王建軍

（同煤集團晉華宮礦，山西 大同 037000）

采煤工作面生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的粉塵，懸浮在巷道和工作面的氣流中，嚴重影響礦井安全高效的生產(chǎn)，并且嚴重威脅井下工作人員的身體健康。采煤工作面中的機組割煤、移架、轉(zhuǎn)載等工序產(chǎn)塵強度大，是主要產(chǎn)塵源，是除塵的重點，機組使用噴霧降塵、風流凈化水幕、轉(zhuǎn)載點噴霧灑水裝置、巷道沖洗等綜合防塵措施。采取以上措施雖然一定程度上降低了工作面空氣中煤塵的含量，但是并沒有從根本上減少采煤工作面煤塵的產(chǎn)生，為改善煤礦生產(chǎn)環(huán)境，凈化工人們的作業(yè)環(huán)境，減少采煤機械的磨損，設計在晉華宮礦的8218工作面進行煤層注水綜合降塵技術應用試驗。

1 工程概況

大同煤礦集團晉華宮井田位于山西省大同市西12.5km，目前正在開采11#煤層。11#煤層厚度為2.2～3.9m，均厚為3.3m，煤層傾角為2°～5°，平均傾角3°，屬于近水平煤層。根據(jù)山西省煤炭工業(yè)廳綜合測試中心的鑒定結果，11#煤層屬于Ⅱ類自燃傾向性，為自燃煤層，并且煤塵具有爆炸性。晉華宮礦8218工作面采用傾斜長壁綜合機械化一次采全高采煤法，走向長度1468m，工作面長度為160m，8218工作面地面標高+1103～ +1214m，工作面標高+765～ +923m。

2 煤層注水參數(shù)設計

2.1 煤層注水方式

煤層注水防塵指在工作面兩側(cè)的回采巷道內(nèi)進行鉆孔，通過煤層內(nèi)的鉆孔將水注入其中，將即將回采的煤體進行潤濕，增加煤體的塑性，使采煤機割煤過程中所產(chǎn)生的煤塵量大大減小。煤層注水技術是綜合防塵措施中最基本、最有效的防塵措施，目前最為常用的煤層注水方式主要是靜壓長鉆孔注水和高壓長鉆孔注水。以往的生產(chǎn)實踐表明，采用靜壓長鉆孔注水時，煤層達到預期的潤濕效果需要的時間比較長，并且潤濕半徑較小，需要更多的鉆孔來滿足要求。由于晉華宮礦煤層孔隙率低，潤濕性差，工作面推進速度較快，并且工作面傾斜長度較大，因此單一靜壓長鉆孔注水技術不可行。高壓長鉆孔注水能夠一定程度上增加單個鉆孔的注水量，但是隨著注水時間的增加，水壓持續(xù)增大會導致煤體內(nèi)裂隙變大，易導致高壓水由錨桿或煤體裂隙中噴出，嚴重影響工作面的正?；夭?。因此設計在8218工作面采用長鉆孔動、靜壓混合注水，以求能夠有效解決上述注水過程中出現(xiàn)的問題。根據(jù)相關資料，設計8218工作面煤層注水最大脈沖注水壓力為8MPa，單次動壓注水時間為4h，動、靜壓注水轉(zhuǎn)換的間隔時間為2h。

2.2 注水鉆孔參數(shù)設計

晉華宮礦8218工作面煤層注水工作為該礦首次注水技術應用試驗，采用動、靜壓混合注水技術相關參數(shù)的優(yōu)化需通過現(xiàn)場工業(yè)性試驗獲取。8218工作面煤層厚度為3.3m，工作面傾斜長度為160m，根據(jù)類似開采條件下煤層注水降塵應用的實例，設計工作面采用雙側(cè)布置注水鉆孔，鉆孔長度為60m，直徑為75mm，孔間距為10m，鉆孔位置距離巷道底板1.0m，兩側(cè)的鉆孔交替布置，注水鉆孔采用BFK型封孔泵—水泥砂漿進行封孔，封孔深度為12m。注水鉆孔的布置詳情如圖1所示。

圖1 注水鉆孔布置示意圖

晉華宮礦8218工作面沿煤層傾斜方向布置，工作面煤體具有平均為3°的傾角，為使鉆孔注入煤體內(nèi)的水能夠充分濕潤煤體，注水鉆孔需要最大限度的處在煤層中，鉆孔的傾角按下式計算：

式中：

γ-注水鉆孔與水平方向的夾角，°；

α-工作面煤層傾角，°；

θ-鉆孔與煤層傾角方向的夾角，°；

晉華宮礦11#煤層平均傾角為4°，θ=1°，代入式（1）可得，8218運輸順槽內(nèi)注水鉆孔與水平方向夾角設計為-3°，8218回風順槽內(nèi)注水鉆孔傾角為5°。單個注水鉆孔的注水量通過下式計算：

式中：

Q-單孔注水量，m3；

B-注水鉆孔間距，m；

K-漏水系數(shù)；

M-煤層厚度，m；

W-煤層密度，t/m3；

L-注水鉆孔長度，m；

q-每噸煤所需水量，m3/t。

晉華宮礦8218工作面具體參數(shù)：B=10m，K=1.1，M=3.3m，W=1.4t/m3，L=70m，q=0.01m3/t。將以上參數(shù)代入式（2）可得：Q=35.6m3。實際應用過程中注水量以煤壁“出汗”為注水量的標準，實際注水量除個別鉆孔達不到理論值外，大多數(shù)鉆孔注水量均大于等于36m3。

2.3 最佳注水區(qū)域的確定

采煤工作面回采過程中由于超前支承壓力的影響，煤體內(nèi)應力集中程度的變化會影響煤體內(nèi)裂隙的發(fā)育情況，合理注水位置煤體內(nèi)的裂隙發(fā)育程度應即能夠使煤層得到充分潤濕又能夠防止高壓水的過分流失。為了確定晉華宮礦8218工作面煤層注水的最佳位置，在8218回風順槽的實體煤內(nèi)安裝ZYJ-25型鉆孔應力計，觀測工作面前方超前支承壓力的分布情況。在距工作面切眼100m處共布置五個鉆孔應力計，鉆孔距離巷道底板1.5m，間距5m，鉆孔的布置詳情如圖2（a）所示。

根據(jù)圖2（b）所示的監(jiān)測結果可以看出，8218工作面前方支承壓力的最大值為24.0MPa，支承壓力影響范圍約為40.0m，支承壓力較大的范圍為工作面前方20m。8218工作面煤層進行注水過程中，統(tǒng)計與采煤工作面不同距離的注水鉆孔流量及總注水量，整理得到如圖3所示的結果。工作面前方約20m范圍內(nèi)，注水鉆孔內(nèi)流量很大，而注入煤層內(nèi)的水量卻很小，根據(jù)鉆孔應力計測試結果可知，該區(qū)域煤層位于工作面超前支承壓力劇烈影響的區(qū)域，煤體內(nèi)次生裂隙發(fā)育完全，注入煤層內(nèi)的水大部分通過裂隙在煤壁或錨桿鉆孔流失，注水量達不到理論的要求，煤層潤濕效果較差。采煤工作面前方25～40m范圍內(nèi)，注水鉆孔流量在1.2～1.3m3/h變化，最小注水量約為45m3，注水效果較好。根據(jù)應力監(jiān)測結果可知，此處的煤體內(nèi)應力集中導致裂隙的發(fā)育程度，即能夠使煤層得到充分潤濕又能夠防止高壓水的過分流失。根據(jù)理論分析及現(xiàn)場實測結果研究表明，最佳注水區(qū)域為超前工作面25～40m。

圖2 鉆孔應力計布置示意圖及監(jiān)測結果

圖3 注水鉆孔與煤壁距離不同情況下注水量、注水流量變化規(guī)律

3 現(xiàn)場應用效果

為考察晉華宮礦8218工作面長鉆孔動、靜壓混合注水技術的降塵效果，在工作面正常生產(chǎn)后，采用礦用直讀式測塵儀進行粉塵的測量，一共布置4個測點，測點1為采煤司機處，測點2為移架司機處，測點三為8218回風順槽內(nèi)（距離回采工作面10m左右），測點4位于采煤機下風側(cè)10m處。測點的布置詳細情況如圖4 所示。

注水前后粉塵采樣器跟蹤測定的8218工作面粉塵濃度如表1所示。由表可知，8218工作面煤層注水前工作面回采各工序產(chǎn)生的總煤塵平均濃度為489.2mg/m3（4個測點的平均值），呼吸性粉塵平均濃度為159.3mg/m3。通過采取長鉆孔動、靜壓混合注水技術進行煤層注水后，總煤塵平均濃度為202.1mg/m3，呼吸性粉塵平均濃度為70.0mg/m3，總煤塵濃度平均降低率達58.69%，呼吸性粉塵濃度平均降低率達56.10%，降塵效果良好。

圖4 煤塵測點位置示意圖

表1 8218工作面粉塵濃度測試結果

4 結論

晉華宮礦為降低采煤工作面煤塵，設計在8218工作面采用長鉆孔動壓與靜壓注水工藝進行煤層注水，計算確定合理的注水鉆孔傾角、注水量等詳細參數(shù)，通過現(xiàn)場注水試驗及應力計測試確定最佳的注水區(qū)域為工作面前方25～40m。對煤層注水前和注水后工作面內(nèi)煤塵總濃度和呼吸性粉塵濃度進行監(jiān)測，結果表明，注水后與注水前相比，總粉塵濃度平均降低率達58.69%，呼吸性粉塵濃度平均降低率達56.10%，取得了顯著的降塵效果。