分段注水技術在綜掘工作面粉塵防治中的應用

王振宇

（山西汾西礦業南關煤業有限責任公司，山西 靈石 031304）

綜掘巷道施工時會產生大量的粉塵。掘進迎頭高濃度粉塵不僅會造成煤塵爆炸、矽肺病問題，也會影響作業人員視野、制約掘進效率。因此，如何降低綜掘工作面粉塵濃度是現階段礦井巷道掘進中面臨的現實問題[1-3]。目前，綜掘工作面粉塵防治技術包括有高壓噴霧、長壓短抽以及泡沫降塵等。但上述措施集中在綜掘機割煤破巖階段，不能降低粉塵產生量[4-5]。粉塵產生量與煤層含水率有直接關系。為了降低綜掘機截割時產生的煤塵量，可對煤層進行浸潤，使煤體破碎時由原有脆性變形轉變成塑形變形，從根本上降低粉塵產生量。因此，南關礦在2607綜掘工作面采取分段式注水降塵技術。

1 工程概況

2607綜掘工作面沿著6號煤層底板掘進，煤厚2.5 m，傾角12°，測定的煤層含水率為0.52%，煤層原始瓦斯含量為6.65 m3/t，堅固性系數（f值）為0.38，中下部煤層相對較為松軟。6號煤層頂板為堅硬的砂巖，底板為松軟泥巖、黏土巖。

巷道采用懸臂式掘進機一次性成巷，斷面為梯形（上、下寬分別為3 600 mm、3 800 mm，高為2 600 mm）,采用金屬架棚對圍巖進行控制。巷道采用2臺局部通風機（一主一備，型號為FBDNO.5.6/2×15 kW）為掘進迎頭供風，風量為390 m3/min，風筒直徑600 mm。

掘進工作面防塵主要采用綜掘機機載內、外噴霧裝置，以及掘進工作面臨時設置的一道手動控制凈化水幕。但是由于井下防塵用水雜質含量多、井下環境惡劣，綜掘機內外噴霧時常堵塞，綜掘工作面粉塵濃度最高可到1 503 mg/m3。

2 綜掘工作面防塵技術

2607綜掘工作面粉塵主要來源于截割頭破煤、巖，同時開采的6號煤層瓦斯涌出量大，采用長壓短抽降塵方式存在一定的安全風險。煤層底板為軟弱泥巖、黏土巖，遇水容易變形，機載噴霧裝置用水量不宜過大。因此，綜掘工作面采取的粉塵防治措施為：①采用分段注水技術提高原煤含水率，從而降低破煤時粉塵產生量；②采用用水量小的泡沫除塵技術降低截割頭破煤后粉塵溢出量；③采用凈化水幕進一步降低回風流中粉塵濃度；④強化對作業人員個體防護。

2.1 分段式注水技術

（1）技術原理

分段式注水技術是在普通單級注水技術上發展而來。根據掘進工作面前方礦壓分布情況，采用多級封孔方式進行分段注水[6]。具體掘進迎頭礦壓分布見圖1。在掘進迎頭前方卸壓帶、應力集中帶以及原巖應力帶（下文簡稱“三壓帶”）分段注水，通過分段式封孔器完成分段注水。

圖1 掘進迎頭礦壓分布

在掘進迎頭布置的注水鉆孔內，分段式封孔器位于迎頭前方“三壓帶”影響范圍內，鉆孔注水后，應力集中帶向煤體深部轉移，鉆孔注水段位于應力集中帶附近，使得“三壓帶”范圍內煤體得以充分浸潤。

（2）注水系統構成

圖2 分段注水系統結構

具體采用的分段注水系統結構見圖2，施工時先將封孔器置于已完成鉆進的鉆孔內，隨后注水泵站將高壓水通過高壓軟管與分段式封孔器進水口連接，通過控制進水閥門實現孔內分段封孔、注水。注水泵型號為BPW80/16、額定壓力、流量分別為16 MPa、80 L/min。

考慮到2607綜掘面巷道斷面、掘進速度、注水時間等生產條件，采用的封孔器型號為FSFZ-38/16。該封孔器可實現回收利用，可實現兩段式封孔注水，額定工作壓力達到16 MPa，具體結構見圖3。

圖3 FSFZ-38/16分段式封孔器結構

（3）注水參數

①2607綜掘面巷道斷面較小，同時6號煤層上部較為堅硬、下部松軟，在巷道迎頭煤壁中部布置深度10 m分段注水鉆孔，與巷道底板、頂板間距分別為1 600 mm、1 000 mm。

②為了確定合理注水壓力，分別對10 MPa、12 MPa、13 MPa三種注水壓力下的注水量、注水時間進行現場測試。注水期間，當迎頭煤壁出現滲水或者注水壓力降低幅度超過30%時立刻停止注水。具體三種注水壓力時的注水量、注水時間統計結果見表1。

表1 三種注水壓力時的注水流量、時間統計結果

掘進工作面分段注水孔的注水流量與注水壓力呈正相關，注水壓力越大，注水量越多；反之注水時間與注水壓力呈負相關，注水壓力越大需要的注水時間越短。隨著注水壓力增加，注水量增加幅度有所降低，當注水壓力由10 MPa增加至12 MPa時注水量增加400 L； 注水壓力由12 MPa增加至13 MPa時注水量僅增加100 L。綜合考慮注水時間、注水量，最終選用12 MPa注水壓力。

③煤體水分變化情況

圖4 注水孔、取樣孔布置位置

在注水孔兩側相距1 000 mm、1 800 mm位置分別布置10 m深取樣鉆孔，布孔位置見圖4。注水前后分別在注水孔、取樣孔內提取單位長度煤屑測定煤屑水分，具體兩個取樣孔不同深度時的煤屑水分變化情況見圖5。

圖5 取樣孔不同深度時的煤屑水分變化情況

從圖中看出，與注水鉆孔相距1 000 mm、1 800 mm的取樣孔內煤屑水分增量均超過1%，一般認為煤體水分增加超過1%時才可有效降低粉塵產生量。因此在2607綜掘工作面布置一個注水孔即可滿足降塵需要。

（4）分段注水效果考察

采用濾膜采樣稱重方法對注水前后綜掘司機位置、綜掘機后方5 m位置處全塵、呼吸性粉塵變化情況進行測定，具體測定結果見表2。

表2 分段注水前后粉塵濃度測定結果

從表中看出，通過對綜掘工作面煤體采用分段注水方式后，綜掘司機位置全塵、呼吸性粉塵濃度降低率分別為67%、68.4%；空氣含塵濃度分別降低至672.1 mg/m3、231.3 mg/m3； 綜掘機后方5 m位置處全塵、呼吸性粉塵降濃度低率分別為58.8%、60.3%； 空氣含塵濃度分別降低至478.2 mg/m3、165.3 mg/m3。綜掘工作面采用分段注水后，掘進面產塵量降低明顯，呼吸性粉塵降低率較全塵更高。

2.2 泡沫除塵

泡沫除塵用水量僅為普通噴霧除塵的20%～35%，可起到更好的降塵效果，也更適用于2607綜掘面巷道底板松軟的巖性條件。具體采用的機載泡沫除塵系統結構見圖6。現場應用時將泡沫自動添加裝置置于綜掘機二運轉載位置，隨綜掘機前移，泡沫噴射裝置布置在綜掘機截割部。

圖6 機載泡沫除塵系統結構

具體系統參數為：工作水壓1.5 MPa、工作氣壓0.4 MPa、耗水量25 L/min、發泡劑添加率3%、發泡倍數為70。

3 應用效果分析

在2607綜掘工作面迎頭采用分段注水浸潤煤體后，可大幅度降低掘進期間粉塵產生量。在此基礎上再采用機載泡沫除塵、自動凈化水幕進行降塵。為了分析綜掘工作面粉塵防治效果，采用AFZ-2粉塵采樣儀對綜掘工作面粉塵濃度進行持續測定，具體測定結果見表3。

表3 粉塵治理前后濃度測定結果

在掘進工作面采用分段注水、泡沫降塵技術后，掘進工作面全塵濃度介于72～85.1 mg/m3、呼吸性粉塵濃度介于32.5～38.4 mg/m3，除塵效率均在90%以上，取得顯著粉塵防治效果。

4 結語

1）6號煤層本身含水率較低，加之瓦斯抽采進一步降低了煤層含水率； 同時巷道底板為軟弱泥巖、黏土巖，采用的噴霧用水量不宜過大，由此造成巷道掘進過程中粉塵產生量大。在掘進迎頭采用分段注水方式，可顯著增加煤層中含水率，從根本上降底粉塵產生量；采用機載泡沫除塵系統可進一步降低掘進迎頭以及巷道內的粉塵濃度。

2）在掘進迎頭采用分段注水方式，短時間內即可增加煤層含水率。在2607綜掘工作面迎頭采用1個注水孔即可實現對掘進范圍內煤層有效注水。注水后，煤體內含水率增加值均超過1%；綜掘機截割時全塵、呼吸性粉塵產生量降低幅度介于58.8%～67.0%、60.3%～68.4%，降塵效果較好。

3）在分段注水基礎上，采用機載泡沫除塵裝置代替原有的噴霧除塵，應用后綜掘司機位置全塵、呼吸性粉塵濃度分別降低至85.1 mg/m3、38.4 mg/m3；綜掘機后方5 m范圍位置全塵、呼吸性粉塵濃度分別降低至72.2 mg/m3、32.5 mg/m3，作業面環境質量得以明顯改善。