賈文杰

（霍州煤電集團(tuán)呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦，山西 臨縣 033200）

1 工程概況

山西焦煤霍州煤電集團(tuán)龐龐塔煤礦9-301綜放工作面位于9號(hào)煤三采區(qū)，工作面北部為西區(qū)暗斜井系統(tǒng)，南部為井田邊界，西部為正在施工的9-103工作面，東部為9-700工作面，所采煤層為9號(hào)煤層，煤層賦予太原組中下部，煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含1～2層夾矸，平均煤厚為11.8 m，煤層平均傾角24°，工作面走向長(zhǎng)度為202 m，傾斜長(zhǎng)度為1 610 m，具體工作面布置形式如圖1所示。煤層頂板巖層為泥質(zhì)灰?guī)r和砂質(zhì)泥巖，底板巖層為泥巖和細(xì)粒砂巖，工作面采用綜合機(jī)械化頂煤開采工藝，機(jī)采高度3.2 m，放煤厚度8.6 m，一采一放，采用單輪順序放煤方式，采放比1∶2.69，全部垮落法管理頂板。

圖1 9-301工作面布置形式示意圖

根據(jù)礦井地質(zhì)資料可知，9-301工作面煤層絕對(duì)瓦斯涌出量為0.3 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量為0.5 m3/t，煤塵具有爆炸性，爆炸指數(shù)為31.93%，煤的自燃等級(jí)屬于二類自燃，由于工作面綜放采煤工藝，在工作面采煤機(jī)割煤和放煤的過程中會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵，現(xiàn)為優(yōu)化回采作業(yè)環(huán)境，特針對(duì)工作面采用高壓注水降塵技術(shù)。

2 煤層注水降塵機(jī)理

在回采工作面采煤過程中，采煤機(jī)截割頭在與煤炭相互碰撞的過程中而被破碎，另外采煤工作面在裝煤、運(yùn)輸和轉(zhuǎn)載過程中會(huì)進(jìn)一步相互碰撞，而不斷產(chǎn)生煤塵。隨著我國(guó)礦井機(jī)械化程度的不斷提高，煤炭開采過程中產(chǎn)生的粉塵量也不斷增大和集中，根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)可知，在機(jī)械化礦井中，煤塵的產(chǎn)生量可達(dá)到煤炭總量的3%，且綜采工作面的粉塵主要是采煤機(jī)割煤和落煤過程中產(chǎn)生的，該工藝的產(chǎn)塵量能夠達(dá)到粉塵總量的70%~85%[1-2]。目前國(guó)內(nèi)外眾多礦井回采工作面采用降塵措施為高壓噴霧降塵和煤層注水降塵，現(xiàn)具體闡述煤層注水降塵的機(jī)理。

1）潤(rùn)濕煤體內(nèi)的原生煤塵：煤體內(nèi)部的裂隙與孔隙中存在著原生煤塵，隨著采煤作業(yè)的進(jìn)行，在煤體被破碎后，煤塵會(huì)不斷向空氣中飛揚(yáng)。在通過預(yù)先向煤體裂隙中注入水后，能夠?qū)崿F(xiàn)在煤體未破碎前對(duì)原生煤塵進(jìn)行濕潤(rùn)，達(dá)到消除塵源的目的。

2）水包裹煤體的細(xì)小部分：當(dāng)對(duì)煤體進(jìn)行預(yù)先注水后，此時(shí)在煤體大小節(jié)理、層理、裂隙內(nèi)部均充滿著水，即使在1μm以下的微孔隙其通過毛細(xì)吸附作用將水吸附在表面，以此實(shí)現(xiàn)整個(gè)煤體被水有效的包裹，此時(shí)在進(jìn)行煤炭開采過程中，由于煤體內(nèi)部絕大部分煤體內(nèi)部的破碎面得到了濕潤(rùn)，進(jìn)而能夠達(dá)到減少細(xì)微粉塵的飛揚(yáng)，達(dá)到預(yù)防浮游粉塵產(chǎn)生的效果。

3）改變煤體物理力學(xué)性質(zhì)：煤層在注水后，會(huì)增強(qiáng)煤體的塑性強(qiáng)度、降低煤體的脆性，改變煤體的物理力學(xué)性質(zhì)，水進(jìn)入煤體后，能夠有效降低煤體的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角，能夠在一定程度上改善煤體應(yīng)力集中、支承壓力及覆巖自重對(duì)煤體的影響，此時(shí)部分煤體在應(yīng)力作用下的破壞形式會(huì)由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄云茐?，以此?shí)現(xiàn)煤體不被破碎為塵粒的能力，達(dá)到減少粉塵產(chǎn)生量的效果。

4）附帶連續(xù)防塵作用：在回采作業(yè)落煤前，通過對(duì)煤體的預(yù)先濕潤(rùn)，能夠?qū)γ禾亢罄m(xù)裝載、運(yùn)輸和提升環(huán)節(jié)均起到一定的防塵作用。采煤工作面是礦井中粉塵含量最高的地方，通過煤層注水的方式能夠降低整體回采系統(tǒng)中粉塵的產(chǎn)生量，以此實(shí)現(xiàn)控制粉塵飛揚(yáng)、沉積和再飛揚(yáng)的效果。

基于眾多煤層注水降塵的理論研究可知[3-4]，動(dòng)力水在煤體中的運(yùn)動(dòng)主要受到瓦斯壓力、毛細(xì)作用和注水作用下孔隙壓力兩端差值的影響，具體水在煤體內(nèi)運(yùn)動(dòng)的實(shí)際動(dòng)力Δh表達(dá)式為：

式中：Pz為注水后在孔隙兩端形成的壓力差值；Pw為煤層內(nèi)的瓦斯壓力；Pm為煤層內(nèi)孔隙的毛細(xì)作用力。

動(dòng)力水在注入煤層后，其會(huì)在煤體裂隙中不斷流動(dòng)，隨著周圍流動(dòng)阻力及毛細(xì)作用下，壓力會(huì)逐漸損失，故在注水孔周圍的煤體表現(xiàn)為飽和吸水狀態(tài)，隨著距離注漿鉆孔距離的增大，煤體的濕潤(rùn)逐漸進(jìn)入到非飽和區(qū)和非濕潤(rùn)區(qū)，具體煤體濕潤(rùn)區(qū)的分布如圖2所示。

圖2 距離鉆孔中心變化煤體濕潤(rùn)區(qū)的分布圖

3 注水防塵方案及效果

3.1 注水降塵方案

根據(jù)煤層注水降塵技術(shù)原理，結(jié)合9-301工作面的特征，現(xiàn)確定采用煤層脈沖高壓注水技術(shù)，具體注水降塵方案中各項(xiàng)參數(shù)如下：

1）脈沖注水泵設(shè)備選擇：本次煤層注水施工中注水泵采用2BZ-40/12型脈沖式煤層注水泵，該泵注水壓力和注水流量均為脈沖式，該泵主要由脈沖泵體、帶節(jié)流裝置的壓力調(diào)節(jié)其和壓力顯示器組成，通過這3部分相互配合實(shí)現(xiàn)泵機(jī)的脈沖式注水，具體泵機(jī)原理圖如圖3所示。

圖3 2BZ-40/12型脈沖式煤層注水泵原理示意圖

2）注水鉆孔布置：本次煤層注水鉆孔分別布置在工作面運(yùn)輸巷和軌道巷回采幫，鉆孔與煤幫之間成30°的俯角布置，注水孔開孔位置距離底板1.6 m，設(shè)置注水鉆孔間的間距為3 m，鉆孔直徑為0.94 m，深度為80 m，注水鉆孔在距離工作面開切眼40 m的位置處開始布置。工作面運(yùn)輸巷和軌道巷的注水鉆孔共計(jì)2組，其中將運(yùn)輸巷的注水鉆孔命名為1組，軌道巷的鉆孔命名為2組，每組注水鉆孔以5個(gè)鉆孔為一個(gè)循環(huán)，即一次注水作業(yè)以5個(gè)鉆孔注水完畢后為一個(gè)循環(huán)，具體注水鉆孔布置形式如圖4所示。

圖4 9-301工作面注水鉆孔布置平面圖

3）注水鉆孔封孔形式：為保障注水鉆孔的注水效果，采用進(jìn)行FKT-65/5型水泥砂漿封孔器進(jìn)行封孔，設(shè)置封孔長(zhǎng)度為5.2 m，該封孔器由注水管、注漿管及高壓橡膠管和控制閥門組成，其中距離孔口0.2 m范圍和封孔終端0.2 m范圍上纏繞棉紗進(jìn)行封孔，實(shí)現(xiàn)棉紗與鉆孔孔壁間的緊密貼合，隨后再進(jìn)行水泥砂漿的注漿作業(yè)，待水泥砂漿注入完畢2 d后即可進(jìn)行鉆孔的注水作業(yè)，具體鉆孔封孔形式見圖5。

圖5 鉆孔封孔方式示意圖

4）注水壓力：本次煤層注水終孔壓力設(shè)置為8 MPa，在注水作業(yè)時(shí)，隨著注水作業(yè)的進(jìn)行，注水壓力會(huì)不斷升高，在達(dá)到終孔壓力時(shí)，還需穩(wěn)壓注入30 min。

5）單孔注水時(shí)間及注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：根據(jù)煤層注水降塵相關(guān)的理論研究可知[5-6]，在煤層注水時(shí)間達(dá)到8 h后，此時(shí)單孔注水在煤層中的擴(kuò)散半徑基本達(dá)到最大值，再隨著注水時(shí)間的增長(zhǎng)，此時(shí)注水的濕潤(rùn)半徑也不會(huì)繼續(xù)增大，現(xiàn)考慮1.1的富裕系數(shù)，設(shè)置單孔注水時(shí)間為8.8 h，另外在鉆孔孔壁周圍出現(xiàn)滲水珠現(xiàn)象時(shí)，此時(shí)未達(dá)到設(shè)定注水時(shí)間也需結(jié)束該鉆孔的注水作業(yè)，在注水作業(yè)時(shí)需及時(shí)記錄單孔注水量和停住時(shí)間等信息。

3.2 效果分析

為有效評(píng)價(jià)9-301工作面煤層注水的降塵效果，現(xiàn)在采煤機(jī)機(jī)組后、采煤機(jī)司機(jī)處、支架司機(jī)處及工作面回風(fēng)巷內(nèi)分別設(shè)置粉塵濃度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別監(jiān)測(cè)其在注水前和注水后全塵和呼塵濃度的分布數(shù)據(jù)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果得出表1中的數(shù)據(jù)。

通過分析表1中的數(shù)據(jù)可知，9-301工作面在采用脈沖注水工藝后，在工作面的各個(gè)區(qū)域全塵的降塵率均在35%以上，呼塵的降塵率均在40%以上，降塵效果顯著，其中工作面注水后降塵效果顯著的區(qū)域?yàn)榛仫L(fēng)巷和采煤機(jī)機(jī)組后方；基于上述分析可知，9-301工作面采用注水降塵技術(shù)后，降塵效果顯著。

表1 9-301工作面注水前后粉塵濃度對(duì)比表

4 結(jié)論

根據(jù)9-301綜放工作面的地質(zhì)條件，通過分析煤層注水降塵機(jī)理，得出注水降塵的主要途徑方式，基于注水降塵機(jī)理進(jìn)行工作面注水方案的設(shè)計(jì)，確定注水鉆孔的布置形式及注水的各項(xiàng)參數(shù)；根據(jù)注水降塵前后工作面各個(gè)區(qū)域的粉塵濃度可知，工作面煤層注水后降塵效果顯著，優(yōu)化了工作面的回采作業(yè)環(huán)境。