水力壓擠防塵技術的研究

王 樂

（安徽理工大學 能源與安全學院，安徽 淮南232001）

1 水力壓擠防治煤塵機理

與傳統的采煤工作面煤層注水技術相比較而言，水力壓擠技術的防塵機理十分相似。它們都是將高壓水注入煤體，水可以有效地滲入到煤體的內部，使煤體的水分增加，這樣落煤時煤體所產生的塵量就會減少。

2 試驗工作面概況

蘆嶺煤礦Ⅱ825－2綜放工作面地面標高為＋23m，工作面標高為－440m～－480m。Ⅱ825－2綜放工作面地面位置位于礦工廣以西，西塌陷區邊緣，礦專用鐵路南50 m至沱河北150m，蘆四路東50m至孟家溝西10m。該面井下東以工廣保安煤柱線為界；西以DF17斷層為界；南為Ⅱ823工作面采空區；北為Ⅱ827工作面。走向長度600 m，傾斜110m，面積66000m2。根據該面機、風巷及附近溜煤眼揭露的資料分析，該面煤層穩定，煤層厚度為5.0～10.1m，平均8.06m；煤層結構簡單；工作面煤層呈東部厚、西部相對較薄的變化趨勢。老頂為砂質泥巖，厚度10～20m，淺灰色，厚層狀，質硬；直接頂為采空區，厚度8.0～10.0m，8＃煤頂分層冒落后的再生頂板；直接底為砂質泥巖，厚度1.2～5.0m，深灰色，薄層狀，層理發育；老底為9＃煤厚度1.8～5.8m，粉砂巖至細砂巖，灰色，中厚層狀。

3 水力壓擠注水系統

Ⅱ825－2綜放工作面水力壓擠注水系統由高壓水泵、膠管、封孔器、高壓水表、截止閥等組成。采用的是動壓高壓注水，水壓最大達到20MPa。其系統布置如圖1所示。

3.1 注水孔位置

一般來說，煤體不會是一個均質體，而是一種非均質體，它通常由許多不同的煤巖類型的自然小分層所組成，而這些小分層的裂隙率和孔隙率也各不相同。在實施水力壓擠的過程當中，必須選好孔口的位置。通常情況下將注水孔的孔口布置在致密的小分層里，這樣在注水的過程中就不會造成孔口的破壞，從而防止了泄水的發生。

Ⅱ825－2綜放工作面跟底板回采，工作面割煤高度為2.0m，放煤高度6.0m，注水孔孔口位置選擇在支架頂梁下300mm。布孔方式采用單排孔布置，上排鉆孔有0°～7°的仰角，便于對頂煤的濕潤，采用煤電鉆打眼。

3.2 注水孔深度

回采工作面水力壓擠的注水鉆孔的長度為：

式中：L循為回采工作面日循環進度，m；L超為超前注水有效深度，m；為鉆孔仰角。

Ⅱ825－2綜放工作面L循＝1.5～2.0m，L超＝2m，則可計算出L采＝3.5～4.0m。

由于Ⅱ825－2綜放工作面日進尺較少，且使用封孔器長度為1m，為了讓滲水面積足夠大，因而注水孔的深度應該大于2m，并且注水孔的深度越大越好；但是注水孔的深度太大時又會影響到打孔的效率，且當注水孔的深度超過卸壓區以后，煤體的裂隙將會減少，從而影響水力壓擠的效果。受制于以上兩種條件，實驗將注水孔深度定為5m。

圖1 Ⅱ825－2綜放工作面水力壓擠量考察孔布置示意

3.3 注水孔之間的距離

實施水力壓擠需要打鉆，而鉆孔之間的距離應該根據煤層的透水性來確定，通過實際測量可以知道水力壓擠的有效半徑R可以并通過以下公式進行計算：

式中：C為相鄰兩注水孔影響區的壓茬長度，一般取1～2 m。

Ⅱ825－2綜放工作面測得的有效濕潤半徑為4m，重疊影響長度取2m，則孔間距定為6m。

3.4 封孔深度

在水力壓擠技術實施過程中，如何確定注水孔封孔長度是一個關鍵。對于不同的工作面煤層及生產條件來說，往往其封孔長度差別將會很大。在了解封孔器在鉆孔中的工作原理之后可以得出，如果要實現封孔的成功，必須關注于兩點：

（1）在封孔器因為注水而膨脹后能夠將孔口完全而細致的密封，能夠讓水完全注入注水孔中而不外泄；

（2）在注水過程中孔口不會塌陷。在軟煤層中實施水力壓擠，提高鉆孔的質量可以防止鋼管部分的鉆孔的塌陷；而對于封孔器部分來說，只要封孔器膨脹后的膨脹壓力小于煤體的強度就不會壓碎煤體。當煤層較軟時，封孔長度應取合理值，經過現場多次試驗，得出，當封孔深度小于為2m時，煤壁容易片幫；而大于3m時，注水孔孔口容易在高壓水的壓擠下塌孔，造成注水結束后封孔器拔不出來。綜合考慮，封孔深度選擇在2.5m。

4 降塵效果的考察與分析

由現場觀測可知Ⅱ825－2綜放工作面粉塵主要來源于采煤機割煤（含裝煤），液壓支架升、降、移過程，頂煤放落，轉載點轉載。據研究高位放煤時放煤口產塵量高于采煤機割煤產塵量，中位放煤產塵量與采煤機割煤產塵量基本相等，低位放煤產塵量低于采煤機割煤產塵量。液壓支架升、降、移過程中，由于支架頂梁與煤接觸，其產塵量大于一般綜采面。

為考察和評價Ⅱ825－2綜放工作面水力壓擠的降塵效果，在水力壓擠前后對該面進行了粉塵濃度的測定（見表1）。

表1 Ⅱ825－2綜放工作面水力壓擠前后粉塵濃度測定

從表1可以得出如下結論：

1）從測定結果可看出，蘆嶺煤礦Ⅱ825－2綜放工作面采煤機割煤時，工作面主要塵源有：采煤機割煤（含裝煤），液壓支架升、降、移過程中頂煤放落，轉載點轉載。據研究，高位放煤時放煤口產塵量高于采煤機割煤產塵量，中位放煤產塵量與采煤機割煤產塵量持平，低位放煤產塵量低于采煤機割煤產塵量。液壓支架升、降、移過程中，由于支架頂梁與煤接觸，其產塵量大于一般綜采面。由于綜放面是多工序連續作業，綜放工作面粉塵防治困難較大，應予以充分的重視，必須采用有效的防塵措施。

2）據現場調查研究及有關資料分析，蘆嶺礦8＃煤綜放工作面屬于“三軟”煤層，強度低，煤體破碎，煤層裂隙發育，在回采過程中將會產生大量的煤塵；煤的變質程度較低，煤質揮發分較低，根據研究計算可以知道水煤接觸角較大，因此煤的潤濕性不好，增加了防塵的難度。

3）從水力壓擠前后對工作面各主要產塵工序粉塵濃度的測定結果可以看出：水力壓擠大幅度降低了各生產工序的產塵量，其中采煤機割煤工序是防塵的重點。在實施水力壓擠前，采煤機下風側10m處粉塵濃度為610.7mg／m3，采煤司機處粉塵濃度為322.3mg／m3，嚴重超過國家頒布的煤礦安全衛生標準，給一線生產工人的身心健康帶來了巨大危害；實施水力壓擠以后，經過測定割煤時采煤機下風側和采煤司機處粉塵濃度分別降低為93.1mg／m3和59.8mg／m3，降塵率分別達到84.8%和81.4%。水力壓擠前回風巷粉塵濃度也是非常高的，濃度高達223.3 mg／m3，水力壓擠后全塵濃度降到20.8mg／m3，降塵率為90.7%。

4）布置的6個測塵點的降塵率在64.6%～91.1%之間，平均83.3%。煤層水力壓擠的過程中，煤體的內水份得到了有效的增加，這樣就使得采落后的煤炭在整個運輸過程中，產塵量都會降低，與此同時水力壓擠對煤炭運輸過程中的降塵也有較明顯的效果。

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