 mg/m3、1 174 mg/m3，嚴重威脅礦工的身心健康和礦井的安全生產。該工作面煤質松軟破碎，孔隙率高，開采過程中產生粉塵量大。本文應用理論和實踐方法對煤層注水的工藝和參數進行了詳細探討。跟蹤監測注水前后的粉塵濃度和超前支撐壓力的變化。實際應用后，取得了顯著降塵效果，有力保障了礦井的安全生產。

1 工程概況

同煤集團晉華宮礦8109綜采工作面走向和傾向長度分別為780 m、120 m，平均傾角為9°，煤層厚度3.7～4.9 m，平均厚度為4.6 m。煤層的底部高低不平，整體上西面煤層較厚，東面煤層較薄，煤質較軟，硬度較小，開采過程中極易產生大量粉塵。

2 注水工藝

根據晉華宮礦煤層地質條件，8109綜采工作面煤層平均全水分為2.01%，水分含量不足，需要對煤層進行注水降塵。煤層注水的方式大致可分為四種，分別為長孔注水、短孔注水、深孔注水以及巷道鉆孔注水。通過查閱相關資料和針對該煤層的開采實際，8109綜采工作面煤層擬采用深孔高壓注水技術。

2.1 注水孔位置的確定

一般情況下，煤層鉆孔注水位置不超過工作面煤厚的0.6倍，經過計算，注水孔位置距離巷道底板的高度為2.76 m，實際取2.8 m。

2.2 注水孔直徑

根據煤的堅固性系數、煤體的破碎情況、裂隙的發育程度，確定50 mm作為鉆孔直徑。

2.3 鉆孔長度

8109綜采工作面采用的是單向偽傾斜下向孔，計算公式為：

L=Lg-M

式中：L為鉆孔長度，m；Lg為工作面長度，m；M一般取工作面長度的1/3到2/3，這里取80 m。

2.4 注水孔間距

在礦井實際煤層注水應用中，鉆孔間距一般介于10～25 m之間，根據8109工作面的實際情況，確定以15 m作為鉆孔間距。

2.5 鉆孔角度

在礦井實際煤層注水應用中，為了防止煤壁片幫等危害的發生，鉆孔水平傾角一般介于60°～70°之間。根據8109工作面的實際情況，確定以70°作為鉆孔的水平傾角。鉆孔角度為13°，這樣可以使鉆孔不會穿透煤層底板，一直保留在煤層中。煤層的鉆孔布置見圖1。

圖1 鉆孔布置平面

2.6 封孔長度

本次封孔選用水泥水玻璃作為封孔材料，封孔長度為10 m。

3 注水參數

3.1 注水壓力

8109綜采工作面所處位置的地應力超過20 MPa。由經驗公式可知：

P0=156-78/（0.000 1H+0.5）=9.6 MPa

式中：P0為注水的最小壓力，MPa；H為工作面埋深，m。

通過計算可知最佳注水壓力應大于9.6 MPa，且不能超過正常地應力，故注水壓力應介于10～20 MPa之間。

3.2 單孔注水量

根據8109工作面煤層的實際情況，噸煤注水量一般介于q=0.02～0.025 m3/t，將q的上限與下限代入求得單孔最大注水量和單孔最小注水量。

Q上限=LgBMpq

=120×15×4.6×1.48×0.025=306.4 m3

Q下限=LgBMpq

=120×15×4.6×1.48×0.02=245.1 m3

式中：Q為單孔注水量，m3；Lg為工作面長，m；B為孔間距，m；M為煤厚，m；ρ為煤的密度，t/m3。

3.3 注水時間

式中：T為注水時間，h；Q為注水量，m3；U為每米鉆孔有效流量，（m3/（m·h-1））；L為鉆孔長度，m；V為鉆孔流量，m3/h。

4 注水效果分析

4.1 監測位置

為了解注水工藝降低粉塵濃度效果，擬對工作面進行現場跟蹤監測。通過監測8109綜采工作面注水前后，粉塵濃度的變化來判定注水效果的好壞。采樣點一般設置在粉塵產生量大或者作業人員密切接觸的區域，這些區域能夠準確反映出注水前后粉塵濃度的變化情況。本次監測共設置6個測點，分別為回風巷、進風巷距離工作面8 m位置處、進風側、移架處、工作面上部、回風側，采樣點布置見圖2。

圖2 工作面采樣點布置

4.2 效果分析

對選取的6個測點注水前后粉塵濃度變化情況進行監測，并記錄數據，求得每個測點的降塵率，監測數據見表1。

表1 注水前后粉塵濃度變化情況

通過表2數據可知，在工作面未注水前，粉塵濃度介于300～3 312 mg /m3，粉塵濃度過高，工作面作業環境較差。通過對煤層進行深孔高壓注水后，有效降低了工作面的粉塵濃度，回風巷、進風巷距工作面8 m位置處、進風側、移架處、工作面上部以及回風側的降塵率分別為68.9%、68.2%、68.1%、67.7%、71.5%和71.4%，降塵率均在67.7%以上，平均降塵率為69.5%，降塵效果較好。在工作面上部以及回風側位置處，降塵率最大，有效降低了工作面粉塵含量，改善了工作面的作業環境。

4.3 礦壓顯現監測

為了解注水前后工作面壓力的變化情況，在工作面選取6個測點，分別為距離工作面3 m、5 m、7 m、9 m、11 m、13 m位置處測量其壓力大小，將所得數據進行記錄和整理，見表2。

表2 注水前后壓力變化情況

通過表中數據可知，在距離工作面3 m、5 m、7 m、9 m、11 m、13 m時，注水前的壓力分別為8.2 MPa、18.1 MPa、24.4 MPa、29.8 MPa、38.2 MPa、28.4 MPa；注水后的壓力分別為5.3 MPa、9.9 MPa、15.8 MPa、20.7 MPa、25.4 MPa、21.3 MPa；分別減小了35.4%、45.3%、35.2%、30.5%、33.5%、25.0%。在大約距離工作面11 m左右，壓力出現峰值。注水前，最大壓力值為38.2 MPa；注水后，最大壓力值為25.4 MPa；在壓力峰值前，壓力平均降低率都在30%以上。由此可知，在煤層中注水，可以起到一定程度的卸壓效果，大大減小了工作面煤壁發生片幫的可能，維護了巷道圍巖的穩定性。

5 結語

1）根據晉華宮礦8109工作面的工程地質條件，確定了煤層注水孔的位置、直徑、鉆孔長度、孔間距、封孔長度以及注水參數。

2）煤層進行注水后，有效降低了工作面的粉塵濃度，保證了礦工的健康與安全，所設測點的降塵率均在67.7%以上，平均降塵率為69.5%，降塵效果較好。

3）煤層進行注水后，工作面煤層的物理性質得到改善，支撐壓力明顯降低。注水前后，煤層的峰值壓力均出現在距離工作面大約11 m左右的位置，注水前后的峰值強度分別為38.2 MPa、25.4 MPa，降低了33.5%，大大減少了工作面煤壁片幫現象的發生。