晉華宮礦工作面動(dòng)、靜壓混合注水降塵技術(shù)應(yīng)用

王建軍

（同煤集團(tuán)晉華宮礦，山西 大同 037000）

采煤工作面生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的粉塵，懸浮在巷道和工作面的氣流中，嚴(yán)重影響礦井安全高效的生產(chǎn)，并且嚴(yán)重威脅井下工作人員的身體健康。采煤工作面中的機(jī)組割煤、移架、轉(zhuǎn)載等工序產(chǎn)塵強(qiáng)度大，是主要產(chǎn)塵源，是除塵的重點(diǎn)，機(jī)組使用噴霧降塵、風(fēng)流凈化水幕、轉(zhuǎn)載點(diǎn)噴霧灑水裝置、巷道沖洗等綜合防塵措施。采取以上措施雖然一定程度上降低了工作面空氣中煤塵的含量，但是并沒有從根本上減少采煤工作面煤塵的產(chǎn)生，為改善煤礦生產(chǎn)環(huán)境，凈化工人們的作業(yè)環(huán)境，減少采煤機(jī)械的磨損，設(shè)計(jì)在晉華宮礦的8218工作面進(jìn)行煤層注水綜合降塵技術(shù)應(yīng)用試驗(yàn)。

1 工程概況

大同煤礦集團(tuán)晉華宮井田位于山西省大同市西12.5km，目前正在開采11#煤層。11#煤層厚度為2.2～3.9m，均厚為3.3m，煤層傾角為2°～5°，平均傾角3°，屬于近水平煤層。根據(jù)山西省煤炭工業(yè)廳綜合測(cè)試中心的鑒定結(jié)果，11#煤層屬于Ⅱ類自燃傾向性，為自燃煤層，并且煤塵具有爆炸性。晉華宮礦8218工作面采用傾斜長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化一次采全高采煤法，走向長(zhǎng)度1468m，工作面長(zhǎng)度為160m，8218工作面地面標(biāo)高+1103～ +1214m，工作面標(biāo)高+765～ +923m。

2 煤層注水參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 煤層注水方式

煤層注水防塵指在工作面兩側(cè)的回采巷道內(nèi)進(jìn)行鉆孔，通過煤層內(nèi)的鉆孔將水注入其中，將即將回采的煤體進(jìn)行潤(rùn)濕，增加煤體的塑性，使采煤機(jī)割煤過程中所產(chǎn)生的煤塵量大大減小。煤層注水技術(shù)是綜合防塵措施中最基本、最有效的防塵措施，目前最為常用的煤層注水方式主要是靜壓長(zhǎng)鉆孔注水和高壓長(zhǎng)鉆孔注水。以往的生產(chǎn)實(shí)踐表明，采用靜壓長(zhǎng)鉆孔注水時(shí)，煤層達(dá)到預(yù)期的潤(rùn)濕效果需要的時(shí)間比較長(zhǎng)，并且潤(rùn)濕半徑較小，需要更多的鉆孔來滿足要求。由于晉華宮礦煤層孔隙率低，潤(rùn)濕性差，工作面推進(jìn)速度較快，并且工作面傾斜長(zhǎng)度較大，因此單一靜壓長(zhǎng)鉆孔注水技術(shù)不可行。高壓長(zhǎng)鉆孔注水能夠一定程度上增加單個(gè)鉆孔的注水量，但是隨著注水時(shí)間的增加，水壓持續(xù)增大會(huì)導(dǎo)致煤體內(nèi)裂隙變大，易導(dǎo)致高壓水由錨桿或煤體裂隙中噴出，嚴(yán)重影響工作面的正?；夭伞Ｒ虼嗽O(shè)計(jì)在8218工作面采用長(zhǎng)鉆孔動(dòng)、靜壓混合注水，以求能夠有效解決上述注水過程中出現(xiàn)的問題。根據(jù)相關(guān)資料，設(shè)計(jì)8218工作面煤層注水最大脈沖注水壓力為8MPa，單次動(dòng)壓注水時(shí)間為4h，動(dòng)、靜壓注水轉(zhuǎn)換的間隔時(shí)間為2h。

2.2 注水鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)

晉華宮礦8218工作面煤層注水工作為該礦首次注水技術(shù)應(yīng)用試驗(yàn)，采用動(dòng)、靜壓混合注水技術(shù)相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化需通過現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)獲取。8218工作面煤層厚度為3.3m，工作面傾斜長(zhǎng)度為160m，根據(jù)類似開采條件下煤層注水降塵應(yīng)用的實(shí)例，設(shè)計(jì)工作面采用雙側(cè)布置注水鉆孔，鉆孔長(zhǎng)度為60m，直徑為75mm，孔間距為10m，鉆孔位置距離巷道底板1.0m，兩側(cè)的鉆孔交替布置，注水鉆孔采用BFK型封孔泵—水泥砂漿進(jìn)行封孔，封孔深度為12m。注水鉆孔的布置詳情如圖1所示。

圖1 注水鉆孔布置示意圖

晉華宮礦8218工作面沿煤層傾斜方向布置，工作面煤體具有平均為3°的傾角，為使鉆孔注入煤體內(nèi)的水能夠充分濕潤(rùn)煤體，注水鉆孔需要最大限度的處在煤層中，鉆孔的傾角按下式計(jì)算：

式中：

γ-注水鉆孔與水平方向的夾角，°；

α-工作面煤層傾角，°；

θ-鉆孔與煤層傾角方向的夾角，°；

晉華宮礦11#煤層平均傾角為4°，θ=1°，代入式（1）可得，8218運(yùn)輸順槽內(nèi)注水鉆孔與水平方向夾角設(shè)計(jì)為-3°，8218回風(fēng)順槽內(nèi)注水鉆孔傾角為5°。單個(gè)注水鉆孔的注水量通過下式計(jì)算：

式中：

Q-單孔注水量，m3；

B-注水鉆孔間距，m；

K-漏水系數(shù)；

M-煤層厚度，m；

W-煤層密度，t/m3；

L-注水鉆孔長(zhǎng)度，m；

q-每噸煤所需水量，m3/t。

晉華宮礦8218工作面具體參數(shù)：B=10m，K=1.1，M=3.3m，W=1.4t/m3，L=70m，q=0.01m3/t。將以上參數(shù)代入式（2）可得：Q=35.6m3。實(shí)際應(yīng)用過程中注水量以煤壁“出汗”為注水量的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際注水量除個(gè)別鉆孔達(dá)不到理論值外，大多數(shù)鉆孔注水量均大于等于36m3。

2.3 最佳注水區(qū)域的確定

采煤工作面回采過程中由于超前支承壓力的影響，煤體內(nèi)應(yīng)力集中程度的變化會(huì)影響煤體內(nèi)裂隙的發(fā)育情況，合理注水位置煤體內(nèi)的裂隙發(fā)育程度應(yīng)即能夠使煤層得到充分潤(rùn)濕又能夠防止高壓水的過分流失。為了確定晉華宮礦8218工作面煤層注水的最佳位置，在8218回風(fēng)順槽的實(shí)體煤內(nèi)安裝ZYJ-25型鉆孔應(yīng)力計(jì)，觀測(cè)工作面前方超前支承壓力的分布情況。在距工作面切眼100m處共布置五個(gè)鉆孔應(yīng)力計(jì)，鉆孔距離巷道底板1.5m，間距5m，鉆孔的布置詳情如圖2（a）所示。

根據(jù)圖2（b）所示的監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出，8218工作面前方支承壓力的最大值為24.0MPa，支承壓力影響范圍約為40.0m，支承壓力較大的范圍為工作面前方20m。8218工作面煤層進(jìn)行注水過程中，統(tǒng)計(jì)與采煤工作面不同距離的注水鉆孔流量及總注水量，整理得到如圖3所示的結(jié)果。工作面前方約20m范圍內(nèi)，注水鉆孔內(nèi)流量很大，而注入煤層內(nèi)的水量卻很小，根據(jù)鉆孔應(yīng)力計(jì)測(cè)試結(jié)果可知，該區(qū)域煤層位于工作面超前支承壓力劇烈影響的區(qū)域，煤體內(nèi)次生裂隙發(fā)育完全，注入煤層內(nèi)的水大部分通過裂隙在煤壁或錨桿鉆孔流失，注水量達(dá)不到理論的要求，煤層潤(rùn)濕效果較差。采煤工作面前方25～40m范圍內(nèi)，注水鉆孔流量在1.2～1.3m3/h變化，最小注水量約為45m3，注水效果較好。根據(jù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，此處的煤體內(nèi)應(yīng)力集中導(dǎo)致裂隙的發(fā)育程度，即能夠使煤層得到充分潤(rùn)濕又能夠防止高壓水的過分流失。根據(jù)理論分析及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果研究表明，最佳注水區(qū)域?yàn)槌肮ぷ髅?5～40m。

圖2 鉆孔應(yīng)力計(jì)布置示意圖及監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖3 注水鉆孔與煤壁距離不同情況下注水量、注水流量變化規(guī)律

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

為考察晉華宮礦8218工作面長(zhǎng)鉆孔動(dòng)、靜壓混合注水技術(shù)的降塵效果，在工作面正常生產(chǎn)后，采用礦用直讀式測(cè)塵儀進(jìn)行粉塵的測(cè)量，一共布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)1為采煤司機(jī)處，測(cè)點(diǎn)2為移架司機(jī)處，測(cè)點(diǎn)三為8218回風(fēng)順槽內(nèi)（距離回采工作面10m左右），測(cè)點(diǎn)4位于采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)10m處。測(cè)點(diǎn)的布置詳細(xì)情況如圖4 所示。

注水前后粉塵采樣器跟蹤測(cè)定的8218工作面粉塵濃度如表1所示。由表可知，8218工作面煤層注水前工作面回采各工序產(chǎn)生的總煤塵平均濃度為489.2mg/m3（4個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均值），呼吸性粉塵平均濃度為159.3mg/m3。通過采取長(zhǎng)鉆孔動(dòng)、靜壓混合注水技術(shù)進(jìn)行煤層注水后，總煤塵平均濃度為202.1mg/m3，呼吸性粉塵平均濃度為70.0mg/m3，總煤塵濃度平均降低率達(dá)58.69%，呼吸性粉塵濃度平均降低率達(dá)56.10%，降塵效果良好。

圖4 煤塵測(cè)點(diǎn)位置示意圖

表1 8218工作面粉塵濃度測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

晉華宮礦為降低采煤工作面煤塵，設(shè)計(jì)在8218工作面采用長(zhǎng)鉆孔動(dòng)壓與靜壓注水工藝進(jìn)行煤層注水，計(jì)算確定合理的注水鉆孔傾角、注水量等詳細(xì)參數(shù)，通過現(xiàn)場(chǎng)注水試驗(yàn)及應(yīng)力計(jì)測(cè)試確定最佳的注水區(qū)域?yàn)楣ぷ髅媲胺?5～40m。對(duì)煤層注水前和注水后工作面內(nèi)煤塵總濃度和呼吸性粉塵濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明，注水后與注水前相比，總粉塵濃度平均降低率達(dá)58.69%，呼吸性粉塵濃度平均降低率達(dá)56.10%，取得了顯著的降塵效果。