辛置礦2-559工作面煤層注水降塵技術應用

孫海峰

（霍州煤電集團公司辛置煤礦，山西 霍州 031412）

1 工程概況

山西焦煤公司霍州煤電集團辛置煤礦2-559工作面位于450 水平南五采區，工作面標高為306～370 m，工作面北為2-534 工作面采空區，東部為2-560 掘進工作面，南部為310 回風巷、310皮帶巷及310 軌道巷，西部為上跑蹄風井與工業廣場保安煤柱。工作面開采2#煤層，煤層厚度為3.35～4.41 m，平均厚度為3.75 m，平均傾角5°，煤層結構復雜，含兩層夾矸，煤層頂板巖層為泥巖和K8中細砂巖，底板巖層為泥巖和中砂巖，2#煤層煤塵具有爆炸性。

2-559 工作面采用一次采全高綜合機械化采煤法進行回采，采高為：3.35～4.10 m，循環進度0.8 m。由于工作面煤層節理裂隙發育，且采用綜采回采期間工作面的粉塵含量較高，為優化工作面的回采作業環境，在工作面回采前采用煤層注水降塵技術。

2 煤層注水降塵方案

2.1 煤層注水降塵機理

在煤層內進行注水作業時，動力水進入煤層后主要先在內部的裂隙和孔隙中進行滲透，當注水完畢后，水在煤體中會出現毛細運動和擴散運動，達到增大煤體內水分的目的。煤層注水降塵機理主要包括：①潤濕了煤層內的原生煤塵，使煤塵喪失飛揚能力；②有效的包裹了煤體的細小部分，降低浮游煤塵的產生；③改變了煤體的物理力學性質，降低煤體破碎成塵的可能性；④注水后的煤層，在工作面后續整個生產流程中具有連續防塵的作用。

在進行煤層注水作業時，注水壓力和注水濕潤運動狀態起著決定性的作用，動壓水會最先沿著鉆孔向煤壁四周的原生裂隙通道內流動，在水壓作用下煤體裂隙會進一步擴展發育，從而為水流進一步提供流通的通道；隨著注水作業的進行，煤層裂隙范圍區域的煤體會逐漸濕潤直至達到飽和狀態。在注水過程中，隨著水在煤體裂隙內的流動，壓力會逐漸損失，故在注水孔周圍的煤體表現為飽和吸水狀態。隨著距離注水鉆孔距離的增大，煤體的濕潤逐漸進入到非飽和區和非濕潤區，煤體濕潤區的分布見圖1。

圖1 距離鉆孔中心變化煤體濕潤區的分布

2.2 注水降塵方案

（1）注水鉆孔布置方式

根據2-559 工作面的地質條件，結合工作面現場施工條件及注水降塵技術原理，設置工作面采用雙側布孔注水，即分別在運輸巷和回風巷內布置注水鉆孔。注水鉆孔布置在距離巷道底板1 m的位置處，鉆孔直徑為75 mm，長度為60 m；注水鉆孔布置的合理間距為能確保兩鉆孔濕潤范圍可相互覆蓋，根據眾多試驗研究及工程實踐結果可知[1-2]，鉆孔濕潤半徑為5.3 m。為此，設置注水鉆孔的間距為10 m，施工鉆孔的傾角為-3°，工作面最佳注水區域為超前工作面25～40 m 的范圍，注水鉆孔布置形式見圖2。

圖2 煤層注水鉆孔布置形式

（2）注水工藝參數

①注水方式：為確保煤層注水的降塵效果，現采用靜壓注水與動壓注水相結合的施工工藝。其中，動壓注水采用脈動動壓工藝，在進行煤層注水施工中，通過設置好脈沖壓力，并合理調控注水過程，以此確保注水效果。

②單孔注水量：鉆孔的單孔注水量可通過下式進行計算：

式中：Q為單個鉆孔注水量，m3；B 為孔間距，m；L為鉆孔長度，m；M 為煤層厚度，m；r 為煤容量，T/m3；W1為注水后要求達到的水分，取4%；W2為煤層原有水分，1.03%；K 為考慮圍巖吸收水分、水的流失和注水不均勻系數，一般取1.5～2.0。

Q 為單孔注水量，結合工作面的各項參數，計算得出單孔注水量Q=219.57 m3。

③脈沖壓力及注水時間：脈沖動壓注水時，合理的注水壓力能夠實現煤層內部孔隙與裂隙的相互溝通。基于眾多理論分析和現場實測數據[3-4]，綜合確定最大的脈沖注水壓力為7 MPa；另外考慮到本工作面采用脈沖動壓注水和靜壓注水相結合的方式，為確保兩種注水時間基本相等，設置先采用靜壓注水作業。靜壓注水作業的持續時間為4 h，在其結束后的2 h 內，再進行脈動動壓注水作業。當脈沖動壓注水時其終孔壓力達到最大壓力，且注水時間達到4 h 時，間隔2 h，繼續進行動壓注水，如此循環往復，直至單孔注水量達到設計值，或煤壁出現“冒汗”現象時停止脈沖動壓注水作業。

④封孔工藝：本次注水鉆孔封孔采用水泥封孔，使用的材料主要為425#普通硅酸鹽水泥和膨脹劑，水泥砂漿的水泥：水=1:0.4，設置封孔長度為12 m，在封孔長度范圍內的兩端采用聚氨酯面紗形成封閉，為注入水泥漿提供保障，封孔方式見圖3。

圖3 封孔方式

（3）注水系統及施工方法

本次煤層注水鉆孔采用脈沖式動壓與靜壓相結合的混合注水方式。注水時采用三孔并聯注水。在進行鉆孔注水作業時，先將注水管路連接至靜壓水管上，靜壓注水作業結束后，開啟脈沖動壓注水泵，在脈沖注水時間達到后關閉脈沖注水泵，再間隔2 h后繼續進行靜壓注水作業，如此循環往復直至鉆孔注不進水或者煤壁表面出現“出汗”現象時即可停止該鉆孔的注水作業，并及時封堵孔口[5-6]。注水系統布置形式見圖4。

圖4 注水系統布置方式

3 降塵效果分析

為分析驗證2-559 工作面煤層注水降塵的效果，分別在煤層注水前后進行呼吸性粉塵和全塵濃度的測試作業。現場進行粉塵濃度測試時，布置4 個測點，測點分別布置在采煤機司機處、液壓支架移架處、工作面回風巷10～15 m 和采煤機下風側10 m 的位置處，測塵點布置位置見圖5。

圖5 測塵點布置位置

根據粉塵濃度測試結果，能夠得出工作面不同測點在煤層注水前后粉塵濃度的測試結果見表1。

表1 煤層注水前后粉塵濃度對比

分析表1可知，煤層注水后，工作面不同區域的呼塵和全塵濃度均大幅下降。其中，四個測點中呼塵降塵率最大的為工作面回風巷10～15 m的范圍，該處降塵率可達58.1%；四個測點中全塵降塵率最大的為采煤機司機處，該處降塵率可達58.8%，其次為工作面回風巷10～15 m 處，該處全塵降塵率為58.7%。基于上述實測數據分析可知，煤層注水降塵技術實施后，工作面各區域呼塵降塵率均在53%以上，全塵降塵率均在56%以上，降塵效果顯著。

4 結語

基于2-559 工作面的煤層賦存特征及開采條件，根據煤層注水降塵機理進行工作面煤層注水降塵方案的設計，確定工作面采用靜壓與動壓注水相結合的注水方式，從注水鉆孔布置、注水工藝參數、注水系統及施工方法三個方面具體進行設計，根據注水前后粉塵濃度測試可知，煤層注水方案實施后，降塵效果顯著。