晉華宮礦8109綜掘面注水防塵技術應用

許 瑾

（同煤集團晉華宮礦，山西 大同 037016）

晉華宮礦8109綜掘工作面切割煤過程中產生粉塵量較多、控制較困難且具有爆炸危險[1]，如不及時對煤層采取降塵措施，極易對井下作業安全造成重大威脅[2]。本文通過對煤層注水降塵機理的分析，設計了煤層注水方案，研究了不同掘進深度時各個測點的粉塵濃度[3]，得到了煤層含水量隨著鉆孔深度的變化規律，確定了煤層注水的最佳位置[4]。并在工程應用中取得了良好的降塵效果，大幅度減少了工作面粉塵和呼吸性粉塵的產出量[5]。本研究對于綜掘工作面有效控制粉塵濃度具有重要的理論指導意義與工程實用價值。

1 工程概況

1.2 煤層概況

同煤集團晉華宮礦8109綜掘工作面埋深-600 m，該綜掘工作面所處的3#煤層具有煤與瓦斯突出危險性，煤層總體上為單斜構造。3#煤層賦存比較穩定，煤層厚度介于3～6 m之間，平均厚度4.6 m。頂板為厚度2.2 m的泥巖復合頂板，底板以泥巖為主，厚度為11.8 m。礦井東、西風井各配備一個400 m3的水池，能滿足井下供水需求。

1.2 產塵特性

由于煤體結構疏松破碎，綜掘掘進過程中極易產生大量煤塵，故具有揚塵量大、擴散速度快、易發生爆炸等特點。

2 煤層注水降塵機理

2.1 煤塵的產生

在煤炭的各個生產環節過程中，煤與煤、圍巖以及和機械設備之間的作用過程中會產生大量的煤塵，粉塵污染問題遍布于幾乎所有的生產場。隨著大型設備的投入使用，煤塵的產生量越來越多，也更加集中，對機械設備和人身安全的威脅也更大。綜掘工作面開采過程中產生的粉塵量最多，能夠占粉塵產生總量的80%以上。井下的粉塵不只是在生產過程中產生的煤塵，還包括施工材料在使用過程中產生的粉末。

2.2 除塵的機理

（1）水可以濕潤煤體中的原生粉塵。原生煤塵存在于煤層的裂隙中，當采用機械設備將煤體破碎后，裂縫中的煤塵被釋放出來，彌漫在作業環境中，對人的健康和機械使用年限造成極大危害。

（2）煤體中含有超細微的孔隙，可以通過毛細作用吸附一部分水，當煤體破碎后，吸附的水會先濕潤絕大部分的破碎面，減少了大量細微浮游粉塵的飛揚。

（3）水可以改變煤的物理力學性質。煤體受外力產生破壞后，在水的作用下，原本的塑形破碎的煤體會產生大量的塑性變形，大大增強了煤體不被破碎為塵粒的能力，減少了粉塵的產生量。

3 煤層注水設計

3.1 煤層注水管路設計

同煤集團晉華宮礦8109工作面采用封孔長度為1 m的注水器對煤層進行注水，能夠用水力實現自動封孔。為了使儀器更加精密，可以根據需要隨時調節水流的大小，在高壓水管位置處聯接了精密流量計，見圖1。

圖1 靜壓注水

3.2 煤層注水鉆孔布置

綜合考慮煤質、瓦斯孔、巷道斷面尺寸、注水時間等綜合因素的影響，布置的煤層注水降塵的鉆孔見圖2，為了防止注水鉆孔與卸壓鉆孔的貫通，鉆孔角度應盡可能平行于卸壓鉆孔傾角。

圖2 迎頭注水鉆孔布置

3.3 注水濕潤半徑的考察

為了了解煤層注水后的濕潤情況，在巷道右幫距迎頭3 m位置處布置直徑為42 mm的鉆孔考察其濕潤半徑。以鉆孔中心為圓心，在其內部間隔0.3 m打一個鉆孔，鉆孔布置見圖3，取打鉆1.2 m后的鉆屑，做全水分分析，將所得數據記錄于表1，根據分析結果判斷其濕潤效果。此時，煤層的注水時間為90 min，最小注水壓力為2.5 MPa，最大注水壓力為3.3 MPa。

圖3 濕潤半徑考察鉆孔布置

表1 全水分分析

由表1可知，隨著鉆孔位置距離取樣點距離的增加，所取煤樣中所含的水分逐漸降低，并趨于煤層中所含固有水分。在距離鉆水孔1.2 m后，所取碎屑的含水量穩定在2%左右，即煤層本身所含的水量。因此，可以得到在注水時間為1.5 h和注水壓力為2.5～3.3 MPa的條件下，得到其最小濕潤半徑為0.9 m，最大濕潤半徑為1.2 m。

4 注水效果考察

4.1 注水降塵效果考察

工作面內共布置五個監測點來監測注水前后粉塵的濃度變化情況見圖4。在司機操作處的粉塵濃度比較大，故在距迎頭5 m處設置了5號測點；另外，在水幕前5 m、后10 m位置處分別設置4號、3號測點；在轉載點后設置2號測點；在距離2號測點10 m位置的總回風流處設置1號測點。將測得數據記錄在表2。

圖4 綜掘工作面粉塵測點布置

表2 注水前后粉塵濃度數據

通過注水前后5個位置處全塵和呼吸性粉塵的濃度的監測結果可知，注水后，5個位置的呼吸性粉塵和全塵濃度均明顯下降。其中在綜掘機司機機位置，即距迎頭5 m位置處呼吸性粉塵濃度的下降程度最高，降低了工人作業環境的危險程度；在3號、4號測點測得的全塵的下降程度基本一致，在3號測點的粉塵濃度均小于4號測點所測得的濃度值，即水幕后小于水幕前，而4號測點的呼吸性粉塵的降塵率大于3號測點的降塵率。

4.2 注水前后沿程粉塵濃度分布

為了掌握注水前后沿程全塵和呼吸性粉塵濃度分布情況，測定了在工作面進尺7.2 m的情況下注水前后沿程粉塵濃度分布情況，包括呼吸性粉塵以及全塵濃度隨著距離迎頭的距離粉塵濃度的變化情況，見圖5、圖6。

圖5 注水前后呼吸性粉塵變化情況

圖6 注水前后全塵變化情況

由圖可知，隨著距迎頭距離的增加，呼吸性粉塵和全塵的濃度逐漸減小，在距離迎頭前10 m，粉塵下降速率較大；呼吸性粉塵在距離迎頭前10～30 m位置處下降速率減小，而全塵在距離迎頭前10～25 m位置處下降速率減小；當呼吸性粉塵距迎頭超過30 m、全塵距迎頭超過25 m后，粉塵濃度逐漸趨于穩定，不再發生明顯波動。注水后在距離迎頭25 m位置處，全塵粉塵濃度由注水前的420 mg·m-3減小為注水后198 mg·m-3，下降率為52.9%；注水后在距離迎頭30 m位置處，呼吸性粉塵濃度由注水前的148 mg·m-3減小為注水后114 mg·m-3，下降率為23.0%。由以上分析可知： 注水后呼吸性粉塵和全塵濃度都有所下降，且下降率的大小關系為：全塵＞呼吸性粉塵。

5 結語

1）煤層注水不僅可以在源頭上減少粉塵的產生，包裹住超細微煤層，還可以改變煤體的物理力學性質，增加其塑形，大大增強了煤體不被破碎為塵粒的能力。

2）通過對所取煤樣做全水分分析，得到當注水時間為1.5 h，注水壓力2.5～3.3 MPa時，煤層的注水濕潤半徑為0.9～1.2 m。

3）注水后呼吸性粉塵和全塵濃度都有所下降，全塵濃度在距離迎頭25 m位置處趨于穩定，呼吸性粉塵在距離迎頭30 m位置處趨于穩定，下降率的大小關系為：全塵＞呼吸性粉塵。