辛置矿2-559工作面煤层注水降尘技术应用

孙海峰

（霍州煤电集团公司辛置煤矿，山西 霍州 031412）

1 工程概况

山西焦煤公司霍州煤电集团辛置煤矿2-559工作面位于450 水平南五采区，工作面标高为306～370 m，工作面北为2-534 工作面采空区，东部为2-560 掘进工作面，南部为310 回风巷、310皮带巷及310 轨道巷，西部为上跑蹄风井与工业广场保安煤柱。工作面开采2#煤层，煤层厚度为3.35～4.41 m，平均厚度为3.75 m，平均倾角5°，煤层结构复杂，含两层夹矸，煤层顶板岩层为泥岩和K8中细砂岩，底板岩层为泥岩和中砂岩，2#煤层煤尘具有爆炸性。

2-559 工作面采用一次采全高综合机械化采煤法进行回采，采高为：3.35～4.10 m，循环进度0.8 m。由于工作面煤层节理裂隙发育，且采用综采回采期间工作面的粉尘含量较高，为优化工作面的回采作业环境，在工作面回采前采用煤层注水降尘技术。

2 煤层注水降尘方案

2.1 煤层注水降尘机理

在煤层内进行注水作业时，动力水进入煤层后主要先在内部的裂隙和孔隙中进行渗透，当注水完毕后，水在煤体中会出现毛细运动和扩散运动，达到增大煤体内水分的目的。煤层注水降尘机理主要包括：①润湿了煤层内的原生煤尘，使煤尘丧失飞扬能力；②有效的包裹了煤体的细小部分，降低浮游煤尘的产生；③改变了煤体的物理力学性质，降低煤体破碎成尘的可能性；④注水后的煤层，在工作面后续整个生产流程中具有连续防尘的作用。

在进行煤层注水作业时，注水压力和注水湿润运动状态起着决定性的作用，动压水会最先沿着钻孔向煤壁四周的原生裂隙通道内流动，在水压作用下煤体裂隙会进一步扩展发育，从而为水流进一步提供流通的通道；随着注水作业的进行，煤层裂隙范围区域的煤体会逐渐湿润直至达到饱和状态。在注水过程中，随着水在煤体裂隙内的流动，压力会逐渐损失，故在注水孔周围的煤体表现为饱和吸水状态。随着距离注水钻孔距离的增大，煤体的湿润逐渐进入到非饱和区和非湿润区，煤体湿润区的分布见图1。

图1 距离钻孔中心变化煤体湿润区的分布

2.2 注水降尘方案

（1）注水钻孔布置方式

根据2-559 工作面的地质条件，结合工作面现场施工条件及注水降尘技术原理，设置工作面采用双侧布孔注水，即分别在运输巷和回风巷内布置注水钻孔。注水钻孔布置在距离巷道底板1 m的位置处，钻孔直径为75 mm，长度为60 m；注水钻孔布置的合理间距为能确保两钻孔湿润范围可相互覆盖，根据众多试验研究及工程实践结果可知[1-2]，钻孔湿润半径为5.3 m。为此，设置注水钻孔的间距为10 m，施工钻孔的倾角为-3°，工作面最佳注水区域为超前工作面25～40 m 的范围，注水钻孔布置形式见图2。

图2 煤层注水钻孔布置形式

（2）注水工艺参数

①注水方式：为确保煤层注水的降尘效果，现采用静压注水与动压注水相结合的施工工艺。其中，动压注水采用脉动动压工艺，在进行煤层注水施工中，通过设置好脉冲压力，并合理调控注水过程，以此确保注水效果。

②单孔注水量：钻孔的单孔注水量可通过下式进行计算：

式中：Q为单个钻孔注水量，m3；B 为孔间距，m；L为钻孔长度，m；M 为煤层厚度，m；r 为煤容量，T/m3；W1为注水后要求达到的水分，取4%；W2为煤层原有水分，1.03%；K 为考虑围岩吸收水分、水的流失和注水不均匀系数，一般取1.5～2.0。

Q 为单孔注水量，结合工作面的各项参数，计算得出单孔注水量Q=219.57 m3。

③脉冲压力及注水时间：脉冲动压注水时，合理的注水压力能够实现煤层内部孔隙与裂隙的相互沟通。基于众多理论分析和现场实测数据[3-4]，综合确定最大的脉冲注水压力为7 MPa；另外考虑到本工作面采用脉冲动压注水和静压注水相结合的方式，为确保两种注水时间基本相等，设置先采用静压注水作业。静压注水作业的持续时间为4 h，在其结束后的2 h 内，再进行脉动动压注水作业。当脉冲动压注水时其终孔压力达到最大压力，且注水时间达到4 h 时，间隔2 h，继续进行动压注水，如此循环往复，直至单孔注水量达到设计值，或煤壁出现“冒汗”现象时停止脉冲动压注水作业。

④封孔工艺：本次注水钻孔封孔采用水泥封孔，使用的材料主要为425#普通硅酸盐水泥和膨胀剂，水泥砂浆的水泥：水=1:0.4，设置封孔长度为12 m，在封孔长度范围内的两端采用聚氨酯面纱形成封闭，为注入水泥浆提供保障，封孔方式见图3。

图3 封孔方式

（3）注水系统及施工方法

本次煤层注水钻孔采用脉冲式动压与静压相结合的混合注水方式。注水时采用三孔并联注水。在进行钻孔注水作业时，先将注水管路连接至静压水管上，静压注水作业结束后，开启脉冲动压注水泵，在脉冲注水时间达到后关闭脉冲注水泵，再间隔2 h后继续进行静压注水作业，如此循环往复直至钻孔注不进水或者煤壁表面出现“出汗”现象时即可停止该钻孔的注水作业，并及时封堵孔口[5-6]。注水系统布置形式见图4。

图4 注水系统布置方式

3 降尘效果分析

为分析验证2-559 工作面煤层注水降尘的效果，分别在煤层注水前后进行呼吸性粉尘和全尘浓度的测试作业。现场进行粉尘浓度测试时，布置4 个测点，测点分别布置在采煤机司机处、液压支架移架处、工作面回风巷10～15 m 和采煤机下风侧10 m 的位置处，测尘点布置位置见图5。

图5 测尘点布置位置

根据粉尘浓度测试结果，能够得出工作面不同测点在煤层注水前后粉尘浓度的测试结果见表1。

表1 煤层注水前后粉尘浓度对比

分析表1可知，煤层注水后，工作面不同区域的呼尘和全尘浓度均大幅下降。其中，四个测点中呼尘降尘率最大的为工作面回风巷10～15 m的范围，该处降尘率可达58.1%；四个测点中全尘降尘率最大的为采煤机司机处，该处降尘率可达58.8%，其次为工作面回风巷10～15 m 处，该处全尘降尘率为58.7%。基于上述实测数据分析可知，煤层注水降尘技术实施后，工作面各区域呼尘降尘率均在53%以上，全尘降尘率均在56%以上，降尘效果显著。

4 结语

基于2-559 工作面的煤层赋存特征及开采条件，根据煤层注水降尘机理进行工作面煤层注水降尘方案的设计，确定工作面采用静压与动压注水相结合的注水方式，从注水钻孔布置、注水工艺参数、注水系统及施工方法三个方面具体进行设计，根据注水前后粉尘浓度测试可知，煤层注水方案实施后，降尘效果显著。