煤層分段注水及高壓噴霧綜合防塵技術(shù)應(yīng)用

李 崗

（霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司方山店坪煤礦，山西 呂梁 033199）

1 工程概況

霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司方山店坪煤礦現(xiàn)階段主采9#煤層，9#煤層自燃傾向性等級(jí)為Ⅱ類(lèi)自燃，煤塵具有爆炸性。9-208 工作面位于呂梁環(huán)城高速的北面、麻塔村（已搬遷）附近，頂部有少量耕地，屬丘陵梯田，其余為坡地。9-208 工作面井下位于二采區(qū)西翼，采區(qū)工作面雙翼對(duì)稱(chēng)布置，西側(cè)為井田邊界，東側(cè)為采區(qū)上山、區(qū)段石門(mén)等，南側(cè)為規(guī)劃的9-210 回采工作面，北側(cè)為正在回采的9-206 工作面。9-208 工作面采掘工程平面及其軌道巷斷面圖如圖1 所示。根據(jù)回采巷道及開(kāi)切眼揭露煤層厚度為2.69～3.48 m，均厚3.1 m。9#煤層回采巷道采用單巷掘進(jìn)方式，礦井煤炭產(chǎn)出量大，工作面接替頻繁，巷道掘進(jìn)強(qiáng)度大，煤層注水濕潤(rùn)效果差，種種原因?qū)е戮蜻M(jìn)工作面粉塵污染嚴(yán)重。為有效減小綜掘工作面粉塵濃度，以9-208 軌道巷掘進(jìn)施工為背景展開(kāi)相關(guān)研究。

圖1 9-208 工作面采掘工程平面圖及軌道巷斷面圖（mm）

2 濕潤(rùn)劑濃度優(yōu)化研究

通過(guò)毛細(xì)管反向滲透法測(cè)定店坪煤礦9#煤層煤塵的親水性[1]，為降塵方案的制定提供參考。通過(guò)測(cè)試得出9#煤層煤塵在自來(lái)水中不沉降，在濕潤(rùn)劑溶液中沉降時(shí)間為30.8 s，反向滲透吸液增重速度為0.48 mg/min。根據(jù)潤(rùn)濕性判別標(biāo)準(zhǔn)可知，9#煤層為不親水煤層，采用常規(guī)的噴霧對(duì)于粉塵的潤(rùn)濕性差，降塵效果不理想，一定濃度的潤(rùn)濕劑可提高煤塵的親水性[2]，因此可通過(guò)添加潤(rùn)濕劑的方式提高煤層注水及噴霧降塵的效果。為確定最佳的潤(rùn)濕劑濃度，采用毛細(xì)管反向滲透法和沉降法分別研究煤層的增重規(guī)律和沉降規(guī)律。結(jié)合類(lèi)似煤質(zhì)條件下潤(rùn)濕劑使用實(shí)例，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)樣本潤(rùn)濕劑溶液濃度為0.1%～1%。將9#煤層煤樣烘干、研磨后，將適量煤樣放置在底部由濾紙封閉的試管內(nèi)，然后將試管放置在不同濃度的潤(rùn)濕劑溶液靜置30 min，測(cè)試煤樣的增重量，整理得到結(jié)果如圖2（a）。將1.0 g 煤塵倒入不同濃度的潤(rùn)濕劑溶液中，得到煤塵的自然沉降時(shí)間變化規(guī)律如圖2（b）。

由圖2（a）看出，當(dāng)潤(rùn)濕劑濃度較低時(shí)，隨著濃度的增大，煤樣的增重量呈增大趨勢(shì)，當(dāng)潤(rùn)濕劑濃度達(dá)到一定值后，煤樣的增重量繼而呈下降趨勢(shì)，煤樣的增重量隨潤(rùn)濕劑濃度增大整體呈“上升-下降”趨勢(shì)。在潤(rùn)濕劑濃度為0.6%附近達(dá)到峰值，表明潤(rùn)濕劑濃度0.6%的溶液在煤層內(nèi)浸潤(rùn)速度最快，因此煤層注水時(shí)應(yīng)采用該濃度的潤(rùn)濕劑溶液。由圖2（b）看出，隨著潤(rùn)濕劑濃度增大，煤塵的自然沉降時(shí)間呈“急劇減小-緩慢增大”。潤(rùn)濕劑溶液濃度為0.6%時(shí)，自然沉降時(shí)間最短，說(shuō)明煤塵在該濃度下溶液中沉降最快，因此采用噴霧降塵措施時(shí)，噴霧中應(yīng)加入0.6%的潤(rùn)濕劑。

圖2 煤塵潤(rùn)濕性實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

3 掘進(jìn)面“三壓帶”分段注水技術(shù)

通過(guò)添加潤(rùn)濕劑解決煤塵親水性差問(wèn)題后，設(shè)計(jì)采用煤塵注水主動(dòng)抑塵技術(shù)來(lái)降低掘進(jìn)工作面產(chǎn)塵量?！叭龎簬А狈侄巫⑺夹g(shù)廣泛用于煤礦綜掘工作面，該技術(shù)具有注水速度快、效率高、用水省等優(yōu)點(diǎn)[3]。店坪煤礦引進(jìn)可回收式FKSS-50/12 型兩段式注水封孔器，額定封孔壓力為12 MPa，如圖3。注水系統(tǒng)由高壓泵站、封孔器、壓力表、高壓管路組成，泵站水箱容積為1 m3，額定水壓25 MPa。

圖3 封孔器示意圖

店坪煤礦9-208 軌道巷斷面為斜梯形，為確定合理的注水工藝參數(shù)，在掘進(jìn)初期進(jìn)行分段注水試驗(yàn)，注水試驗(yàn)鉆孔布置如圖4（a）。在巷道斷面中部布置一個(gè)注水試驗(yàn)鉆孔，兩側(cè)布置測(cè)試孔，注水試驗(yàn)鉆孔和測(cè)試孔均采用直徑42 mm 的鉆頭鉆進(jìn)，深度6 m。首先研究注水水壓對(duì)于注水效果的影響，泵站水箱內(nèi)添加0.6%的潤(rùn)濕降塵劑，注水壓力為6～16 MPa，統(tǒng)計(jì)注水的時(shí)間和流量。進(jìn)行第一段注水，當(dāng)煤壁掛汗時(shí)或者注水量穩(wěn)定不變時(shí)，開(kāi)始第二段注水。整理得到結(jié)果見(jiàn)表1。

圖4 注水試驗(yàn)及注水鉆孔布置示意圖（mm）

表1 不同壓力條件下注水時(shí)間和注水量結(jié)果

當(dāng)注水壓力小于8 MPa 時(shí)，灌注時(shí)間均大于60 min，且總注水量小于300 L，注水效果差，效率低；注水壓力為10～12 MPa 時(shí)，單孔注水時(shí)間在35 min左右，注水總量達(dá)到950 L 左右，注水速度快，注水量大，注水效果良好?？紤]到封孔器額定工作阻力為12 MPa，確定注水壓力為10 MPa 較為合理。

對(duì)平行測(cè)試孔1～3 鉆屑取樣，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試得到煤屑相對(duì)于原始煤樣的水分增量，結(jié)果見(jiàn)表2。距注水鉆孔徑向0.5 m 處煤體水分增量均值為2.3%；距離1.0 m 時(shí)，水分增量均值1.77%；距離1.5 m 時(shí)，水分增量均值為1.54%。距注水鉆孔1.5 m 范圍內(nèi)煤體的平均水分增量均大于1.5%，說(shuō)明注水鉆孔有效潤(rùn)濕半徑為1.5 m。據(jù)此設(shè)計(jì)掘進(jìn)工作面注水鉆孔布置如圖4（b），每次布置兩個(gè)直徑42 mm 的注水鉆孔，孔深6 m，沿巷道軸線(xiàn)方向施工。

表2 測(cè)試孔煤屑水分增量測(cè)試結(jié)果 %

4 掘進(jìn)機(jī)高壓外噴霧技術(shù)

店坪煤礦引進(jìn)G 型高壓霧化噴嘴，射出的高壓噴霧呈實(shí)體圓錐形，具有流速高、射程遠(yuǎn)、覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[4]，噴嘴直徑為0.8 mm?？紤]到噴霧霧粒及壓力的關(guān)系及耗水量、降塵效果等因素，確定噴霧壓力為8 MPa，噴霧霧滴直徑約為54～73 μm。噴嘴的安裝方式如圖5，頂板共6 個(gè)噴嘴，兩側(cè)各2 個(gè)，頂部?jī)啥藝娮燧S心朝向巷道兩幫頂部方向，兩側(cè)下部噴嘴軸心朝向兩幫中下部方向，噴嘴安裝在截割懸臂上，距截割部1.2 m。噴霧壓力為8 MPa 條件下，每分鐘耗水量約為30 L，對(duì)于巷道頂板和兩幫的強(qiáng)度影響很小。

圖5 噴嘴安裝方式示意圖（mm）

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

5.1 分段注水降塵效果考察

店坪煤礦9-208 軌道巷綜掘工作面采用煤柱分段注水+高壓噴霧聯(lián)合除塵技術(shù)，為考察該技術(shù)的降塵效果，在掘巷階段采用濾膜質(zhì)量法檢測(cè)工作面的粉塵濃度，測(cè)試點(diǎn)為距迎頭15 m 處的回風(fēng)側(cè)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及實(shí)驗(yàn)室測(cè)量數(shù)據(jù)，整理得到煤層注水前后粉塵濃度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 注水前后掘進(jìn)工作面粉塵濃度測(cè)試結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)粉塵濃度實(shí)測(cè)結(jié)果，未進(jìn)行煤層注水前，距迎頭15 m 處回風(fēng)側(cè)總粉塵濃度達(dá)到574.8 mg/m3，遠(yuǎn)高于粉塵濃度規(guī)定，必須采取有效的降塵措施。煤層分段注水后，總粉塵濃度降低61.7%，呼吸性粉塵濃度降低63.1%。掘進(jìn)工作面粉塵濃度顯著下降，說(shuō)明通過(guò)煤層注水降低了煤塵的彌散、流動(dòng)能力，可有效減少截割部的產(chǎn)塵量。

5.2 高壓噴霧降塵效果考察

為進(jìn)一步考察高壓噴霧技術(shù)的降塵效果，對(duì)高壓噴霧開(kāi)啟前后工作面粉塵濃度進(jìn)行對(duì)比分析，采樣點(diǎn)同樣布置在距迎頭15 m 的巷道回風(fēng)側(cè)，整理結(jié)果見(jiàn)表4。僅采用高壓噴霧降塵技術(shù)措施時(shí)，距迎頭15 m 處回風(fēng)側(cè)總粉塵、呼塵降塵效率分別為73.9%、73.4%，說(shuō)明采用0.6%潤(rùn)濕劑溶液取得良好的捕塵效果，可有效減少截割部粉塵向掘進(jìn)工作面的流動(dòng)；采用分段注水+高壓噴霧技術(shù)措施條件下，距迎頭15 m 處回風(fēng)側(cè)總粉塵、呼塵降塵效率分別為94.4%、87.8%，呼塵濃度僅為7.9 mg/m3。

表4 高壓噴霧技術(shù)降塵測(cè)試結(jié)果

6 結(jié)論與建議

店坪煤礦9#煤層為不親水煤層，可通過(guò)添加一定濃度的潤(rùn)濕劑來(lái)提高煤塵的親水性。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，質(zhì)量濃度為0.6%的潤(rùn)濕劑溶液對(duì)煤層的浸潤(rùn)和捕捉效果最佳，煤層注水及高壓噴霧應(yīng)采用該溶液。分段注水鉆孔最佳水壓為10 MPa，潤(rùn)濕半徑為1.5 m。9-208 軌道巷采用煤塵分段注水+高壓噴霧聯(lián)合降塵技術(shù)掘巷期間，距迎頭15 m回風(fēng)側(cè)總粉塵、呼塵濃度分別為32.4 mg/m3、7.9 mg/m3，降塵效率分別為94.4%、87.8%，掘進(jìn)工作面作業(yè)區(qū)域全塵和呼塵濃度整體保持在較低水平，除塵效果顯著。