馬蘭礦12504綜采工作面煤層注水降塵技術研究與應用

胡燕飛

(山西西山煤電股份有限公司 馬蘭礦，山西 古交 030205)

1 工程概況

山西焦煤西山煤電集團公司馬蘭礦12504工作面井下位于南五采區，工作面走向長度1 340 m，傾斜長度為211 m，開采2號煤層，煤層厚度為2.68～3.57 m，平均厚度3.26 m，煤層內平均含有1層夾矸，夾矸層平均厚度為0.17 m。工作面用大采高一次采全高采煤方法，根據礦井地質資料可知，2號煤層為Ⅱ級自燃煤層，煤塵具有爆炸性，由于工作面采用大采高采煤方法，工作面回采期間粉塵濃度會較大，為優化回采作業環境，特進行工作面煤層注水方案的設計。

2 煤層注水工藝及參數

煤層注水工藝中主要包括注水鉆孔布置方式、單孔注水量、注水壓力及注水時間等參數，評價煤層注水效果好壞的主要因素為煤體水分增量[1-2]。煤體內水分增量的多少會決定工作面降塵率的高低，具體煤層注水工藝中的各項參數如下：

1) 注水鉆孔布置形式：在進行煤層注水鉆孔布置時，鉆孔的方位角一般由煤層走向及主裂隙的方向決定，注水鉆孔的傾角主要由煤層的傾向決定，具體鉆孔長度、間距及封孔長度與方式設計如下：

鉆孔長度：注水鉆孔的長度主要與工作面的長度及其封孔深度有關，考慮礦井現有設備及工作面特征，設置工作面采用單向鉆孔布置方式，鉆孔長度的計算公式如下[3-4]：

Lh=L-Ll

(1)

式中：Lh為注水鉆孔長度，m；L為工作面的長度，取174 m；Ll為工作面余留長度，取20 m。代入式(1)計算得出：Lh=154 m，考慮到煤層內部的夾矸情況及賦存特征，為方便注水鉆孔易打孔和注水作業的進行，綜合考慮設置注水鉆孔長度為130 m。

鉆孔間距：根據眾多理論研究可知，在進行煤層注水作業時，可基于煤層內部煤塊取樣含水率和吸水性的特征，設置注水鉆孔的間距為8～10 m，結合12504工作面的特征，確定注水鉆孔的間距為8 m。

封孔長度與方式：鉆孔的封孔長度主要與鉆孔的長度及煤體的破碎程度有關，只有保障注水鉆孔的封孔長度大于破碎帶的長度時，才能保障煤體內的水分不會從鉆孔周圍滲出，即保障不出現“跑水”現象。根據12504工作面煤體的特征及開采條件，確定本次注水鉆孔的封孔長度為16 m，封孔方式采用封孔器膨脹封孔，本次使用封孔器外徑為75 mm，其膨脹后的最大外徑為128 mm，工作壓力達到1～20 MPa，具體封孔器注水閥門形式如圖1所示。

圖1 封孔器注水閥門示意

2) 單孔注水量：注水鉆孔的單孔注水量計算公式如下：

Q=KhLSrn

(2)

式中：Q為鉆孔單孔注水量，m3；L為工作面長度，取174 m；h為煤層厚度，取4.3 m；S為注水孔的間距，取8 m，n為煤層注水后提高的含水率，取0.72%；r為煤層密度，取1.4 t/m3；K為重復潤濕系數，取1.2。將上述數據代入式(2)中能夠計算得出：單孔注水量Q=72.4 m3；據此確定工作面注水鉆孔的單孔注水量為73 m3。

3) 注水壓力：煤層注水鉆孔單孔注水壓力的大小主要取決于煤層的透水性和注水流量。針對透水性不好的煤層，在設置注水壓力時，需要使其能夠達到煤層孔隙的裂隙值，以保障其能夠使煤體充分濕潤。根據國內眾多煤層注水理論研究和工程實踐數據得出注水壓力的計算公式[5-6]：

P=15.6-7.8/(0.001H+0.5)

(3)

式中：P為煤層注水的最小壓力，MPa；H為煤層埋藏深度，m；根據工作面賦存特征計算得出注水壓力P=7 MPa。結合12504工作面的具體地質條件設計注水壓力為7～9 MPa。

12504工作面煤層注水鉆孔布置在回風巷內，注水鉆孔布置在距離巷道頂板100 mm的位置處，具體鉆孔布置方式如圖2所示。

圖2 注水鉆孔布置方式示意

注水作業時分組進行，每組中設置6個鉆孔，分別標注為1～6號，注水時每次僅進行1個鉆孔的注水作業。由于水進入煤體內需要時間向煤體內滲透，故而每個鉆孔不能一次性完成注水作業，即設置一個鉆孔在進行注水作業時，其他已注水鉆孔有時間向煤體內滲透[7-8]。在每個注水孔中,均安裝電磁閥壓力傳感器和流量傳感器。設置單孔注水流量達到2.4 m3/h時，持續進行10 min的注水作業，即可關閉該鉆孔的注水作業。另外當注水鉆孔達到設置壓力和設定注水量時，可提前結束，進行下一個鉆孔的注水作業，如此循環布置直至工作面內的鉆孔均注水完畢，具體煤層注水方式如圖3所示。

圖3 煤層注水方式示意

3 煤層注水效果分析

3.1 降塵效果分析

12504工作面在進行注水作業時，通過注水鉆孔中的各項流量監測器能夠得出注水過程中各個注水鉆孔的參數，現選擇回風巷距離工作面60～120 m位置處的6個注水鉆孔進行具體分析，具體注水鉆孔的各項參數如表1所示。

表1 煤層注水參數記錄

現為有效分析12504工作面采用注水方案的應用效果，特在工作面煤層注水前后分別進行工作面各區域呼塵濃度和全塵濃度的對比分析。現具體以12504機組后、采煤機司機處、支架司機處和工作面回風處的粉塵濃度數據進行具體分析，煤層注水作業分兩次進行，分別在7月15日和7月28日，7月28日注水結束后即代表著注水作業的完成，具體工作面煤層注水前后呼塵和全塵濃度對比如圖4所示。

分析圖4可知，工作面在第一次注水后全塵濃度和呼塵濃度均大幅下降，在煤層鉆孔第二次注水作業結束后，相較于工作面未采用注水方案時，工作面全塵濃度和呼塵濃度分別下降26.78%和24.00%，達到了預想目標。采煤機和液壓支架噴霧降塵系統能夠進一步降低全塵和粉塵的濃度，工作面的回采作業環境會得到大幅改善。據此分析可知，12504工作面煤層注水方案實施效果良好，能夠有效降低工作面的粉塵濃度。

圖4 工作面注水前后粉塵濃度對比

3.2 煤層水份增量分析

為進一步分析煤層注水方案實施后的效果，現通過測定煤層注水前后煤體內的水分增量來間接反映注水降塵效果。為方便分析作業，分別從工作面5號、25號、45號、65號、85號和105號液壓支架處分別取若干煤塊，在工作面注水前后分別進行煤樣含水量的測試分析，測試結果如表2所示。

分析表2可知，12504工作面煤層注水方案實施后，工作面內煤層的水分增量基本大于1%，水分增幅達到了預期效果。

4 結 語

根據12504工作面的賦存特征，結合煤層注水降塵理論，具體進行煤層注水降塵方案的設計，降塵方案中設計的主要參數包括注水鉆孔布置方式、單孔注水量、注水壓力及注水施工工藝流程，通過注水方案實施前后工作面粉塵濃度對比分析及煤體水分增量數據可知，注水方案實施后，煤體內水分增幅大于1%，降塵效果顯著。