綜采工作面煤層注水工藝

尹 偉

（山西潞安集團(tuán)司馬煤業(yè)公司， 山西 長(zhǎng)治 046000）

煤炭生產(chǎn)一直是我國(guó)的支柱產(chǎn)業(yè)，年煤炭消耗量處于世界前列，在國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著重要的功能。近年來(lái)，伴隨著自動(dòng)化設(shè)備等相關(guān)技術(shù)的不斷升級(jí)發(fā)展，我國(guó)煤炭開(kāi)采多由基于工作面的大型綜采設(shè)備操作完成。綜采工作面的作業(yè)，包括鉆煤、爆破、掘進(jìn)、采煤、頂板、運(yùn)輸和設(shè)備檢修等。其中，鉆煤、爆破、掘進(jìn)、采煤等幾個(gè)環(huán)節(jié)的作業(yè)，通常會(huì)產(chǎn)生大量的礦塵，在很大程度上不僅增加了綜采工作面的作業(yè)難度，也威脅著作業(yè)人員的生命健康與安全。顯然，工作面礦塵是非常嚴(yán)重的危害性問(wèn)題。目前，多數(shù)綜采設(shè)備上均配置有除塵設(shè)備，但效果不佳，難以從根本上解決這一問(wèn)題。綜觀各類除塵方法，煤層注水工藝具有降塵明顯、防治沖擊地壓、防止瓦斯涌出、軟化煤層、提高割煤效率等諸多優(yōu)點(diǎn)。本文以某礦綜采工作面為例，在實(shí)施煤層注水后，觀察、測(cè)試、分析降塵效果和瓦斯防治效果。

1 綜采工作面情況概述

本文以某礦綜采工作面煤層為研究實(shí)例。其煤層為8號(hào)煤，容重為1.37 t/m3，厚度在0.5～3.1m的范圍之間，硬度系數(shù)介于1.5～2.3 之間，為中硬煤層；頂板為泥制粉砂巖，硬度系數(shù)介于3～5 之間；底板為全砂質(zhì)泥巖，硬度系數(shù)介于3～5 之間；煤層傾角在3°～5°之間，煤層中上部有一層厚度約0.2m的由炭質(zhì)泥巖為主的煤矸石，硬度系數(shù)介于3～5 之間。水文方面，該礦所處地區(qū)雨季雨水量較大，地下水位較高，在其沖刷下，煤層厚度近年明顯變薄，回采效果明顯受到影響。

該工作面為東西走向的傾斜工作面，長(zhǎng)度約250 m，平均厚度為3.23 m，采取一次全采高的采煤工藝，將所有厚度內(nèi)的煤層一次性全部采出，不留浮煤和頂煤。

該綜采工作面瓦斯參數(shù)如表1 所示。

表1 瓦斯參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

2 工作面注水工藝

注水工藝的操作應(yīng)用，需要提前進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)，以確保對(duì)煤層實(shí)施注水操作后，工作面的降塵、軟化、瓦斯防治等效果能夠達(dá)到實(shí)際開(kāi)采煤層的需求。

2.1 工作面注水參數(shù)設(shè)計(jì)

在實(shí)施工作面注水作業(yè)時(shí)，需要提前設(shè)計(jì)好相關(guān)的參數(shù)，主要有注水壓力、注水時(shí)間、單孔注水時(shí)間、一個(gè)循環(huán)總注水量等。注水壓力：通常依據(jù)工作面開(kāi)采初期清水泵的壓力而定，本文研究的工作面開(kāi)采中，清水泵的壓力為15 MPa，即注水壓力為15 MPa。

1）總注水時(shí)間。規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成所有注水孔的注水操作。通常依據(jù)檢修工作時(shí)間確定，以實(shí)現(xiàn)對(duì)注水過(guò)程的全程監(jiān)控。在本工作面開(kāi)采中，一個(gè)檢修班的實(shí)際工作時(shí)間為6 h，那么總注水時(shí)間為6 h。

2）單孔注水時(shí)間。一般以當(dāng)煤壁出水為準(zhǔn)，確定單孔注水時(shí)間，與注水壓力、流量等有關(guān)。工作經(jīng)驗(yàn)表明，注水過(guò)程中單孔注水時(shí)間一般在5～10 min。在本文研究的工作面中，基于單孔注水時(shí)間滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的考慮，采取了兩個(gè)鉆孔同步注水的方法，此時(shí)，單孔注水時(shí)間為：6×60/56/2=3.21 min。

3）一個(gè)循環(huán)注水總量。通過(guò)噸煤注水量乘以工作面長(zhǎng)度、厚度、高度、容重可得。該工作面長(zhǎng)250 m、厚3.23 m、高9 m，容重1.37 t/m3，假設(shè)噸煤注水量為25 L，那么一個(gè)循環(huán)注水總量可計(jì)算：250×3.23×9×1.37×25=248912 m3。隨后，可分別計(jì)算得出單孔注水量為4.1 m3，總注水注量為4444.9 m3/h，單孔注水流量為2222.5 m3/h。

此外，在注水作業(yè)過(guò)程中，采取動(dòng)壓注水方式，將清水泵的壓力控制在15 MPa 左右，注水時(shí)間限定在6 h 以內(nèi)，鉆孔與注水同步操作，以確保注水時(shí)間能夠符合作業(yè)要求。

2.2 注水系統(tǒng)設(shè)備選型

在綜采工作面的注水系統(tǒng)中，通常主要有清水泵、自動(dòng)封孔器、高壓水管、高壓水表、減壓閥等設(shè)備，如表2 所示為關(guān)鍵設(shè)備的參數(shù)統(tǒng)計(jì)表。

表2 注水系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

在注水作業(yè)過(guò)程中，需要作業(yè)人員嚴(yán)格按照綜采工作面注水工作規(guī)章制度、關(guān)鍵設(shè)備安全操作規(guī)范等規(guī)定的條款進(jìn)行操作，以確保注水操作準(zhǔn)確無(wú)誤，保障最終的注水效果。

3 工作面注水效果分析

通常，工作面注水效果的衡量，主要從降塵效果和瓦斯防治效果兩個(gè)角度進(jìn)行。

3.1 降塵效果分析

本次研究中，采用型號(hào)為AKFC-92A 的礦用粉塵采樣器，主要測(cè)量工作面關(guān)鍵位置的礦塵濃度。該型號(hào)的礦用粉塵采樣器，設(shè)計(jì)原理是濾膜測(cè)塵，通過(guò)測(cè)量采樣前后濾波的質(zhì)量來(lái)計(jì)算確定測(cè)量位置的礦塵質(zhì)量濃度，計(jì)算公式為：

式中：C 代表粉塵質(zhì)量濃度；m1代表采樣前濾膜質(zhì)量；m2代表采樣后濾膜質(zhì)量；Q 代表設(shè)備采樣流量；t代表設(shè)備采樣時(shí)間。

為了檢驗(yàn)降塵效果，分別從采煤機(jī)上下風(fēng)側(cè)10m處、采煤機(jī)司機(jī)位置、移架工移架處、移架點(diǎn)下風(fēng)側(cè)10m等位置進(jìn)行測(cè)試，如表3 所示為測(cè)試后的礦塵濃度數(shù)據(jù)，并計(jì)算降塵率進(jìn)行對(duì)比分析。

表3 不同位置降塵效果對(duì)比分析表

如表3 所示，經(jīng)過(guò)測(cè)試、計(jì)算與對(duì)比分析，可以看出在對(duì)綜采工作面注水后，采煤機(jī)司機(jī)位置及上下風(fēng)側(cè)、移架工移架位置與移架點(diǎn)下風(fēng)側(cè)等關(guān)鍵位置的礦塵濃度均有明顯降低，說(shuō)明通過(guò)采取在工作面注水的方法可以降低作業(yè)期間的礦塵濃度，進(jìn)而達(dá)到降塵抑塵的效果。

3.2 瓦斯防治效果分析

在對(duì)工作面煤層進(jìn)行注水作業(yè)時(shí)，受水流高壓作用，煤層內(nèi)外會(huì)出現(xiàn)不同程度的裂隙，這會(huì)導(dǎo)致瓦斯會(huì)以吸咐狀態(tài)游離在采掘空間內(nèi)，由于煤體受水分包裹，致使瓦斯難以釋放，進(jìn)而降低了采煤過(guò)程中瓦斯的涌出量。

為了分析瓦斯防治效果，需要對(duì)注水前后煤層瓦斯深度的變化情況、涌出速度進(jìn)行測(cè)試。經(jīng)過(guò)測(cè)試，本工作面的瓦斯涌出量明顯降低，特別是在丙班工作中，瓦斯?jié)舛让黠@降低，說(shuō)明煤層注水工藝具有防治煤層瓦斯的效果。

4 結(jié)語(yǔ)

一直以來(lái)，煤層工作面的礦塵、瓦斯是制約煤層開(kāi)采速度的主要因素，并始終威脅著生產(chǎn)安全。近年來(lái)，隨著綜采自動(dòng)化技術(shù)水平的不斷升級(jí)發(fā)展，一些綜采設(shè)備上設(shè)計(jì)配備了相應(yīng)的噴霧除塵設(shè)備，起到了降低粉塵的作用，但依舊難以從根本上解決礦塵和瓦斯的問(wèn)題。本文通過(guò)研究，認(rèn)為采用煤層注水工藝可以降低礦塵和瓦斯?jié)舛龋行б种仆咚褂砍觯趯?shí)際生活中具有積極的推廣價(jià)值。