万家庄煤业煤层注水降尘试验研究

高世宁

（山西煤炭进出口集团蒲县万家庄煤业有限公司，山西 蒲县 041000）

万家庄煤业公司开采机械化程度高，产尘量大，采煤工作面粉尘污染情况严重。粉尘污染严重危害到了职工的人身安全，并给煤矿开采带来了严重的安全隐患，因此必须采用降尘防尘措施来解决采煤工作面粉尘浓度过高的问题。

1 试验工作面概况

万家庄煤业公司地处蒲县黑龙关镇，井田面积13.897 2 km2，年生产能力120 万t，主要开采2#煤层。试验工作面确定为该矿20104 工作面。该工作面走向长度1 114.7 m，倾斜长218.6 m，煤层总厚度5.86 m，煤层倾角2～14°，平均倾角7°。2#煤层原始水分1.38%～1.52%。2019 年2 月，为进一步治理采煤工作面粉尘，对万家庄煤业20104 工作面进行了煤层注水试验。煤的水分由1.38%～1.52%增加至2.97%左右，有效降低了工作面回采期间的粉尘产生量及存在的安全隐患，保障了工作面的安全生产。

2 煤层注水钻孔施工工艺

（1）利用抽放钻孔静压注水，共施工本煤层抽放钻孔720 个，钻孔平均长度为100 m，间距为3 m，孔径94 mm。

（2）空白带重新施工钻孔动压注水试验。钻孔布置方式：采用双向钻孔布置方式，由3#巷向1#巷方向钻进，孔平行工作面。3#巷第一孔距3#巷2#联络横川以西10 m 处，后面空间距设置为5 m，在钻孔时可根据地质情况进行适当调整，终孔在停采线附近为8 m，钻孔垂直煤壁，离底板高度1.5 m，设计孔深100 m，孔径110 mm。注水钻孔示意图如图1 所示。

图1 注水钻孔示意图

3 煤层注水试验

3.1 利用抽放钻孔静压注水试验

3.1.1 静压注水试验方案

试验方案：钻孔内PE 管使用封孔器注水。试验采用的封孔器型号为ZFA16，外径28 mm，膨胀范围70～80 mm，封孔长度根据需要确定。其结构主要由进口钢套管、分段封孔器、带孔钢套管、高压胶管等组成。

试验过程：高压软管与封孔器接通，伸入PE管内6～8 m，利用静压水自然压力使封孔器膨胀后注水。试验发现，使用静压注水量达到3～5 m3后，钻孔附近的锚杆、锚索有渗水现象，但仍能继续注水。

万家庄煤业2#煤层比较软，容易发生塌孔，影响注水效果。原有抽放管封孔8～10 m，封孔深度比较短，而帮锚索深度6.3 m，容易漏水。采用该抽放钻孔静压注水试验可知，钻孔内PE 管使用封孔器注水方案比较简单、可行，为提高注水效果，采用每班注水1～2 h，帮锚杆或锚索孔大量出水后停止注水，同时使用煤尘抑制剂。

3.1.2 静压注水孔距切眼距离选择

试验静压注水方案效果同时对抽放钻孔静压注水进行测试，共对距切眼的19个抽放钻孔进行测试，孔间距为3 m，距切眼最远抽放孔57 m。根据改变注水压力、注水时间、注水口的观察可以看出，超前工作面15 m 以后，静压注水压力2 MPa，切眼煤体无变化，巷道煤壁锚杆眼处有水渗出；而超前工作面50 m 以外的抽放钻孔进行静压注水时，受采动和矿压影响变化小，静压注水效果相对比较好。

3.1.3 静压注水效果分析

钻孔内PE 管使用封孔器注水的抽放钻孔静压注水方案比较简单、可行。为提高注水效果，采用每班注水1～2 h，帮锚杆或锚索孔大量出水后停止注水，同时使用煤尘抑制剂。

静压注水前工作面全尘浓度平均534.7 mg/m3，注水后降至403 mg/m3，平均降尘率24.1%。呼尘浓度平均203.4 mg/m3，注水后降至146.7 mg/m3，平均降尘率27.9%。

静压注水后，煤体水分由原来的平均1.38%加至1.72%，注水效果不佳。效果不佳原因分析：万家庄煤业煤层比较软，再加上地压大，抽放钻孔容易塌孔，同时受动压影响，距工作面较近的钻孔被压实，直接影响注水效果。原有抽放管封孔8～10 m，封孔深度比较短，而帮锚索深度6.3 m，容易漏水。

3.2 空白带重新施工钻孔动压注水试验

3.2.1 动压注水试验方案

设计试验方案：“两堵一注”水泥封孔后进行注水。使用5 根寸半管（20 m）并在寸半管19 m处加套环，以防A、B 胶流入孔里，将里段堵死。孔口寸半管外露长度500 mm，如孔口不饱和，可采用速凝剂进行封堵。具体操作如下：

（1）取出足量的A、B 胶，然后在连好的封孔管接口处缠3～5 m 的白布，将A、B 胶倒入白布内，搅拌后待发泡开始，将封孔管塞进孔内，外露长度300 mm。

（2）采用风动水泥注浆泵对抽放钻孔进行二次注浆封孔，直到水泥从排气孔内流出。

注水钻孔封孔后，利用脉冲注水泵对钻孔进行中高压注水。现场对6 个钻孔进行封孔及注水效果试验，封孔长度选取为10～20 m，最大注水压力选择6 MPa。根据注水时间及注水口周围巷帮或锚索的渗水情况可以看出，万家庄煤业20104 工作面煤层动压脉动注水孔注水压力在8 MPa 时，注水封孔应大于14 m。注水孔不同封孔长度注水效果如表1所示。

表1 注水孔不同封孔长度注水效果表

3.2.2 润湿半径试验

对工作面9 个钻孔进行编号测试，其中注水孔位于所有钻孔最中间，在注水孔两侧分别编号4 个测试观察孔，每个钻孔间距5 m，钻孔润湿半径随着注水时间的增加而变大。其中3#、6#孔注水量达34.3 m3，润湿半径达10 m，注水48 h 后2#、7#孔末出现溢水现象，确定注水钻孔间距取10 m。

脉冲动压注水，封孔深度不小于14 m；20104工作面动压注水湿润半径为10 m；采用动压注水平均单孔注水量为37 m3。

采用动压注水时，流量表显示注水困难时停止注水，待湿润2 h 后使用静压注水1 h。两种注水方式循环注水，以达到最佳效果。

4 应用效果分析

通过对20104 工作面试验考察结果，采用动、静压循环注水方案对各产尘点粉尘浓度的实测对比，加入浓度为0.15%的煤尘抑制剂后，注水前工作面全尘浓度最大为587.7 mg/m3，注水后最小降至211.8 mg/m3，平均降尘率为57.6%，呼尘浓度由247.2 mg/m3降至90.4 mg/m3，平均降尘率为54.2%，检测结果如表2 所示。测定结果煤体含水率由1.38%增大到2.97%，试验效果良好。

5 结论

采煤工作面煤尘浓度大，治理困难，针对万家庄煤业公司20104 工作面进行了煤层注水试验，取得了较好的降尘效果。利用抽放钻孔“一孔两用”进行煤层注水，在设计施工抽放钻孔时，每隔15 m的抽放钻孔封孔长度要达到14 m，先抽瓦斯再注水，采用专用封孔器在抽放管内封孔14 m，做到“一孔两用”，同时添加煤尘抑制剂，能有效提高注水效果。采用动压注水时，流量表显示注水困难时，先期采用静压注水1 h，再进行动压注水，实现静压与动压循环交替的注水方式能有效提高注水效果。

表2 注水降尘前后粉尘浓度检测表