掘進工作面分段封孔注水防塵技術的應用

成 晨

（霍州煤電集團金能煤業有限公司，山西 忻州 035100）

煤礦大斷面煤巷綜掘工作面的應力集中程度相對高于一般綜掘工作面，其煤巖體較為破碎，在掘進割煤時產生的粉塵量更大，粉塵濃度也更高[1-2]。高濃度粉塵不僅影響施工效率，還會引起煤塵爆炸及工人塵肺病等問題，因此，如何有效防治掘進工作面粉塵是每個煤礦必須面對的問題。目前的綜掘工作面主要防塵措施有長壓短抽、機載高壓噴霧、泡沫除塵等，但這些措施不能從源頭上解決粉塵問題[3]。可采用煤層注水的方式，提前浸潤煤體，降低煤體的脆性，從而降低掘進時產生的粉塵含量[4-5]。為此，金能煤業一采區回風上山綜掘工作面開展了煤體分段封孔注水防塵技術研究。

1 工程背景

金能煤業一采區回風上山沿2#煤層底板掘進，煤層平均厚度9.8 m，煤層傾角7°～28°，平均12°，頂板為泥巖和砂質泥巖。具體頂底板結構見表1。

一采區回風上山施工長度為1306 m，設計斷面為矩形，掘寬×掘高=5.44 m×4.12 m，為大斷面煤巷。巷道采用綜掘機沿煤層底板截割掘進，采用局扇壓入式通風，最長供風距離為1610 m。目前的主要防塵措施為掘進面防塵凈化水幕及各轉載點安設噴霧，由于礦井水雜質較多且掘進面環境惡劣，導致防塵噴霧裝置頻繁堵塞，工作面粉塵濃度依舊較高，其中，85.5%的粉塵粒度小于50 μm，危害較大。

2 分段封孔注水降塵技術

2.1 注水系統

本次施工采用的注水系統主要分為高壓泵送站、進水回水閥門、自動控制水箱、高壓膠管及分段式封孔注水器等組件，其系統布置如圖1。

圖1 注水系統布置圖

（1）高壓泵站

本次施工采用的高壓泵站包含水泵、水箱及開關控制柜等，不僅需滿足煤層注水的用水需求，還需滿足掘進面轉載噴霧等用水需求。因此，要求高壓泵站提供的用水量及水壓應大于兩者需求值的總和。原掘進面配套的BPW80/31.5 型高壓泵的額定壓力為31.5 MPa，額定流量為80 L/min，可以滿足上述需求。

（2）管路系統

高壓泵站一端連接礦井靜水，一端通過內徑為25 mm 的高壓膠管至掘進工作面迎頭，再通過變徑直通連接內徑為13 mm 的高壓膠管，最終與分段式封孔注水器相連，實現高壓注水。

（3）分段式封孔注水器

分段式封孔注水器主要由帶孔鋼套管、分段封孔器、高壓膠管等組件構成，如圖2。

圖2 分段式封孔注水器結構示意圖

該封孔注水器的外徑為39 mm，所需的鉆孔直徑為50 mm，每段封孔器長度為5400 mm，共分為2 段，工作壓力為6～19 MPa。

2.2 鉆孔布置方式

在一采區回風上山巷道掘進面共布置4 個鉆孔，其中1 個注水孔（1#孔），3 個采樣孔（2～4#孔），4 個鉆孔在同一水平線上，距巷道底板高度為1.5 m。其中，2#孔與1#孔間距為1.0 m，3#孔與1#孔間距為1.5 m，4#孔與1#孔間距為2.0 m。具體布置方式如圖3。

圖3 注水鉆孔布置方式（m）

4 個鉆孔孔徑均為50 mm，孔深均為12 m，沿煤層傾向打孔。通過布置的鉆孔進行煤層注水濕潤半徑試驗，以此來確定煤層注水參數。

2.3 煤層注水參數分析

（1）注水量及注水時間與注水壓力的關系

煤層注水效果主要受煤層賦存條件、注水壓力等因素的影響，其中注水壓力對于煤層注水效果起主要作用。因此，選擇注水壓力分別為10 MPa、12 MPa、14 MPa、16 MPa 進行注水效果試驗，分析不同注水壓力下的注水時間及注水量等參數。測試結果見表2。

由表2 可知，隨著注水壓力的增大，注水時間逐漸減小，而注水量呈逐漸增大的趨勢。由于注水壓力提高后，高壓水流可以在更短時間內擴張并貫通煤體裂隙，使得煤體在短時間內也能夠充滿更多的水。為便于現場施工管理，不影響掘進速度，需在保證注水量的前提下，盡可能地縮短注水時間，因此，應選取較高的注水壓力。

表2 不同注水壓力條件下煤層注水參數

（2）注水壓力與煤層濕潤半徑的關系

采用不同的注水壓力對鉆孔進行注水，并檢測采樣孔不同深度的煤體含水率，對比分析不同注水壓力的煤層濕潤半徑，檢測結果見表3 ～表6。

表3 16 MPa 注水壓力下煤樣濕潤效果實測

表4 14 MPa 注水壓力下煤樣濕潤效果實測

表5 12 MPa 注水壓力下煤樣濕潤效果實測

表6 10 MPa 注水壓力下煤樣濕潤效果實測

由檢測結果可知，10 MPa 注水壓力下的采樣孔內的含水率增量小于1%，注水效果較差，其余注水壓力條件下的孔內含水增量較大，注水效果較好。結合煤層條件分析得出：10 MPa 注水壓力下的煤層濕潤半徑為0.4 m；12 MPa 注水壓力下的煤層濕潤半徑為1.4 m；14 MPa 注水壓力下的煤層濕潤半徑為1.6 m；16 MPa 注水壓力下的煤層濕潤半徑為2.1 m。該條件下僅需在巷道中部施工1 個注水鉆孔，就可以對整個斷面的煤層進行濕潤降塵。因此，綜合考慮一采區回風上山掘進工作面的注水降塵最佳注水壓力為16 MPa。

3 注水防塵效果分析

綜合現場實際情況及研究結果，確定最佳煤層分段封孔注水防塵技術參數為：孔深為12 m，注水壓力為16 MPa，注水時間為20 min，注水量為1200 L。

在一采區回風上山掘進工作面采用該分段封孔注水降塵技術后，采用粉塵采樣儀對工作面掘進機司機位置、掘進機后方5 m 處的總粉塵、呼吸性粉塵的濃度變化進行監測，監測結果見表7。

表7 分段注水前后粉塵濃度監測結果

由表7 可以看出，采用分段封孔注水降塵技術后，一采區回風上山掘進面司機位置處的總粉塵及呼吸性粉塵濃度分別下降至653.7 mg/m3及234.1 mg/m3；掘進機后方5 m 處的總粉塵及呼吸性粉塵濃度分別下降至466.4 mg/m3及155.3 mg/m3；掘進工作面總粉塵的降塵率為62.3%～69.7%，呼吸性粉塵的降塵率為63.7%～68.9%。粉塵濃度大幅度降低，有效改善了掘進工作面的作業環境，保證礦井安全高效生產。

4 結論

（1）通過現場煤層注水效果試驗，得出10～16 MPa 注水壓力下的煤層濕潤半徑為0.4～2.1 m。

（2）綜合考慮注水時間、注水量、煤層濕潤半徑等參數，結合現場實際條件，確定一采區回風上山掘進工作面的最佳注水壓力為16 MPa，孔深為12 m，注水時間為20 min，注水量為1200 L。

（3）對一采區回風上山掘進工作面采用分段封孔注水降塵技術后，工作面總粉塵的降塵率為62.3%～69.7%，呼吸性粉塵的降塵率為63.7%～68.9%，有效降低了粉塵濃度。