基于分段注水的綜掘工作面防塵技術實踐

高軍軍

（山西汾西礦業集團南關煤業有限責任公司 山西 靈石 031300）

相比采煤工作面，掘進工作面工作空間狹小，不具備循環通風條件，無論是爆破掘進的打眼、放炮、出煤工序，還是綜合機械化掘進的破煤、裝煤、運煤工序，作業過程中均會產生大量粉塵，僅靠局部通風機通風降塵，控制難度較大，一是容易造成粉塵積聚，當濃度達到一定值會形成爆炸隱患，二是大量粉塵積聚，會對掘進迎頭作業人員造成極嚴重的塵肺病隱患，還會干擾作業人員視野，造成作業效率降低，安全性無法保障。目前，掘進工作面常見的降塵措施包括濕式打眼、斷面噴霧、爆破噴霧、轉載點噴霧、沖洗巷道、落煤灑水等，但均屬于粉塵產生之后的被動降塵，不能有效降低粉塵的產生量。降低粉塵產生量的最關鍵的方法還屬煤層注水，通過注水提前對即將剝落的煤體進行浸潤，提高煤體濕度，降低粉塵的產生量。但常規的煤層注水受煤體裂隙發育程度、注水參數影響較大，注水效果不易控制和評價[1-3]。針對掘進工作面粉塵產生量大、常規注水效果不佳的問題，南關煤業在2607掘進工作面創新性地使用了分段式煤層注水進行防塵，取得了較好的應用效果。

1 工程概況

南關煤業位于山西省靈石縣南關鎮北余家溝村，現有井田面積38.67 km2，地質儲量7 770 萬t，煤種為1/3焦煤，煤質為低硫、低灰、低磷優質肥煤。礦井設計生產能力90萬t/年，安全生產許可證核定能力140萬t/年，屬證照齊全的煤礦生產礦井。礦井2607工作面主采6#煤層，煤層平均厚度2.5 m，平均傾角12°，煤層堅固性系數1.2，實驗室測定的煤層含水率為0.52%。煤層直接頂為平均厚度2.6 m的泥巖、砂質泥巖，老頂為平均厚度4.1 m 的細砂巖，直接底為平均厚度1.2 m 的松軟泥巖、黏土巖，老底為平均厚度2.2 m 的粉砂巖。其中，2607 運輸平巷采用綜合機械化掘進工藝，沿煤層底板掘進，為梯形斷面，上寬3 600 mm，下寬4 600 mm，高為2 600 mm，采用金屬架棚支護工藝。

2607 運輸平巷在掘進過程中使用常規的兩部FBD-NO.5.6/2×15 kW型局部通風機進行供風，一用一備，風機裝機功率30 kW，葉輪直徑560 mm，額定轉速2 930 r/min，供風量參數為260 m3/min～440 m3/min，風筒直徑為600 mm。由于煤層含水率較低，綜掘破煤過程中會產生大量煤塵，控制難度較大。目前的降塵措施，一是綜掘機上安裝的內外噴霧，二是掘進迎頭15 m處安裝的一處凈化水幕，三是轉載點噴霧及巷道回風口處的斷面噴霧，四是巷道沖洗降塵。但由于噴霧屬于被動降塵，在大量粉塵產生后，降塵效果仍較有限，測得的粉塵濃度最高可達1 498 mg/m3，需要采取更為有效的降塵方式。

2 分段式注水方案設計

2.1 分段式注水技術原理

分段式注水技術并未脫離普通單級注水技術，其原理是根據掘進工作面煤壁前方煤體承受不同應力情況，打設注水鉆孔，使用2級或者3級封孔器進行分段注水，如圖1所示。根據煤壁前方應力值大小，至淺部向深部可分為卸壓帶、應力集中帶、原巖應力帶，簡稱“三帶”，第1 段封孔器的出水孔位于應力集中帶，第2段封孔器的出水孔位于原巖應力帶，通過分段式封孔器完成煤壁前方煤體內分段注水。通過煤壁內部分段注水，通過注水使煤體裂隙不斷擴展，卸壓帶范圍更大，向內部延伸，繼而應力集中帶整體向深部移動，一是能夠提高煤體濕度，降低粉塵產生量，二是能夠使應力集中帶前移，工作面的礦壓顯現強度明顯降低[4-5]。

圖1 分段式注水及二級注水器工作原理示意圖

2.2 分段式注水方案設計

系統設計采用二級分段式注水，系統整體的方案設計如圖2所示，由注水泵站、管路、閥門、第1段封孔器進水閥門、第2段封孔器進水閥門、兩段式注水封孔器等組成。在巷道內安設好注水泵站后，需要先施工注水鉆孔，然后將封孔器插入打設好的鉆孔內，連接好注水管路，通過調節閥門的開啟實施鉆孔內的分段注水和封孔。

圖2 二級分段式注水系統示意圖

2.3 注水參數設計

注水鉆孔設計在巷道中央距離底板1 300 mm處，位于巷道的中心位置，一次施工鉆孔深度為10 m，用時約15 min，施工時間選在綜掘機掘進后支護之前，可充分利用巷道支護時間進行注水，不影響巷道其他工序。通過進行注水試驗，比對10 MPa、12 MPa、14 MPa三個注水壓力的注水效果，設計當掘進迎頭煤壁出現滲水或者注水壓力降幅達3 成后停止注水，基本的對應關系是注水壓力越大，注水量就越大；注水壓力越大，需要的注水時間越短。綜合考慮比對注水時間、注水量及注水效果關系，確定注水壓力為12 MPa，一次注水約耗時30 min～40 min，注水量能達到約1 000 L；在此壓力條件下，注水濕潤半徑能達到1 800 mm，一次施工一個鉆孔可滿足全斷面的注水需求。除此之外，在注水試驗時，通過在注水孔兩側布置檢測孔，提取檢測孔內的煤屑，測定煤屑水分來分析注水效果，測定水分增加1%時可起到較好的降塵作用，驗證得出每次注水只施工1個鉆孔即可滿足要求。

3 分段式注水實踐及效果分析

按照以上制定的注水方案實施煤壁分段注水，注水泵站選用BPW80/16 型噴霧泵，泵的額定壓力為16 MPa，額定流量為80 L/min；兩段式注水封孔器選型為FSFZ38/16，額定工作壓力為16 MPa，封孔直徑為38 mm，粉塵采樣儀選用AFZ-2型。實施鉆孔及注水后，對注水前后掘進迎頭的粉塵濃度進行測量，測量方法是濾膜采樣稱重法，粉塵測定位置為綜掘機司機處及綜掘機后5 m 處，測定結果如表1 所示。檢測結果顯示，在綜掘機司機處，全粉塵濃度降低率達到68%，呼吸性粉塵降低率達到71.5%；綜掘機后5 m 處，全粉塵濃度降低率達到58.5%，呼吸性粉塵降低率達到59%。可見，實施分段注水后，工作面粉塵降低效果較好，粉塵降低率基本能達到60%及以上，呼吸性粉塵的降塵效果更好。在掘進施工過程中，配合使用泡沫除塵措施，綜合降塵率能達到85%以上，降塵效果顯著，工作環境得到極大改善。同時，煤層注水對煤體強度起到了很好的弱化作用，煤壁支承應力峰值前移，工作面礦壓顯現程度顯著降低。

表1 分段注水前后粉塵濃度變化情況

4 結語

2607 運輸平巷在掘進過程中受到較嚴重的粉塵困擾，使用常規的降塵措施效果不佳，測得的粉塵濃度最高可達1 498 mg/m3，需要采取更為有效的降塵方式。設計使用分段式注水技術進行煤層注水，對系統整體方案、系統組成、設備選型、注水參數進行設計，并在巷道掘進過程中實施分段式煤層注水及泡沫除塵，綜合降塵率能達到85%以上，降塵效果顯著，工作環境得到極大改善，工作面礦壓顯現程度顯著降低，實現了預期目的。