綜放開采工作面粉塵分布規律及防治技術

曹鳳前

（中陽縣應急管理局， 山西 呂梁 033400）

引言

隨著煤礦生產能力的不斷提升，綜放工作面粉塵產生量也隨之增加，高濃度粉塵不僅制約煤炭開采效率，而且給作業人員身體健康、煤炭開采安全帶來威脅[1-2]。粉塵治理是提高煤礦生產效率、安全保證能力以及改善作業人員工作環境的重要方面[3-4]。文中以山西某礦1508 綜放開采工作面為工程背景，采用現場實測法對工作面粉塵分布情況進行分析，并針對工作面粉塵產生量過大問題，提出長孔注水方式濕潤煤層，現場應用取得較好效果。

1 工程概況

山西某礦現開采的15 號煤埋深平均520 m、上距9 號煤間距平均為89 m。15 號煤層賦存整體較為穩定，全區可采。15308 綜放工作面開采區域內15號煤厚平均5.59 m，中間有0～3 層炭質泥巖夾矸（夾矸總厚度約0.55 m），頂板巖性以泥巖、砂質泥巖為主，底板為粉砂巖。15308 綜放工作面設計推進距離680 m、斜長90 m，采高2.5 m、放煤高度3.09 m。采煤機單刀進尺為600 mm。

2 工作面粉塵濃度監測

2.1 測點布置

為了掌握工作面粉塵分布情況，在采煤機上風側5 m，采煤機位置及下風側15 m、30 m、60 m 位置布置5 個測站對工作面不同位置粉塵濃度進行監測，每個測站內均包含4 個測點，其中1 號、2 號測點與煤壁相距均為1.5 m、距底板分別為1.5 m、0.5 m，用以監測機道空間范圍內粉塵濃度；3 號、4 號測點與1 號、2 號測點間距均為2 m，距底板高度分別1.5 m、0.5 m，用以監測人行通道空間內粉塵濃度，具體各測站布置見圖1。

圖1 測站及測點布置示意圖

2.1 監測結果分析

監測得到的各測點粉塵濃度監測見表1。從監測結果可出，工作面內粉塵濃度整體加高，特別是2 號測站中的1 號、3 號測點粉塵濃度較高，由于1 號、3號測點距與底板間距為1.5 m，為現場作業人員呼吸高度。從監測結果看出，1～5 號測站呼吸性粉塵的質量濃度占比分別為68.02%、66.6%、50.42%、76.07%、63.29%，呼吸性粉塵占比較高。

表1 各測點粉塵的質量濃度監測結果

根據表1 監測結果繪制采面切眼粉塵濃度分布曲線，其中0 位置表示采煤機位置，具體見下頁圖2。

從圖中看出，全塵、呼吸性粉塵分布規律大致相當，在采煤機上風側5 m 至采煤機位置范圍內，隨著風流方向粉塵濃度呈降低趨勢，至采煤機位置粉塵濃度達到最低，此位置全塵、呼吸性粉塵質量濃度分別為271.7 mg/m3、178.2 mg/m3；在采煤機下風側隨著與采煤機間距的增加，粉塵濃度呈現先增加后降低趨勢，其中在距采煤機15 m 位置的測站位置監測到的粉塵濃度最高，此位置全塵、呼吸性粉塵質量濃度分別為 1 182.4 mg/m3、569.5 mg/m3；隨后粉塵質量濃度呈明顯降低趨勢，到與采煤機相距30 m 時，全塵、呼吸性粉塵質量濃度分別降低至368.9 mg/m3、290.2 mg/m3。

圖2 采面粉塵濃度分布曲線

結合采面生產情況以及切眼粉塵濃度監測結果分析，采煤機上風側5 m 位置粉塵濃度較高的主要原因是由于綜放支架移架造成的；采煤機下風側15 m 位置粉塵濃度較高主要是由于采煤機割煤、放煤產生的粉塵較大引起的。雖然在工作面已采取有采煤機噴霧、綜放支架噴霧等降塵措施，但是工作面內粉塵濃度仍較高。

3 煤層注水技術

注水可增加煤體含水率，從根本上降低工作面粉塵量[5-7]。由于采面斜長為90 m，為了降低注水孔工程量，提出在運輸巷內施工長注水鉆孔對進行注水。

3.1 注水壓力

注水壓力是煤層注水的重要參數，注水壓力過大會增加煤體破碎程度，甚至會破碎頂板巖層穩定性，影響采面生產，壓力過小則會弱化注水效果。根據15308 注水條件并結合以往煤層注水經驗，在15308 運輸巷內距離回采迎頭600 m 位置施工試驗孔，注水壓力取值為2～14 MPa，對不同注水壓力下的注水流量進行監測，具體獲取到的壓力-流量曲線見圖3。

從壓力- 流量監測曲線看出，當注水壓力在8 MPa 以下，注水量隨著注水壓力增加逐漸增加；當注水壓力達到8 MPa 時注水量出現拐點，隨著注水壓力的增加，注水量基本保持穩定，因此鉆孔注水壓力選擇為8 MPa。

圖3 注水孔壓力-流量曲線

現場試驗確的煤層注水壓力8 MPa 明顯高于以往注水壓力（5～6 MPa），分析主要是以往注水采用在運輸、回風巷內同時進行，注水孔深度一般在50m左右，而15308 工作面注水僅布置在運輸巷一側，注水孔深度為80 m，注水過程中受到的阻力大，從而導致注水壓力增加。

3.2 注水孔間距

為了提高注水效率、降低注水工程量，通過現場測試對注水間距進行確定[8]。以煤層含水率增加1.5%作為煤層有效浸潤標準，超前采面560 m 位置布置注水鉆孔，鉆孔孔深75 m、孔徑為73 mm，注水壓力8 MPa、注水時間為10 h，在距離注水孔2～10 m范圍內每隔2 m 布置一取樣孔，取樣分析含水率變化情況，具體結果見表2。

表2 不同位置含水率變化情況

從表2 中看出，當與煤層間距在6～8 m 時煤層含水率增加至介于1.9%～1.3%，以煤層含水率增加1.5%為標準，具體確定注水有效浸潤半徑為6 m。因此，注漿鉆孔間距設計為12 m。

3.3 注水時間

在注水壓力8 MPa 下對注水量隨時間變化情況進行監測，具體見圖4。

從圖中看出，注水時間在0～60 h 內注水量隨注水時間成線性增加趨勢，當注水時間超過60 h 后注水量緩慢增加。單孔注水時間在60 h 時注水量可達到255 m3，可滿足煤層注水需要，為此單孔注水時間選擇60 h。

圖4 注水孔時間-注水量變化曲線

綜合上述分析，15308 綜放工作面在運輸巷單側布置注水孔、孔深為75 m、間距12 m、注水壓力8 MPa、注水時間 60 h。

4 粉塵防治效果分析

15308 綜放工作面采用長距離注水鉆孔注水后，在注水段內采用上文所示測站布置方式對切眼內粉塵濃度進行測定，具體結果見圖5。

圖5 注水后采面粉塵濃度分布曲線

從圖中看出，注水完成后切眼內粉塵濃度變化曲線與注水前相近，但是粉塵濃度卻顯著降低，在采煤機下風側15 m 處粉塵濃度最高，此位置全塵、呼吸性粉塵質量濃度分別為458 mg/m3、189 mg/m3，較注水前降幅分別為57.4%、67.4%，其他的1 號、2號、4 號、5 號測站全塵濃、呼吸性粉塵濃度降幅分別介于50%～65%、58%～69%，通過煤層注水取得顯著的粉塵防治效果。

5 結論

1）采用現場實測法對15308 綜放工作面生產期間粉塵濃度進行測量，發現在采煤機下風側15 m 位置粉塵質量濃度最高，其中全塵、呼吸性粉塵質量濃度分別達到 1 182.4 mg/m3、569.5 mg/m3，分析此位置粉塵質量濃度較高主要原因受采煤機割煤以及放煤影響，在采煤機下風側30 m 以外位置粉塵濃度雖有所降低，但是全塵、呼吸性粉塵質量濃度仍可達到368.9 mg/m3、290.2 mg/m3，工作面現采用的采煤機高壓噴霧、液壓支架噴霧降塵等措施不能達到有效的降塵效果。

2）根據工作面開采情況確定在運輸巷內布置單側注水孔，通過增加煤層含水率來達到降低粉塵產生量目的，并通過現場試驗確定注水孔參數，具體為：注水孔孔深75 m、注水壓力8 MPa、間距12 m、注水時間60 h。

3）注水后煤層含水率達到3%以上，采面內粉塵濃度得以明顯降低，除采煤機下風側15 m 位置粉塵濃度較高外（全塵、呼吸性粉塵質量濃度分別為458 mg/m3、189 mg/m3），工作面其他位置的全塵、呼吸性粉塵質量濃度均控制在196 mg/m3、93 mg/m3以內，取得了顯著的粉塵防治效果。