泰山隆安煤礦綜采工作面高壓注水防塵技術應用

田 野

（晉能控股煤業集團泰山隆安煤礦，山西 保德 036600）

0 引 言

我國是當今世界最大的能源消費國，達到世界能源消費總量1/5 以上，而在能源消費結構中，煤炭消耗仍然占據著主導地位。煤塵是煤炭開采過程中主要危害源之一，其產生原因主要是由于煤層大型煤塊破碎過程中截割煤體應力集中點，造成破碎小型煤塊，從而產生粉塵，其存在過程包括采煤機采煤作業過程、煤炭轉載運輸過程、工作面支護過程等，其中以采煤機產生煤塵為主要組成部分，達總塵量70%以上。煤塵危害包括多方面影響，如嚴重危害人員健康、礦山正常生產和安全高效開采、增加礦山機械磨損等，而對人員健康和生產安全造成危害，尤為突出。

國外以采煤工業為主要產業的國家，如美國、英國、德國等，在完善的粉塵監測管理立法上，采用泡沫除塵、負壓滾筒吸塵、濕式除塵機等技術除塵，效果良好[1]。國內除塵技術主要以國外技術為基礎，依據我國煤層賦存特征，不斷創新改進，以滿足現場工作面實際防塵要求，達到安全高效開采水準[2]。經多位學者進行大量實驗研究[3]，我國防塵技術迅猛發展，已達到國際領先水平，并廣泛應用在煤礦粉塵防治工作中，主要包括設備除塵、通風除塵、化學制劑除塵等技術，在實際防塵措施中起到了非常重要作用，但各項現場應用技術都有各自優缺點，不能完美實現成本、工藝和效率上的統一，每項技術仍存在一定不足，亟待改進優化。

1 工程概況

泰山隆安煤礦11303 工作面開采11 號煤層，煤層平均厚度為2.2 m，平均煤層傾角2°～8°，工作面走向長度為1 068 m，傾斜長度237.8 m。煤層頂板巖層主要為泥巖和砂質泥巖，底板為泥巖，煤層賦存比較穩定。工作面的瓦斯絕對涌出量為0.3 m3/min，相對涌出量為0.5 m3/t，煤塵含量高，爆炸指數高達32.04 %，屬于有爆炸危險性煤層，自燃傾向性為自燃，自燃等級劃分為Ⅱ級，為優化回采工作面環境，加強工作面開采安全系數，采取注水降塵措施，以降低工作面的煤塵濃度，直至達到規定安全范圍，杜絕煤塵對人員健康造成危害，實現科學性、系統性、高效性、安全性為一體的綜合防塵系統，為形成完整防塵技術體系提供理論依據。

2 高壓注水基本原理

回采作業過程中煤塵產生的主要原因是采煤機在割煤過程中，截割頭與煤體相互作用，在煤體破碎成散體碎塊的同時產生煤塵，另外在裝運及轉載過程中，煤塊間也會發生相互碰撞摩擦，從而進一步增加巷道煤塵的含量。隨著機械化作業程度的不斷發展，機械設備的發展趨勢也逐漸趨向于巨型化發展，而附帶產生的煤塵含量也急劇增加，煤塵含量增加到煤炭總含量的3%。依據《煤礦安全規程》規定，煤層含水量低于4 %時，應及時進行煤層注水，以滿足預濕潤要求，有效減少煤塵產生，優化工作環境，預防人員健康危害，并降低煤強度，提高采煤機械工作效率和使用壽命，從而降低開采成本。

煤體強度及脆性隨注水水量增加而下降，采煤過程中煤塵產生率也隨之下降，此過程中水分將煤體中原微小細塵粘結，使其成為具有一定粘性較大塵顆粒，喪失在空氣中漂浮的能力，在重力作用下自由落地，從而優化工作面環境，提高采煤效率。目前國內對于降低煤塵濃度的技術措施主要還是以高壓噴霧以及注水灑水為主，上述措施對于煤層內部的作用主要有以下幾點：

1）原生煤塵達到濕潤狀態：煤體由整體破碎成煤塊的過程中，煤塊間賦存已久的原生煤塵被釋放到空氣中，以回采工作面為中心不斷向外擴散。為降低原生煤塵的含量，可以通過向煤體裂隙實施預注水的技術方案，使得原生煤塵在被釋放之前處于濕潤狀態，實現降塵的最終目的。

2）煤體內部破碎面基本被水吸附：在煤體裂隙中預注水方案實施后，媒體內所有裂隙和節理均已充滿水分，在表面張力的作用下，毛細水擴展到1μm 以下的微孔隙，煤體破碎面基本被水全覆蓋包裹，無細微粉塵產生。

3）改變煤體物理性狀：煤體經過注水后，在水體的作用下，煤體會發生一系列物理性狀的變化，如塑性指數、液性指數、脆性指數等，根據庫侖定律原理，其內聚力和內摩擦角也呈降低趨勢，煤體抗剪強度逐漸降低，塑性變形逐漸成為主要形變形式，煤體內部應力場由集中分布逐漸向分散分布轉化，對煤體的局部破壞有一定改善作用，以達到預防浮塵從裂隙中噴發而出的效果。

4）后續降塵：煤體經過在工作面濕潤之后，在后續的運輸、提升、轉運等工序中，煤塵始終處于粘滯狀態，從而實現預防煤塵飛揚和擴散的效果。

動力水在煤體中運動形式的主要影響因素有煤體產狀、煤層裂隙構造、毛細壓力等[4]，當動力水自工作面注入煤層后，初期在水壓力和煤層孔裂隙毛細作用影響下，只沿著煤層原始裂隙產生滲流，隨著注水壓力增加以及時間消耗增多，煤層原始孔裂隙不斷擴展延伸直至貫通，最終形成貫通的滲流通道，沿裂隙發育不斷發生滲流，在空間阻力和滲透力的作用下，動力水的總水頭逐漸降低，壓力也不斷減少，煤層孔裂隙中水含量達到飽和狀態，水對于煤層的濕潤作用也隨之減弱。動力水經過的區域，煤體呈現飽和狀態，隨著注漿鉆孔的距離不斷增大，煤體的濕潤程度如圖1 所示。

圖1 煤體濕潤區分布圖

在注水水壓處于初始階段時，煤體濕潤半徑隨注水壓力增加而增大，濕潤效果明顯。當注水壓力增加到一定值時，煤體濕潤半徑增大不再顯著，說明此時注水壓力對煤體濕潤程度影響減弱，主要是由于煤體濕潤程度達到飽和狀態，從而判定注水壓力的影響界定范圍。

3 注水方案及應用分析

3.1 注水方案

依據供注水水壓不同，現階段注水方式主要分為靜壓、動壓和脈沖式高壓注水3 種，若要達到理想注水效果，使得注水作用得以最大限度發揮，應結合現場煤層需求，選擇最適宜注水方式。基于注水降塵原理，并結合11303 工作面的特征，確定使用脈沖高壓注水技術進行工作面降塵，脈沖高壓注水技術方案的技術參數如下：

1）設備：根據回采工作面對于設備參數的要求，設計采用2BZ-40/12 型脈沖式煤層注水泵，該水泵為煤礦井下采煤系統高壓注水專業設備，設備使用過程中注水流量與注水壓力均為脈沖式，可滿足井下煤層注水壓力要求，設備主要結構組成見圖2。

圖2 2BZ-40/12 型脈沖式煤層注水泵原理示意圖

2）注水鉆孔：主要布置在工作面進風巷和回風巷的回采側幫處，鉆孔在距離煤層底板垂距為1.0 m的位置進行鉆進，回風巷鉆孔鉆進方向與煤幫成8°俯角，進風巷鉆孔鉆進方向與煤幫成8°仰角，鉆孔間距3 m，孔徑0.94 m，鉆進深度100 m，距離開切眼40 m 處開始打鉆施工。將注水鉆孔分為2 組，第1 組布置在運輸巷，第2 組布置在回風巷，5 個鉆孔為一組循環作業，具體布置形式如圖3 所示。

圖3 工作面注水鉆孔布置平面圖

3）封孔形式：為實現良好的注水降塵效果，保證動力水不溢出鉆孔，采用FKT-65/5 型水泥砂漿封孔器進行密閉封孔操作，如圖4 所示。為進一步防止水體外滲，必須使封孔長度保證在5 m 以上，方案設計為5.2 m，封口與端部處的0.2 m 范圍內，使用棉紗封孔，最后進行注漿作業，注漿完成之后靜待2 d，等水泥砂漿徹底凝固之后，進行注水作業。

圖4 鉆孔封孔示意圖

4）注水壓力：初始壓力設置為8 MPa，隨著注水深度的增加，注水壓力也逐漸加大，保證水可以進入終孔內，為使終孔處煤體可以達到飽和狀態，最后的壓力要保持0.5 h。

5）技術標準的制定：依據相關降塵研究理論可知[5-6]，由于毛細水壓力和阻力的作用，在注水作業完成之后，靜待8 h 后，即使壓力不減，隨著時間的增加，動力水的擴散范圍也會停滯增加，以修正系數1.1 為時間增加余量，設置注水時間為8.8 h。如果鉆孔外壁出現水珠，可不考慮時間因素，認為注水效果已達到，可以結束注水作業。

注水初始階段，由靜水壓將水緩慢壓入煤層裂隙中，記錄隨時間水流量變化，若出現水流量減少趨勢，可將注水壓力增加，轉為脈沖高壓注水階段。由于脈沖高壓注水采用強度可控水錘，對煤層適應性強，易在現場施工。注水時采用周期性壓力，使得煤層裂隙在膨脹-收縮的不斷演變中逐漸貫通，煤層原始力學性質也發生了改變，塑性指數增加，致使裂隙進一步擴展，提高注水效率，工作面總體濕潤速度得以有效控制，與工作面推進速度相適宜。另外，脈沖高壓注水能夠增加鉆孔間預抽瓦斯濃度，大大提升瓦斯抽采的效率，使游離瓦斯得以有效釋放，實現了預防瓦斯突出的作用，尤其是煤層裂隙收縮時，煤體濕潤速度較均勻，待煤體濕潤過后，煤體不僅強度得以降低，而且無煤塵冒出煤體，在保證煤體完整性基礎上，讓煤塵失去漂浮特性，實現良好降塵效果。

在注水完成后至回采工作開始前，應對鉆孔壓力進行全程監測，并詳細記錄，依據實時監測的數據分析煤層孔裂隙中動力水滲流過程，當壓力出現異常時可進行調節，必要時可采取補注水措施，保證注水壓力滿足滲流要求。

3.2 注水應用分析

在脈沖高壓注水技術實施前，對煤層各區域可注水性進行采樣分析，測定試樣初始含水量、孔隙率、硬度、吸水率等特性參量，根據各試樣特性，并為驗證11303 工作面的降塵效果，在工作面的回風巷、采煤機和支架的司機處、采煤機機組后各布置監測點，設置多組監測粉塵濃度措施，用來監測全塵和呼塵濃度在注水前后的分布數據變化情況，測定結果數據由直讀式粉塵濃度測量儀獲取，并經過降塵率計算公式計算得出。具體測定結果見表1。

由表1 可知，11303 工作面經過脈沖注水技術措施后，能夠有效改善井下煤層粉塵過大而影響正常生產的問題，工作面各區域的全塵降塵率均在38%以上，呼塵降塵率也均達到42 %以上，總體降塵效果良好，其中回風巷處的降塵效果尤為顯著，達到了預期降塵目標。

表1 11303 工作面注水前后粉塵濃度記錄匯總表

11303 工作面通過對注水防塵技術措施應用，并結合合理鉆孔施工工藝，將注水鉆孔布置參數進一步優化，使其可行性最大限度提高，結合日常注水工藝實施過程中嚴格把控制度管理，對注水施工過程中任意突發意外能夠及時進行處理，保障施工順利進行，將人員工作安排合理，避免時間沖突與值班空檔期，提高設備使用頻率及施工效率，以及設備測定數據精準率，以最科學的數據，從技術上大大減少粉塵產生率，實現良好降塵效果。

4 結 論

1）通過分析煤層注水降塵的作用機理，得出原生煤塵、煤體內部破碎面及后續煤塵等不同溯源粉塵在注水后的物理狀態。針對煤層埋藏條件，以及煤體力學性質變化，設計合理鉆孔布置方案，為進一步防止水體外滲，將注水鉆孔進行密閉封孔處理。

2）設置初始注水壓力為8 MPa，為保證終孔處煤體可以達到飽和狀態使水壓保持0.5 h。通過對動力水在煤層中滲流狀態分析得出動力水在裂隙中移動的規律，即當動力水自工作面注入煤層后，初期在水壓力和煤層孔裂隙毛細作用影響下，只沿著煤層原始裂隙產生滲流，隨著注水壓力增加以及時間消耗增多，煤層原始孔裂隙不斷擴展延伸直至貫通，最終形成貫通的滲流通道，沿裂隙發育不斷發生滲流，在空間阻力和滲透力的作用下，動力水的總水頭逐漸降低，壓力也不斷減少，煤層孔裂隙中水含量達到飽和狀態，水對于煤層的濕潤作用也隨之減弱。

3）依據11303 工作面特征，采取脈沖注水技術對工作面進行降塵處理，通過對監測點在注水前后粉塵濃度的測定分析可知，工作面各區域的全塵降塵率均在38 % 以上，呼塵降塵率也均達到42 % 以上，結果表明降塵效果良好，達到預期降塵目標，可為相關煤礦采取防塵降塵措施提供理論參考。