掘進(jìn)工作面分段封孔注水防塵技術(shù)的應(yīng)用

成 晨

（霍州煤電集團(tuán)金能煤業(yè)有限公司，山西 忻州 035100）

煤礦大斷面煤巷綜掘工作面的應(yīng)力集中程度相對(duì)高于一般綜掘工作面，其煤巖體較為破碎，在掘進(jìn)割煤時(shí)產(chǎn)生的粉塵量更大，粉塵濃度也更高[1-2]。高濃度粉塵不僅影響施工效率，還會(huì)引起煤塵爆炸及工人塵肺病等問(wèn)題，因此，如何有效防治掘進(jìn)工作面粉塵是每個(gè)煤礦必須面對(duì)的問(wèn)題。目前的綜掘工作面主要防塵措施有長(zhǎng)壓短抽、機(jī)載高壓噴霧、泡沫除塵等，但這些措施不能從源頭上解決粉塵問(wèn)題[3]?？刹捎妹簩幼⑺姆绞剑崆敖?rùn)煤體，降低煤體的脆性，從而降低掘進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的粉塵含量[4-5]。為此，金能煤業(yè)一采區(qū)回風(fēng)上山綜掘工作面開展了煤體分段封孔注水防塵技術(shù)研究。

1 工程背景

金能煤業(yè)一采區(qū)回風(fēng)上山沿2#煤層底板掘進(jìn)，煤層平均厚度9.8 m，煤層傾角7°～28°，平均12°，頂板為泥巖和砂質(zhì)泥巖。具體頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)見表1。

一采區(qū)回風(fēng)上山施工長(zhǎng)度為1306 m，設(shè)計(jì)斷面為矩形，掘?qū)挕辆蚋?5.44 m×4.12 m，為大斷面煤巷。巷道采用綜掘機(jī)沿煤層底板截割掘進(jìn)，采用局扇壓入式通風(fēng)，最長(zhǎng)供風(fēng)距離為1610 m。目前的主要防塵措施為掘進(jìn)面防塵凈化水幕及各轉(zhuǎn)載點(diǎn)安設(shè)噴霧，由于礦井水雜質(zhì)較多且掘進(jìn)面環(huán)境惡劣，導(dǎo)致防塵噴霧裝置頻繁堵塞，工作面粉塵濃度依舊較高，其中，85.5%的粉塵粒度小于50 μm，危害較大。

2 分段封孔注水降塵技術(shù)

2.1 注水系統(tǒng)

本次施工采用的注水系統(tǒng)主要分為高壓泵送站、進(jìn)水回水閥門、自動(dòng)控制水箱、高壓膠管及分段式封孔注水器等組件，其系統(tǒng)布置如圖1。

圖1 注水系統(tǒng)布置圖

（1）高壓泵站

本次施工采用的高壓泵站包含水泵、水箱及開關(guān)控制柜等，不僅需滿足煤層注水的用水需求，還需滿足掘進(jìn)面轉(zhuǎn)載噴霧等用水需求。因此，要求高壓泵站提供的用水量及水壓應(yīng)大于兩者需求值的總和。原掘進(jìn)面配套的BPW80/31.5 型高壓泵的額定壓力為31.5 MPa，額定流量為80 L/min，可以滿足上述需求。

（2）管路系統(tǒng)

高壓泵站一端連接礦井靜水，一端通過(guò)內(nèi)徑為25 mm 的高壓膠管至掘進(jìn)工作面迎頭，再通過(guò)變徑直通連接內(nèi)徑為13 mm 的高壓膠管，最終與分段式封孔注水器相連，實(shí)現(xiàn)高壓注水。

（3）分段式封孔注水器

分段式封孔注水器主要由帶孔鋼套管、分段封孔器、高壓膠管等組件構(gòu)成，如圖2。

圖2 分段式封孔注水器結(jié)構(gòu)示意圖

該封孔注水器的外徑為39 mm，所需的鉆孔直徑為50 mm，每段封孔器長(zhǎng)度為5400 mm，共分為2 段，工作壓力為6～19 MPa。

2.2 鉆孔布置方式

在一采區(qū)回風(fēng)上山巷道掘進(jìn)面共布置4 個(gè)鉆孔，其中1 個(gè)注水孔（1#孔），3 個(gè)采樣孔（2～4#孔），4 個(gè)鉆孔在同一水平線上，距巷道底板高度為1.5 m。其中，2#孔與1#孔間距為1.0 m，3#孔與1#孔間距為1.5 m，4#孔與1#孔間距為2.0 m。具體布置方式如圖3。

圖3 注水鉆孔布置方式（m）

4 個(gè)鉆孔孔徑均為50 mm，孔深均為12 m，沿煤層傾向打孔。通過(guò)布置的鉆孔進(jìn)行煤層注水濕潤(rùn)半徑試驗(yàn)，以此來(lái)確定煤層注水參數(shù)。

2.3 煤層注水參數(shù)分析

（1）注水量及注水時(shí)間與注水壓力的關(guān)系

煤層注水效果主要受煤層賦存條件、注水壓力等因素的影響，其中注水壓力對(duì)于煤層注水效果起主要作用。因此，選擇注水壓力分別為10 MPa、12 MPa、14 MPa、16 MPa 進(jìn)行注水效果試驗(yàn)，分析不同注水壓力下的注水時(shí)間及注水量等參數(shù)。測(cè)試結(jié)果見表2。

由表2 可知，隨著注水壓力的增大，注水時(shí)間逐漸減小，而注水量呈逐漸增大的趨勢(shì)。由于注水壓力提高后，高壓水流可以在更短時(shí)間內(nèi)擴(kuò)張并貫通煤體裂隙，使得煤體在短時(shí)間內(nèi)也能夠充滿更多的水。為便于現(xiàn)場(chǎng)施工管理，不影響掘進(jìn)速度，需在保證注水量的前提下，盡可能地縮短注水時(shí)間，因此，應(yīng)選取較高的注水壓力。

表2 不同注水壓力條件下煤層注水參數(shù)

（2）注水壓力與煤層濕潤(rùn)半徑的關(guān)系

采用不同的注水壓力對(duì)鉆孔進(jìn)行注水，并檢測(cè)采樣孔不同深度的煤體含水率，對(duì)比分析不同注水壓力的煤層濕潤(rùn)半徑，檢測(cè)結(jié)果見表3 ～表6。

表3 16 MPa 注水壓力下煤樣濕潤(rùn)效果實(shí)測(cè)

表4 14 MPa 注水壓力下煤樣濕潤(rùn)效果實(shí)測(cè)

表5 12 MPa 注水壓力下煤樣濕潤(rùn)效果實(shí)測(cè)

表6 10 MPa 注水壓力下煤樣濕潤(rùn)效果實(shí)測(cè)

由檢測(cè)結(jié)果可知，10 MPa 注水壓力下的采樣孔內(nèi)的含水率增量小于1%，注水效果較差，其余注水壓力條件下的孔內(nèi)含水增量較大，注水效果較好。結(jié)合煤層條件分析得出：10 MPa 注水壓力下的煤層濕潤(rùn)半徑為0.4 m；12 MPa 注水壓力下的煤層濕潤(rùn)半徑為1.4 m；14 MPa 注水壓力下的煤層濕潤(rùn)半徑為1.6 m；16 MPa 注水壓力下的煤層濕潤(rùn)半徑為2.1 m。該條件下僅需在巷道中部施工1 個(gè)注水鉆孔，就可以對(duì)整個(gè)斷面的煤層進(jìn)行濕潤(rùn)降塵。因此，綜合考慮一采區(qū)回風(fēng)上山掘進(jìn)工作面的注水降塵最佳注水壓力為16 MPa。

3 注水防塵效果分析

綜合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及研究結(jié)果，確定最佳煤層分段封孔注水防塵技術(shù)參數(shù)為：孔深為12 m，注水壓力為16 MPa，注水時(shí)間為20 min，注水量為1200 L。

在一采區(qū)回風(fēng)上山掘進(jìn)工作面采用該分段封孔注水降塵技術(shù)后，采用粉塵采樣儀對(duì)工作面掘進(jìn)機(jī)司機(jī)位置、掘進(jìn)機(jī)后方5 m 處的總粉塵、呼吸性粉塵的濃度變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果見表7。

表7 分段注水前后粉塵濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果

由表7 可以看出，采用分段封孔注水降塵技術(shù)后，一采區(qū)回風(fēng)上山掘進(jìn)面司機(jī)位置處的總粉塵及呼吸性粉塵濃度分別下降至653.7 mg/m3及234.1 mg/m3；掘進(jìn)機(jī)后方5 m 處的總粉塵及呼吸性粉塵濃度分別下降至466.4 mg/m3及155.3 mg/m3；掘進(jìn)工作面總粉塵的降塵率為62.3%～69.7%，呼吸性粉塵的降塵率為63.7%～68.9%。粉塵濃度大幅度降低，有效改善了掘進(jìn)工作面的作業(yè)環(huán)境，保證礦井安全高效生產(chǎn)。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)煤層注水效果試驗(yàn)，得出10～16 MPa 注水壓力下的煤層濕潤(rùn)半徑為0.4～2.1 m。

（2）綜合考慮注水時(shí)間、注水量、煤層濕潤(rùn)半徑等參數(shù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，確定一采區(qū)回風(fēng)上山掘進(jìn)工作面的最佳注水壓力為16 MPa，孔深為12 m，注水時(shí)間為20 min，注水量為1200 L。

（3）對(duì)一采區(qū)回風(fēng)上山掘進(jìn)工作面采用分段封孔注水降塵技術(shù)后，工作面總粉塵的降塵率為62.3%～69.7%，呼吸性粉塵的降塵率為63.7%～68.9%，有效降低了粉塵濃度。