炮采放頂煤工作面煤層注水降塵技術研究

蘇耀杰

（晉能控股煤業集團晉華宮礦，山西 大同 037000）

0 引 言

煤塵是礦井五大災害之一，隨著產量的提高，炮采工作面的煤塵量也在相應的增加，嚴重影響井下工人的身體健康，并且威脅著礦井的安全生產[1]。煤層注水降塵技術是最有效、實用的煤礦井下降低煤層濃度的技術手段之一。煤層注水降塵技術就是在工作面推進前，向煤體打注水鉆孔，通過所打的鉆孔向煤體內注水，使水均勻地侵入到煤層的裂隙和孔隙當中，從而降低了產生浮游煤層的能力[2]。煤層注水不僅可以預先濕潤煤體，降低煤塵的產生，還可以防治煤與瓦斯突出及沖擊地壓發生的危險[3]。本文基于泰和煤礦第十二工作面為研究對象，針對工作面煤體賦存的特殊性，展開了煤塵注水技術研究。

1 第十二工作面概況

本工作面位于泰和井田西翼，西至第3、7 面開切眼，東止中部集中運輸巷，南至第1 工作面，北止第8 工作面回風順槽，上部為第1、3、7、8 面采空區，下止煤層底板。本面上部3 分層煤已回采結束，本工作面主要回采3 分層以下的4、5 分層煤炭，煤層埋深556 m，工作面走向長度538 m，工作面長度139 m，煤層由東向NW 方向傾斜，走向：NE7°-52°，傾角∠3°～14°，煤層賦存狀態比較穩定。工作面采用炮采放頂煤采煤法，懸移支架支護，全部跨落法處理采空區。煤層夾矸主要存在于4 分層煤層之中，互層較多，最薄0.2 m，最厚3.0 m，主要由泥質粉砂巖、泥質頁巖、炭質頁巖及少量砂巖組成。由于3 分層以上煤已回采，剩余4 分層以下煤層平均可采厚度為8.25 m。煤層的頂板為油母頁巖，厚度90～120 m，底板為2.0～2.4 m。本面地質構造比較復雜，大多數為北西向正斷層，傾向北東，并組合成梯形構造形態。

2 煤層注水系統及注水參數

2.1 煤層注水的含義

煤層注水是采煤工作面降塵的最主要技術措施，在生產作業前事先在煤層打多個注水鉆孔，鉆孔采用注入靜壓水的方式，使煤體內部被水滲透，達到煤體濕潤，從而達到在回采中降低煤塵的作用。通過煤層注水降低煤體煤塵的產生量，主要有以下3 個方面的表現：

1）通過向煤體內注入靜壓水，可將煤體內部存在于裂隙中的煤塵潤濕固化，達到在煤體碎裂時，降低煤塵揚起的能力，進而起到了降塵除塵的作用。

2）通過向煤體內部注水，煤體的物理性質發生了變化，煤體的塑性增強，煤體脆性變弱，當煤體在回采過程中被擾動破碎時，煤體物理形變由脆性變為塑性，減少煤塵的產生，進而達到降塵的作用。

3）通過向煤體內部注水，使得煤體充分被潤濕。在回采碎煤時，煤體破碎時，碎裂面均有水，減少了浮游煤塵的產生。

2.2 注水方式的選擇

煤層注水方式的選擇，應當首要考慮巖體自身壓力的影響。采煤工作面在回采過程中，由于受地壓作用的影響，在工作面煤壁前方會形成三帶，即：集中應力帶、壓力正常帶和卸壓帶。煤體短孔注水是注在卸壓帶中，深孔注水是注在集中應力帶。卸壓帶裂隙較發育，透水能力強，注水壓力相對低，集中應力帶煤體透水能力弱，由于裂隙不發育，注水壓力相對也要求高，正常壓力帶則是原生煤體，裂隙相對穩定，注水壓力相對更低。

第十二工作面煤層注水采用脈沖動壓與靜壓相結合的混合式注水方式。注水系統包括注水鉆孔、注水管、壓力表、高壓膠管、高壓閥等，見圖1。

圖1 工作面動壓注水系統圖

2.3 煤層注水工藝參數

長孔煤層注水的位置選擇在工作面支承壓力不變區進行[4-5]。

2.3.1 鉆孔布置及參數確定

注水鉆孔在超前工作面12 m 處，向兩順槽分別打50 m 深的鉆孔，由于工作面長139 m，所以在工作面打4 個注水孔，這樣可以使煤體充分的濕潤，鉆孔布置如圖2、圖3 所示。

圖2 順槽鉆孔布置平面圖

圖3 工作面鉆孔布置圖

1）鉆孔長度L：鉆孔長度L取50 m。

2）鉆孔間距B：鉆孔間距B取15 m。

3）鉆孔角度：鉆孔角度取15°。

2.3.2 注水參數

1）單孔注水量[6]。

式中：K為系數，取 1.1；L為鉆孔長度，取 50 m；B為鉆孔間距，取 15 m；h為煤層厚度，取 8.25 m；γ為煤的容重，取1.18 t/m3；q為噸煤注水量，取0.03 m3/t。

2）單孔注水流量：依據國內外經驗，單孔注水流量取V=0.05 m3/h。

3）注水壓力：依據一些煤田的統計數據整理出一個開采深度與注水壓力的經驗公式[7-8]，即

式中：P為煤層注水的最小壓力，MPa；H為煤層的埋藏深度，取556 m。

由于理論上煤層注水的最小壓力為8.21MPa，所以注水壓力控制在8～12 MPa。

4）單孔注水時間：單孔注水時間為25 h。

5）超前工作面注水距離[9]：hc=hg+ht

式中：hc為超前工作面距離，m；hg為注水時間內工作面的推進距離，m;ht為停止注水時，鉆孔與工作面之間的距離，一般取10～20 m。長孔煤層注水方案見表1。

表1 注水參數

3 注水效果分析

1）通過對第十二面煤樣進行實驗室含水率的測試可知，煤層在注水前的天然含水率為2.11 %～2.75 %，注水后煤層的含水率為3.3 %～3.82 %，注水效果明顯，煤體濕潤程度較好。

2）降塵效果分析。通過選取5 個測點進行測試和評價長孔煤層注水的降塵效果，在煤層注水以前分別對回采工作面及順槽進行了粉塵濃度的測試。測定結果見表2。

表2 煤層注水前后降塵率評估結果

通過表2 測定結果可以看出，長孔煤層注水的效果還是比較明顯的，其效果很大程度上的降低了泰和煤礦第十二工作面煤塵大的情況，5 個測點的降塵率在82.2%～90.1%之間，平均86.2%。

4 結 論

1）通過對煤層注水時間、注水流量、注水壓力及注水位置參數的研究，確定了最大注水壓力，進一步優化了注水參數。

2）工作面注水后，平均降塵率為86.2 %，注水效果較為明顯。

3）長孔煤層注水可以克服短孔注水與回采時的相互干擾、煤體濕潤時間短的問題。