萬(wàn)家莊煤業(yè)煤層注水降塵試驗(yàn)研究

高世寧

（山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)蒲縣萬(wàn)家莊煤業(yè)有限公司，山西 蒲縣 041000）

萬(wàn)家莊煤業(yè)公司開(kāi)采機(jī)械化程度高，產(chǎn)塵量大，采煤工作面粉塵污染情況嚴(yán)重。粉塵污染嚴(yán)重危害到了職工的人身安全，并給煤礦開(kāi)采帶來(lái)了嚴(yán)重的安全隱患，因此必須采用降塵防塵措施來(lái)解決采煤工作面粉塵濃度過(guò)高的問(wèn)題。

1 試驗(yàn)工作面概況

萬(wàn)家莊煤業(yè)公司地處蒲縣黑龍關(guān)鎮(zhèn)，井田面積13.897 2 km2，年生產(chǎn)能力120 萬(wàn)t，主要開(kāi)采2#煤層。試驗(yàn)工作面確定為該礦20104 工作面。該工作面走向長(zhǎng)度1 114.7 m，傾斜長(zhǎng)218.6 m，煤層總厚度5.86 m，煤層傾角2～14°，平均傾角7°。2#煤層原始水分1.38%～1.52%。2019 年2 月，為進(jìn)一步治理采煤工作面粉塵，對(duì)萬(wàn)家莊煤業(yè)20104 工作面進(jìn)行了煤層注水試驗(yàn)。煤的水分由1.38%～1.52%增加至2.97%左右，有效降低了工作面回采期間的粉塵產(chǎn)生量及存在的安全隱患，保障了工作面的安全生產(chǎn)。

2 煤層注水鉆孔施工工藝

（1）利用抽放鉆孔靜壓注水，共施工本煤層抽放鉆孔720 個(gè)，鉆孔平均長(zhǎng)度為100 m，間距為3 m，孔徑94 mm。

（2）空白帶重新施工鉆孔動(dòng)壓注水試驗(yàn)。鉆孔布置方式：采用雙向鉆孔布置方式，由3#巷向1#巷方向鉆進(jìn)，孔平行工作面。3#巷第一孔距3#巷2#聯(lián)絡(luò)橫川以西10 m 處，后面空間距設(shè)置為5 m，在鉆孔時(shí)可根據(jù)地質(zhì)情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，終孔在停采線(xiàn)附近為8 m，鉆孔垂直煤壁，離底板高度1.5 m，設(shè)計(jì)孔深100 m，孔徑110 mm。注水鉆孔示意圖如圖1 所示。

圖1 注水鉆孔示意圖

3 煤層注水試驗(yàn)

3.1 利用抽放鉆孔靜壓注水試驗(yàn)

3.1.1 靜壓注水試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案：鉆孔內(nèi)PE 管使用封孔器注水。試驗(yàn)采用的封孔器型號(hào)為ZFA16，外徑28 mm，膨脹范圍70～80 mm，封孔長(zhǎng)度根據(jù)需要確定。其結(jié)構(gòu)主要由進(jìn)口鋼套管、分段封孔器、帶孔鋼套管、高壓膠管等組成。

試驗(yàn)過(guò)程：高壓軟管與封孔器接通，伸入PE管內(nèi)6～8 m，利用靜壓水自然壓力使封孔器膨脹后注水。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，使用靜壓注水量達(dá)到3～5 m3后，鉆孔附近的錨桿、錨索有滲水現(xiàn)象，但仍能繼續(xù)注水。

萬(wàn)家莊煤業(yè)2#煤層比較軟，容易發(fā)生塌孔，影響注水效果。原有抽放管封孔8～10 m，封孔深度比較短，而幫錨索深度6.3 m，容易漏水。采用該抽放鉆孔靜壓注水試驗(yàn)可知，鉆孔內(nèi)PE 管使用封孔器注水方案比較簡(jiǎn)單、可行，為提高注水效果，采用每班注水1～2 h，幫錨桿或錨索孔大量出水后停止注水，同時(shí)使用煤塵抑制劑。

3.1.2 靜壓注水孔距切眼距離選擇

試驗(yàn)靜壓注水方案效果同時(shí)對(duì)抽放鉆孔靜壓注水進(jìn)行測(cè)試，共對(duì)距切眼的19個(gè)抽放鉆孔進(jìn)行測(cè)試，孔間距為3 m，距切眼最遠(yuǎn)抽放孔57 m。根據(jù)改變注水壓力、注水時(shí)間、注水口的觀(guān)察可以看出，超前工作面15 m 以后，靜壓注水壓力2 MPa，切眼煤體無(wú)變化，巷道煤壁錨桿眼處有水滲出；而超前工作面50 m 以外的抽放鉆孔進(jìn)行靜壓注水時(shí)，受采動(dòng)和礦壓影響變化小，靜壓注水效果相對(duì)比較好。

3.1.3 靜壓注水效果分析

鉆孔內(nèi)PE 管使用封孔器注水的抽放鉆孔靜壓注水方案比較簡(jiǎn)單、可行。為提高注水效果，采用每班注水1～2 h，幫錨桿或錨索孔大量出水后停止注水，同時(shí)使用煤塵抑制劑。

靜壓注水前工作面全塵濃度平均534.7 mg/m3，注水后降至403 mg/m3，平均降塵率24.1%。呼塵濃度平均203.4 mg/m3，注水后降至146.7 mg/m3，平均降塵率27.9%。

靜壓注水后，煤體水分由原來(lái)的平均1.38%加至1.72%，注水效果不佳。效果不佳原因分析：萬(wàn)家莊煤業(yè)煤層比較軟，再加上地壓大，抽放鉆孔容易塌孔，同時(shí)受動(dòng)壓影響，距工作面較近的鉆孔被壓實(shí)，直接影響注水效果。原有抽放管封孔8～10 m，封孔深度比較短，而幫錨索深度6.3 m，容易漏水。

3.2 空白帶重新施工鉆孔動(dòng)壓注水試驗(yàn)

3.2.1 動(dòng)壓注水試驗(yàn)方案

設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案：“兩堵一注”水泥封孔后進(jìn)行注水。使用5 根寸半管（20 m）并在寸半管19 m處加套環(huán)，以防A、B 膠流入孔里，將里段堵死?？卓诖绨牍芡饴堕L(zhǎng)度500 mm，如孔口不飽和，可采用速凝劑進(jìn)行封堵。具體操作如下：

（1）取出足量的A、B 膠，然后在連好的封孔管接口處纏3～5 m 的白布，將A、B 膠倒入白布內(nèi)，攪拌后待發(fā)泡開(kāi)始，將封孔管塞進(jìn)孔內(nèi)，外露長(zhǎng)度300 mm。

（2）采用風(fēng)動(dòng)水泥注漿泵對(duì)抽放鉆孔進(jìn)行二次注漿封孔，直到水泥從排氣孔內(nèi)流出。

注水鉆孔封孔后，利用脈沖注水泵對(duì)鉆孔進(jìn)行中高壓注水?，F(xiàn)場(chǎng)對(duì)6 個(gè)鉆孔進(jìn)行封孔及注水效果試驗(yàn)，封孔長(zhǎng)度選取為10～20 m，最大注水壓力選擇6 MPa。根據(jù)注水時(shí)間及注水口周?chē)飵突蝈^索的滲水情況可以看出，萬(wàn)家莊煤業(yè)20104 工作面煤層動(dòng)壓脈動(dòng)注水孔注水壓力在8 MPa 時(shí)，注水封孔應(yīng)大于14 m。注水孔不同封孔長(zhǎng)度注水效果如表1所示。

表1 注水孔不同封孔長(zhǎng)度注水效果表

3.2.2 潤(rùn)濕半徑試驗(yàn)

對(duì)工作面9 個(gè)鉆孔進(jìn)行編號(hào)測(cè)試，其中注水孔位于所有鉆孔最中間，在注水孔兩側(cè)分別編號(hào)4 個(gè)測(cè)試觀(guān)察孔，每個(gè)鉆孔間距5 m，鉆孔潤(rùn)濕半徑隨著注水時(shí)間的增加而變大。其中3#、6#孔注水量達(dá)34.3 m3，潤(rùn)濕半徑達(dá)10 m，注水48 h 后2#、7#孔末出現(xiàn)溢水現(xiàn)象，確定注水鉆孔間距取10 m。

脈沖動(dòng)壓注水，封孔深度不小于14 m；20104工作面動(dòng)壓注水濕潤(rùn)半徑為10 m；采用動(dòng)壓注水平均單孔注水量為37 m3。

采用動(dòng)壓注水時(shí)，流量表顯示注水困難時(shí)停止注水，待濕潤(rùn)2 h 后使用靜壓注水1 h。兩種注水方式循環(huán)注水，以達(dá)到最佳效果。

4 應(yīng)用效果分析

通過(guò)對(duì)20104 工作面試驗(yàn)考察結(jié)果，采用動(dòng)、靜壓循環(huán)注水方案對(duì)各產(chǎn)塵點(diǎn)粉塵濃度的實(shí)測(cè)對(duì)比，加入濃度為0.15%的煤塵抑制劑后，注水前工作面全塵濃度最大為587.7 mg/m3，注水后最小降至211.8 mg/m3，平均降塵率為57.6%，呼塵濃度由247.2 mg/m3降至90.4 mg/m3，平均降塵率為54.2%，檢測(cè)結(jié)果如表2 所示。測(cè)定結(jié)果煤體含水率由1.38%增大到2.97%，試驗(yàn)效果良好。

5 結(jié)論

采煤工作面煤塵濃度大，治理困難，針對(duì)萬(wàn)家莊煤業(yè)公司20104 工作面進(jìn)行了煤層注水試驗(yàn)，取得了較好的降塵效果。利用抽放鉆孔“一孔兩用”進(jìn)行煤層注水，在設(shè)計(jì)施工抽放鉆孔時(shí)，每隔15 m的抽放鉆孔封孔長(zhǎng)度要達(dá)到14 m，先抽瓦斯再注水，采用專(zhuān)用封孔器在抽放管內(nèi)封孔14 m，做到“一孔兩用”，同時(shí)添加煤塵抑制劑，能有效提高注水效果。采用動(dòng)壓注水時(shí)，流量表顯示注水困難時(shí)，先期采用靜壓注水1 h，再進(jìn)行動(dòng)壓注水，實(shí)現(xiàn)靜壓與動(dòng)壓循環(huán)交替的注水方式能有效提高注水效果。

表2 注水降塵前后粉塵濃度檢測(cè)表