炮采放頂煤工作面煤層注水降塵技術(shù)研究

蘇耀杰

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉華宮礦，山西 大同 037000）

0 引 言

煤塵是礦井五大災(zāi)害之一，隨著產(chǎn)量的提高，炮采工作面的煤塵量也在相應(yīng)的增加，嚴(yán)重影響井下工人的身體健康，并且威脅著礦井的安全生產(chǎn)[1]。煤層注水降塵技術(shù)是最有效、實(shí)用的煤礦井下降低煤層濃度的技術(shù)手段之一。煤層注水降塵技術(shù)就是在工作面推進(jìn)前，向煤體打注水鉆孔，通過(guò)所打的鉆孔向煤體內(nèi)注水，使水均勻地侵入到煤層的裂隙和孔隙當(dāng)中，從而降低了產(chǎn)生浮游煤層的能力[2]。煤層注水不僅可以預(yù)先濕潤(rùn)煤體，降低煤塵的產(chǎn)生，還可以防治煤與瓦斯突出及沖擊地壓發(fā)生的危險(xiǎn)[3]。本文基于泰和煤礦第十二工作面為研究對(duì)象，針對(duì)工作面煤體賦存的特殊性，展開(kāi)了煤塵注水技術(shù)研究。

1 第十二工作面概況

本工作面位于泰和井田西翼，西至第3、7 面開(kāi)切眼，東止中部集中運(yùn)輸巷，南至第1 工作面，北止第8 工作面回風(fēng)順槽，上部為第1、3、7、8 面采空區(qū)，下止煤層底板。本面上部3 分層煤已回采結(jié)束，本工作面主要回采3 分層以下的4、5 分層煤炭，煤層埋深556 m，工作面走向長(zhǎng)度538 m，工作面長(zhǎng)度139 m，煤層由東向NW 方向傾斜，走向：NE7°-52°，傾角∠3°～14°，煤層賦存狀態(tài)比較穩(wěn)定。工作面采用炮采放頂煤采煤法，懸移支架支護(hù)，全部跨落法處理采空區(qū)。煤層夾矸主要存在于4 分層煤層之中，互層較多，最薄0.2 m，最厚3.0 m，主要由泥質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)頁(yè)巖、炭質(zhì)頁(yè)巖及少量砂巖組成。由于3 分層以上煤已回采，剩余4 分層以下煤層平均可采厚度為8.25 m。煤層的頂板為油母頁(yè)巖，厚度90～120 m，底板為2.0～2.4 m。本面地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜，大多數(shù)為北西向正斷層，傾向北東，并組合成梯形構(gòu)造形態(tài)。

2 煤層注水系統(tǒng)及注水參數(shù)

2.1 煤層注水的含義

煤層注水是采煤工作面降塵的最主要技術(shù)措施，在生產(chǎn)作業(yè)前事先在煤層打多個(gè)注水鉆孔，鉆孔采用注入靜壓水的方式，使煤體內(nèi)部被水滲透，達(dá)到煤體濕潤(rùn)，從而達(dá)到在回采中降低煤塵的作用。通過(guò)煤層注水降低煤體煤塵的產(chǎn)生量，主要有以下3 個(gè)方面的表現(xiàn)：

1）通過(guò)向煤體內(nèi)注入靜壓水，可將煤體內(nèi)部存在于裂隙中的煤塵潤(rùn)濕固化，達(dá)到在煤體碎裂時(shí)，降低煤塵揚(yáng)起的能力，進(jìn)而起到了降塵除塵的作用。

2）通過(guò)向煤體內(nèi)部注水，煤體的物理性質(zhì)發(fā)生了變化，煤體的塑性增強(qiáng)，煤體脆性變?nèi)?，?dāng)煤體在回采過(guò)程中被擾動(dòng)破碎時(shí)，煤體物理形變由脆性變?yōu)樗苄?，減少煤塵的產(chǎn)生，進(jìn)而達(dá)到降塵的作用。

3）通過(guò)向煤體內(nèi)部注水，使得煤體充分被潤(rùn)濕。在回采碎煤時(shí)，煤體破碎時(shí)，碎裂面均有水，減少了浮游煤塵的產(chǎn)生。

2.2 注水方式的選擇

煤層注水方式的選擇，應(yīng)當(dāng)首要考慮巖體自身壓力的影響。采煤工作面在回采過(guò)程中，由于受地壓作用的影響，在工作面煤壁前方會(huì)形成三帶，即：集中應(yīng)力帶、壓力正常帶和卸壓帶。煤體短孔注水是注在卸壓帶中，深孔注水是注在集中應(yīng)力帶。卸壓帶裂隙較發(fā)育，透水能力強(qiáng)，注水壓力相對(duì)低，集中應(yīng)力帶煤體透水能力弱，由于裂隙不發(fā)育，注水壓力相對(duì)也要求高，正常壓力帶則是原生煤體，裂隙相對(duì)穩(wěn)定，注水壓力相對(duì)更低。

第十二工作面煤層注水采用脈沖動(dòng)壓與靜壓相結(jié)合的混合式注水方式。注水系統(tǒng)包括注水鉆孔、注水管、壓力表、高壓膠管、高壓閥等，見(jiàn)圖1。

圖1 工作面動(dòng)壓注水系統(tǒng)圖

2.3 煤層注水工藝參數(shù)

長(zhǎng)孔煤層注水的位置選擇在工作面支承壓力不變區(qū)進(jìn)行[4-5]。

2.3.1 鉆孔布置及參數(shù)確定

注水鉆孔在超前工作面12 m 處，向兩順槽分別打50 m 深的鉆孔，由于工作面長(zhǎng)139 m，所以在工作面打4 個(gè)注水孔，這樣可以使煤體充分的濕潤(rùn)，鉆孔布置如圖2、圖3 所示。

圖2 順槽鉆孔布置平面圖

圖3 工作面鉆孔布置圖

1）鉆孔長(zhǎng)度L：鉆孔長(zhǎng)度L取50 m。

2）鉆孔間距B：鉆孔間距B取15 m。

3）鉆孔角度：鉆孔角度取15°。

2.3.2 注水參數(shù)

1）單孔注水量[6]。

式中：K為系數(shù)，取 1.1；L為鉆孔長(zhǎng)度，取 50 m；B為鉆孔間距，取 15 m；h為煤層厚度，取 8.25 m；γ為煤的容重，取1.18 t/m3；q為噸煤注水量，取0.03 m3/t。

2）單孔注水流量：依據(jù)國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，單孔注水流量取V=0.05 m3/h。

3）注水壓力：依據(jù)一些煤田的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)整理出一個(gè)開(kāi)采深度與注水壓力的經(jīng)驗(yàn)公式[7-8]，即

式中：P為煤層注水的最小壓力，MPa；H為煤層的埋藏深度，取556 m。

由于理論上煤層注水的最小壓力為8.21MPa，所以注水壓力控制在8～12 MPa。

4）單孔注水時(shí)間：?jiǎn)慰鬃⑺畷r(shí)間為25 h。

5）超前工作面注水距離[9]：hc=hg+ht

式中：hc為超前工作面距離，m；hg為注水時(shí)間內(nèi)工作面的推進(jìn)距離，m;ht為停止注水時(shí)，鉆孔與工作面之間的距離，一般取10～20 m。長(zhǎng)孔煤層注水方案見(jiàn)表1。

表1 注水參數(shù)

3 注水效果分析

1）通過(guò)對(duì)第十二面煤樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室含水率的測(cè)試可知，煤層在注水前的天然含水率為2.11 %～2.75 %，注水后煤層的含水率為3.3 %～3.82 %，注水效果明顯，煤體濕潤(rùn)程度較好。

2）降塵效果分析。通過(guò)選取5 個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試和評(píng)價(jià)長(zhǎng)孔煤層注水的降塵效果，在煤層注水以前分別對(duì)回采工作面及順槽進(jìn)行了粉塵濃度的測(cè)試。測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 煤層注水前后降塵率評(píng)估結(jié)果

通過(guò)表2 測(cè)定結(jié)果可以看出，長(zhǎng)孔煤層注水的效果還是比較明顯的，其效果很大程度上的降低了泰和煤礦第十二工作面煤塵大的情況，5 個(gè)測(cè)點(diǎn)的降塵率在82.2%～90.1%之間，平均86.2%。

4 結(jié) 論

1）通過(guò)對(duì)煤層注水時(shí)間、注水流量、注水壓力及注水位置參數(shù)的研究，確定了最大注水壓力，進(jìn)一步優(yōu)化了注水參數(shù)。

2）工作面注水后，平均降塵率為86.2 %，注水效果較為明顯。

3）長(zhǎng)孔煤層注水可以克服短孔注水與回采時(shí)的相互干擾、煤體濕潤(rùn)時(shí)間短的問(wèn)題。