綜掘煤巷煤層注水防塵技術研究

徐新華

（山西大同煤礦集團馬脊梁礦，山西 大同 037001）

2208 巷位于C3#二盤區，沿C3#煤層底板掘進，采用綜掘方式，工作面標高為846～878m。巷道設計高度為3.7～4.0m，寬度為5.4m，設計長度為2374m，煤層傾角1°～4°，平均2°。C3#煤層原始瓦斯含量為5.6 m3/t，瓦斯絕對涌出量2m3/min，煤塵有爆炸危險性，煤層自然發火期84d。礦井在回采工作面采用順層鉆孔、掘進工作面采用水平長鉆孔對瓦斯進行預抽。

雖然在礦井風井處配備有600m3水池，用于井下采掘、運輸等防塵、噴霧，同時在2208 綜掘工作面按照相關要求鋪設噴霧降塵管路，在掘進機上安設有內、外噴霧裝置，在掘進巷道布置凈化水幕，皮帶輸送機、刮板輸送機轉載點有噴霧除塵裝置，但是在巷道掘進過程中粉塵仍超標，給巷道掘進安全帶來不利影響。因此，決定在2208 綜掘工作面前方掘進煤層中進行注水降塵。

1 掘進面煤層注水設計

1.1 注水管路

在掘進迎頭注水水源為鋪設至掘進迎頭的靜壓水管，注水封孔器為長度1m 的煤層注水器封孔。為了確定注水水量，在注水管路中安設高精度流量計。具體的掘進迎頭注水管路連接情況如圖1所示[1]。

圖1 掘進迎頭注水管路連接示意圖

1.2 注水鉆孔布置

綜合考慮瓦斯抽采鉆孔、煤質、巷道掘進斷面以及煤層注水時間等因素對注水鉆孔影響，在掘進工作面迎頭布置的注水鉆孔如圖2 所示。其中9 號注水鉆孔為測試鉆孔，確定注水后的煤層浸潤范圍。為了避免注水鉆孔與瓦斯抽采鉆孔間出現竄孔，布置的注水鉆孔應盡量平行于瓦斯抽采鉆孔[2-3]。具體注水鉆孔參數見表1。

圖2 注水鉆孔布置示意圖

表1 注水鉆孔參數

1.3 注水工藝

（1）將掘進工作面注水管路、注水封孔器等設備連接好，在掘進迎頭不同位置取4 個煤樣，具體取樣位置如圖3 所示。

圖3 取樣位置示意圖

（2）在掘進工作面施工注水鉆孔（孔徑42mm），一個注水鉆孔施工完畢后立刻采用封孔器封孔注水，同時開始鉆進下一個注水鉆孔。在掘進迎頭共施工8 個注水鉆孔，每一個注水鉆孔的注水時間不小于60min。

（3）注水結束后開始進行掘進，每掘進1.6m后測定粉塵產生量，并按照圖3 位置取煤樣。

2 注水半徑確定

為了考察在掘進工作面注水時煤層浸潤效果，在巷道左幫位置距離掘進迎頭5m 處施工9 號注水孔，并每隔300mm 施工一個考察鉆孔。具體鉆孔布置如圖4 所示。鉆孔鉆進1.5m 后取樣進行含水率分析，以此判定鉆孔注水后的煤層潤濕效果。9號鉆孔注水壓力2.6～3.2MPa，注水時間60min。具體取樣得到的煤層含水率情況見表2。

圖4 考察鉆孔布置示意圖

表2 考察鉆孔取樣點煤層含水率

從表中可以看出，隨著考察孔與注水孔距離的增加，取樣得到的煤樣內水分含量呈現降低趨勢。考察孔與注水孔間距超過1.2m 以后，煤樣中的含水率在2%左右，與原始含水率接近。因此，可以判定在2.6～3.2MPa 注水壓力、1.0h 時間內注水浸潤半徑在0.9～1.2m。

3 注水降塵效果分析

3.1 粉塵濃度測點確定

根據掘進工作面粉塵來源，布置5 個粉塵濃度測點，具體如圖5 所示。在綜掘機司機操作位置以及鉆孔施工位置處粉塵濃度一般較大，因此，在距掘進工作面迎頭5m 處布置一個測點（5 號測點），在噴霧降塵水幕前5m、后10m 處布置兩個測點，分別為4 號、3 號，在皮帶輸送機轉載點后方2m布置2 號測點，在回風巷中布置1 號測點[4-5]。

圖5 粉塵濃度測點位置示意圖

3.2 注水后煤層含水率

對掘進前方煤層注水完畢后，掘進進尺1.6m后開始在圖3 中標注的取樣點位置取樣，進行含水率分析，判定煤層注水效果。具體不同取樣位置得到的煤層含水率見表3。

表3 掘進不同位置處取樣點煤層含水率

從表中分析得出：

（1）采用靜壓注水方式不需要額外采用注水專用泵，注水工作更為便捷，煤層親潤效果顯著。取樣范圍內煤層含水率在2.8%～8.2%間，較注水前有較大提升。

（2）隨著注水鉆孔深度增加，煤層內含水量呈現出降低趨勢。

（3）由于掘進工作面前方煤體硬度、裂隙等分布差異，工作面不同位置處的煤層含水率有差異，注水浸潤效果有所不同。

3.3 降塵效果分析

在掘進工作面掘進機噴霧降塵系統、巷道噴霧降塵水幕等降塵設備全部開啟情況下，對布置在掘進巷道內的粉塵測點在煤層注水前后的粉塵濃度進行測試。具體對比結果見表4。

表4 煤層注水前后粉塵濃度變化統計表

3.4 掘進巷道沿程粉塵變化情況

為了掌握煤層注水對掘進巷道粉塵濃度影響情況，在關閉噴霧降塵水幕情況下對煤層注水前后各掘進7.2m 時的巷道沿程粉塵變化情況進行監測。具體測量數據如圖6 所示。

圖6 巷道沿程粉塵變化情況

從監測結果看出，在掘進工作面對煤層注水后掘進巷道內的全塵、呼吸性粉塵濃度均有所降低，全塵降低較呼吸性粉塵降低更為明顯。注水前粉塵在掘進頭后方35m 后趨于穩定，而注水后粉塵在掘進頭后方25m 處就趨于穩定。通過煤層注水不僅可以降低綜掘工作面粉塵產生量，而且還可以降低粉塵擴散范圍。

4 結語

（1）在綜掘工作面距離掘進迎頭距離越短，粉塵濃度越高。隨著與掘進迎頭距離增大，巷道內粉塵濃度呈現降低趨勢，全塵在距離掘進迎頭35m后，呼吸性粉塵在距離掘進迎頭30m 后濃度開始趨于穩定。因此，在綜掘巷道內布置的噴霧降塵水幕在不影響正常掘進情況下應盡量靠近掘進迎頭，且最遠距離應控制在30m 以內。隨著綜掘機的不斷前進，噴霧降塵水幕應不斷前移。

（2）在2.6～3.2MPa 靜 壓 下，注 水 時 間 保持60min 時的掘進工作面注水鉆孔水浸潤半徑在0.9～1.2m。取樣測得注水影響范圍內的煤層含水率在2.8%～6.2%，較原始煤層含水率提高38%～195%。煤層含水率隨著注水鉆孔深度增加呈現降低趨勢，主要是由于注水鉆孔內阻力較大，導致注水鉆孔深部注水壓力降低，注入到煤層中的水量有所降低。

（3）注水后掘進巷道沿程的粉塵濃度均有所降低，注水后全塵在25m 處就趨于穩定，因此，在掘進巷道煤層注水時，噴霧降塵水幕與掘進迎頭間距離應控制在25m 以內。在2208 綜掘工作面采用注水降塵措施后，掘進巷道內的粉塵產生量顯著降低，其中呼吸性粉塵降低率為14.5%，全塵降低率為21.9%，有效改善了掘進工作面環境。