泉店煤礦傾斜三軟煤層長孔低壓注水防塵技術(shù)及工程實踐

尹站穩(wěn)，趙 耀，袁瑞明

(1.河南神火煤電有限公司 泉店煤礦，河南 許昌 461000；2.四川路橋礦業(yè)投資開發(fā)有限公司，四川 成都 610041)

隨著礦山自動化、機械化技術(shù)持續(xù)更新，大功率采掘設(shè)備不斷投入生產(chǎn)，導致礦山生產(chǎn)過程中粉塵濃度大大增加，嚴重威脅現(xiàn)場作業(yè)人員的身體健康和生命安全，同時粉塵直接干擾井下檢測系統(tǒng)，影響設(shè)備正常運行，限制可視化、智能化采煤工作面的正常發(fā)展。因此，煤層開采過程中的粉塵防治顯得尤為重要。

在我國已有的防塵技術(shù)中，煤層注水是最基本、最有效的防塵措施。但在“傾斜三軟煤層”中采用的注水防塵技術(shù)仍然存在諸多問題與不足，如設(shè)備倒滑、成孔率低、塌孔、潤濕性差等。文章所研究的泉店煤礦工作面原采用了切眼淺孔注水方案，但實踐證明該方案注水效果差，整體降塵效果不明顯。通過深入了解工程情況，結(jié)合實踐經(jīng)驗考慮，決定在二1-14010工作面執(zhí)行煤層長孔注水代替淺孔注水，以期取得最佳降塵效果。文章通過分析長孔低壓注水技術(shù)機理，總結(jié)二1-14010工作面所實施的長孔低壓注水方案，并考察相關(guān)指標，分析降塵效果，最終取得了一系列可靠的技術(shù)參數(shù)及實踐經(jīng)驗，為解決類似條件的工作面降塵問題提供了參考[1-3]。

1 泉店煤礦長孔低壓注水工作面概況

1.1 工作面基本概況

泉店煤礦在二1-14010工作面執(zhí)行長孔低壓注水工作，該工作面位于井田西翼，工作面地面標高為+118.1～+120.5 m，上巷道長1 333.7 m，下巷道長1 216.5 m，采面開切眼長183.8 m。該工作面回采二疊系下統(tǒng)山西組下部的二1煤層，該煤層平均厚度約為4.34 m，煤種為貧瘦煤，揮發(fā)分較低。由于后期構(gòu)造作用的影響，煤的原生結(jié)構(gòu)遭到破壞，構(gòu)造鏡面發(fā)育。煤層以粉粒狀為主，次為粉狀、鱗片狀，有爆炸危險性，其視密度為1.42 t/m3。

1.2 傾斜三軟煤層特點

二1-14010工作面傾角約為27°，屬于傾斜煤層，且煤層受壓固結(jié)成塊狀，手指輕壓易碎，具擠壓和揉搓現(xiàn)象。工作面老頂多為中粒砂巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，厚度在8.5～12 m之間，抗壓強度為34.7～58.0 MPa，RQD值為50%～91.4%；直接頂以砂質(zhì)泥巖為主，厚度在0～3.5 m之間；偽頂零星分布。工作面直接底板主要為砂質(zhì)泥巖、細粒砂巖，其次為粉砂巖，厚度一般在1.5～7.5 m之間，巖石致密，抗拉強度為0.67～2.80 MPa，RQD值為26%～94.4%.綜上所述，二1-14010工作面煤層傾角大，且所采煤層及工作面頂?shù)装鍘r層均較軟，屬于典型的“傾斜三軟”煤層。在“傾斜三軟”煤層中采用注水防塵技術(shù)存在的問題較多，如“傾斜”煤層設(shè)備易倒滑，施工空間小、難度大，“三軟”煤層成孔率低，塌孔、卡鉆現(xiàn)象嚴重，水煤接觸角大，潤濕性差等問題，嚴重影響煤層注水降塵效果，降塵難度大大增加。

1.3 工作面防塵問題及防塵方案提出

二1煤層屬于傾斜三軟煤層，同時為低水分煤層，其原煤含水率僅為0.33%～1.55%，平均為0.81%左右。由于上述煤層特性，工作面在采煤過程中會產(chǎn)生大量粉塵。據(jù)監(jiān)測，生產(chǎn)期間粉塵產(chǎn)塵量最大為800～900 mg/m3。為了全面降低礦井的粉塵污染，擺脫粉塵對井下工人的威脅，同時減少粉塵對井下檢測系統(tǒng)及設(shè)備的影響，提高礦井的安全生產(chǎn)水平，泉店煤礦采煤工作面設(shè)計采用了切眼淺孔注水方案，但因作業(yè)空間小、機械化程度低、深度較淺、注水時間短等原因，導致注水功效低、效果差等問題，整體效果不明顯，故礦井決定在二1-14010工作面執(zhí)行煤層長孔注水代替淺孔注水。

2 煤層注水防塵技術(shù)機理分析

2.1 水在煤層中的運行及作用機理

水在煤層中的運動實質(zhì)是注水壓力、毛細管力和重力三種力綜合作用克服煤層裂隙面阻力和空隙通路阻力的結(jié)果。注水前，煤體孔隙或裂隙中充滿粒子間隙，煤層注水過程中，注水逐漸從鉆孔內(nèi)通過孔隙裂隙向外擴散濕潤周圍煤體。而煤層的濕潤是一個復雜的水動力學和物理化學過程的綜合過程。水在煤層中的運動可以分為壓差所造成的運動和它的自運動。壓差所造成的運動是水在注水壓力、毛細管力等的作用下，沿煤層裂隙和大的孔隙按滲透規(guī)律流動。自運動與壓差無關(guān)，它取決于水的重力和水與煤炭的化學、物理化學的作用，自重使水在裂隙與孔隙內(nèi)向下運動；化學、物理化學作用指水與煤層內(nèi)可氧化或溶解的物質(zhì)組分發(fā)生反應[4-5]。

2.2 煤層注水防塵機理

工作面粉塵按其產(chǎn)生的方式可分為原生粉塵和生產(chǎn)粉塵。原生粉塵是指煤層孔隙中本來就存在著的粉塵；生產(chǎn)粉塵是指在生產(chǎn)的過程中，由于煤體的破碎而產(chǎn)生的粉塵。而注水防塵技術(shù)的核心是通過施工煤體鉆孔向工作面回采區(qū)域煤體進行注水。注水進入裂隙后，一方面可將其中的原生粉塵在煤體未破碎前預先潤濕，使其失去飛揚性；另一方面注水可改變煤體的力學特性及應力狀態(tài)，使得煤層開采由脆性破碎變?yōu)樗苄宰冃?，減少粉塵的產(chǎn)生，同時注水后的煤體含水率較高，可有效濕潤截割時產(chǎn)生的粉塵，使其失去飛揚性[6]。故注水防塵技術(shù)對原生粉塵及生產(chǎn)粉塵均有較強的抑制作用。

3 長孔低壓注水技術(shù)及裝備

3.1 鉆孔布置及設(shè)備

結(jié)合礦井二1煤層實際情況，注水鉆孔布置成單向長鉆孔方式，由工作面上巷道沿煤層傾斜方向平行于工作面打下行孔。二1-14010工作面超前施工注水孔141 m，以保證達到最佳注水降塵效果的同時，不影響工作面正常生產(chǎn)作業(yè)。綜合考慮重慶煤科院在礦井進行科研項目研究時所得的結(jié)果，采煤工作面鉆孔間距定為6 m，鉆孔深度定為(L-20) m，L為工作面長度，可有效防止鉆孔穿透煤層，出現(xiàn)直接跑水現(xiàn)象[7-9]。

鉆孔過程中首先采用D113 mm的鉆頭開孔4 m、下D108 mm套管3 m，在孔口安裝捕塵器，再用D73.5 mm鉆頭鉆至終孔。根據(jù)鉆孔施工位置的煤層傾角確定鉆孔傾角，根據(jù)煤層厚度確定鉆孔長度，從而具體調(diào)整各支架位置處鉆孔施工方案。

泉店煤礦在二1-14010工作面上巷道使用新購置的ZDY6500SWL型大功率鉆機進行打鉆作業(yè)，相較于傳統(tǒng)的ZDY1900S型坑道鉆機，不僅解決了搬家難、調(diào)鉆慢、無法全方位施工的問題，而且解決了鉆機功率小而導致的壓鉆、鉆孔深度不能覆蓋工作面的問題。兩鉆機具體施工參數(shù)對比如表1所示。

表1 兩鉆機施工參數(shù)對比

3.2 注水系統(tǒng)及方案

二1-14010工作面超前長孔注水采用靜壓供水系統(tǒng)，設(shè)計注水壓力為1～1.5 MPa。從工作面上巷道靜壓供水管路的三通閥門上引出注水管路，分出注水膠管對每個鉆孔分別進行注水，并在每支注水管路末端接入壓力表、流量表和流量調(diào)節(jié)閥，用于調(diào)節(jié)注水速度及注水量[10-11]。具體注水系統(tǒng)布置情況如圖1所示。

圖1 注水系統(tǒng)布置

單孔注水量可按照式(1)計算：

Q=BLMYWK

(1)

式中:B為孔間距，取6 m；L為工作面長度，取200 m；M為煤層厚度，取5.88 m；Y為煤容重，取1.42 t/m3；W為注水后要求達到的水分增量，取1.5%；K為水的漏失和注水不均勻系數(shù)，取1.5。則每個鉆孔設(shè)計注水量為225.43 t。

理論上，單孔注水時間可按式(2)計算：

T=Q/V

(2)

式中:Q為單孔注水量，取225.43 t；V為單孔注水流量，取0.67 t/h。則單孔注水時間為336 h，注水天數(shù)為14 d。具體工程實踐中，由于不同位置煤體的巖性和裂隙發(fā)育程度不同，實際注水期間存在不同程度的漏水和跑水現(xiàn)象，很難精準把控實際注水量及注水時間，故當確定鉆孔開始注水至煤體達到預期的水分增量或直至煤壁出水或達到設(shè)計單孔注水量(不低于225.43 m3)時停止注水[12-13]。

3.3 注水工藝流程

1) 鉆孔定位。鉆孔首孔位置選擇在距離開切眼50 m左右、巷道支護良好處，采用單排孔布置。根據(jù)鉆孔施工位置的煤層傾角及煤層厚度設(shè)計鉆孔施工角度、鉆孔深度，鉆孔傾角與煤層傾角一致，鉆孔深度定為(L-20 )m，L為工作面長度。

2) 鉆孔施工。鉆孔采用ZDY6500SWL型鉆機施工，采用單排孔布置，孔間距6 m。鉆孔開始用D113 mm鉆頭開孔施工4 m，孔口安裝好捕塵器后，更換D73.5 mm的鉆頭繼續(xù)施工直至終孔。

3) 注水管路。為避免塌孔，鉆孔施工完成后，必須立即下D32 mmPE管(花管)直至孔底，孔底末端PE管需安裝堵頭，防止下管期間被煤堵管。孔口20 m為D32 mmPE管(實管)，用于封孔注漿。

4) 封孔結(jié)構(gòu)。注水孔下D32 mm的PE管20 m，在PE管外側(cè)向孔內(nèi)灌漿，用水泥與水1∶3的比例進行灌漿封堵該段距離，俯角孔封孔用注漿泵封孔，漿液應由稀到稠。具體注水孔封孔工藝如圖2所示。

圖2 注水孔封孔工藝示意

4 長孔低壓注水效果考察及分析

4.1 煤層含水率對比分析

二1-14010工作面進行長孔低壓注水工作后，為測定注水前后煤層含水率的變化情況，在工作面15號、30號、45號、60號、75號、90號、105號、120號共8個支架位置打取樣孔，每個取樣孔在煤壁上部、煤壁中部、煤壁下部3處位置各取1個煤樣(測點)，再求其平均值作為該取樣孔所在支架位置的平均含水率。通過對煤層含水率進行嚴格測定，檢測結(jié)果如圖3所示。

圖3 注水前后煤層含水率檢測情況

由圖3可知，煤層注水后，煤層中各位置含水率均普遍提高。煤層原始含水率較低，平均含水率僅為0.81%；長孔低壓注水作業(yè)后，煤層含水率達到7.39%，提高9倍；60號支架位置處測點3(煤壁下部)煤層含水率達到27.5%，75號支架位置處測點1(煤壁上部) 煤層含水率達到20.3%，均遠遠高于該處取樣孔的平均含水率，且8個支架位置處煤壁下部煤樣所測含水率普遍高于上部和中部煤樣，說明煤層含水率具有波動大、不均勻等問題。

4.2 粉塵濃度對比分析

為了更加準確地考察綜采工作面長孔低壓注水降塵效果，在工作面不再采取任何其他防塵措施的情況下，于工作面司機位置和下風側(cè)10～15 m位置處各布置5個測點，對其實施長孔低壓注水前后粉塵濃度進行嚴格測定，檢測結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，煤層注水后，工作面各位置粉塵濃度呈明顯下降趨勢。在未采取任何降塵措施的條件下，綜采工作面司機位置的總粉塵濃度為545.00～730.00 mg/m3，平均625.00 mg/m3；在清水條件下，工作面煤層進行長孔低壓注水后，該工作面司機位置總粉塵172.00～276.00 mg/m3，平均225 mg/m3。因此，采用長孔低壓注水技術(shù)，司機位置的降塵效率為64.0%，呼吸性粉塵降塵效率為22.44%。在未采取任何降塵措施的條件下，綜采工作面機組下風側(cè)10～15 m處的總粉塵濃度為404.00～516.00 mg/m3，平均460.00 mg/m3；在清水條件下，工作面煤層進行長孔低壓注水后，工作面機組下風側(cè)10～15 m處總粉塵158.00～213.00 mg/m3，平均180.00 mg/m3。因此，采用長孔低壓注水技術(shù)，下風側(cè)10～15 m處的降塵效率為60.86%，呼吸性粉塵降塵效率為52.02%。經(jīng)過注水前后粉塵濃度對比，工作面粉塵濃度大幅度降低，保證了職工的身體健康。

圖4 注水前后工作面粉塵濃度檢測情況

5 長孔低壓注水施工問題及改進方案

1) 單孔最佳注水周期難以確定，工作面回采前需提前多長時間開始注水工作，以達到最佳注水效果。解決方法：通過現(xiàn)場檢測上巷道長孔注水作業(yè)，單孔注水1個月后，水表已無明顯變化，煤層注水范圍內(nèi)已接近飽和，確定工作面回采前1個月開始注水工作。每個注水孔注完1個月后，注水管可繼續(xù)保留，若工作面出現(xiàn)進尺減少，可對已注注水孔進行二次加注，以確保注水效果。

2) 通過對工作面煤壁含水率檢測結(jié)果分析，長孔低壓注水后，煤層含水率具有波動大、不均勻等問題。解決方法：礦井目前采用“低壓慢注”的方式進行長孔注水，注水壓力為1～1.5 MPa，可通過提高注水壓力，使水能夠壓至含水率較低的區(qū)域，將壓力調(diào)至2～4 MPa，分別進行含水率檢測數(shù)據(jù)對比，確定最適宜的長孔注水壓力。

3) 在綜采工作面安裝完成后，上巷道超前50 m范圍內(nèi)，因安裝有護巷架，無法進行鉆孔作業(yè)。解決方法：在綜采工作面安裝前1個月，完成超前50 m長孔注水孔施工，待工作面回采前1個月，進行集中注水，使注水時間、注水效果得到保障，防止在工作面安裝期間，部分超前區(qū)域無法實施鉆孔及注水。

6 結(jié) 語

1) 工程實踐表明：長孔低壓注水防塵技術(shù)可以有效濕潤煤體，使煤體孔隙中的原生粉塵失去飛揚性，同時注水可改變煤體的應力狀態(tài)，提高煤體各位置含水率，從而抑制生產(chǎn)粉塵的產(chǎn)生與飛揚。

2) 通過鉆孔現(xiàn)場試驗以及后期降塵效果考察得出，在工作面采用ZDY6500SWL型大功率鉆機進行鉆孔作業(yè)，鉆孔間距為6 m，鉆孔深度(L-20) m，鉆孔效率高、效果好，L為工作面長度。通過注水現(xiàn)場試驗以及后期降塵效果考察得出，當工作面超前長孔注水采用靜壓供水系統(tǒng)，注水效果較好。判斷煤體達到預期的水分增量或直至煤壁出水或達到設(shè)計單孔注水量(不低于225.43 m3)時停止注水，煤層潤濕效果好。

3) 泉店煤礦二1-14010工作面執(zhí)行煤層長孔低壓注水方案后，煤層平均含水率由0.81%增長至7.39%，共提高9倍；綜采工作面司機位置降塵效率為64.0%，呼吸性粉塵降塵效率為22.44%；綜采工作面機組下風側(cè)10～15 m處降塵效率為60.86%，呼吸性粉塵降塵效率為52.02%.工程實踐表明，長孔低壓注水技術(shù)對“傾斜三軟”煤層含水率提高及降低工作面粉塵濃度效果明顯。