晋华宫矿8109综掘面注水防尘技术应用

许 瑾

（同煤集团晋华宫矿，山西 大同 037016）

晋华宫矿8109综掘工作面切割煤过程中产生粉尘量较多、控制较困难且具有爆炸危险[1]，如不及时对煤层采取降尘措施，极易对井下作业安全造成重大威胁[2]。本文通过对煤层注水降尘机理的分析，设计了煤层注水方案，研究了不同掘进深度时各个测点的粉尘浓度[3]，得到了煤层含水量随着钻孔深度的变化规律，确定了煤层注水的最佳位置[4]。并在工程应用中取得了良好的降尘效果，大幅度减少了工作面粉尘和呼吸性粉尘的产出量[5]。本研究对于综掘工作面有效控制粉尘浓度具有重要的理论指导意义与工程实用价值。

1 工程概况

1.2 煤层概况

同煤集团晋华宫矿8109综掘工作面埋深-600 m，该综掘工作面所处的3#煤层具有煤与瓦斯突出危险性，煤层总体上为单斜构造。3#煤层赋存比较稳定，煤层厚度介于3～6 m之间，平均厚度4.6 m。顶板为厚度2.2 m的泥岩复合顶板，底板以泥岩为主，厚度为11.8 m。矿井东、西风井各配备一个400 m3的水池，能满足井下供水需求。

1.2 产尘特性

由于煤体结构疏松破碎，综掘掘进过程中极易产生大量煤尘，故具有扬尘量大、扩散速度快、易发生爆炸等特点。

2 煤层注水降尘机理

2.1 煤尘的产生

在煤炭的各个生产环节过程中，煤与煤、围岩以及和机械设备之间的作用过程中会产生大量的煤尘，粉尘污染问题遍布于几乎所有的生产场。随着大型设备的投入使用，煤尘的产生量越来越多，也更加集中，对机械设备和人身安全的威胁也更大。综掘工作面开采过程中产生的粉尘量最多，能够占粉尘产生总量的80%以上。井下的粉尘不只是在生产过程中产生的煤尘，还包括施工材料在使用过程中产生的粉末。

2.2 除尘的机理

（1）水可以湿润煤体中的原生粉尘。原生煤尘存在于煤层的裂隙中，当采用机械设备将煤体破碎后，裂缝中的煤尘被释放出来，弥漫在作业环境中，对人的健康和机械使用年限造成极大危害。

（2）煤体中含有超细微的孔隙，可以通过毛细作用吸附一部分水，当煤体破碎后，吸附的水会先湿润绝大部分的破碎面，减少了大量细微浮游粉尘的飞扬。

（3）水可以改变煤的物理力学性质。煤体受外力产生破坏后，在水的作用下，原本的塑形破碎的煤体会产生大量的塑性变形，大大增强了煤体不被破碎为尘粒的能力，减少了粉尘的产生量。

3 煤层注水设计

3.1 煤层注水管路设计

同煤集团晋华宫矿8109工作面采用封孔长度为1 m的注水器对煤层进行注水，能够用水力实现自动封孔。为了使仪器更加精密，可以根据需要随时调节水流的大小，在高压水管位置处联接了精密流量计，见图1。

图1 静压注水

3.2 煤层注水钻孔布置

综合考虑煤质、瓦斯孔、巷道断面尺寸、注水时间等综合因素的影响，布置的煤层注水降尘的钻孔见图2，为了防止注水钻孔与卸压钻孔的贯通，钻孔角度应尽可能平行于卸压钻孔倾角。

图2 迎头注水钻孔布置

3.3 注水湿润半径的考察

为了了解煤层注水后的湿润情况，在巷道右帮距迎头3 m位置处布置直径为42 mm的钻孔考察其湿润半径。以钻孔中心为圆心，在其内部间隔0.3 m打一个钻孔，钻孔布置见图3，取打钻1.2 m后的钻屑，做全水分分析，将所得数据记录于表1，根据分析结果判断其湿润效果。此时，煤层的注水时间为90 min，最小注水压力为2.5 MPa，最大注水压力为3.3 MPa。

图3 湿润半径考察钻孔布置

表1 全水分分析

由表1可知，随着钻孔位置距离取样点距离的增加，所取煤样中所含的水分逐渐降低，并趋于煤层中所含固有水分。在距离钻水孔1.2 m后，所取碎屑的含水量稳定在2%左右，即煤层本身所含的水量。因此，可以得到在注水时间为1.5 h和注水压力为2.5～3.3 MPa的条件下，得到其最小湿润半径为0.9 m，最大湿润半径为1.2 m。

4 注水效果考察

4.1 注水降尘效果考察

工作面内共布置五个监测点来监测注水前后粉尘的浓度变化情况见图4。在司机操作处的粉尘浓度比较大，故在距迎头5 m处设置了5号测点；另外，在水幕前5 m、后10 m位置处分别设置4号、3号测点；在转载点后设置2号测点；在距离2号测点10 m位置的总回风流处设置1号测点。将测得数据记录在表2。

图4 综掘工作面粉尘测点布置

表2 注水前后粉尘浓度数据

通过注水前后5个位置处全尘和呼吸性粉尘的浓度的监测结果可知，注水后，5个位置的呼吸性粉尘和全尘浓度均明显下降。其中在综掘机司机机位置，即距迎头5 m位置处呼吸性粉尘浓度的下降程度最高，降低了工人作业环境的危险程度；在3号、4号测点测得的全尘的下降程度基本一致，在3号测点的粉尘浓度均小于4号测点所测得的浓度值，即水幕后小于水幕前，而4号测点的呼吸性粉尘的降尘率大于3号测点的降尘率。

4.2 注水前后沿程粉尘浓度分布

为了掌握注水前后沿程全尘和呼吸性粉尘浓度分布情况，测定了在工作面进尺7.2 m的情况下注水前后沿程粉尘浓度分布情况，包括呼吸性粉尘以及全尘浓度随着距离迎头的距离粉尘浓度的变化情况，见图5、图6。

图5 注水前后呼吸性粉尘变化情况

图6 注水前后全尘变化情况

由图可知，随着距迎头距离的增加，呼吸性粉尘和全尘的浓度逐渐减小，在距离迎头前10 m，粉尘下降速率较大；呼吸性粉尘在距离迎头前10～30 m位置处下降速率减小，而全尘在距离迎头前10～25 m位置处下降速率减小；当呼吸性粉尘距迎头超过30 m、全尘距迎头超过25 m后，粉尘浓度逐渐趋于稳定，不再发生明显波动。注水后在距离迎头25 m位置处，全尘粉尘浓度由注水前的420 mg·m-3减小为注水后198 mg·m-3，下降率为52.9%；注水后在距离迎头30 m位置处，呼吸性粉尘浓度由注水前的148 mg·m-3减小为注水后114 mg·m-3，下降率为23.0%。由以上分析可知： 注水后呼吸性粉尘和全尘浓度都有所下降，且下降率的大小关系为：全尘＞呼吸性粉尘。

5 结语

1）煤层注水不仅可以在源头上减少粉尘的产生，包裹住超细微煤层，还可以改变煤体的物理力学性质，增加其塑形，大大增强了煤体不被破碎为尘粒的能力。

2）通过对所取煤样做全水分分析，得到当注水时间为1.5 h，注水压力2.5～3.3 MPa时，煤层的注水湿润半径为0.9～1.2 m。

3）注水后呼吸性粉尘和全尘浓度都有所下降，全尘浓度在距离迎头25 m位置处趋于稳定，呼吸性粉尘在距离迎头30 m位置处趋于稳定，下降率的大小关系为：全尘＞呼吸性粉尘。