软煤层大采高工作面煤壁注水降尘实践

宋明刚

（山西晋煤集团泽州天安煤业有限公司，山西 晋城 454000）

综合机械化开采大幅度地提高了矿井的产能和工效，降低了工人劳动强度和材料消耗，同时也产生了大量的煤尘，严重威胁着工作面工作人员的身心健康，对于高瓦斯矿井而言，大量的粉尘还会降低瓦斯爆炸极限，增加安全隐患〔1-2〕。当前控制工作面煤尘的方法主要有喷雾降尘和煤层注水两种，前者是一种被动式的降尘方法，是对已经产生的煤尘采取降尘的方法进行控制，后者是一种主动地、根本性的降尘手段，是通过改变煤体湿润度，从而达到控制煤尘的产生量。目前，煤层注水预湿煤体已经成为了各大矿区降尘的主要手段，并取得了较好的应用效果〔3〕。本研究所采煤层为山西组3＃煤层，煤质松软易碎，采高较大，在进行钻孔、封孔和注水等工序较普通煤层工作面更难操作。以3302工作面为例，研究软煤层大采高工作面煤尘注水降尘，以期提高作业环境，积累该类型煤层工作面降尘经验。

1 注水降尘试验工作面概况

3302工作面为3采区第二个工作面，北部为已经回采结束的3301工作面，南部为正在掘进的3303工作面，西部为采区下山，东部为井田边界保护煤柱。该工作面设计走向长度为840 m，倾斜长度为120 m，煤层埋藏深度为541.6～565.3m；煤层倾角为4.6°～9.5°，平均为6.4°；煤层厚度为2.7～3.8m，平均为3.5m；该工作面煤层松软易碎，煤层硬度f=0.6～1.2，属于典型的大采高软煤层工作面。该工作面围岩条件简单，无伪顶，直接顶为4.5 m 的粉砂岩，基本顶为6.5m 的致密性较好的砂岩，直接底为均厚3.6m 的泥岩、砂岩互层，基本底为均厚4.8m 的致密性较好的灰岩。根据实验室分析结果，该3＃煤层原生水分为1.86%，煤层无自燃倾向，稳定性较好。工作面采用机风两巷布置，采场布置80台液压支架。

2 煤壁注水降尘原理

注水是减少工作面煤尘发生量的有效措施，是实现预防为主、本质治理煤尘的有效途径，煤层注水降尘一直是采矿界"一通三防"人员研究的重点，经过近几十年的试验和理论研究，对于煤层注水降尘原理形成了较为统一的观点〔4-5〕。认为，煤层注水降尘主要表现在：

（1）高压水进入煤体裂隙后，将煤体内破碎的粉煤进行预先湿润，使其在破落时失去飞扬能力；

（2）水沿煤体裂隙进入到煤体深部，水在煤体各裂隙、深部空隙之中充填，将破碎的煤块进行包裹，这样由于水膜的存在，煤块在破落过程中产生的粉尘量会大大减小；

（3）煤体经水湿润后，其塑性和粘度会大大提高，脆性会相对减弱，这样会降低煤体破碎为粉煤粒的可能性，从而从根本上抑制了煤尘的产生。

由上述分析可知，通过煤层水可以提高煤体湿润度和粘度，降低煤体破碎时粉煤的产生量，从而达工作面降尘的目的。

3 注水方案的确定

1）注水工艺参数的确定。

（1）注水参数要求：在满足注水要求的基础上，合理确定注水钻孔深度和钻孔间距，确保注水范围内的煤体普遍湿润；为增加煤体湿润的均匀性，同时考虑到减少钻孔施工工程量，要求钻孔与顶底板有一定的距离。

（2）钻孔布置要求：3302工作面采高为3.5m，由此确定采用单排孔进行注水，孔深为7500mm，钻孔Φ42mm，孔间距为6000mm，打钻范围为整个工作面全长，在工作面夹矸较多地带可以适当加大孔间距（见图1）。

图1 3302工作面煤壁高压注水钻孔布置示意

（3）注水物理参数的确定。考虑到3＃煤层物理特性和工作面开采实际，确定采用静压水进行煤壁注水，静压水水压为5～6 MPa；根据煤体湿润所需水量和每个钻孔担当湿润煤体体积，确定每个钻孔的注水量为5.8t；注水时间的确定于水压和注水量密切相关，一般而言，注水水压越大，钻孔注水量越小，注水时间越小，但为了进一步提高煤壁注水效果，注水时间应以钻孔不出现大量涌水为最佳。

2）注水设备的确定。

（1）钻机：要求钻机具有队煤层和岩层钻孔的能力，该项目选用ZMS15T 型煤电钻。

（2）封孔器：采用橡胶封孔器，外径40～90 mm，长度500～2500mm。

（3）注水管：采用20mm 钢管，壁厚2.5mm。

（4）注水封孔器：该注水封孔器为进口的Bimbarl型，规格为25mm×800mm。

（5）泵：选择型号为BRW-80／31.5的乳化泵作为注水泵，该泵额定流量为80L／min，压力可根据实际调定。

（6）其余设备包括地质罗盘仪、辅助排粉设备、注水表、压力表、高压胶管、管路接头、单向阀等。

4 注水工艺的实施

注水钻孔打设完毕后，采用单孔注水。将风巷静压水用高压软管接通，并连接至工作面，每隔6m 安装一个三通阀。Φ20mm 注水管用k型活接头连接至封孔器上，另一端连接在三通阀上。采用单孔注水，连接至工作面的静压水管在钻孔进行注水时，其它三通阀全部关闭，以防注水水压不达标。具体注水工艺为：按照设计要求连接好注水管路，开启工作面接入的静压水管进行静压注水，若静压水达不到要求可采用BRW-80／31.5的乳化泵作为注水泵，当注水达到设计要求时，且钻孔周围煤壁有水均匀渗透时方可结束对该钻孔的注水。

针对3＃煤层松软易碎，以往在工作面煤壁注水时多发生封孔问题。经研究决定，采用膨胀性能较好的Bimbarl型进口封孔器，同时为了保障封孔质量，要求钻孔排除的煤屑要清理干净，采取必要的措施保障在静压管道出现冒漏时不致影响封孔器膨胀。另外，为了防止封孔器因摩擦力低而出现抛出现象，应将封孔器与Φ20mm 注水管连接固定在一起。

5 注水效果分析

1）煤体湿润效果。

由于3302采用工作面全长注水，故在工作面上段出口处向下每隔30 m 布置一测站，共计4 个测站。在各测站分别距离底板1.2 m，2.4 m 和3.6 m 采用掏槽法取3个煤样，煤样尺寸为400mm×400mm，将煤样采用油布包裹好送至实验室测全水分。试验结果显示：

（1）煤体湿润度随距离注水钻孔距离的增大而降低，在2个钻孔中间部分湿润度最低。

（2）注水效果较好，所采煤样水分增量均超过1%，认为该钻孔布置方案较合理，能够保证煤体的湿润。

（3）钻孔上方煤体湿润度较钻孔下方湿润效果好，分析认为3302工作面顶板围岩条件交差，超前支承压力容易造成煤壁酥软，致使煤体裂隙增多，钻孔上部煤体裂隙率普遍高于钻孔下方煤体裂隙率，高压水容易在钻孔上部煤体中运移，故上部煤体湿润效果较好。

2）煤尘降低效果。

对工作面和回风巷煤尘浓度进行测量，结果显示：

（1）割煤、落煤、移架等工序的全尘和呼吸性粉尘浓度均与注水钻孔位置密切相关，且离钻孔越近，粉尘浓度越低，这也说明煤体在注水钻孔周围湿润性普遍较高。

（2）通过风巷呼吸性粉尘浓度的测定可知，煤层通过钻孔注水后大大降低了微细粉尘的生成量，这是煤层注水最突出的优点，有利于提高作业环境，减少粉尘对职工的伤害。

（3）与煤层注水前相比，采煤各工序降尘率普遍较高，工作面全尘浓度降至78.3mg／m3，为注水前全尘浓度的18.6%；呼吸性粉尘浓度降至31.4mg／m3，为注水前呼吸性粉尘浓度的20.6%。

6 结语

煤层注水是当前工作面降尘最有效的措施。在3302工作面进行煤层注水采用静压水作为注水水源，简化了注水工艺，利用Bimbarl型进口封孔器提高了注水效果。实验结果表明，通过对3302工作面煤层注水，实现了煤层较好湿润目的，工作面全尘和呼吸性粉尘浓度得到了大幅的降低，有效的改善了工作面作业条件，为矿井“一通三防”工作奠定了基础。

〔1〕陈 辉.“三软”煤层工作面注水技术探析〔J〕.煤炭技术，2008，27（8）：158-159.

〔2〕王雨生，陈 攀，常海祥，等.九里山14102工作面煤层注水降尘技术〔J〕.中州煤炭，2013，（12）：103-104.

〔3〕史富川，康聚鼎.矿井综合防尘技术及管理〔M〕.北京：煤炭工业出版社，1994.

〔4〕张 维，陈学习.“三软”煤层综放工作面注水防尘技术的实验研究〔J〕.煤矿安全，2000，（7）：29-32.

〔5〕杨 健.采煤工作面煤壁浅孔动压注水治理煤尘分析〔J〕.煤炭技术，2005，24（9）：110-111.