韋 偉

(山西焦煤汾西礦業(yè)集團(tuán) 水峪煤業(yè)公司，山西 孝義 032300)

汾西礦業(yè)集團(tuán)水峪煤業(yè)位于山西省孝義市，現(xiàn)階段正在進(jìn)行太原組10+11號(hào)煤層的采掘工作。61124工作面為六采區(qū)新的回采工作面，開采10+11號(hào)煤層，煤層平均厚度6.97 m，平均傾角3°，采用綜合機(jī)械化放頂煤采煤法。工作面地面標(biāo)高933～1 049 m，工作面標(biāo)高768～790 m，工作面煤巖類型為中灰富硫主焦煤，水峪煤業(yè)為瓦斯礦井，礦井瓦斯相對(duì)涌出量0.35 m3/t，煤塵有爆炸性，61124工作面采用U型通風(fēng)方式。為將工作面粉塵濃度控制在較低的范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)采用工作面混合注水降塵技術(shù)。

1 注水鉆孔參數(shù)研究

1.1 鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)

61124工作面回采巷道沿煤層底板布置，注水鉆孔不僅需要潤(rùn)濕采煤機(jī)割煤高度(2.8 m)內(nèi)的煤體，還需潤(rùn)濕放頂煤厚度(2.8～7.0 m)，因此注水鉆孔應(yīng)向上傾斜布置，但需防止鉆孔穿入頂板巖層，鉆孔的合理傾斜角度可通過下式計(jì)算[1-2]：

γ=±α+θ

(1)

式中：γ為鉆孔傾角，(°)；α為煤層傾角，(°)，鉆孔向上傾斜時(shí)取+，向下傾斜時(shí)取-；θ為鉆孔與煤層傾斜方向的夾角，(°)。

61124工作面煤層傾角為3°，鉆孔與煤層傾角方向夾角為1°，由上式計(jì)算可得，61124材料巷內(nèi)注水鉆孔傾角為-2°，運(yùn)輸巷內(nèi)注水鉆孔傾角為4°。61124工作面采用雙側(cè)長(zhǎng)鉆孔注水工藝，工作面長(zhǎng)度為135 m，設(shè)計(jì)鉆孔長(zhǎng)度為60 m。

1.2 潤(rùn)濕半徑考察

注水鉆孔潤(rùn)濕半徑是指單個(gè)鉆孔注水所能有效潤(rùn)濕煤層的范圍[3-4]，為合理布置注水鉆孔，避免在煤層中出現(xiàn)注水“空白區(qū)”，應(yīng)首先掌握水峪煤業(yè)10+11號(hào)煤層的注水鉆孔潤(rùn)濕半徑。采用德爾測(cè)定方法，在切眼附近的運(yùn)輸巷內(nèi)施工注水實(shí)驗(yàn)鉆孔，采用直徑75 mm的鉆頭施工，注水后以實(shí)驗(yàn)鉆孔為中心在不同水平距離條件下施工考察鉆孔，將考察鉆孔鉆屑帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定其水分增量，當(dāng)水分增量大于等于1%，表明該區(qū)域已有效潤(rùn)濕，采用以上方法得到5個(gè)注水鉆孔的潤(rùn)濕半徑，見表1。

表1 注水鉆孔潤(rùn)濕半徑實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

由表1可以看出，注水時(shí)間越長(zhǎng)，注水量越多，鉆孔潤(rùn)濕半徑越大。注水前期，水在煤層內(nèi)的擴(kuò)散速度較快，1號(hào)鉆孔注水時(shí)間僅13 h，注水量達(dá)到18 m3，潤(rùn)濕半徑達(dá)到3.4 m，隨著注水時(shí)間的延長(zhǎng)，潤(rùn)濕半徑逐漸增大，2號(hào)鉆孔注水時(shí)間增大為42 h，潤(rùn)濕半徑增大為4.0 m，當(dāng)注水時(shí)間達(dá)到64 h及以上時(shí)，3號(hào)～5號(hào)鉆孔潤(rùn)濕半徑平均為5.1 m，由此可確定61124工作面注水鉆孔潤(rùn)濕半徑為5.1 m，因此確定注水鉆孔布置間距為10 m。

2 注水工藝研究

2.1 注水工藝設(shè)計(jì)

參考類似地質(zhì)條件下的成功案例[5]，設(shè)計(jì)61124工作面采用脈沖動(dòng)壓、靜壓相結(jié)合的混合注水方式，最大脈沖壓力為7.0 MPa，動(dòng)壓和靜壓注水時(shí)間基本相同，首先采用靜壓注水，注水4 h后停止2 h，然后進(jìn)行動(dòng)壓注水4 h，關(guān)閉注水泵，間隔2 h再次開始靜壓注水。重復(fù)以上步驟直至鉆孔周圍煤壁“出汗”。注水鉆孔封孔采用BFK型封孔泵進(jìn)行水泥封孔，封孔長(zhǎng)度為12 m，封孔材料為硅酸鹽水泥添加適量的膨脹劑，漿液水灰比為5∶2，封孔段兩端采用聚氨酯面紗封堵，封孔兩天后開始進(jìn)行注水，水泥砂漿封孔示意如圖1(a)所示。61124工作面注水系統(tǒng)如圖1(b)所示，采用四孔聯(lián)合注水，每個(gè)鉆孔分別連接ZGS型多功能高壓水表測(cè)量注水壓力和注水量，每個(gè)鉆孔均安裝截止閥控制鉆孔的注水時(shí)間。

圖1 61124工作面長(zhǎng)鉆孔注水示意

2.2 最佳注水區(qū)域確定

采煤工作面開采將引起前方煤巖體內(nèi)的垂直應(yīng)力發(fā)生變化，超前支承壓力影響下，在前方煤層內(nèi)由近至遠(yuǎn)形成塑性區(qū)、彈性區(qū)及原巖應(yīng)力區(qū)。預(yù)注水的合理位置要求具有足夠的注水時(shí)間，且注水區(qū)域煤層內(nèi)裂隙發(fā)育較好使水能夠潤(rùn)濕較大范圍內(nèi)的煤體，超前支承壓力將影響煤層內(nèi)的裂隙發(fā)育，為確定61124工作面最佳注水區(qū)域，在工作面運(yùn)輸巷側(cè)布置ZYJ-25型鉆孔應(yīng)力計(jì)，共布置5個(gè)應(yīng)力測(cè)試鉆孔，間隔5 m。測(cè)站布置如圖2所示。

記錄注水過程中，超前工作面不同距離注水鉆孔的平均流量，結(jié)合鉆孔應(yīng)力計(jì)測(cè)試結(jié)果，整理可得注水流量及垂直應(yīng)力隨著與工作面距離的變化規(guī)律如圖3所示。根據(jù)煤層內(nèi)支承應(yīng)力及注水流量的變化規(guī)律將工作面前方進(jìn)行劃分，共劃分為3個(gè)區(qū)域。I區(qū)：破碎區(qū)，工作面前方0～8 m，該區(qū)域煤巖體破碎嚴(yán)重，孔隙率大，采用長(zhǎng)鉆孔注水時(shí)，易發(fā)生“跑水”現(xiàn)象，大量的水將滲流至工作面，影響工作面的正常生產(chǎn)；II區(qū)：塑性區(qū)，工作面前方8～15 m，該區(qū)域支承應(yīng)力較大，注水流量顯著降低，垂直應(yīng)力作用下煤層內(nèi)裂隙、縫隙閉合，注水效果較差；III區(qū)：彈性區(qū)，工作面前方15～40 m，支承壓力逐漸減小，注水流量逐漸增大，并穩(wěn)定在原巖注水流量附近，水的滲流速率快，且具有充足的注水時(shí)間，注水效果較好。綜上可知，61124工作面最佳注水區(qū)域?yàn)槌肮ぷ髅?5～40 m。

圖2 鉆孔應(yīng)力計(jì)布置平面

圖3 支承應(yīng)力與注水流量變化曲線

3 應(yīng)用效果分析

為考察水峪煤業(yè)61124工作面采用長(zhǎng)鉆孔煤層注水技術(shù)的降塵效果，采用濾膜采樣法測(cè)定粉塵濃度，通過直讀式粉塵濃度測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)定，粉塵濃度測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。

圖4 61124工作面煤塵測(cè)點(diǎn)布置

采用粉塵采樣器跟蹤測(cè)定各測(cè)點(diǎn)在煤層注水前后全塵和呼吸性粉塵的濃度，整理得到表2所示結(jié)果。由表2可以看出，煤層注水前，工作面各處的全塵濃度平均值為479.5 mg/m3，呼吸性粉塵濃度平均值為155.7 mg/m3，移架司機(jī)及采煤司機(jī)處全塵和呼吸性粉塵的濃度均較高，煤層注水后，工作面全塵濃度整體下降78.1%，呼吸性粉塵濃度整體下降71.8%，移架司機(jī)處呼吸性粉塵濃度下降76.6%，采煤司機(jī)處呼吸性粉塵濃度下降69.2%，工作面粉塵濃度降低明顯，工作面環(huán)境得到極大的改善，煤層注水在水峪煤業(yè)61124工作面取得了良好的應(yīng)用效果。

表2 61124工作面粉塵濃度測(cè)試結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

煤塵是煤礦五大自然災(zāi)害之一，嚴(yán)重威脅著職工的身體健康和作業(yè)環(huán)境。本文以水峪煤業(yè)61124綜放工作面為背景，設(shè)計(jì)采用脈沖動(dòng)壓、靜壓相結(jié)合的混合注水方式，有效潤(rùn)濕煤層，降低工作面粉塵濃度，取得了良好效果，有效改善了工作面的作業(yè)環(huán)境。