采煤工作面煤層注水防塵機理與鉆孔布置研究

于 澤

（山西新元煤炭有限責任公司，山西 晉中 030600）

陽煤集團新元煤礦9104綜采工作面煤塵產出量較大，控制較困難，為從源頭上防塵降塵，亟需提高煤層注水效果。但由于該工作面回采煤層較松軟，孔隙率低，透水性較差，傳統的注水方式難以達到理想的濕潤煤層效果，需對煤塵顆粒間作用力做詳盡研究，提出長孔注水為主、短孔注水為輔的綜合注水鉆孔布置方式，并檢驗其注水效果。

1 工程概況

1.1 煤層概況

陽煤集團新元煤礦9104綜采工作面位于礦井一水平一采區，北鄰9#煤南回風大巷，東鄰9103采空區，西鄰9105進風巷。該工作面走向長度1217.4m，傾向長度230.8m，所采煤層為9#煤，埋藏深度520～650m，傾角1～5°，煤層平均厚度3.36m。工作面布置如下圖1所示。

圖1 9104工作面布置示意圖

該工作面采用傾斜長壁后退式綜合機械化一次采全高采煤方法，頂板采用全部垮落法處理。所采9#煤層為中灰、低硫、低磷、極難選貧煤、無煙煤，煤塵具有爆炸危險性，煤層以亮煤為主，煤體滲透性差，屬較難注水煤層。該層上方賦存8#下煤層，厚度約0.3～1.0m，兩煤層間距0.5～1.3m，中間為黑色炭質較松軟泥巖，頂板以泥巖、砂質泥巖為主，底板以粉砂巖為主。

1.2 產塵特性

由于煤體結構疏松破碎，回采過程中極易產生大量煤塵，故具有揚塵量大、擴散速度快、人員呼吸粉塵比重高等特點。現場實測9104綜采工作面不同空間位置處粉塵濃度見表1。盡管工作面采用了噴霧降塵措施，但效果不佳，依舊沒能解決根本性問題。

表1 9104工作面不同空間位置煤塵濃度

2 煤層注水防塵機理

2.1 液橋力

煤塵顆粒之間通過橋鏈狀態的液體相連接，因而產生了液橋力。煤層注水可大幅提高煤體含水率，增強煤塵間作用力，特別是顆粒間液橋力。以等徑顆粒間液橋力為例（圖2），如公式（1）所示：

式中：

γ-液體界面張力，mN/m；

θ-固液接觸角，（°）；

α-液體充填角，（°）；

R-顆粒半徑，mm；

r1-液橋表面半徑，mm；

r2-液橋最窄半徑，mm。

圖2 等徑顆粒間液橋

液橋的存在能夠加速顆粒融聚，而液橋含液量與液橋力的大小也存在著密切關系，如公式（2）所示：

式中：

S-顆粒間液橋含量，又稱飽和度；

VL-顆粒間液體體積，mm3；

VT-顆粒間孔隙體積，mm3。

顆粒間隨著液體體積的增加，飽和度增加，如圖3所示。當液橋充滿顆粒間縫隙時，顆粒再分離就顯得很困難，且隨著飽和度增加，原先的煤塵小顆粒融合為較大顆粒，從而不僅降低了煤塵產出量，而且加快了煤塵沉降速度，起到了重要的防治作用。

圖3 不等液體飽和度液橋形成形態

2.2 注水防塵機理

為檢驗煤層注水效果，現場選取注水前與注水后煤樣進行分析，其含水量分別為3.3%、6.7%。各取兩煤樣150g進行篩選，分別對80～120目、120～140目、150目以下煤樣進行統計，如表2。

表2 注水前后煤樣篩選質量統計

由表2可知，注水后更難篩分出更細顆粒粉塵，其中120～140目減少了69.56%，說明注水增加了煤塵顆粒間液橋力，顆粒融聚作用更加明顯。

結合以上分析，煤層注水防塵機理主要體現在以下兩大方面：

（1）濕潤原有煤塵。經注水后，煤體裂隙中存在的原生煤塵得到預先濕潤，從而失去飛揚能力。

（2）改變煤體物理力學性能。煤體由于水的侵入塑性增加，脆性減弱，受外力作用時便有許多脆性破碎變為塑性變形，從而減少了部分煤體因破碎而產生煤塵的可能性。

3 注水鉆孔布置方式

依據鉆孔位置、方向及長度，煤層注水鉆孔常見布置方式有以下三種：（1）長孔注水。鉆孔位置在回采巷，長度大于40m；（2）短孔注水。鉆孔位置在工作面，長度小于6m，適用于裂隙發育、透水性強煤層；（3）深孔注水。鉆孔位置在工作面，長度6～20m，適用于裂隙不發育、透水性弱煤層。

9#煤層屬于難注水煤層，故采用“長孔注水為主、短孔注水為輔”的綜合注水方式。

3.1 順層長孔注水

在9104工作面回風巷向預采煤層垂直鉆孔，鉆孔長度60m，孔直徑75mm，孔間距15m，如圖4所示。長孔注水具有濕潤范圍大、濕潤均勻、對回采干擾小等特點，可達到良好的預先濕潤效果。

圖4 順層長孔布置

3.2 高位鉆孔注水

在9104工作面底板起伏明顯處設立高位鉆場，在鉆場布置注水鉆孔，如圖5所示。共布置20個長鉆孔，其中1～13號鉆孔為主要鉆孔，鉆孔長度60～110m，孔直徑75mm，開孔間距0.5m，孔端間距15m，作用是濕潤工作面前方主要煤體；14～20號鉆孔為輔助鉆孔，鉆孔長度40～70m，孔直徑75mm，開孔間距0.5m，作用是彌補主要鉆孔對工作面更前方及鉆場附近煤體濕潤不充分。高位鉆孔煤層注水在巷道頂板巖層開孔，密閉性更好，封孔更容易，同時能夠利用上層頂板移動增加煤層透水性，提高注水效果，避免了順層鉆孔在煤層底板起伏時孔穿煤體較少、注水量較少的問題。

圖5 高位鉆孔布置

3.3 短孔注水

9#煤層平均厚度為3.36m，沿9104工作面全長垂直煤壁布置雙排注水鉆孔，如圖6所示。鉆孔長度6m，孔直徑42mm，孔間距3m。短孔注水具有操作簡單、工作量少、對工作面條件要求低等特點。

圖6 短孔布置

4 工程應用

煤層注水后，對9104工作面不同地點粉塵濃度再次進行監測，監測結果見表3。

表3 9104工作面不同空間位置煤塵濃度

由表3可知，注水后工作面各空間位置粉塵濃度下降較大，其中回風巷粉塵濃度較未注水前下降了76.71%，下降最明顯。說明綜合注水方案能有效防治回采過程煤塵產量大、不易控制的問題，為綜合機械化采煤快速推進及生產安全提供了條件。

5 結論

（1）煤層注水可提前濕潤煤體裂隙中煤塵，改變煤體原有物理力學性質，大幅降低了煤體破碎時的產塵量，并阻止了煤塵飛揚；

（2）煤層注水可充分提高煤塵顆粒間液橋力，使無數小顆粒通過液橋力積聚為較大顆粒，降低了煤塵飛揚能力，加快了煤塵沉降速度；

（3）以長孔注水為主、短孔注水為輔的綜合注水方案可有效降低9104綜采工作面煤塵產量，為工作面安全快速推進提供了重要保障。