基于分段注水的综掘工作面防尘技术实践

高军军

（山西汾西矿业集团南关煤业有限责任公司 山西 灵石 031300）

相比采煤工作面，掘进工作面工作空间狭小，不具备循环通风条件，无论是爆破掘进的打眼、放炮、出煤工序，还是综合机械化掘进的破煤、装煤、运煤工序，作业过程中均会产生大量粉尘，仅靠局部通风机通风降尘，控制难度较大，一是容易造成粉尘积聚，当浓度达到一定值会形成爆炸隐患，二是大量粉尘积聚，会对掘进迎头作业人员造成极严重的尘肺病隐患，还会干扰作业人员视野，造成作业效率降低，安全性无法保障。目前，掘进工作面常见的降尘措施包括湿式打眼、断面喷雾、爆破喷雾、转载点喷雾、冲洗巷道、落煤洒水等，但均属于粉尘产生之后的被动降尘，不能有效降低粉尘的产生量。降低粉尘产生量的最关键的方法还属煤层注水，通过注水提前对即将剥落的煤体进行浸润，提高煤体湿度，降低粉尘的产生量。但常规的煤层注水受煤体裂隙发育程度、注水参数影响较大，注水效果不易控制和评价[1-3]。针对掘进工作面粉尘产生量大、常规注水效果不佳的问题，南关煤业在2607掘进工作面创新性地使用了分段式煤层注水进行防尘，取得了较好的应用效果。

1 工程概况

南关煤业位于山西省灵石县南关镇北余家沟村，现有井田面积38.67 km2，地质储量7 770 万t，煤种为1/3焦煤，煤质为低硫、低灰、低磷优质肥煤。矿井设计生产能力90万t/年，安全生产许可证核定能力140万t/年，属证照齐全的煤矿生产矿井。矿井2607工作面主采6#煤层，煤层平均厚度2.5 m，平均倾角12°，煤层坚固性系数1.2，实验室测定的煤层含水率为0.52%。煤层直接顶为平均厚度2.6 m的泥岩、砂质泥岩，老顶为平均厚度4.1 m 的细砂岩，直接底为平均厚度1.2 m 的松软泥岩、黏土岩，老底为平均厚度2.2 m 的粉砂岩。其中，2607 运输平巷采用综合机械化掘进工艺，沿煤层底板掘进，为梯形断面，上宽3 600 mm，下宽4 600 mm，高为2 600 mm，采用金属架棚支护工艺。

2607 运输平巷在掘进过程中使用常规的两部FBD-NO.5.6/2×15 kW型局部通风机进行供风，一用一备，风机装机功率30 kW，叶轮直径560 mm，额定转速2 930 r/min，供风量参数为260 m3/min～440 m3/min，风筒直径为600 mm。由于煤层含水率较低，综掘破煤过程中会产生大量煤尘，控制难度较大。目前的降尘措施，一是综掘机上安装的内外喷雾，二是掘进迎头15 m处安装的一处净化水幕，三是转载点喷雾及巷道回风口处的断面喷雾，四是巷道冲洗降尘。但由于喷雾属于被动降尘，在大量粉尘产生后，降尘效果仍较有限，测得的粉尘浓度最高可达1 498 mg/m3，需要采取更为有效的降尘方式。

2 分段式注水方案设计

2.1 分段式注水技术原理

分段式注水技术并未脱离普通单级注水技术，其原理是根据掘进工作面煤壁前方煤体承受不同应力情况，打设注水钻孔，使用2级或者3级封孔器进行分段注水，如图1所示。根据煤壁前方应力值大小，至浅部向深部可分为卸压带、应力集中带、原岩应力带，简称“三带”，第1 段封孔器的出水孔位于应力集中带，第2段封孔器的出水孔位于原岩应力带，通过分段式封孔器完成煤壁前方煤体内分段注水。通过煤壁内部分段注水，通过注水使煤体裂隙不断扩展，卸压带范围更大，向内部延伸，继而应力集中带整体向深部移动，一是能够提高煤体湿度，降低粉尘产生量，二是能够使应力集中带前移，工作面的矿压显现强度明显降低[4-5]。

图1 分段式注水及二级注水器工作原理示意图

2.2 分段式注水方案设计

系统设计采用二级分段式注水，系统整体的方案设计如图2所示，由注水泵站、管路、阀门、第1段封孔器进水阀门、第2段封孔器进水阀门、两段式注水封孔器等组成。在巷道内安设好注水泵站后，需要先施工注水钻孔，然后将封孔器插入打设好的钻孔内，连接好注水管路，通过调节阀门的开启实施钻孔内的分段注水和封孔。

图2 二级分段式注水系统示意图

2.3 注水参数设计

注水钻孔设计在巷道中央距离底板1 300 mm处，位于巷道的中心位置，一次施工钻孔深度为10 m，用时约15 min，施工时间选在综掘机掘进后支护之前，可充分利用巷道支护时间进行注水，不影响巷道其他工序。通过进行注水试验，比对10 MPa、12 MPa、14 MPa三个注水压力的注水效果，设计当掘进迎头煤壁出现渗水或者注水压力降幅达3 成后停止注水，基本的对应关系是注水压力越大，注水量就越大；注水压力越大，需要的注水时间越短。综合考虑比对注水时间、注水量及注水效果关系，确定注水压力为12 MPa，一次注水约耗时30 min～40 min，注水量能达到约1 000 L；在此压力条件下，注水湿润半径能达到1 800 mm，一次施工一个钻孔可满足全断面的注水需求。除此之外，在注水试验时，通过在注水孔两侧布置检测孔，提取检测孔内的煤屑，测定煤屑水分来分析注水效果，测定水分增加1%时可起到较好的降尘作用，验证得出每次注水只施工1个钻孔即可满足要求。

3 分段式注水实践及效果分析

按照以上制定的注水方案实施煤壁分段注水，注水泵站选用BPW80/16 型喷雾泵，泵的额定压力为16 MPa，额定流量为80 L/min；两段式注水封孔器选型为FSFZ38/16，额定工作压力为16 MPa，封孔直径为38 mm，粉尘采样仪选用AFZ-2型。实施钻孔及注水后，对注水前后掘进迎头的粉尘浓度进行测量，测量方法是滤膜采样称重法，粉尘测定位置为综掘机司机处及综掘机后5 m 处，测定结果如表1 所示。检测结果显示，在综掘机司机处，全粉尘浓度降低率达到68%，呼吸性粉尘降低率达到71.5%；综掘机后5 m 处，全粉尘浓度降低率达到58.5%，呼吸性粉尘降低率达到59%。可见，实施分段注水后，工作面粉尘降低效果较好，粉尘降低率基本能达到60%及以上，呼吸性粉尘的降尘效果更好。在掘进施工过程中，配合使用泡沫除尘措施，综合降尘率能达到85%以上，降尘效果显著，工作环境得到极大改善。同时，煤层注水对煤体强度起到了很好的弱化作用，煤壁支承应力峰值前移，工作面矿压显现程度显著降低。

表1 分段注水前后粉尘浓度变化情况

4 结语

2607 运输平巷在掘进过程中受到较严重的粉尘困扰，使用常规的降尘措施效果不佳，测得的粉尘浓度最高可达1 498 mg/m3，需要采取更为有效的降尘方式。设计使用分段式注水技术进行煤层注水，对系统整体方案、系统组成、设备选型、注水参数进行设计，并在巷道掘进过程中实施分段式煤层注水及泡沫除尘，综合降尘率能达到85%以上，降尘效果显著，工作环境得到极大改善，工作面矿压显现程度显著降低，实现了预期目的。