綜采工作面塑性區(qū)鉆孔注水降塵技術試驗研究

朱成坦

（關嶺布依族苗族自治縣應急管理局，貴州 安順 561300）

0 引 言

煤炭在我國能源消費總量中占到60%以上，同時還是重要的化工生產(chǎn)原料[1-2]。大部分礦井使用綜采工藝，在截割頭噴灑泡沫進行降塵，同時在支架間噴灑水霧降塵，雖起到了一定效果，對于呼吸性粉塵減少，遠遠不能滿足現(xiàn)場使用要求[3-6]。工人在高濃度粉塵的環(huán)境下作業(yè)，增加患塵肺病危險，還增加粉塵爆炸的風險。據(jù)不完全統(tǒng)計，每年因接觸粉塵，全國患病人數(shù)達到30 000人，同時高濃度粉塵接觸到明火，易引發(fā)粉塵爆炸和火災等重大事故[7-9]。

煤層注水是現(xiàn)今礦井防塵技術中抑制粉塵產(chǎn)生量最有效的治理手段。通過在煤體中進行煤層注水增加煤體水分含量，可明顯減少煤層開采時的粉塵產(chǎn)塵量[10-14]。

1 工程概況

貴州土城礦13163工作面開采16號煤層，經(jīng)鑒定，該煤層具有煤塵爆炸危險性，該煤層平均厚度3.2 m，平均傾角17°，原生水分為1.65%，堅固性系數(shù)為3.2，煤層結構簡單。該采面采用走向長壁后退式綜合機械化采煤，設計走向長度968 m，傾向長度168 m，采高3.2 m。頂板為粉砂巖、細砂巖、砂質泥巖，底板為泥巖，細砂巖。在13163兩巷施工順層長鉆孔預抽煤層瓦斯。13163采面試采期間測定，一個圓班割煤過程中，13163回風巷中全塵濃度達到401 mg/m3，呼吸性粉塵濃度達231 mg/m3，遠遠超過了煤塵爆炸的臨界濃度。

2 注水降塵機理

2.1 粉塵來源

采面回風流中的粉塵主要由原生粉塵及次生粉塵組成。原生粉塵來源為煤層層理、節(jié)理中包含的粉塵，經(jīng)截割暴露在風流中；次生粉塵為采煤機截割過程截割頭與煤層摩擦產(chǎn)生，部分為移架過程中架間掉落的粉塵，其他為被風流揚起的粉塵。

2.2 降塵機理

采煤工作面向前推進過程中，在超前支撐壓力作用下，部分煤體發(fā)生彈塑性變形，存在一定范圍內的塑性區(qū)。塑性區(qū)內產(chǎn)生大量裂隙，在采煤機截割及液壓支架升降擾動作用下，塑性區(qū)內裂隙發(fā)育，通過向采面前方瓦斯預抽鉆孔注入壓力水，使注入塑性區(qū)中的水沿著裂隙滲透并儲存于煤塊裂隙與空隙之中，同時依靠水的壓力進一步擴大塑性區(qū)內的裂隙，壓力水在煤體裂隙中的滲透、分子擴散運動，增加煤體的水分。水的濕潤作用使煤體塑性增強，脆性減弱，當煤體受采煤機截割作用時，易產(chǎn)生大塊掉落，大量減少與煤體摩擦產(chǎn)生粉塵的可能性，降低了煤塵的產(chǎn)生量。

3 煤層注水參數(shù)選擇

3.1 注水孔位置

13163工作面上下兩巷中均布置本層孔進行抽采瓦斯，鉆孔設計深度75 m，間距3 m，孔徑80 mm，距離煤層地板1.3 m開孔，采用“兩堵一注”工藝進行封孔，兩端使用聚氨酯材料進行封堵，中部注入高水材料，注漿長度15 m。煤體前方塑性區(qū)內裂隙發(fā)育，一定范圍內的鉆孔失去預抽瓦斯能力，將此鉆孔選擇作為注水孔。

3.2 注水孔個數(shù)

根據(jù)已采13161工作面經(jīng)驗判斷，塑性區(qū)范圍是從煤壁往前19~25 m，瓦斯抽采鉆孔間距為3 m，選擇13163回采工作面回風巷中距離采煤工作面最近的6個鉆孔作為注水孔，同時距離采煤工作面3 m范圍以內的鉆孔不作為注水孔，不連接注水系統(tǒng)，進風巷內的瓦斯抽鉆孔封堵。

3.3 注水壓力及時間

根據(jù)試采期間鉆孔注水壓力測試，當注水孔壓力超過12 MPa時，鉆孔封堵段滲水，分別選擇2、4、6、8 MPa不同壓力下的降塵效果，當注水孔壓力達到設定注水壓力或者注水時間超過30 min時，停止注水。

3.4 注水泵選擇

使用移動式5BZ-33/15煤層注水泵，工作壓力15 MPa，公稱流量為5 m3/h。注水過程中，每3 h進行補液，保證注水壓力。

3.5 注水工藝

采用動壓注水系統(tǒng)，用高壓膠管將每6個鉆孔的供水管路連接起來，實行多孔同時注水。

4 現(xiàn)場應用效果分析

在采煤工作面回風巷上端頭設置粉塵采樣點，測定全塵濃度及呼吸性粉塵濃度，分別在采煤機距離采樣點30、60、90、120、150 m處測定。每個圓班割2刀煤，每割1刀煤采樣1次，分別測全塵濃度及呼吸性粉塵濃度，每次將采樣點的平均值作為相應的粉塵濃度。每個圓班作為1個采樣周期。將測點處粉塵采樣后數(shù)據(jù)處理見表1。不同注水壓力下測點粉塵濃度如圖1所示。

圖1 不同注水壓力下測點粉塵濃度Fig.1 Dust concentration diagram of measuring points under different water injection pressures

表1 不同方案下圓班中采樣點處的粉塵濃度Table 1 Dust concentration at sampling points in different schemes

從圖1中看出，同一種壓力注水條件下，隨著采煤機遠離測點位置，粉塵濃度均呈現(xiàn)下降趨勢，采煤機截割過程中，揚起的粉塵顆粒部分因為顆粒重量較大沉降，部分顆粒則被采煤機噴射的泡沫捕捉沉降，距離測點位置越遠，粉塵沉降效果越明顯；注水壓力越大，粉塵濃度降低效果越明顯，當注水壓力達到6 MPa時，測點處風流中的平均全塵濃度與呼吸性粉塵濃度分別下降56.1%和53.1%，注水壓力達到8 MPa時，測點處風流中的平均全塵濃度及呼吸性粉塵濃度分別下降60.1%及60.2%，與注水壓力為6 MPa時相比，平均全塵濃度與呼吸性粉塵濃度下降程度分別提高4.0%及7.1%，粉塵濃度下降不明顯，同時增加破碎煤炭中水量，惡化底板。將注水壓力6 MPa作為該工作面開采條件下的降塵效果及經(jīng)濟成本最優(yōu)的注水壓力。

5 結 論

（1）突出煤層工作面塑性區(qū)范圍內利用現(xiàn)有瓦斯抽采鉆孔進行動壓注水降塵，工藝操作簡單，成本低，可大幅減少注水鉆孔施工量。

（2）同一種注水壓力條件下，回風流中的平均全塵濃度及呼吸性粉塵濃度，均隨著采煤機遠離測點位置而降低。

（3）注水壓力為6 MPa時，為該工作面開采條件下降塵效果與經(jīng)濟成本最優(yōu)。

（4）煤層注水可顯著降低煤體硬度，大幅度減少煤塵產(chǎn)生，降低回風流中的粉塵濃度。