深孔動(dòng)壓注水防塵技術(shù)在N101工作面的應(yīng)用

郭海軍

（潞安集團(tuán)慈林山煤業(yè)夏店煤礦，山西 長治 046000）

煤塵是煤礦五大自然災(zāi)害之一，煤塵降低工作空間可見度，影響機(jī)械設(shè)備的使用壽命，對(duì)現(xiàn)場作業(yè)人員可造成健康危害，在一定的條件下還可導(dǎo)致煤塵爆炸，造成巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[1]。根據(jù)相關(guān)研究成果，在不采取防塵措施的情況下，采煤工作面的粉塵濃度可高達(dá)3 000 mg/m3，割煤機(jī)下風(fēng)側(cè)甚至可超過10 000 mg/m3，對(duì)礦井安全生產(chǎn)具有重大影響[2]。傳統(tǒng)的除塵設(shè)備難以滿足高濃度煤塵處理需要，且成本較高，而煤層注水能夠改變煤體的物理化學(xué)性質(zhì)，從而達(dá)到減塵目的，相關(guān)研究表明當(dāng)浸潤的水分增值達(dá)到1%時(shí)，降塵率可以到32%以上[3]。本文以夏店煤礦N101 工作面為工程基礎(chǔ)，通過對(duì)工作面注水減塵機(jī)理進(jìn)行分析，根據(jù)礦井實(shí)際情況，設(shè)計(jì)深孔動(dòng)壓注水防塵技術(shù)參數(shù)，并在工作面進(jìn)行應(yīng)用，取得良好的效果。

1 工作面概況

夏店煤礦N101 工作面主采下二疊統(tǒng)山西組3 號(hào)煤層，為走向長壁回采工作面，采用綜采一次采全高采煤工藝，全部垮落法管理頂板。工作面走向長度863 m，傾向長度165 m，煤層厚度平均為2.65 m，煤層穩(wěn)定，平均傾角10°。煤層偽頂不發(fā)育，直接頂為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，厚度3.1 m，基本頂為中細(xì)粒砂巖，厚度7.3 m，直接底為泥巖，厚度4.4 m，基本底為中砂巖，厚6.3 m。

為減少工作面回采期間巷道內(nèi)的煤塵濃度，在風(fēng)巷設(shè)置數(shù)道防塵噴霧，安裝轉(zhuǎn)載機(jī)防塵噴霧以及采煤機(jī)內(nèi)外噴霧等，但減塵效果一般，工作面呼吸性粉塵濃度仍然超標(biāo)嚴(yán)重，對(duì)工作面安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響。為解決粉塵濃度超標(biāo)問題，在N101 工作面進(jìn)行動(dòng)壓注水試驗(yàn)，并對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

2 注水防塵機(jī)理

1）煤層注水可以濕潤深部煤體的原生粉塵。煤體在成煤和后期的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中會(huì)產(chǎn)生大量的原生粉塵，存在于煤層的節(jié)理和裂隙之中，在工作面回采過程中，原生粉塵失去束縛，進(jìn)入采掘空間形成粉塵。煤層注水后這些原生粉塵被濕潤，貼附在煤體上或被團(tuán)化，回采過程中不易擴(kuò)散[4]。

2）注水可以減少細(xì)微粉塵的產(chǎn)生。煤層高壓注水時(shí)，水體會(huì)沿著煤體的孔隙和裂隙流動(dòng)，最終填充在孔隙和裂隙中，在割煤過程中，煤體受到破壞，但孔隙和裂隙中的水分會(huì)吸附大量粉塵，從而減少粉塵的產(chǎn)生[5]。

3）煤層注水可以改善煤體物理力學(xué)性質(zhì)。通過充分的注水，可提高煤體塑性，減少脆性，減小內(nèi)摩擦角。當(dāng)回采時(shí)，煤體受到破壞，此時(shí)，煤體的脆性斷裂一部分轉(zhuǎn)化為塑性變形，從而大量減少粉塵的產(chǎn)生[6]。

4）煤層注水能夠提高煤墻的成型度，保證煤墻整體穩(wěn)定性和完整度，減少片幫現(xiàn)象的發(fā)生，從而減少煤塵的產(chǎn)生[7]。

3 煤層注水方案設(shè)計(jì)

3.1 注水參數(shù)設(shè)計(jì)

（1）注水壓力設(shè)計(jì)

注水壓力的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，需要從煤層厚度、煤層特性、煤層結(jié)構(gòu)、頂板巖性以及瓦斯壓力等方面綜合考慮。原則上最小注水壓力要滿足在規(guī)定的時(shí)間向煤層內(nèi)注入滿足設(shè)計(jì)要求的水量，最大注水壓力要保證煤體在注水后保持結(jié)構(gòu)完整，煤體不跑水，煤層頂?shù)装宸€(wěn)定，注水壓力要大于煤層瓦斯壓力的1.5 倍且不大于上覆巖層的壓力[8]。

式中：Pr為上覆巖層的壓力值，MPa/m2，該工作面上覆巖層的壓力值為0.034 MPa/m2；P 為煤層注水壓力，MPa；Pw為煤層原始瓦斯壓力，MPa，該工作面原始瓦斯壓力值為0.74～1.10 MPa。

（2）注水量計(jì)算

單孔注水量：

式中：Q 為單孔注水量，m3；k 為目標(biāo)位置煤體的濕潤系數(shù)，取值1.1～1.3；M 為煤層平均厚度，m，取值2.65；lj為鉆孔間距，m，根據(jù)設(shè)計(jì)取值；l 為鉆孔深度，m，取值110～120 m；ρ 為煤體比重，t/m3，取值1.15；δ 為噸煤注水量，m3/t，取值20 L。

（3）通過現(xiàn)場測試，確定注水流量為0.4～2 m3/h。

（4）鉆孔單獨(dú)注水時(shí)間計(jì)算

式中：q 為注水速度。

（5）同時(shí)注水孔數(shù)計(jì)算

式中：n 為同時(shí)注水孔數(shù)，個(gè)；Tv為工作面回采速度，m/d；lj為剩余注水距離。

（6）超前注水距離計(jì)算

式中：lc為超前注水距離，m；lt為停止注水超前距，該工作面煤層輸水停止注水超前距為10 m。

3.2 注水方案設(shè)計(jì)

（1）注水方案

選擇工作面風(fēng)巷進(jìn)行本次煤層注水工程，在巷道下幫，沿煤體側(cè)向?qū)ぷ髅鎯?nèi)部打設(shè)鉆孔，然后通過高壓注水泵對(duì)工作面進(jìn)行高壓注水，提高工作面煤體水份。

（2）鉆孔布置方案

注水鉆孔布置在巷道下幫，靠近煤體側(cè)，以煤層傾角向工作面內(nèi)部鉆進(jìn)，孔間距為10 m，見圖1。

圖1 風(fēng)巷注水孔設(shè)計(jì)

（3）參數(shù)設(shè)計(jì)

本次采取KHYD155/40 型電鉆施工，鉆頭直徑75 mm，鉆桿直徑50 mm，鉆孔傾角-10°，注水孔參數(shù)見圖2。根據(jù)N101 工作面煤層賦存狀況和地質(zhì)條件，結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)情況，本次設(shè)計(jì)鉆孔孔間距為10 m，孔深為110～120 m。

圖2 注水孔參數(shù)

（4）封孔工藝

封孔材料選擇水泥砂漿，封孔深度10 m。

（5）注水泵及壓力選擇

本次注水選用BPW80/16 型高壓水泵，注水管路采用高壓注水管，管徑10 mm，長度10 m，按注水方案設(shè)計(jì)向煤體注水。

（6）注水程序

鉆孔施工完畢，利用截止閥封孔后，連接高壓注水系統(tǒng)，然后向鉆孔中注入動(dòng)壓水，每次同時(shí)注水孔數(shù)為10 個(gè)，完成單個(gè)循環(huán)，單孔注水參數(shù)見表1。

表1 單孔注水參數(shù)

4 降塵效果分析

為保證注水降塵效果，本次在工作面相應(yīng)位置設(shè)置4 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，對(duì)注水前后粉塵濃度和呼吸性粉塵濃度進(jìn)行監(jiān)測對(duì)比。1#監(jiān)測點(diǎn)位于機(jī)巷內(nèi)，距切眼10 m；2#監(jiān)測點(diǎn)位于采煤機(jī)司機(jī)處；3#監(jiān)測點(diǎn)位于采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)10 m；4#監(jiān)測點(diǎn)位于回風(fēng)巷內(nèi)，距切眼10 m，測點(diǎn)布置見圖3。注水前后的粉塵及呼吸性粉塵濃度監(jiān)測數(shù)值見表2、表3。

圖3 粉塵濃度監(jiān)測點(diǎn)設(shè)計(jì)

表2 煤層注水前后工作面粉塵濃度對(duì)比情況

表3 煤層注水前后工作面呼吸性粉塵濃度對(duì)比情況

通過上表2、3 可知，在采取煤層注水措施之前，4 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的粉塵濃度相差較大，其中2#監(jiān)測點(diǎn)處的粉塵濃度最大，為602.22 mg/m3，1#監(jiān)測點(diǎn)粉塵濃度最小，為9.52 mg/m3，工作面平均粉塵濃度為243.52 mg/m3，工作面呼吸性粉塵平均濃度為79.48 mg/m3。呼吸性粉塵的實(shí)際濃度超過規(guī)定值10 mg/m3的8 倍，嚴(yán)重污染工作環(huán)境，因此必須采取相應(yīng)的降塵措施。工作面采取動(dòng)壓注水之后，除進(jìn)風(fēng)巷側(cè)外工作面粉塵濃度明顯降低。煤層注水后，工作面粉塵平均濃度為56.71 mg/m3，下降76.3%；3#監(jiān)測點(diǎn)降塵率74%，2#點(diǎn)降塵率81.9%，注水后呼吸性粉塵濃度平均為22.87 mg/m3，下降70.9%。

5 結(jié)論

通過理論計(jì)算和現(xiàn)場試驗(yàn)，設(shè)計(jì)煤層動(dòng)壓注水參數(shù)，對(duì)煤層進(jìn)行注水，對(duì)深部煤體進(jìn)行濕潤，減少原生粉塵含量，在工作面回采過程中可減少粉塵生成量，同時(shí)增加煤體塑性，避免工作面出現(xiàn)片幫情況，在工作面采取動(dòng)壓注水措施后粉塵的平均濃度下降75.2%，呼吸性粉塵的平均濃度下降70.9%，工作面降塵效果顯著。工作面在經(jīng)過動(dòng)壓注水后，現(xiàn)場監(jiān)測呼吸性粉塵濃度為22.87 mg/m3，仍未達(dá)到小于10 mg/m3的標(biāo)準(zhǔn)，可通過以下措施進(jìn)行進(jìn)一步降塵：

1）可在工作面內(nèi)采用高壓噴霧，使噴霧顆粒更小，成霧速度更快，增加降塵效果。

2）根據(jù)工作面煤層水份含量，及時(shí)優(yōu)化通風(fēng)參數(shù)，調(diào)整工作面風(fēng)速及風(fēng)量，更加有效排除粉塵。

3）加強(qiáng)工作面現(xiàn)場工作人員的個(gè)體防護(hù)，嚴(yán)格落實(shí)煤礦安保用品的使用，對(duì)采煤機(jī)司機(jī)、支架操作工等粉塵內(nèi)作業(yè)人員可配備正壓式呼吸口罩，以降低粉塵危害。