李志勇，張延松，馬 旭，劉星樂，上官良良

（1.山東能源集團(tuán)興隆莊煤礦，山東 濟(jì)寧273500；2.山東科技大學(xué)，山東 青島266590，3.山東能源集團(tuán)南屯煤礦，山東 濟(jì)寧273500）

1 工作面概況

南屯煤礦位于山東省鄒城市西部，在太平、北宿、城關(guān)和中心店境內(nèi)，隸屬于兗州煤業(yè)股份有限公司。東西長(zhǎng)10.5 km，南北寬4.5 km，面積約43.5 km2。井田設(shè)計(jì)地質(zhì)儲(chǔ)量33 019.7 萬(wàn)t，可采儲(chǔ)量21 465.9 萬(wàn)t。根據(jù)礦方提供的工作面相關(guān)資料，原設(shè)計(jì)是在運(yùn)輸順槽實(shí)行煤層靜壓注水。但是由于煤層滲透性較低，使用長(zhǎng)距離鉆孔注水由于水壓較低，注水量不到目標(biāo)值的10%。為了提高注水鉆孔濕潤(rùn)半徑和煤層吸水率，試驗(yàn)選取在93下09 工作面運(yùn)用高壓氣體預(yù)裂爆轟技術(shù)進(jìn)行預(yù)裂注水試驗(yàn)。

2 預(yù)裂鉆孔布置

本次試驗(yàn)選在93下09 軌道順槽內(nèi)，在煤層中部布置炮孔，炮孔直徑和裝藥直徑的選擇一方面考慮產(chǎn)氣預(yù)裂劑在煤層中的預(yù)裂范圍，另一方面考慮煤層內(nèi)鉆孔的難度和標(biāo)準(zhǔn)鉆頭的大小。

距停采線15 m 打第一個(gè)水平炮孔，炮孔1、2、3、4、5、6 參數(shù)為70 m×Φ65 mm，裝藥卷50 m×Φ50 mm，炮孔間距10 m；6 號(hào)與7 號(hào)炮孔間距15 m；炮孔7、8 參數(shù)為25 m×Φ90 mm，裝藥卷15 m×Φ76 mm，炮孔間距15 m；炮孔在水平方向與煤層夾角均為80°，鉆孔布置如圖1 所示，鉆孔裝藥順序如圖2 所示，鉆孔裝藥參數(shù)如表1 所示。

3 預(yù)裂后煤層注水試驗(yàn)及煤樣含水率測(cè)試

3.1 煤層注水試驗(yàn)

煤層開采前進(jìn)行注水可以使煤體充分濕潤(rùn)、充分軟化煤體，有效減少回采過程中煤塵的產(chǎn)生，這是目前煤礦防塵的最有效手段之一。通過采取煤層注水技術(shù)，從源頭上降低煤塵的產(chǎn)塵率，為后續(xù)的除塵措施的實(shí)施提供了有利條件。向采煤工作面注水，同時(shí)可以防止松軟煤壁片幫；向煤巷頂煤內(nèi)注水，可以防止頂煤冒落；向掘進(jìn)面和工作面注水，可以提前釋放瓦斯，使落煤過程瓦斯?jié)舛炔怀瑯?biāo)，預(yù)防煤與瓦斯突出。

圖1 預(yù)裂鉆孔布置圖

圖2 鉆孔裝藥示意圖

表1 鉆孔裝藥參數(shù)

南屯煤礦93下09 工作面煤層普氏硬度為f=2～3，煤大部分區(qū)域?qū)僦械纫陨嫌捕让簩樱捎诿簩訚B透性較低，使用長(zhǎng)距離鉆孔注水時(shí)由于水壓較低，注水量不到目標(biāo)值的10%，為了提高注水鉆孔濕潤(rùn)半徑和煤層吸水率，課題組在93下09 工作面采用高壓氣體預(yù)裂爆轟技術(shù)進(jìn)行預(yù)裂注水試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 注水壓力與流量統(tǒng)計(jì)表

通過數(shù)據(jù)得知，在低壓狀態(tài)下，注水量低于2 MPa 注水量幾乎為0；只有在2.5 MPa 以上時(shí)，煤層才能注入水；但超過6 MPa 大流量注水，鉆孔在幾小時(shí)內(nèi)可能導(dǎo)致鉆孔周圍煤壁泄水，而迫使鉆孔報(bào)廢。確定注水壓力，應(yīng)以既能滿足需注水流量的要求，又能保證不造成煤壁泄水為原則，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)得知南屯煤礦采用注水系統(tǒng)的注水壓力為3～5 MPa為宜。

3.2 煤層含水率測(cè)試

煤的參數(shù)對(duì)注水效果具有很大的影響，煤層含水率變化能對(duì)煤層的現(xiàn)有注水方式進(jìn)行優(yōu)劣評(píng)判，為煤層注水方案的設(shè)計(jì)提供理論支持。通過預(yù)裂注水方式，在卸壓孔卸壓24 h后，在相距1?！?＃孔3 m 處打與預(yù)裂孔交叉的注水孔，通過對(duì)93下09 工作面注水孔周圍進(jìn)行煤體取樣分析化驗(yàn)得出結(jié)論如表3 所示。

表3 注水前后含煤體含水率測(cè)試數(shù)據(jù)

分析表3 可知，煤樣平均含水率由未注水前的1.59%提升到注水后的4.45%，平均水分增量為2.86%，注水增量幅度為2.45%～3.25%?？梢姡?3下09 工作面采用高壓氣體預(yù)裂爆轟并注水技術(shù)后，煤體的含水率明顯提高，這很大程度上減少了割煤時(shí)粉塵的產(chǎn)生，有效地改善了井下采煤時(shí)的環(huán)境，減小了粉塵對(duì)井下工人及作業(yè)場(chǎng)所的危害。

4 預(yù)裂后煤層注水防塵效果考察

4.1 濾膜采樣器的測(cè)塵原理

粉塵濃度的表示通常有2 種：①計(jì)數(shù)濃度，單位體積空氣中的粉塵個(gè)數(shù)，計(jì)量單位是粒/cm3；②計(jì)重濃度，單位體積空氣中的粉塵質(zhì)量，單位為mg/m3。由于礦山粉塵生成量大，而且計(jì)重濃度比較容易測(cè)定，生產(chǎn)中常用濾膜法測(cè)定。試驗(yàn)中將采用AKFC-92A 礦用粉塵采樣器作濾膜法粉塵濃度測(cè)定，如圖3 所示。

濾膜的測(cè)塵原理由式（1）可得：

式（1）中：C為空氣中粉塵濃度，mg/m3；W2為采樣后濾膜質(zhì)量，mg；W1為采樣前濾膜質(zhì)量，mg；Q為采樣時(shí)流量，L/min；t為采樣持續(xù)時(shí)間，min。

圖3 AKFC-92A 礦用粉塵采樣器

4.2 測(cè)塵位置的選擇

測(cè)塵點(diǎn)布置原則：測(cè)塵點(diǎn)設(shè)在產(chǎn)塵點(diǎn)和工作面的下風(fēng)側(cè)粉塵均勻散開部位，為了得到呼吸性粉塵的濃度，測(cè)塵位置設(shè)在距離底部1.5 m 的工人正常作業(yè)環(huán)境。本次試驗(yàn)的測(cè)塵位置在采煤機(jī)司機(jī)處、采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)10 m，移架工處各設(shè)兩臺(tái)測(cè)塵儀器，布置如圖4 所示。

圖4 礦井粉塵采樣器布置示意圖

4.3 測(cè)塵結(jié)果分析

南屯煤礦針對(duì)該礦的粉塵生成狀況采取了采煤機(jī)噴霧、架間噴霧、運(yùn)輸系統(tǒng)轉(zhuǎn)載點(diǎn)噴霧、順槽內(nèi)降塵水幕等一系列的噴霧降塵措施，并且制定了專門粉塵測(cè)定制度：總粉塵濃度每月測(cè)定2 次，呼吸性粉塵（簡(jiǎn)稱呼塵）濃度每月測(cè)定1次，粉塵分散度和粉塵游離二氧化硅含量每半年測(cè)定1 次，工作面變動(dòng)時(shí)也要測(cè)定1 次。

在注水前后分析粉塵濃度降低效果時(shí)，考慮到采煤作業(yè)的安全性，注水前注水后的測(cè)試是在保持采煤機(jī)內(nèi)外噴霧正常作業(yè)下進(jìn)行的，根據(jù)注水前后粉塵濃度測(cè)試結(jié)果，對(duì)全塵和呼吸性粉塵（簡(jiǎn)稱“呼塵”）降塵情況做對(duì)比分析。

通過在93下09工作面生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施預(yù)裂后煤層注水技術(shù)后，采煤機(jī)司機(jī)處、采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)10 m、移架工處的降塵率分別為：采煤機(jī)司機(jī)處總塵平均降塵率83.05%、呼塵平均降塵率82.79%；采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)10 m 處總塵平均降塵率84.45%、呼塵平均降塵率80.79%；移架工總塵平均降塵率81.05%、呼塵平均降塵率83.04%，工作面的粉塵濃度明顯降低，說(shuō)明在采煤工作面采用預(yù)裂后煤層注水技術(shù)后，可以有效地防止粉塵向外擴(kuò)散，有效降低了整個(gè)工作面各工序的粉塵濃度，改善了采煤工作面高濃度粉塵的惡劣環(huán)境。

5 結(jié)論

實(shí)踐表明，在工作面采用高壓氣體預(yù)裂爆轟技術(shù)并進(jìn)行注水試驗(yàn)后，一方面可以明顯提高煤體含水率；另一方面，減少了采煤作業(yè)中的產(chǎn)塵量，改善了礦工作業(yè)環(huán)境，同時(shí)也降低了工作面工人患?jí)m肺病的風(fēng)險(xiǎn)。