綜放開(kāi)采工作面粉塵分布規(guī)律及防治技術(shù)

曹鳳前

（中陽(yáng)縣應(yīng)急管理局， 山西 呂梁 033400）

引言

隨著煤礦生產(chǎn)能力的不斷提升，綜放工作面粉塵產(chǎn)生量也隨之增加，高濃度粉塵不僅制約煤炭開(kāi)采效率，而且給作業(yè)人員身體健康、煤炭開(kāi)采安全帶來(lái)威脅[1-2]。粉塵治理是提高煤礦生產(chǎn)效率、安全保證能力以及改善作業(yè)人員工作環(huán)境的重要方面[3-4]。文中以山西某礦1508 綜放開(kāi)采工作面為工程背景，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法對(duì)工作面粉塵分布情況進(jìn)行分析，并針對(duì)工作面粉塵產(chǎn)生量過(guò)大問(wèn)題，提出長(zhǎng)孔注水方式濕潤(rùn)煤層，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得較好效果。

1 工程概況

山西某礦現(xiàn)開(kāi)采的15 號(hào)煤埋深平均520 m、上距9 號(hào)煤間距平均為89 m。15 號(hào)煤層賦存整體較為穩(wěn)定，全區(qū)可采。15308 綜放工作面開(kāi)采區(qū)域內(nèi)15號(hào)煤厚平均5.59 m，中間有0～3 層炭質(zhì)泥巖夾矸（夾矸總厚度約0.55 m），頂板巖性以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，底板為粉砂巖。15308 綜放工作面設(shè)計(jì)推進(jìn)距離680 m、斜長(zhǎng)90 m，采高2.5 m、放煤高度3.09 m。采煤機(jī)單刀進(jìn)尺為600 mm。

2 工作面粉塵濃度監(jiān)測(cè)

2.1 測(cè)點(diǎn)布置

為了掌握工作面粉塵分布情況，在采煤機(jī)上風(fēng)側(cè)5 m，采煤機(jī)位置及下風(fēng)側(cè)15 m、30 m、60 m 位置布置5 個(gè)測(cè)站對(duì)工作面不同位置粉塵濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，每個(gè)測(cè)站內(nèi)均包含4 個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中1 號(hào)、2 號(hào)測(cè)點(diǎn)與煤壁相距均為1.5 m、距底板分別為1.5 m、0.5 m，用以監(jiān)測(cè)機(jī)道空間范圍內(nèi)粉塵濃度；3 號(hào)、4 號(hào)測(cè)點(diǎn)與1 號(hào)、2 號(hào)測(cè)點(diǎn)間距均為2 m，距底板高度分別1.5 m、0.5 m，用以監(jiān)測(cè)人行通道空間內(nèi)粉塵濃度，具體各測(cè)站布置見(jiàn)圖1。

圖1 測(cè)站及測(cè)點(diǎn)布置示意圖

2.1 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

監(jiān)測(cè)得到的各測(cè)點(diǎn)粉塵濃度監(jiān)測(cè)見(jiàn)表1。從監(jiān)測(cè)結(jié)果可出，工作面內(nèi)粉塵濃度整體加高，特別是2 號(hào)測(cè)站中的1 號(hào)、3 號(hào)測(cè)點(diǎn)粉塵濃度較高，由于1 號(hào)、3號(hào)測(cè)點(diǎn)距與底板間距為1.5 m，為現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員呼吸高度。從監(jiān)測(cè)結(jié)果看出，1～5 號(hào)測(cè)站呼吸性粉塵的質(zhì)量濃度占比分別為68.02%、66.6%、50.42%、76.07%、63.29%，呼吸性粉塵占比較高。

表1 各測(cè)點(diǎn)粉塵的質(zhì)量濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果

根據(jù)表1 監(jiān)測(cè)結(jié)果繪制采面切眼粉塵濃度分布曲線，其中0 位置表示采煤機(jī)位置，具體見(jiàn)下頁(yè)圖2。

從圖中看出，全塵、呼吸性粉塵分布規(guī)律大致相當(dāng)，在采煤機(jī)上風(fēng)側(cè)5 m 至采煤機(jī)位置范圍內(nèi)，隨著風(fēng)流方向粉塵濃度呈降低趨勢(shì)，至采煤機(jī)位置粉塵濃度達(dá)到最低，此位置全塵、呼吸性粉塵質(zhì)量濃度分別為271.7 mg/m3、178.2 mg/m3；在采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)隨著與采煤機(jī)間距的增加，粉塵濃度呈現(xiàn)先增加后降低趨勢(shì)，其中在距采煤機(jī)15 m 位置的測(cè)站位置監(jiān)測(cè)到的粉塵濃度最高，此位置全塵、呼吸性粉塵質(zhì)量濃度分別為 1 182.4 mg/m3、569.5 mg/m3；隨后粉塵質(zhì)量濃度呈明顯降低趨勢(shì)，到與采煤機(jī)相距30 m 時(shí)，全塵、呼吸性粉塵質(zhì)量濃度分別降低至368.9 mg/m3、290.2 mg/m3。

圖2 采面粉塵濃度分布曲線

結(jié)合采面生產(chǎn)情況以及切眼粉塵濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，采煤機(jī)上風(fēng)側(cè)5 m 位置粉塵濃度較高的主要原因是由于綜放支架移架造成的；采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)15 m 位置粉塵濃度較高主要是由于采煤機(jī)割煤、放煤產(chǎn)生的粉塵較大引起的。雖然在工作面已采取有采煤機(jī)噴霧、綜放支架?chē)婌F等降塵措施，但是工作面內(nèi)粉塵濃度仍較高。

3 煤層注水技術(shù)

注水可增加煤體含水率，從根本上降低工作面粉塵量[5-7]。由于采面斜長(zhǎng)為90 m，為了降低注水孔工程量，提出在運(yùn)輸巷內(nèi)施工長(zhǎng)注水鉆孔對(duì)進(jìn)行注水。

3.1 注水壓力

注水壓力是煤層注水的重要參數(shù)，注水壓力過(guò)大會(huì)增加煤體破碎程度，甚至?xí)扑轫敯鍘r層穩(wěn)定性，影響采面生產(chǎn)，壓力過(guò)小則會(huì)弱化注水效果。根據(jù)15308 注水條件并結(jié)合以往煤層注水經(jīng)驗(yàn)，在15308 運(yùn)輸巷內(nèi)距離回采迎頭600 m 位置施工試驗(yàn)孔，注水壓力取值為2～14 MPa，對(duì)不同注水壓力下的注水流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具體獲取到的壓力-流量曲線見(jiàn)圖3。

從壓力- 流量監(jiān)測(cè)曲線看出，當(dāng)注水壓力在8 MPa 以下，注水量隨著注水壓力增加逐漸增加；當(dāng)注水壓力達(dá)到8 MPa 時(shí)注水量出現(xiàn)拐點(diǎn)，隨著注水壓力的增加，注水量基本保持穩(wěn)定，因此鉆孔注水壓力選擇為8 MPa。

圖3 注水孔壓力-流量曲線

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確的煤層注水壓力8 MPa 明顯高于以往注水壓力（5～6 MPa），分析主要是以往注水采用在運(yùn)輸、回風(fēng)巷內(nèi)同時(shí)進(jìn)行，注水孔深度一般在50m左右，而15308 工作面注水僅布置在運(yùn)輸巷一側(cè)，注水孔深度為80 m，注水過(guò)程中受到的阻力大，從而導(dǎo)致注水壓力增加。

3.2 注水孔間距

為了提高注水效率、降低注水工程量，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試對(duì)注水間距進(jìn)行確定[8]。以煤層含水率增加1.5%作為煤層有效浸潤(rùn)標(biāo)準(zhǔn)，超前采面560 m 位置布置注水鉆孔，鉆孔孔深75 m、孔徑為73 mm，注水壓力8 MPa、注水時(shí)間為10 h，在距離注水孔2～10 m范圍內(nèi)每隔2 m 布置一取樣孔，取樣分析含水率變化情況，具體結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同位置含水率變化情況

從表2 中看出，當(dāng)與煤層間距在6～8 m 時(shí)煤層含水率增加至介于1.9%～1.3%，以煤層含水率增加1.5%為標(biāo)準(zhǔn)，具體確定注水有效浸潤(rùn)半徑為6 m。因此，注漿鉆孔間距設(shè)計(jì)為12 m。

3.3 注水時(shí)間

在注水壓力8 MPa 下對(duì)注水量隨時(shí)間變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具體見(jiàn)圖4。

從圖中看出，注水時(shí)間在0～60 h 內(nèi)注水量隨注水時(shí)間成線性增加趨勢(shì)，當(dāng)注水時(shí)間超過(guò)60 h 后注水量緩慢增加。單孔注水時(shí)間在60 h 時(shí)注水量可達(dá)到255 m3，可滿足煤層注水需要，為此單孔注水時(shí)間選擇60 h。

圖4 注水孔時(shí)間-注水量變化曲線

綜合上述分析，15308 綜放工作面在運(yùn)輸巷單側(cè)布置注水孔、孔深為75 m、間距12 m、注水壓力8 MPa、注水時(shí)間 60 h。

4 粉塵防治效果分析

15308 綜放工作面采用長(zhǎng)距離注水鉆孔注水后，在注水段內(nèi)采用上文所示測(cè)站布置方式對(duì)切眼內(nèi)粉塵濃度進(jìn)行測(cè)定，具體結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 注水后采面粉塵濃度分布曲線

從圖中看出，注水完成后切眼內(nèi)粉塵濃度變化曲線與注水前相近，但是粉塵濃度卻顯著降低，在采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)15 m 處粉塵濃度最高，此位置全塵、呼吸性粉塵質(zhì)量濃度分別為458 mg/m3、189 mg/m3，較注水前降幅分別為57.4%、67.4%，其他的1 號(hào)、2號(hào)、4 號(hào)、5 號(hào)測(cè)站全塵濃、呼吸性粉塵濃度降幅分別介于50%～65%、58%～69%，通過(guò)煤層注水取得顯著的粉塵防治效果。

5 結(jié)論

1）采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法對(duì)15308 綜放工作面生產(chǎn)期間粉塵濃度進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)在采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)15 m 位置粉塵質(zhì)量濃度最高，其中全塵、呼吸性粉塵質(zhì)量濃度分別達(dá)到 1 182.4 mg/m3、569.5 mg/m3，分析此位置粉塵質(zhì)量濃度較高主要原因受采煤機(jī)割煤以及放煤影響，在采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)30 m 以外位置粉塵濃度雖有所降低，但是全塵、呼吸性粉塵質(zhì)量濃度仍可達(dá)到368.9 mg/m3、290.2 mg/m3，工作面現(xiàn)采用的采煤機(jī)高壓噴霧、液壓支架?chē)婌F降塵等措施不能達(dá)到有效的降塵效果。

2）根據(jù)工作面開(kāi)采情況確定在運(yùn)輸巷內(nèi)布置單側(cè)注水孔，通過(guò)增加煤層含水率來(lái)達(dá)到降低粉塵產(chǎn)生量目的，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定注水孔參數(shù)，具體為：注水孔孔深75 m、注水壓力8 MPa、間距12 m、注水時(shí)間60 h。

3）注水后煤層含水率達(dá)到3%以上，采面內(nèi)粉塵濃度得以明顯降低，除采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)15 m 位置粉塵濃度較高外（全塵、呼吸性粉塵質(zhì)量濃度分別為458 mg/m3、189 mg/m3），工作面其他位置的全塵、呼吸性粉塵質(zhì)量濃度均控制在196 mg/m3、93 mg/m3以內(nèi)，取得了顯著的粉塵防治效果。