郭屯煤礦綜采工作面脈沖注水技術(shù)及抑塵效果研究

李進海 陳元峰 魏勛闊 王兵 姜允清 張海超 張安山

摘? 要：為降低綜采工作面粉塵濃度，改善作業(yè)環(huán)境，保障作業(yè)人員職業(yè)健康與礦井安全生產(chǎn)，以郭屯煤礦2301工作面為研究對象，研究了脈沖注水技術(shù)在降塵方面的應(yīng)用?，F(xiàn)場試驗設(shè)計三組注水孔與導(dǎo)向孔，間隔分別為4m、6m、8m，以探究最佳間距，對注水間距參數(shù)進行優(yōu)化。對不同孔注水前后煤體進行采樣并測定其含水率。在不同工序處布置測塵點，對其粉塵濃度進行測定。研究表明：當注水孔與導(dǎo)向孔間距8m時，煤體含水率最大，為4.16%，相比于原始煤體增水量為2.08%，且此組鉆孔周圍煤體割煤時粉塵濃度顯著降低，其中采煤機處降塵率可達71.32%。

關(guān)鍵詞：綜采工作面? 脈沖注水? 導(dǎo)向孔? 疲勞破壞? 含水率? 粉塵濃度

中圖分類號：TD714 ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）09（c）-0020-07

Abstract： In order to reduce the dust concentration， improve the working environment and ensure the occupational health of the workers and the safety of mine production， the application of pulsating directional water injection technology in dust control was studied in 2301 working face. In order to explore the best spacing and optimize the parameters of the water injection spacing， three groups of water injection holes and guide holes were designed in the field test with an interval of 4m， 6m and 8m. The coal body was sampled before and after injection of different holes and its water content was measured. The dust concentration was measured at different working procedures. The results show that when the distance between the water injection hole and the guide hole is 8 m， the water cut of coal body is the largest （4.16%）. Compared with the original media， the water increase is 2.08%， and the dust concentration decreases significantly when coal body is cut around the drilling hole in this group. The dust reduction rate of shearer can reach 71.32%.

Key Words： Fully mechanized mining face; Pulsating water injection; Guide hole; Fatigue failure; Moisture content; Dust concentration

近年來，隨著對能源需求量的不斷增加以及綜合機械化程度的不斷提高，國內(nèi)外礦山相繼進入深部開采階段[1]。隨著開采深度的增加與綜采技術(shù)的發(fā)展，煤塵、瓦斯、沖擊地壓、煤與瓦斯突出、地溫等自然災(zāi)害危害程度也不斷升級，尤其是采煤工作面粉塵危害嚴重，作業(yè)環(huán)境粉塵超標率達86.5%[2]。據(jù)統(tǒng)計，目前我國煤礦約有塵肺病人40多萬人，每年死于塵肺病約2500人，嚴重危害煤礦工人的身心健康。另外，當工作面煤塵濃度到達一定程度后，容易發(fā)生井下煤體自燃及煤塵爆炸等災(zāi)害事故，嚴重威脅礦井安全生產(chǎn)[3]。

實踐與研究表明，煤層注水是一種積極主動減少粉塵產(chǎn)生的有效方法，而且能預(yù)防煤與瓦斯突出、減小工作面回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛?、防治沖擊地壓[4]。煤層注水是從根本上綜合解決上述問題的有效方法。它不僅能降低割煤粉塵，而且能降低開采工藝中由于自移支架升、降、移過程中而產(chǎn)生的大量粉塵。目前的注水系統(tǒng)一般采用井下靜壓注水或高壓水泵加壓注水。對于透氣性較好的煤層，靜壓注水效果較好，但靜壓水壓力有限，不適用于透氣性較差的煤層。高壓水泵加壓注水雖然拓寬了注水的適用范圍，但對于低透氣性煤層仍難以達到理想效果。彭亞等[5]通過優(yōu)化注水孔間距、注水壓力、封孔長度等工藝參數(shù)提高了注水效果，降低了粉塵濃度。畢瑞卿等[6]對不同濃度的表面活性劑進行了研究，發(fā)現(xiàn)在注水過程中添加0.2%表面活性劑可明顯提高潤濕效果。王龍飛等[7]對工作面進行了低壓注水現(xiàn)場試驗，研究表明低壓注水對宏觀孔隙作用效果更強烈。徐恒恒等[8]研究了注水壓力對新橋煤礦2501綜采工作面潤濕半徑的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)注水濕潤半徑隨注水壓力增高而增大，當壓力為6Mpa時，濕潤半徑為3.2m。謝建林等[9]研究發(fā)現(xiàn)，注水后煤塵粒徑分布范圍變窄，平均粒徑明顯減小。張平等[10]對鉆孔布置形式及注水參數(shù)進行了優(yōu)化，顯著提升了煤體水分與降塵效果。曹家琳等[11]對深孔注水非線性滲流規(guī)律進行了分析，認為注水流量與鉆孔內(nèi)壓力、鉆孔直徑、鉆孔長度成正比，而工作面前方煤體滲透率分布對注水流量的影響則呈非線性規(guī)律。為提高低滲透難潤濕煤層注水效果，對郭屯煤礦2301工作面進行了脈沖注水實驗，并對其效果進行了考察，以期為煤礦安全生產(chǎn)提供技術(shù)依據(jù)。

1? 脈沖注水技術(shù)原理

國內(nèi)外學(xué)者針對于注水困難、壓裂效果不易控制等問題進行了研究[12-14]，林柏泉[15]提出了高壓脈沖水力壓裂增透技術(shù)。翟成等人實驗發(fā)現(xiàn)脈沖泵產(chǎn)生的水壓脈沖波形近似等效為正弦波[16-19]。假設(shè)煤體孔隙內(nèi)有一點P，孔隙幾何模型如圖1所示。脈沖水注入煤體后，P點受到隨時間t作周期性循環(huán)變化的應(yīng)力，波形參數(shù)如圖2所示。

其中，σmax為脈沖水壓上限值，σmin為脈沖水壓下限值，σa為脈沖水壓幅值，σm為脈沖水壓平均值。a、b兩點間對應(yīng)了一個完整的周期。脈沖波強度參數(shù)有脈沖峰值壓力和脈沖頻率。脈沖峰值壓力為脈沖水壓上限值，其值越大，說明脈沖波沖擊幅度越大;脈沖頻率為一個完整脈沖波周期的倒數(shù)，頻率越大，說明一定時間內(nèi)，脈沖波沖擊的次數(shù)越多。經(jīng)過成煤過程中的物理化學(xué)作用，以及地應(yīng)力條件等因素，煤體中形成了豐富的孔隙、裂隙結(jié)構(gòu)。在循環(huán)載荷作用下，煤體會發(fā)生疲勞損傷，通過脈沖水在煤層各種結(jié)構(gòu)弱面內(nèi)對弱面壁的支撐作用，使弱面發(fā)生張裂、擴展和延伸，從而對煤層形成內(nèi)部分割。另外，在注水鉆孔兩側(cè)布置導(dǎo)向孔，改變鉆孔周圍應(yīng)力分布狀態(tài)，使其起到引導(dǎo)裂隙拓展方向的作用。從微觀角度來說，對于單個的煤體孔隙面，脈沖水以強烈的交變應(yīng)力作用于孔隙表面，在孔隙表面內(nèi)產(chǎn)生周期性張壓應(yīng)力，脈沖波在傳播過程中產(chǎn)生“收縮-膨脹-收縮”的疲勞沖擊作用沖擊煤體孔隙，對煤體孔隙產(chǎn)生疲勞破壞。一方面，脈沖波對煤層孔隙堵塞物產(chǎn)生沖擊，使堵塞物疲勞破碎，連通煤體孔隙通道，提高煤層滲透率;另一方面，煤體在交變應(yīng)力下產(chǎn)生疲勞破壞，可使脈沖水進入靜壓載荷下不能侵入的孔隙尺寸更小的微觀孔隙，并對更小微孔產(chǎn)生疲勞擴孔作用。為更好的提高注水效果，增進潤濕，將注水鉆孔設(shè)置為注水孔與導(dǎo)向孔兩種，對高壓脈沖注水技術(shù)進行了優(yōu)化，形成了脈沖定向注水技術(shù)，并假設(shè)3組不同鉆孔間距以探索適合本煤層的導(dǎo)向孔間距。

2? 注水煤層概況及注水方案

2.1 煤層工作面概況

實驗地點為郭屯煤礦2301工作面，煤層賦存穩(wěn)定，厚度變化較小，煤體結(jié)構(gòu)為原生結(jié)構(gòu)煤。工作面掘進期間共實測82個點，最厚4.6m，最薄3.6m，綜合分析軌道巷至運輸巷煤層逐漸變厚，工作面內(nèi)平均煤厚4.1m，地面位于工業(yè)廣場保護煤柱南側(cè)約170m，地表皆為農(nóng)田，附近無建筑物。郭屯煤礦2301工作面北側(cè)為南二東翼軌道巷，西側(cè)為3上213工作面，東側(cè)與南側(cè)無采掘活動。

2.2 注水方案設(shè)計

選擇煤層脈沖定向注水技術(shù)為注水方式，通過脈沖水泵對注水壓力進行周期性調(diào)節(jié)，脈沖注水系統(tǒng)管路連接圖如圖3所示。探索適合于本煤層的導(dǎo)向孔間距，結(jié)合巷道實際情況，設(shè)計了3組間距不同脈沖注水孔和導(dǎo)向孔。第一組設(shè)計導(dǎo)向孔（D1、D2）與注水孔（Z1）間距為4m，第二組設(shè)計導(dǎo)向孔（D2、D3）與注水孔（Z2）間距6m，第三組設(shè)計導(dǎo)向孔（D3、D4）與注水孔（Z3）間距為8m，脈沖注水孔與導(dǎo)向孔布置圖如圖4所示。鉆孔施工參數(shù)見表1。所有鉆孔均采用兩堵一注封孔方式，注水孔封孔深度為20m，導(dǎo)向孔封孔深度為10m。

3? 煤層脈沖定向注水降塵效果分析

為考察工作面注水工作效果，對注水前后鉆孔周圍煤體平均含水率進行了測定，結(jié)果如表2所示。另外，選取采煤機司機處、采煤機下風(fēng)側(cè)5m處、移架工處、前部溜頭處、后部溜頭處、破碎機下風(fēng)側(cè)5m處、轉(zhuǎn)載機下風(fēng)側(cè)5m處、回風(fēng)巷局距工作面短頭處8個測點，對3組鉆孔注水前后粉塵濃度以及降塵率進行測定，數(shù)據(jù)見表3～表5。

由表中數(shù)據(jù)可見，Z1號鉆孔其煤體平均含水率為3.21%，增水量為1.03%，相對應(yīng)的采煤、移架等高粉塵濃度作業(yè)環(huán)境降塵率可達到36.20%、47.02%，其中移架工處降塵率最高。Z2號鉆孔其煤體平均含水率為3.99%，增水量為1.81%，與其相對的采煤、移架等高粉塵濃度作業(yè)環(huán)境降塵率可達63.48%、63.56%，與Z1相同，移架工處降塵效果最為顯著。Z3號鉆孔煤體平均含水率為4.16%，其增水量為2.08%，相應(yīng)采煤、移架處降塵率為71.32%與68.58%，其中采煤機處降塵效果最為明顯。綜合表3～表5可以發(fā)現(xiàn)，采煤機司機處測塵點和移架工處測塵點粉塵濃度較高，說明產(chǎn)塵主要集中在采煤機割煤和移架兩道工序過程中，其次是前部溜頭與后部溜頭，破碎機、回風(fēng)巷處測塵點粉塵濃度相對較低。由此可見，煤層脈沖定向注水技術(shù)，通過脈沖水泵產(chǎn)生呈周期變化的脈沖水壓，并通過導(dǎo)向孔在煤體內(nèi)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)弱面，使裂隙向?qū)蚩字車ㄏ虬l(fā)展，一方面為水分進入煤體提供了空間，另一方面增大了水與煤體解除面積，有利于水分吸收，更好的潤濕煤塵，從而降低工作面等地點的粉塵濃度。

根據(jù)表中數(shù)據(jù)繪制了不同鉆孔呼吸性粉塵、非呼吸性粉塵、全塵及其降塵率對比圖，如圖5～圖10所示。從圖中可以看出，經(jīng)過注水后，粉塵濃度均有明顯下降，其中Z3號鉆孔降塵效果最為顯著，呼吸性粉塵降塵率最高可達70.59%，非呼吸性粉塵降塵率最高為71.64%，全塵降塵率最高為71.32%，其次為Z2鉆孔，且最高降塵率均為采煤機處測點，有效保障了作業(yè)人員職業(yè)健康。另外，從Z3孔數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在粉塵濃度較高的移架、前溜頭處同樣有著較高的降塵效果。綜上，Z3鉆孔降塵效果優(yōu)于Z2鉆孔，Z1鉆孔降塵效果較差，即當注水孔與導(dǎo)向孔之間間距為8m時降塵效果最優(yōu)，間距為6m時降塵效果次之，間距為4m時降塵效果較差。

4? 結(jié)語

（1）對注水后工作面不同位置煤體含水量進行了測定，結(jié)果顯示注水后工作面煤層水分含量明顯增加，其中Z3鉆孔周圍煤體水分增量最大，為1.97%。

（2）注水后工作面采煤、移架等高粉塵濃度作業(yè)工序處粉塵濃度大大降低，其中Z3鉆孔效果最為明顯，其降塵率分別為71.32%與68.58%。

綜上表明，煤層脈沖定向注水技術(shù)對采煤工作面降塵有著顯著效果，且當導(dǎo)向孔與注水孔間距為8m時，能夠較好的拓展煤層內(nèi)裂隙網(wǎng)絡(luò)，促進水分流動與煤體內(nèi)部粉塵潤濕，有效降低采煤過程中產(chǎn)塵量。

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