晋华宫矿8109综采工作面煤层注水降尘实践

蒋 华

（同煤集团晋华宫矿，山西 大同 037016）

晋华宫矿8109综采工作面开采过程产尘量大，浓度最高达到3 000～3 300 mg/m3。尽管工作面采用了吊挂防尘水帘、喷雾降尘等措施，回风巷距工作面8 m、进风侧以及移架处总尘浓度仍然高达1 000 mg/m3、1 200 mg/m3、1 174 mg/m3，严重威胁矿工的身心健康和矿井的安全生产。该工作面煤质松软破碎，孔隙率高，开采过程中产生粉尘量大。本文应用理论和实践方法对煤层注水的工艺和参数进行了详细探讨。跟踪监测注水前后的粉尘浓度和超前支撑压力的变化。实际应用后，取得了显著降尘效果，有力保障了矿井的安全生产。

1 工程概况

同煤集团晋华宫矿8109综采工作面走向和倾向长度分别为780 m、120 m，平均倾角为9°，煤层厚度3.7～4.9 m，平均厚度为4.6 m。煤层的底部高低不平，整体上西面煤层较厚，东面煤层较薄，煤质较软，硬度较小，开采过程中极易产生大量粉尘。

2 注水工艺

根据晋华宫矿煤层地质条件，8109综采工作面煤层平均全水分为2.01%，水分含量不足，需要对煤层进行注水降尘。煤层注水的方式大致可分为四种，分别为长孔注水、短孔注水、深孔注水以及巷道钻孔注水。通过查阅相关资料和针对该煤层的开采实际，8109综采工作面煤层拟采用深孔高压注水技术。

2.1 注水孔位置的确定

一般情况下，煤层钻孔注水位置不超过工作面煤厚的0.6倍，经过计算，注水孔位置距离巷道底板的高度为2.76 m，实际取2.8 m。

2.2 注水孔直径

根据煤的坚固性系数、煤体的破碎情况、裂隙的发育程度，确定50 mm作为钻孔直径。

2.3 钻孔长度

8109综采工作面采用的是单向伪倾斜下向孔，计算公式为：

L=Lg-M

式中：L为钻孔长度，m；Lg为工作面长度，m；M一般取工作面长度的1/3到2/3，这里取80 m。

2.4 注水孔间距

在矿井实际煤层注水应用中，钻孔间距一般介于10～25 m之间，根据8109工作面的实际情况，确定以15 m作为钻孔间距。

2.5 钻孔角度

在矿井实际煤层注水应用中，为了防止煤壁片帮等危害的发生，钻孔水平倾角一般介于60°～70°之间。根据8109工作面的实际情况，确定以70°作为钻孔的水平倾角。钻孔角度为13°，这样可以使钻孔不会穿透煤层底板，一直保留在煤层中。煤层的钻孔布置见图1。

图1 钻孔布置平面

2.6 封孔长度

本次封孔选用水泥水玻璃作为封孔材料，封孔长度为10 m。

3 注水参数

3.1 注水压力

8109综采工作面所处位置的地应力超过20 MPa。由经验公式可知：

P0=156-78/（0.000 1H+0.5）=9.6 MPa

式中：P0为注水的最小压力，MPa；H为工作面埋深，m。

通过计算可知最佳注水压力应大于9.6 MPa，且不能超过正常地应力，故注水压力应介于10～20 MPa之间。

3.2 单孔注水量

根据8109工作面煤层的实际情况，吨煤注水量一般介于q=0.02～0.025 m3/t，将q的上限与下限代入求得单孔最大注水量和单孔最小注水量。

Q上限=LgBMpq

=120×15×4.6×1.48×0.025=306.4 m3

Q下限=LgBMpq

=120×15×4.6×1.48×0.02=245.1 m3

式中：Q为单孔注水量，m3；Lg为工作面长，m；B为孔间距，m；M为煤厚，m；ρ为煤的密度，t/m3。

3.3 注水时间

式中：T为注水时间，h；Q为注水量，m3；U为每米钻孔有效流量，（m3/（m·h-1））；L为钻孔长度，m；V为钻孔流量，m3/h。

4 注水效果分析

4.1 监测位置

为了解注水工艺降低粉尘浓度效果，拟对工作面进行现场跟踪监测。通过监测8109综采工作面注水前后，粉尘浓度的变化来判定注水效果的好坏。采样点一般设置在粉尘产生量大或者作业人员密切接触的区域，这些区域能够准确反映出注水前后粉尘浓度的变化情况。本次监测共设置6个测点，分别为回风巷、进风巷距离工作面8 m位置处、进风侧、移架处、工作面上部、回风侧，采样点布置见图2。

图2 工作面采样点布置

4.2 效果分析

对选取的6个测点注水前后粉尘浓度变化情况进行监测，并记录数据，求得每个测点的降尘率，监测数据见表1。

表1 注水前后粉尘浓度变化情况

通过表2数据可知，在工作面未注水前，粉尘浓度介于300～3 312 mg /m3，粉尘浓度过高，工作面作业环境较差。通过对煤层进行深孔高压注水后，有效降低了工作面的粉尘浓度，回风巷、进风巷距工作面8 m位置处、进风侧、移架处、工作面上部以及回风侧的降尘率分别为68.9%、68.2%、68.1%、67.7%、71.5%和71.4%，降尘率均在67.7%以上，平均降尘率为69.5%，降尘效果较好。在工作面上部以及回风侧位置处，降尘率最大，有效降低了工作面粉尘含量，改善了工作面的作业环境。

4.3 矿压显现监测

为了解注水前后工作面压力的变化情况，在工作面选取6个测点，分别为距离工作面3 m、5 m、7 m、9 m、11 m、13 m位置处测量其压力大小，将所得数据进行记录和整理，见表2。

表2 注水前后压力变化情况

通过表中数据可知，在距离工作面3 m、5 m、7 m、9 m、11 m、13 m时，注水前的压力分别为8.2 MPa、18.1 MPa、24.4 MPa、29.8 MPa、38.2 MPa、28.4 MPa；注水后的压力分别为5.3 MPa、9.9 MPa、15.8 MPa、20.7 MPa、25.4 MPa、21.3 MPa；分别减小了35.4%、45.3%、35.2%、30.5%、33.5%、25.0%。在大约距离工作面11 m左右，压力出现峰值。注水前，最大压力值为38.2 MPa；注水后，最大压力值为25.4 MPa；在压力峰值前，压力平均降低率都在30%以上。由此可知，在煤层中注水，可以起到一定程度的卸压效果，大大减小了工作面煤壁发生片帮的可能，维护了巷道围岩的稳定性。

5 结语

1）根据晋华宫矿8109工作面的工程地质条件，确定了煤层注水孔的位置、直径、钻孔长度、孔间距、封孔长度以及注水参数。

2）煤层进行注水后，有效降低了工作面的粉尘浓度，保证了矿工的健康与安全，所设测点的降尘率均在67.7%以上，平均降尘率为69.5%，降尘效果较好。

3）煤层进行注水后，工作面煤层的物理性质得到改善，支撑压力明显降低。注水前后，煤层的峰值压力均出现在距离工作面大约11 m左右的位置，注水前后的峰值强度分别为38.2 MPa、25.4 MPa，降低了33.5%，大大减少了工作面煤壁片帮现象的发生。