采煤工作面煤層注水防塵施工參數(shù)優(yōu)化及應(yīng)用

霍 文(山西鋪龍灣煤業(yè)有限公司,山西大同037100)

1 前言

隨著礦井綜合機(jī)械化水平的提升,采掘工作面粉塵產(chǎn)生量也呈現(xiàn)逐漸增加趨勢,一線作業(yè)人員長時(shí)間在高粉塵環(huán)境中工作不僅會(huì)降低勞動(dòng)效率,而且會(huì)嚴(yán)重威脅作業(yè)人員身體健康。煤層注水是現(xiàn)階段降低采掘工作面煤塵的重要技術(shù)手段[1-2]。在煤層回采之前通過鉆孔將高壓水注入到煤體內(nèi),使得水流沿著煤體自身裂隙及層理擴(kuò)散,從而提高煤層含水率,預(yù)先浸潤煤體[3-4]。為了提高煤層注水效果,眾多的研究學(xué)者對注水工藝、注水降塵機(jī)理、防突機(jī)理等展開廣泛研究,并在河南焦作、義馬,山西晉城、陽煤等展開工藝應(yīng)用,取得較好的粉塵防治效果[5-7]。由于不同礦區(qū)煤層賦存條件、煤炭開采工藝及技術(shù)水平等存在明顯差異,因此針對礦井開采情況選擇合理的煤層注水工藝可在一定程度上提升煤層注水防塵效果[8-9]。因此,本文以山西某礦5108 綜放工作面為工程研究對象,對礦井井下采用的低壓長鉆孔注水技術(shù)、中壓短鉆孔注水技術(shù)應(yīng)用效果進(jìn)行分析探討,并總結(jié)歸納出合適礦井實(shí)際的注水工藝,以期能在一定程度上提升礦井粉塵防治效果。

2 工程概況

5108 工作面開采5#煤層,煤層厚度平均7.27～8.85 m,內(nèi)含3～5 層泥巖、砂質(zhì)泥巖矸石,厚度約0.3～1.0 m。5108 工作面設(shè)計(jì)推進(jìn)長度1 820 m、開切眼長度215 m,采用綜放開采工藝,采放比為1∶1.72。5#煤層賦存較為穩(wěn)定,受到區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響,工作面開采的煤層整體傾向?yàn)閃—SW。5#煤層原始瓦斯含量為6.8 m3/t,堅(jiān)固性系數(shù)f為0.4～0.7,透氣性系數(shù)為0.2～0.456 m2/MPa2·d,原始含水率平均為2.43%,原始含水率較低。為了降低煤層瓦斯涌出影響,在工作面回采巷道內(nèi)布置有本煤層瓦斯抽采鉆孔,抽采鉆孔間距5 m、孔深100 m。瓦斯抽采后煤層原始含水率會(huì)進(jìn)一步降低。煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 5#煤層頂、底板情況

3 煤層注水工藝分析

現(xiàn)階段礦井常用的注水工藝包括有長孔低壓、短孔高壓兩種方式。長孔低壓是利用回采巷道內(nèi)布置的瓦斯抽采鉆孔進(jìn)行煤層注水,注水時(shí)機(jī)為超前回采工作面50～10 m;短孔高壓是在工作面利用區(qū)域驗(yàn)證孔以及重新施工注水鉆孔(孔深一般為15 m),進(jìn)行短時(shí)間高壓注水。

3.1 回采巷道長孔低壓注水工藝

為了降低煤炭回采時(shí)瓦斯涌出量,在工作面回采巷道內(nèi)布置孔深100 m 的瓦斯抽采鉆孔,同時(shí)為了降低后續(xù)注水鉆孔施工工程量,煤層注水即利用已有的瓦斯抽采鉆孔進(jìn)行。以5108 運(yùn)輸順槽內(nèi)注水為例,對長孔低壓注水工藝進(jìn)行分析。

由于5#煤層厚度7.27～8.85 m,在運(yùn)輸順槽內(nèi)布置上下兩排瓦斯抽采鉆孔,開孔分別距底板1.0 m、1.6 m,鉆孔孔深均為100 m,兩排瓦斯抽采鉆孔呈三花眼布置形式,鉆孔間距均為5.0 m。在超前回采工作面50 m 時(shí)開始注水,鉆孔通過φ50 mm 封孔管、聚氨酯采用“兩堵一注”方式,封孔長度均為20 m。鉆孔孔口均安裝閥門,采用三通與注水管路、瓦斯抽采主管路連接。

在距離回采工作面50～100 m 內(nèi)瓦斯抽采孔即停止接抽,并對抽采鉆孔進(jìn)行改造,斷開與主抽采管路連接,并與低壓注水系統(tǒng)連接。根據(jù)現(xiàn)場情況將5～10 個(gè)抽采鉆孔布置為一組,并通過10 m 儲(chǔ)水槽(用φ150 mm 瓦斯管改造)與注水鉆孔連接,儲(chǔ)水槽一端與井下壓水管路連接。在儲(chǔ)水槽進(jìn)水側(cè)安裝水表用以掌握注入到煤層內(nèi)水量。具體回采巷道長孔低壓注水系統(tǒng)布置如圖1所示。

圖1 長孔低壓注水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 工作面中壓注水工藝

在工作面檢修班通過布置注水鉆孔進(jìn)行注水。在距底板1.5 m 位置布置注水孔,孔徑、孔深、間距分別為89 mm、15 m、5 m。鉆孔施工完畢后采用型號(hào)FSKK-63/4 型封孔器進(jìn)行封孔,封孔深度在4 m以上。封孔時(shí)將封孔器與布置在運(yùn)輸順槽內(nèi)的注水泵連接提供動(dòng)力,注水泵提供的水壓在10 MPa。具體工作面內(nèi)中壓注水系統(tǒng)布置情況如圖2所示。

圖2 工作面短孔中壓注水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在5108 工作面內(nèi)共布置40 個(gè)注水鉆孔,每10個(gè)注水鉆孔為一組,進(jìn)行注水。注水共分2 個(gè)階段,初期注水時(shí)間為15 min,此時(shí)間段內(nèi)應(yīng)保持小流量注水,15 min 后開始逐漸增加注水量,注水時(shí)間控制在45 min,確保單孔注水量在0.5 m3以上。工作面內(nèi)注水鉆孔鉆進(jìn)耗時(shí)3 h、注水耗時(shí)4 h,在設(shè)備檢修時(shí)間可實(shí)現(xiàn)工作面中壓注水工作。但是注水工作安排較為緊湊,需要作業(yè)人員具有較高的熟練度及相互配合意識(shí)。

3.3 綜合注水工藝

綜合注水工藝即為將回采巷道長孔低壓注水以及工作面中壓注水工藝相結(jié)合。通過綜合注水增加工作面煤層含水率。

4 注水效果分析

4.1 含水率變化分析

為了考察不同注水工藝下煤層含水量、工作面粉塵防治效果,將5108 工作面回采劃分為三個(gè)階段:階段1 為工作面推進(jìn)200～300 m,此階段僅通過回采巷道長孔低壓注水工藝進(jìn)行煤層注水;階段2為工作面推進(jìn)300～400 m,此階段僅通過工作面中壓注水工藝;進(jìn)行煤層注水;階段3 為工作面推進(jìn)400～500 m,此階段采用綜合注水工藝。在上述3個(gè)生產(chǎn)階段內(nèi)分別在取工作面前方10 m 位置煤樣進(jìn)行含水率測定,從而對不同注水工藝下煤層含水率變化情況進(jìn)行考察。具體不同注水工藝下煤層含水率變化情況如圖3所示。

圖3 不同注水工藝下煤層含水率測定結(jié)果

從圖中看出,在未注水前5#煤層原始含水率平均2.43%,含水率相對較低;采取長孔低壓注水后,深煤層平均含水率平均增加至3.22%,含水率增加幅度達(dá)到32.5%,但是煤體內(nèi)含水率變化較大;采取短孔中壓注水技術(shù)后,煤層含水率平均增加至3.48%,含水率增加幅度達(dá)到43.8%,煤層含水率分布相對均衡,但是由于注水鉆孔較短,煤層注水有效影響范圍較小;采取綜合注水技術(shù)后,煤層含水率平均增加至5.45%,增加幅度達(dá)到124.3%,各取樣點(diǎn)煤層含水率分布也較為均衡。

4.2 工作面粉塵濃度

對不同注水工藝下工作面采煤機(jī)后方10～15 m、轉(zhuǎn)載機(jī)以及上安全出口(回風(fēng)順槽與工作面交匯位置)粉塵濃度進(jìn)行測定,在測定時(shí)采煤機(jī)、回采巷道噴霧等措施正常使用,具體測定結(jié)果如圖4所示。

圖4 工作面粉塵濃度測定結(jié)果

從圖中看出,在工作面僅在回采巷道內(nèi)采用長孔低壓注水技術(shù)時(shí)(階段1),工作面內(nèi)粉塵濃度平均在65 mg/m3;在工作面采取短孔中壓注水技術(shù)時(shí)(階段2),工作面內(nèi)粉塵濃度平均為54 mg/m3,較采取長孔低壓注水粉塵濃度降低16.9%;而采取綜合注水工藝后,工作面粉塵濃度降低至24 mg/m3,較采取長孔低壓注水工藝、短孔中壓注水工藝時(shí)分別降低63.1%、55.6%,具有較好的降塵效果。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)5108 綜放工作面現(xiàn)場回采情況,提出采用回采順槽內(nèi)已有的瓦斯抽采孔,并對瓦斯抽采管路進(jìn)行改造,通過井下壓水管路進(jìn)行長孔低壓注水,在注水過程中無需采用注水泵且不用安排專人進(jìn)行值守。

(2)在5108 綜采工作面分段采取長孔低壓、短孔中壓以及綜合注水工藝,現(xiàn)場應(yīng)用后發(fā)現(xiàn)采取長孔低壓、短孔中壓后煤層原始含水率有所增加,但是工作面粉塵濃度仍較高。采取綜合注水工藝后,煤層原始含水率增加幅度達(dá)到5.45%,增加幅度達(dá)到124.3%;工作面粉塵濃度降低至24 mg/m3左右,具有好的粉塵防治效果。

(3)工作面采取綜合注水工藝后,注水工作量雖然后所提升,但是在工作面內(nèi)采取短孔中壓注水時(shí)安排注水工藝,在工作面檢修班可完成注水工作,不會(huì)占用工作面正常生產(chǎn)時(shí)間,可顯著降低工作面粉塵濃度,為作業(yè)人員創(chuàng)造良好的工作條件。