采煤工作面瓦斯與粉塵防治技術研究

＊姬宇杰

（山西潞安工程有限公司 山西 046102）

引言

井工礦井煤炭資源回采時，瓦斯、粉塵等是制約煤炭高效開采的不利因素之一，因此構建合理的瓦斯、粉塵治理體系顯得尤為重要[1-2]。為此，眾多學者及技術人員對瓦斯、粉塵治理技術展開研究，其中陳建國等[3]針對堅硬頂板綜采工作面回采初期采空區頂板懸空面積大、采空區瓦斯涌出高等問題，在頂板強制放頂基礎上，綜合煤壁鉆孔卸壓、強化通風、采空區瓦斯抽采方式進行瓦斯治理，為采面安全生產創造良好條件；李東棟[4]針對萬峰煤礦回采煤層滲透性差、松軟等導致瓦斯抽采效果不佳問題，提出采用“兩堵一注一排”方式進行封孔，并具體給出施工工藝、通孔及排渣方案等，現場應用后鉆孔單孔瓦斯抽采體積分數普遍在70%以上，抽采支管瓦斯體積分數一般在35%以上，提高了工作面瓦斯治理效率；康龍龍[5]針對東曲礦18304工作面回采期間瓦斯及粉塵濃度高問題，結合現場實際情況從抽采管路選型、管路鋪設、鉆孔布置及封孔等方面提出瓦斯抽采系統，同時通過布置防塵措施、煤層注水等進行粉塵防治，工程應用采面瓦斯濃度體積分數在0.5%以內、粉塵濃度控制在160mg/m3以內，取得了較好的瓦斯及粉塵防治效果。文中就以山西某礦3105綜采工作面為工程背景，對采面回采期間采取的瓦斯與粉塵防治技術進行分析，以期為其他礦井類似情況瓦斯與粉塵治理工作開展提供經驗借鑒。

1.工程概況

3105綜采工作面位于南翼采區，走向長度2520m、傾向長度200m，回采范圍內地質構造不發育，開采的3#煤層瓦斯含量高、原始含水率低、透氣性差，具體3#煤層瓦斯參數見表1所示。采面主要綜采設備包括有：MG750/1915-GWD采煤機、ZY5100/20/42液壓支架、SGZ-1000/1400刮板輸送機、SZZ-1000/400轉載機、BRW200/31.5X乳化泵及PLM-3000破碎機，設計每天割6刀，單刀進尺800mm。3105綜采工作面回采的3#煤層瓦斯含量高、煤層松軟且原始含水率偏低，導致采面正常推進期間瓦斯、粉塵濃度較高。

表1 3#煤層瓦斯參數

2.采煤工作面瓦斯與粉塵治理技術

(1)瓦斯治理技術

3105綜采工作面回采3#煤層原始瓦斯含量、瓦斯壓力偏高，回采期間瓦斯涌出量大，回風隅角及回風流容易出現瓦斯超限問題，為此結合礦井瓦斯治理經驗，提出綜合本煤層鉆孔+高抽巷+采空區埋管進行瓦斯治理。

①本煤層鉆孔

在3105回風巷布置本順層鉆孔進行區域瓦斯預抽，具體鉆孔布置情況見圖1所示。鉆孔開孔位于底板上方1.4m位置，孔深180m、孔徑113mm、間距5m，采用“兩堵一注”方式封孔，封孔距離在15m以上，抽采負壓在23kPa以上，瓦斯預抽6個月以上。

圖1 本煤層鉆孔布置圖

②高抽巷

3105綜采工作面推進速度平均為4.8m/d，采面推進速度快，煤炭回采期間大量的卸壓瓦斯、采空區瓦斯受通風負壓影響會向回采空間涌出，容易引起回風隅角、回風流等瓦斯超限，而常規的高位鉆孔雖然可減少頂板裂隙瓦斯涌出，但是受鉆孔孔徑小、布置數量少及抽采量低等影響，僅能攔截部分頂板裂隙瓦斯涌出。為此，將高抽巷應用到3105綜采工作面瓦斯治理中。

在3105綜采工作面頂板砂質泥巖層中掘進抽放巷，具體布置見圖2所示，抽放巷位于3#煤層頂板上覆15～20m，與回風巷水平距離為20m。

圖2 高抽巷布置示意圖

③采空區埋管

在3105回風順槽內鋪設φ325mm瓦斯抽采管路并從回風隅角進入采空區，在回風隅角位置按照一定間隔砌筑袋子墻；當發現采空區瓦斯涌出量較大或者回風隅角瓦斯濃度超過0.6%時，開啟采空區埋管抽放。具體采空區埋管布置情況見圖3所示。

圖3 采空區埋管示意圖

(2)粉塵治理技術

①現有粉塵治理措施分析

3105綜采工作面現階段綜合采用煤層注水、噴霧降塵方式進行粉塵治理。具體措施為：A.在回采巷道按50m間隔布置噴霧裝置，在采面內布置2道噴霧裝置；B.利用回風巷瓦斯抽采鉆孔進行注水，注水壓力控制在5～8MPa，單孔注水時間保持在120～180min，注水在超前采面150m外進行；C.采煤機割煤時通過機載噴霧裝置除塵。

3105綜采工作面割煤及移架等均會產生大量的粉塵，采面各位置粉塵濃度偏高，采煤司機位置能見度在15～20m，現采取的粉塵治理措施效果不佳。結合3105綜采工作面現場情況分析現有粉塵治理措施存在下述問題：A.煤層注水效果較差，利用回風巷內已有鉆孔進行煤層注水期間，受鉆孔塌孔、鉆孔間距大等因素，煤層注水量偏低，注水效果較差，現場取樣測定注水區煤層含水率普遍在2.3%以內；B.噴霧降塵效果差，在回采巷道及采面內布置的噴霧降塵裝置噴嘴容易堵塞，噴霧霧化效果不佳，粉塵捕獲效果不好。

②采面粉塵治理技術改進

針對3105綜采工作面現有粉塵治理措施不佳問題，在原粉塵治理措施基礎上采用淺孔注水、增設支架噴霧系統方式提升粉塵治理效果。

A.淺孔注水

3105綜采工作面內按照7.5m間隔布置注水鉆孔，其中靠近兩側的鉆孔與進風巷、回風巷間隔分別為10m、15m，具體鉆孔布置見圖4所示，鉆孔孔深均為10m、孔徑42mm，垂直煤壁施工。

圖4 工作面淺孔注水布置示意圖

3105綜采工作面內淺孔注水涉及的主要設備包括有供水管路、注水支管、泵站、封孔器及水質過濾器等。注水使用型號BPW315/16泵站、FKSS-38/20型封孔器。鉆孔注水壓力控制在6～8MPa，同時為提升注水效果、增大煤層含水率，在注水系統中添加7‰的浸潤劑。

B.布置移架噴霧裝置

在采面ZY5100/20/42液壓支架上增設移架噴霧降塵裝置，減少移架期間粉塵產生量，從而降低工作面內粉塵濃度，具體噴霧降塵裝置布置情況見圖5所示，噴霧降塵裝置技術規格為：在液壓支架上安裝4個高壓噴霧噴頭、噴霧水量控制在18L/min左右、噴霧壓力控制在4～8MPa。具體噴霧裝置工作流程為：噴霧裝置跟蹤監測液壓支架立柱壓力，并依據立柱壓力變化判定支架降柱、移架等動作，同時在降柱、移架期間自動開啟進行噴霧降塵，從而減少移架期間粉塵外溢量。

圖5 移架噴霧裝置示意圖

C.工作面內增設降塵水幕

在采面間隔20個支架布置一個降塵水幕，水幕用水量控制在21L/min，具體降塵水幕技術規格為：水幕長1100mm，在水幕上布置有3個高壓噴頭，噴頭間隔為500mm，噴霧壓力在6MPa左右，噴霧裝置與紅外傳感器連接，當監測到有人通過時自動停止噴霧。

3.采面瓦斯與粉塵防塵效果分析

在3105綜采工作面瓦斯治理采用本煤層鉆孔+高抽巷+采空區埋管（大直徑管）方式，通過本煤層瓦斯預抽可有效降低回采范圍內煤層瓦斯含量、通過高抽巷+采空區埋管降低采空區、頂板裂隙瓦斯涌出量。現場應用后，工作面回采期間回風流、回風隅角瓦斯濃度在0.35%、0.48%以內，且瓦斯濃度波動較小，表明采用的瓦斯治理措施效果顯著。

3105綜采工作面在后續生產期間綜合回風巷超前注水+采煤機噴霧降塵+采面淺孔注水+液壓支架移架噴霧+采面內降塵水幕方式進行粉塵治理，通過強化煤層注水工作提高煤層含水率，從根本上減少采面推進期間粉塵產生量；同時注重粉塵產塵點噴霧降塵工作，控制粉塵外溢量，以便有效改善工作面內環境質量、降低空氣中粉塵濃度。現場應用后，采面采煤機、轉載司機及移架工等位置粉塵濃度最高可分別降152.7mg/m3、639mg/m3、78.1mg/m3以內，粉塵治理效果顯著。

4.總結

3105綜采工作面回采的3#煤層瓦斯含量高、煤層含水率低、產塵強度大，工作面在回采期期間面臨瓦斯涌出量大、粉塵濃度高等問題。結合3105綜采工作面現場情況，針對性提出瓦斯與粉塵防治措施，具體瓦斯治理采用本煤層鉆孔+高抽巷+采空區埋管方式；綜合回風巷超前注水+采煤機噴霧降塵+采面淺孔注水+液壓支架移架噴霧+采面內降塵水幕方式進行粉塵治理。

對采面瓦斯及粉塵治理技術措施進行詳細分析，工程應用后采面回風流、回風隅角瓦斯體積分數分別控制在0.35%、0.48%以內；采煤機、轉載司機及移架工等位置粉塵濃度最高可分別降152.7mg/m3、639mg/m3、78.1mg/m3以內。3105綜采工作面采取的瓦斯及粉塵治理措施效果顯著，為煤炭高效回采創造了良好條件。