水峪煤业61124综放工作面煤层注水降尘技术研究

韦 伟

(山西焦煤汾西矿业集团 水峪煤业公司，山西 孝义 032300)

汾西矿业集团水峪煤业位于山西省孝义市，现阶段正在进行太原组10+11号煤层的采掘工作。61124工作面为六采区新的回采工作面，开采10+11号煤层，煤层平均厚度6.97 m，平均倾角3°，采用综合机械化放顶煤采煤法。工作面地面标高933～1 049 m，工作面标高768～790 m，工作面煤岩类型为中灰富硫主焦煤，水峪煤业为瓦斯矿井，矿井瓦斯相对涌出量0.35 m3/t，煤尘有爆炸性，61124工作面采用U型通风方式。为将工作面粉尘浓度控制在较低的范围内，设计采用工作面混合注水降尘技术。

1 注水钻孔参数研究

1.1 钻孔参数设计

61124工作面回采巷道沿煤层底板布置，注水钻孔不仅需要润湿采煤机割煤高度(2.8 m)内的煤体，还需润湿放顶煤厚度(2.8～7.0 m)，因此注水钻孔应向上倾斜布置，但需防止钻孔穿入顶板岩层，钻孔的合理倾斜角度可通过下式计算[1-2]：

γ=±α+θ

(1)

式中：γ为钻孔倾角，(°)；α为煤层倾角，(°)，钻孔向上倾斜时取+，向下倾斜时取-；θ为钻孔与煤层倾斜方向的夹角，(°)。

61124工作面煤层倾角为3°，钻孔与煤层倾角方向夹角为1°，由上式计算可得，61124材料巷内注水钻孔倾角为-2°，运输巷内注水钻孔倾角为4°。61124工作面采用双侧长钻孔注水工艺，工作面长度为135 m，设计钻孔长度为60 m。

1.2 润湿半径考察

注水钻孔润湿半径是指单个钻孔注水所能有效润湿煤层的范围[3-4]，为合理布置注水钻孔，避免在煤层中出现注水“空白区”，应首先掌握水峪煤业10+11号煤层的注水钻孔润湿半径。采用德尔测定方法，在切眼附近的运输巷内施工注水实验钻孔，采用直径75 mm的钻头施工，注水后以实验钻孔为中心在不同水平距离条件下施工考察钻孔，将考察钻孔钻屑带回实验室测定其水分增量，当水分增量大于等于1%，表明该区域已有效润湿，采用以上方法得到5个注水钻孔的润湿半径，见表1。

表1 注水钻孔润湿半径实验测试结果

由表1可以看出，注水时间越长，注水量越多，钻孔润湿半径越大。注水前期，水在煤层内的扩散速度较快，1号钻孔注水时间仅13 h，注水量达到18 m3，润湿半径达到3.4 m，随着注水时间的延长，润湿半径逐渐增大，2号钻孔注水时间增大为42 h，润湿半径增大为4.0 m，当注水时间达到64 h及以上时，3号～5号钻孔润湿半径平均为5.1 m，由此可确定61124工作面注水钻孔润湿半径为5.1 m，因此确定注水钻孔布置间距为10 m。

2 注水工艺研究

2.1 注水工艺设计

参考类似地质条件下的成功案例[5]，设计61124工作面采用脉冲动压、静压相结合的混合注水方式，最大脉冲压力为7.0 MPa，动压和静压注水时间基本相同，首先采用静压注水，注水4 h后停止2 h，然后进行动压注水4 h，关闭注水泵，间隔2 h再次开始静压注水。重复以上步骤直至钻孔周围煤壁“出汗”。注水钻孔封孔采用BFK型封孔泵进行水泥封孔，封孔长度为12 m，封孔材料为硅酸盐水泥添加适量的膨胀剂，浆液水灰比为5∶2，封孔段两端采用聚氨酯面纱封堵，封孔两天后开始进行注水，水泥砂浆封孔示意如图1(a)所示。61124工作面注水系统如图1(b)所示，采用四孔联合注水，每个钻孔分别连接ZGS型多功能高压水表测量注水压力和注水量，每个钻孔均安装截止阀控制钻孔的注水时间。

图1 61124工作面长钻孔注水示意

2.2 最佳注水区域确定

采煤工作面开采将引起前方煤岩体内的垂直应力发生变化，超前支承压力影响下，在前方煤层内由近至远形成塑性区、弹性区及原岩应力区。预注水的合理位置要求具有足够的注水时间，且注水区域煤层内裂隙发育较好使水能够润湿较大范围内的煤体，超前支承压力将影响煤层内的裂隙发育，为确定61124工作面最佳注水区域，在工作面运输巷侧布置ZYJ-25型钻孔应力计，共布置5个应力测试钻孔，间隔5 m。测站布置如图2所示。

记录注水过程中，超前工作面不同距离注水钻孔的平均流量，结合钻孔应力计测试结果，整理可得注水流量及垂直应力随着与工作面距离的变化规律如图3所示。根据煤层内支承应力及注水流量的变化规律将工作面前方进行划分，共划分为3个区域。I区：破碎区，工作面前方0～8 m，该区域煤岩体破碎严重，孔隙率大，采用长钻孔注水时，易发生“跑水”现象，大量的水将渗流至工作面，影响工作面的正常生产；II区：塑性区，工作面前方8～15 m，该区域支承应力较大，注水流量显著降低，垂直应力作用下煤层内裂隙、缝隙闭合，注水效果较差；III区：弹性区，工作面前方15～40 m，支承压力逐渐减小，注水流量逐渐增大，并稳定在原岩注水流量附近，水的渗流速率快，且具有充足的注水时间，注水效果较好。综上可知，61124工作面最佳注水区域为超前工作面15～40 m。

图2 钻孔应力计布置平面

图3 支承应力与注水流量变化曲线

3 应用效果分析

为考察水峪煤业61124工作面采用长钻孔煤层注水技术的降尘效果，采用滤膜采样法测定粉尘浓度，通过直读式粉尘浓度测试仪进行测定，粉尘浓度测点布置如图4所示。

图4 61124工作面煤尘测点布置

采用粉尘采样器跟踪测定各测点在煤层注水前后全尘和呼吸性粉尘的浓度，整理得到表2所示结果。由表2可以看出，煤层注水前，工作面各处的全尘浓度平均值为479.5 mg/m3，呼吸性粉尘浓度平均值为155.7 mg/m3，移架司机及采煤司机处全尘和呼吸性粉尘的浓度均较高，煤层注水后，工作面全尘浓度整体下降78.1%，呼吸性粉尘浓度整体下降71.8%，移架司机处呼吸性粉尘浓度下降76.6%，采煤司机处呼吸性粉尘浓度下降69.2%，工作面粉尘浓度降低明显，工作面环境得到极大的改善，煤层注水在水峪煤业61124工作面取得了良好的应用效果。

表2 61124工作面粉尘浓度测试结果

4 结 语

煤尘是煤矿五大自然灾害之一，严重威胁着职工的身体健康和作业环境。本文以水峪煤业61124综放工作面为背景，设计采用脉冲动压、静压相结合的混合注水方式，有效润湿煤层，降低工作面粉尘浓度，取得了良好效果，有效改善了工作面的作业环境。