“三軟”工作面深孔注水防塵技術(shù)研究

文/李延河 劉寶敏

河南平禹煤電有限責(zé)任公司一礦位于禹州煤田東北部，井田面積13.5km2，礦區(qū)煤層主要分布在太原組和山西組，其中山西組二1煤層為主要開(kāi)采煤層。二1煤體及頂?shù)装逅绍浧扑?，硬度低，屬于典型的“三軟”煤層，工作面在回采和掘進(jìn)期間產(chǎn)塵量較大，綜合防塵一直是礦井“一通三防”管理工作中的難題，特別是綜采放頂煤工作面，正常生產(chǎn)期間工作面及回風(fēng)巷粉塵飛揚(yáng)，最高粉塵濃度達(dá)到28.95mg/m3，工作環(huán)境差，危害了職工身心健康。同時(shí)，由于煤體破碎，工作面在割煤期間極易出現(xiàn)連續(xù)大面積煤壁片幫現(xiàn)象，僅維護(hù)治理煤壁片幫這一項(xiàng)工作，每班就需要抽調(diào)3～5人耗時(shí)2小時(shí)以上，嚴(yán)重制約了安全生產(chǎn)。

為消除安全隱患，改善井下勞動(dòng)條件，進(jìn)一步優(yōu)化綜采工作面回采工藝，保證安全高效生產(chǎn)，平禹一礦采用以深孔注水技術(shù)為主的治理優(yōu)化技術(shù)，成功解決了降低回采作業(yè)期間產(chǎn)塵量的問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)了綜采放頂煤工作面安全高效生產(chǎn)。

一、工作面概況

13110工作面位于三采區(qū)下山東翼第六個(gè)工作面，該工作面北臨二1-13091工作面（已采），南臨三采區(qū)未開(kāi)采區(qū)域，西臨三采區(qū)皮帶下山保護(hù)煤柱，東至東井水倉(cāng)保護(hù)煤柱。工作面地面標(biāo)高+132～+141m，井下標(biāo)高-328～-216m。工作面采用走向長(zhǎng)壁后退式采煤方法，綜采放頂煤工藝。所采二1煤層為“三軟”煤層，可采走向長(zhǎng)820m，傾斜長(zhǎng)126.5m，可采儲(chǔ)量64.63萬(wàn)噸。工作面北高南低，平均煤厚5m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，局部煤層有0.3m～0.8m夾矸。煤層傾角16°～30°，平均23°。煤層直接頂為中粒砂質(zhì)泥巖，厚度2.39m，直接底為砂質(zhì)泥巖或泥巖，煤層厚度變化較大，煤質(zhì)松軟，賦存條件復(fù)雜，回采過(guò)程中兩巷動(dòng)壓區(qū)及采面頂板管理難度較大。

二、注水方案及施工設(shè)計(jì)

采取在工作面風(fēng)巷沿煤層傾斜方向與煤層傾角平直的方法，施工下行鉆孔作為工作面深孔注水鉆孔，在工作面風(fēng)巷車場(chǎng)口安裝高壓注水泵，通過(guò)專用管路與注水孔連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面煤體不間斷動(dòng)壓注水。

1.注水設(shè)備

注水泵選用BRW200/31.5型乳化液泵，鉆機(jī)采用ZDY4000R型全液壓坑道鉆機(jī)，鉆桿和鉆頭分別采用Φ73mm三棱螺旋鉆桿和Φ75mm鉆頭，封孔注漿泵采用ZBQ-8/2氣動(dòng)注漿泵，采用SGS雙功能高壓水表對(duì)注水壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，配套附件：Φ16mm高壓軟管等。

2.注水時(shí)機(jī)和鉆孔工藝參數(shù)

注水時(shí)機(jī)指注水工藝和工作面采煤之間的時(shí)空配合關(guān)系。從時(shí)間上來(lái)看，由于要求注水能充分濕潤(rùn)煤體，注水點(diǎn)煤體應(yīng)該在工作面超前支承壓力影響范圍內(nèi)，以加快水的注入速度；從空間上則要求注水點(diǎn)不能因距離工作面太近而影響工作面生產(chǎn)。根據(jù)相鄰工作面礦壓觀測(cè)結(jié)果，工作面超前影響范圍在50~80m之間，工作面推進(jìn)速度為4.2m/d，通過(guò)觀測(cè)，鉆孔注水經(jīng)過(guò)6~8d可以充分濕潤(rùn)臨近鉆孔之間的煤體，由此確定注水點(diǎn)應(yīng)不小于25.2~33.6m，取30m，既滿足注水點(diǎn)在工作面超前影響范圍內(nèi)，也能保證注水充分濕潤(rùn)煤體。

鉆孔間距的大小取決于煤層的透水性、煤層厚度及封孔工藝、注水壓力等綜合因素，由于各礦井地質(zhì)條件不一，觀測(cè)得本煤層注水濕潤(rùn)半徑為5m，根據(jù)相近礦井和本煤層的實(shí)際條件，確定鉆孔間距10m。

鉆孔深度應(yīng)由工作面長(zhǎng)度確定，該工作面傾斜長(zhǎng)度 126.5m，按照《（MT501-1996）長(zhǎng)鉆孔煤層注水方法》要求保留工作面下段煤體寬度20~40m（考慮巷道松動(dòng)泄壓范圍15m），鉆孔設(shè)計(jì)孔深確定為75m。

鉆孔傾角與煤層傾角一致，隨工作面地質(zhì)條件和回采條件變化及時(shí)調(diào)整，施工時(shí)考慮鉆桿自重下垂，下行鉆孔施工時(shí)一般小于煤層實(shí)際傾角2°（注水鉆孔布置如圖1所示）。

圖1 13110注水鉆孔示意圖

3.注水量

單孔注水量Q按下式計(jì)算：

式中：Q——單孔注水量，m3；

L——鉆孔深度，L=75m(減去封孔長(zhǎng)度，考慮注水濕潤(rùn)半徑5m)；

B——鉆孔間距，B=10m；

M——開(kāi)采厚度，取H=2.5m（采面采高）；

γ——煤的容重，γ=1.34t/m3；

q——噸煤注水量，取q=0.02m3/t。

根據(jù)鉆孔參數(shù)計(jì)算得出當(dāng)鉆孔間距為10m時(shí)，單孔注水量為43.55m3。

在實(shí)際注水過(guò)程中，由于采動(dòng)和巷道松動(dòng)圈范圍的限制等因素，單孔注水量一次很難達(dá)到設(shè)計(jì)要求。為保證注水量達(dá)標(biāo)，往往需要不斷提高注水壓力，但一味地提高注水壓力并不能有效解決該問(wèn)題，實(shí)際采用以下技術(shù)措施：

（1）控制注水時(shí)的最大注水壓力。注水時(shí)泵站壓力調(diào)整在8~10MPa之間，孔口壓力控制在6MPa以下，防止因注水壓力過(guò)大出現(xiàn)管路接頭爆裂、破壞封孔效果，引發(fā)注水孔漏水，同時(shí)注水壓力達(dá)到6MPa時(shí)，注水流量開(kāi)始衰減直至為0。

（2）采用反復(fù)、循環(huán)、多輪的方法進(jìn)行注水。反復(fù)循環(huán)多輪是指：若一號(hào)孔注水因注水流量衰減而達(dá)不到設(shè)計(jì)注水量停止注水時(shí)，則連接二號(hào)注水孔進(jìn)行注水，當(dāng)一號(hào)注水孔停止注水24h后，重新連接一號(hào)注水孔繼續(xù)注水，直至達(dá)到設(shè)計(jì)注水量。以此類推，直至所有的注水孔全部達(dá)到設(shè)計(jì)注水量要求。

4.施工組織

平禹煤電公司一礦成立專職注水隊(duì)伍，實(shí)行“四?！惫芾恚磳I(yè)隊(duì)伍施工、專用設(shè)備打鉆、專項(xiàng)考核驗(yàn)收、專項(xiàng)資金支持。礦井專門抽調(diào)人員在通風(fēng)維修隊(duì)成立本煤層深孔注水小組，采用三班連續(xù)作業(yè)的方式組織施工（如圖2所示）。注水小組共配備18人，分為打鉆班、檢修班和注水班3個(gè)小班，其中注水班6人，每班兩人，分三班進(jìn)行注水工作；打鉆班6人，負(fù)責(zé)每天四點(diǎn)班打鉆工作；檢修班6人，負(fù)責(zé)每天零點(diǎn)班檢修設(shè)備，移鉆機(jī)、固孔及現(xiàn)場(chǎng)文明衛(wèi)生等工作。

圖2 13110綜采工作面深孔注水正規(guī)循環(huán)圖表

三、實(shí)施效果分析

1.理論分析

深孔注水技術(shù)是由被動(dòng)防塵措施向主動(dòng)防塵措施轉(zhuǎn)變的一次重大突破，注水后煤層含水量增加，水濕潤(rùn)了煤體內(nèi)的原生煤塵，使其失去飛揚(yáng)能力，并有效地包裹煤體的細(xì)小部分，當(dāng)煤體破碎時(shí)，避免了細(xì)粒煤塵的飛揚(yáng)。水的濕潤(rùn)作用使煤的塑性增加，脆性減弱，當(dāng)煤體受外力作用時(shí)，許多脆性破碎變?yōu)樗苄宰冃危蚨罅繙p少了煤體破碎為塵粒的可能性，降低了產(chǎn)塵量。同時(shí)，由于煤層經(jīng)過(guò)水的充分濕潤(rùn)后，其原生結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，塑性增加，能有效控制煤壁片幫，防止冒頂事故的發(fā)生，有利于工作面的頂板管理。

2.效果檢驗(yàn)

圖3 13110綜采工作面煤層含水量圖

取樣測(cè)試分析表明，工作面注水后煤層含水分最高達(dá)到6.15%，平均達(dá)到5.37%，較注水前的2.8%平均增加了2.57個(gè)百分點(diǎn)，增幅達(dá)到91.2%（如圖3所示）。

回風(fēng)側(cè)粉塵濃度明顯下降，工作面割煤期間由粉塵量原來(lái)的28.95mg/m3下降至10.62mg/m3，降塵率達(dá)到了63.3%（如表1所示）。注水前，采煤工作面單產(chǎn)5萬(wàn)噸左右，采取注水措施后，不僅煤壁片幫、冒頂現(xiàn)象得到有效控制，而且由于生產(chǎn)環(huán)境的改善，為采面回采作業(yè)解放了生產(chǎn)時(shí)間，提高了工作效率和安全生產(chǎn)保障，回采工作面單產(chǎn)達(dá)到了8萬(wàn)噸，創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

表1 13110綜采工作面粉塵量統(tǒng)計(jì)

四、結(jié)語(yǔ)

煤層注水后含水量的增加使原生煤塵失去飛揚(yáng)能力，避免了煤體破碎時(shí)細(xì)粒煤塵的飛揚(yáng)；水的濕潤(rùn)作用使煤的塑性增加，大量減少了煤體破碎為塵粒的可能性，降低了產(chǎn)塵量。同時(shí)，煤層經(jīng)過(guò)水的充分濕潤(rùn)后塑性增加，能有效控制煤壁片幫，防止冒頂事故發(fā)生，有利于工作面的頂板管理，提高工作面生產(chǎn)能力。

針對(duì)平禹一礦13110工作面煤層賦存情況，采用深孔注水方式進(jìn)行礦塵治理，確定了注水時(shí)機(jī)、鉆孔間距和深度、注水壓力等工藝參數(shù)，在13110工作面進(jìn)行了成功實(shí)踐。工作面注水后煤層含水分增幅達(dá)到91.2%，降塵率達(dá)到了63.3%；采煤工作面產(chǎn)量由原來(lái)的5萬(wàn)t/月左右，提高到8萬(wàn)t/月，實(shí)現(xiàn)了綜采放頂煤工作面安全高效生產(chǎn)。