郭屯煤矿综采工作面脉冲注水技术及抑尘效果研究

李进海 陈元峰 魏勋阔 王兵 姜允清 张海超 张安山

摘  要：为降低综采工作面粉尘浓度，改善作业环境，保障作业人员职业健康与矿井安全生产，以郭屯煤矿2301工作面为研究对象，研究了脉冲注水技术在降尘方面的应用。现场试验设计三组注水孔与导向孔，间隔分别为4m、6m、8m，以探究最佳间距，对注水间距参数进行优化。对不同孔注水前后煤体进行采样并测定其含水率。在不同工序处布置测尘点，对其粉尘浓度进行测定。研究表明：当注水孔与导向孔间距8m时，煤体含水率最大，为4.16%，相比于原始煤体增水量为2.08%，且此组钻孔周围煤体割煤时粉尘浓度显著降低，其中采煤机处降尘率可达71.32%。

关键词：综采工作面  脉冲注水  导向孔  疲劳破坏  含水率  粉尘浓度

中图分类号：TD714           文献标识码：A                   文章编号：1674-098X（2020）09（c）-0020-07

Abstract： In order to reduce the dust concentration， improve the working environment and ensure the occupational health of the workers and the safety of mine production， the application of pulsating directional water injection technology in dust control was studied in 2301 working face. In order to explore the best spacing and optimize the parameters of the water injection spacing， three groups of water injection holes and guide holes were designed in the field test with an interval of 4m， 6m and 8m. The coal body was sampled before and after injection of different holes and its water content was measured. The dust concentration was measured at different working procedures. The results show that when the distance between the water injection hole and the guide hole is 8 m， the water cut of coal body is the largest （4.16%）. Compared with the original media， the water increase is 2.08%， and the dust concentration decreases significantly when coal body is cut around the drilling hole in this group. The dust reduction rate of shearer can reach 71.32%.

Key Words： Fully mechanized mining face; Pulsating water injection; Guide hole; Fatigue failure; Moisture content; Dust concentration

近年來，随着对能源需求量的不断增加以及综合机械化程度的不断提高，国内外矿山相继进入深部开采阶段[1]。随着开采深度的增加与综采技术的发展，煤尘、瓦斯、冲击地压、煤与瓦斯突出、地温等自然灾害危害程度也不断升级，尤其是采煤工作面粉尘危害严重，作业环境粉尘超标率达86.5%[2]。据统计，目前我国煤矿约有尘肺病人40多万人，每年死于尘肺病约2500人，严重危害煤矿工人的身心健康。另外，当工作面煤尘浓度到达一定程度后，容易发生井下煤体自燃及煤尘爆炸等灾害事故，严重威胁矿井安全生产[3]。

实践与研究表明，煤层注水是一种积极主动减少粉尘产生的有效方法，而且能预防煤与瓦斯突出、减小工作面回风流中瓦斯浓度、防治冲击地压[4]。煤层注水是从根本上综合解决上述问题的有效方法。它不仅能降低割煤粉尘，而且能降低开采工艺中由于自移支架升、降、移过程中而产生的大量粉尘。目前的注水系统一般采用井下静压注水或高压水泵加压注水。对于透气性较好的煤层，静压注水效果较好，但静压水压力有限，不适用于透气性较差的煤层。高压水泵加压注水虽然拓宽了注水的适用范围，但对于低透气性煤层仍难以达到理想效果。彭亚等[5]通过优化注水孔间距、注水压力、封孔长度等工艺参数提高了注水效果，降低了粉尘浓度。毕瑞卿等[6]对不同浓度的表面活性剂进行了研究，发现在注水过程中添加0.2%表面活性剂可明显提高润湿效果。王龙飞等[7]对工作面进行了低压注水现场试验，研究表明低压注水对宏观孔隙作用效果更强烈。徐恒恒等[8]研究了注水压力对新桥煤矿2501综采工作面润湿半径的影响规律，发现注水湿润半径随注水压力增高而增大，当压力为6Mpa时，湿润半径为3.2m。谢建林等[9]研究发现，注水后煤尘粒径分布范围变窄，平均粒径明显减小。张平等[10]对钻孔布置形式及注水参数进行了优化，显著提升了煤体水分与降尘效果。曹家琳等[11]对深孔注水非线性渗流规律进行了分析，认为注水流量与钻孔内压力、钻孔直径、钻孔长度成正比，而工作面前方煤体渗透率分布对注水流量的影响则呈非线性规律。为提高低渗透难润湿煤层注水效果，对郭屯煤矿2301工作面进行了脉冲注水实验，并对其效果进行了考察，以期为煤矿安全生产提供技术依据。

1  脉冲注水技术原理

国内外学者针对于注水困难、压裂效果不易控制等问题进行了研究[12-14]，林柏泉[15]提出了高压脉冲水力压裂增透技术。翟成等人实验发现脉冲泵产生的水压脉冲波形近似等效为正弦波[16-19]。假设煤体孔隙内有一点P，孔隙几何模型如图1所示。脉冲水注入煤体后，P点受到随时间t作周期性循环变化的应力，波形参数如图2所示。

其中，σmax为脉冲水压上限值，σmin为脉冲水压下限值，σa为脉冲水压幅值，σm为脉冲水压平均值。a、b两点间对应了一个完整的周期。脉冲波强度参数有脉冲峰值压力和脉冲频率。脉冲峰值压力为脉冲水压上限值，其值越大，说明脉冲波冲击幅度越大;脉冲频率为一个完整脉冲波周期的倒数，频率越大，说明一定时间内，脉冲波冲击的次数越多。经过成煤过程中的物理化学作用，以及地应力条件等因素，煤体中形成了丰富的孔隙、裂隙结构。在循环载荷作用下，煤体会发生疲劳损伤，通过脉冲水在煤层各种结构弱面内对弱面壁的支撑作用，使弱面发生张裂、扩展和延伸，从而对煤层形成内部分割。另外，在注水钻孔两侧布置导向孔，改变钻孔周围应力分布状态，使其起到引导裂隙拓展方向的作用。从微观角度来说，对于单个的煤体孔隙面，脉冲水以强烈的交变应力作用于孔隙表面，在孔隙表面内产生周期性张压应力，脉冲波在传播过程中产生“收缩-膨胀-收缩”的疲劳冲击作用冲击煤体孔隙，对煤体孔隙产生疲劳破坏。一方面，脉冲波对煤层孔隙堵塞物产生冲击，使堵塞物疲劳破碎，连通煤体孔隙通道，提高煤层渗透率;另一方面，煤体在交变应力下产生疲劳破坏，可使脉冲水进入静压载荷下不能侵入的孔隙尺寸更小的微观孔隙，并对更小微孔产生疲劳扩孔作用。为更好的提高注水效果，增进润湿，将注水钻孔设置为注水孔与导向孔两种，对高压脉冲注水技术进行了优化，形成了脉冲定向注水技术，并假设3组不同钻孔间距以探索适合本煤层的导向孔间距。

2  注水煤层概况及注水方案

2.1 煤层工作面概况

实验地点为郭屯煤矿2301工作面，煤层赋存稳定，厚度变化较小，煤体结构为原生结构煤。工作面掘进期间共实测82个点，最厚4.6m，最薄3.6m，综合分析轨道巷至运输巷煤层逐渐变厚，工作面内平均煤厚4.1m，地面位于工业广场保护煤柱南侧约170m，地表皆为农田，附近无建筑物。郭屯煤矿2301工作面北侧为南二东翼轨道巷，西侧为3上213工作面，东侧与南侧无采掘活动。

2.2 注水方案设计

选择煤层脉冲定向注水技术为注水方式，通过脉冲水泵对注水压力进行周期性調节，脉冲注水系统管路连接图如图3所示。探索适合于本煤层的导向孔间距，结合巷道实际情况，设计了3组间距不同脉冲注水孔和导向孔。第一组设计导向孔（D1、D2）与注水孔（Z1）间距为4m，第二组设计导向孔（D2、D3）与注水孔（Z2）间距6m，第三组设计导向孔（D3、D4）与注水孔（Z3）间距为8m，脉冲注水孔与导向孔布置图如图4所示。钻孔施工参数见表1。所有钻孔均采用两堵一注封孔方式，注水孔封孔深度为20m，导向孔封孔深度为10m。

3  煤层脉冲定向注水降尘效果分析

为考察工作面注水工作效果，对注水前后钻孔周围煤体平均含水率进行了测定，结果如表2所示。另外，选取采煤机司机处、采煤机下风侧5m处、移架工处、前部溜头处、后部溜头处、破碎机下风侧5m处、转载机下风侧5m处、回风巷局距工作面短头处8个测点，对3组钻孔注水前后粉尘浓度以及降尘率进行测定，数据见表3～表5。

由表中数据可见，Z1号钻孔其煤体平均含水率为3.21%，增水量为1.03%，相对应的采煤、移架等高粉尘浓度作业环境降尘率可达到36.20%、47.02%，其中移架工处降尘率最高。Z2号钻孔其煤体平均含水率为3.99%，增水量为1.81%，与其相对的采煤、移架等高粉尘浓度作业环境降尘率可达63.48%、63.56%，与Z1相同，移架工处降尘效果最为显著。Z3号钻孔煤体平均含水率为4.16%，其增水量为2.08%，相应采煤、移架处降尘率为71.32%与68.58%，其中采煤机处降尘效果最为明显。综合表3～表5可以发现，采煤机司机处测尘点和移架工处测尘点粉尘浓度较高，说明产尘主要集中在采煤机割煤和移架两道工序过程中，其次是前部溜头与后部溜头，破碎机、回风巷处测尘点粉尘浓度相对较低。由此可见，煤层脉冲定向注水技术，通过脉冲水泵产生呈周期变化的脉冲水压，并通过导向孔在煤体内产生结构弱面，使裂隙向导向孔周围定向发展，一方面为水分进入煤体提供了空间，另一方面增大了水与煤体解除面积，有利于水分吸收，更好的润湿煤尘，从而降低工作面等地点的粉尘浓度。

根据表中数据绘制了不同钻孔呼吸性粉尘、非呼吸性粉尘、全尘及其降尘率对比图，如图5～图10所示。从图中可以看出，经过注水后，粉尘浓度均有明显下降，其中Z3号钻孔降尘效果最为显著，呼吸性粉尘降尘率最高可达70.59%，非呼吸性粉尘降尘率最高为71.64%，全尘降尘率最高为71.32%，其次为Z2钻孔，且最高降尘率均为采煤机处测点，有效保障了作业人员职业健康。另外，从Z3孔数据可以发现，在粉尘浓度较高的移架、前溜头处同样有着较高的降尘效果。综上，Z3钻孔降尘效果优于Z2钻孔，Z1钻孔降尘效果较差，即当注水孔与导向孔之间间距为8m时降尘效果最优，间距为6m时降尘效果次之，间距为4m时降尘效果较差。

4  结语

（1）对注水后工作面不同位置煤体含水量进行了测定，结果显示注水后工作面煤层水分含量明显增加，其中Z3钻孔周围煤体水分增量最大，为1.97%。

（2）注水后工作面采煤、移架等高粉尘浓度作业工序处粉尘浓度大大降低，其中Z3钻孔效果最为明显，其降尘率分别为71.32%与68.58%。

综上表明，煤层脉冲定向注水技术对采煤工作面降尘有着显著效果，且当导向孔与注水孔间距为8m时，能够较好的拓展煤层内裂隙网络，促进水分流动与煤体内部粉尘润湿，有效降低采煤过程中产尘量。

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