安 增

(大同煤礦集團(tuán) 晉華宮礦，山西 大同 037000)

我國(guó)煤炭?jī)?chǔ)量豐富，開采歷史悠久，在國(guó)有重點(diǎn)煤礦中70%以上都是高瓦斯礦井[1-2]。由于煤礦特殊的生產(chǎn)環(huán)境，在開采過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)，均可產(chǎn)生大量粉塵，嚴(yán)重危害工人的身體健康。另外，巷道及采煤工作面內(nèi)通常存在大量沉積的煤塵，當(dāng)煤塵達(dá)到爆炸下限濃度時(shí)，將存在煤塵爆炸危險(xiǎn)，嚴(yán)重制約著礦井安全高效生產(chǎn)，尤其對(duì)高瓦斯易突出礦井來說，危害更甚[3-5]。因此，治理高瓦斯易突出礦井工作面礦塵尤為重要。本文針對(duì)晉華宮礦8718回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面，提出綜合降塵技術(shù)，并進(jìn)行效果評(píng)價(jià)，研究結(jié)果可為類似礦井提供依據(jù)和借鑒。

1 工程地質(zhì)概況

晉華宮礦8718工作面開采11號(hào)煤層，煤層平均厚度5.7 m，傾角6°，可采指數(shù)為1，屬于優(yōu)質(zhì)動(dòng)力煤。工作面位于井下11號(hào)煤層307盤區(qū)，埋深約385 m，工作面推進(jìn)長(zhǎng)度為1 740 m，工作面長(zhǎng)度為185 m，可采儲(chǔ)量170萬t，采用一次采全高綜放開采工藝。礦井瓦斯絕對(duì)涌出量為41.86 m3/min，相對(duì)涌出量為10.02 m3/t；二氧化碳絕對(duì)涌出量為57.1 m3/min，相對(duì)涌出量為13.67 m3/t；瓦斯含量為3.51 m3/t，煤層孔隙率為1.05%，原始水分含量為1.11%，吸水率為1.45%～2.21%，煤層普氏系數(shù)f=2～4，透氣性差，屬于典型的高瓦斯、易突出、難注水性煤層。為實(shí)現(xiàn)回采巷道掘進(jìn)工作面降塵目的，本文提出以煤層動(dòng)壓注水濕潤(rùn)煤體降塵技術(shù)和粉塵濃度超限高壓外噴霧降塵技術(shù)為核心的掘進(jìn)工作面綜合降塵系統(tǒng)，在8718回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面進(jìn)行試驗(yàn)并進(jìn)行效果評(píng)價(jià)。

2 煤層動(dòng)壓注水濕潤(rùn)煤體降塵技術(shù)

煤層注水是采前通過鉆孔將水注入工作面煤體的方式，潤(rùn)濕煤體以減少煤塵的產(chǎn)生。根據(jù)瓦斯鉆孔性質(zhì)不同，煤層動(dòng)壓注水濕潤(rùn)煤體降塵技術(shù)可分為瓦斯測(cè)試孔動(dòng)壓注水和瓦斯抽放孔動(dòng)壓注水兩類。

2.1 瓦斯測(cè)試孔動(dòng)壓注水

2.1.1 鉆孔布置方式

為防止瓦斯突出事故的發(fā)生，高瓦斯礦井工作面掘進(jìn)前需進(jìn)行突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)，在掘進(jìn)工作面迎頭處布置若干個(gè)瓦斯測(cè)試孔。瓦斯測(cè)試孔的孔徑、孔深均符合動(dòng)壓注水要求。因此，可利用此類鉆孔作為注水孔對(duì)煤層進(jìn)行動(dòng)壓注水。鉆孔布置如圖1所示。

圖1 煤層注水瓦斯測(cè)試孔鉆孔布置方式

1) 鉆孔深度：以掘進(jìn)工作面日進(jìn)度為依據(jù)，由于日進(jìn)度為7 m，因此測(cè)試孔深度設(shè)計(jì)為12 m。

2) 鉆孔直徑：打瓦斯測(cè)試孔時(shí)，其鉆頭直徑為42 mm，成孔直徑在42 mm以上，滿足封孔器外徑要求。

3) 鉆孔間距：根據(jù)綜掘工作面防突要求，測(cè)試孔一般布置5個(gè)，孔間距0.8 m。

4) 鉆孔角度：平行于工作面沿煤層傾斜方向進(jìn)行鉆孔。

5) 開孔高度：鉆孔布置在巷道中部，距巷道底部1.5 m左右。

2.1.2 封孔工藝及裝備

由于瓦斯測(cè)試孔數(shù)量為3～5個(gè)，孔深僅12 m，采用橡膠封孔器進(jìn)行封孔時(shí)，從噴霧管路連接1個(gè)五通和5根高壓管便可完成注水管路布置，系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，操作方便。

1) 封孔原理。當(dāng)封孔器內(nèi)進(jìn)入壓力水流時(shí)，由于水壓的作用，導(dǎo)致封孔器壁內(nèi)外產(chǎn)生壓力差，封孔器向外膨脹，完成封孔過程。同時(shí)封孔器內(nèi)的壓力水從封孔器閥芯處流出，在瓦斯測(cè)試鉆孔內(nèi)沿煤裂隙濕潤(rùn)煤體，從而達(dá)到注水濕潤(rùn)煤體的目的。

2) 封孔設(shè)備。采用ZF-A22型橡膠封孔器封孔，封孔位置超過巷幫煤體破碎帶，深入煤體2～3 m。封孔器長(zhǎng)1.2 m，其內(nèi)徑為22 mm，外徑為39 mm，額定工作壓力為12 MPa，如圖2所示。當(dāng)預(yù)定的濕潤(rùn)范圍內(nèi)的煤壁出現(xiàn)均勻滲出水珠時(shí)，停止注水。

圖2 橡膠快速封孔器

3) 封孔工藝。當(dāng)瓦斯測(cè)試孔完成數(shù)據(jù)測(cè)試后，將封孔器插入到瓦斯測(cè)試孔內(nèi)，封孔器深入煤體2～3 m。采用高壓膠管將封孔器與高壓注水管路連接起來，在內(nèi)外壓差作用下，封孔器膨脹完成封孔作業(yè)。

2.1.3 注水工藝與設(shè)備

煤層動(dòng)壓注水系統(tǒng)由BPW-80/16型礦用噴霧泵、GPS-780型自動(dòng)控制水箱、ZF-A22型橡膠封孔器、SGS型雙功能水表及截止閥等組成，煤層注水系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 煤層注水系統(tǒng)示意

2.2 瓦斯抽放孔動(dòng)壓注水

2.2.1 鉆孔方式

瓦斯抽放孔的孔徑和孔深均符合動(dòng)壓注水要求，可以利用此類鉆孔作為煤層注水孔進(jìn)行動(dòng)壓注水。

1) 鉆孔深度：瓦斯抽放鉆孔深度為60～80 m。

2) 鉆孔直徑：成孔直徑76 mm。

3) 鉆孔間距：根據(jù)掘進(jìn)工作面防突要求，抽放孔一般布置3排，每排8個(gè)，孔間距0.4 m。

4) 鉆孔角度：平行于工作面沿煤層傾斜方向鉆孔。

5) 開孔高度：3排鉆孔分別距巷道底部0.8 m、1.5 m和2.2 m左右。

2.2.2 封孔工藝及裝備

煤層注水時(shí)，采用化學(xué)封孔材料進(jìn)行封孔，布置一根注漿封孔管路即可，無需布置其他管路，封孔系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、適用范圍廣。

1) 封孔原理。PD材料具有反應(yīng)膨脹功能，可使得密封材料的膨脹藥力能夠在膨脹倍數(shù)不減小的情況下緩慢釋放，達(dá)到密封鉆孔的目的。

2) 封孔工藝。采用TBW-50/1.5型泥漿泵進(jìn)行封孔，封孔系統(tǒng)如圖4所示。① 在抽放管一端挖花孔，在花孔上端2 m處纏繞上帶聚氨酯的毛巾，迅速將抽放管送進(jìn)孔內(nèi)12 m；將組裝好的抽放管、注漿管塞入鉆孔內(nèi)，并在毛巾上纏繞聚氨酯，用木棍搗入孔口處；② 使用配套的注漿軟管與封孔泵的出料口和注漿管連接，并用鐵絲擰緊，同時(shí)將鉆孔與注漿管相連的球閥打開；③ 計(jì)算出封孔所需的漿液量，配置注漿液，以小桶為量杯按照推薦體積比在大桶中配置PD材料注漿液；④ 待聚氨酯凝固后，用容器將漿液加入封孔設(shè)備料斗中，開始注漿；待注不動(dòng)時(shí)，停止注漿。

圖4 注漿封孔系統(tǒng)布置示意

2.2.3 注水工藝

注水工藝系統(tǒng)與瓦斯測(cè)試孔動(dòng)壓注水系統(tǒng)相同。

3 粉塵濃度超限高壓外噴霧降塵技術(shù)

粉塵濃度超限自動(dòng)噴霧降塵系統(tǒng)是通過粉塵濃度傳感器，連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)粉塵濃度變化，當(dāng)粉塵濃度達(dá)到超限值以上時(shí)，噴霧降塵裝置將被自動(dòng)開啟，以實(shí)現(xiàn)降塵目的。粉塵濃度超限高壓外噴霧降塵系統(tǒng)主要包括高壓泵站系統(tǒng)和粉塵超限自動(dòng)噴霧控制系統(tǒng)。

1) 高壓泵站系統(tǒng)配置。高壓泵站系統(tǒng)主要由一泵一箱組成，安裝布置時(shí)，每間隔200 m設(shè)立1個(gè)硐室，將泵站安設(shè)在硐室內(nèi)，定期向前移動(dòng)。該方法操作簡(jiǎn)單，截割硐室間隔時(shí)間一般為20 d左右。

2) 粉塵超限自動(dòng)噴霧控制裝置現(xiàn)場(chǎng)配套及布置。粉塵超限自動(dòng)噴霧控制系統(tǒng)布置于泵站附近，控制箱安設(shè)在巷道邊緣，離地高度0.5 m，隨泵站移動(dòng)；電磁閥接入泵站高壓輸入管路中，隨泵站移動(dòng)；粉塵濃度傳感器放置于迎頭瓦斯傳感器附近，隨掘進(jìn)機(jī)前移。粉塵濃度超限噴霧系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 掘進(jìn)工作面粉塵濃度超限噴霧系統(tǒng)示意

4 綜合降塵技術(shù)試驗(yàn)應(yīng)用效果

在8718回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面采用煤層動(dòng)壓注水和粉塵濃度超限噴霧降塵進(jìn)行了試驗(yàn)，并根據(jù)《AQ1020-2006煤礦井下粉塵綜合防治技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，對(duì)綜合降塵措施實(shí)施前后的司機(jī)位置處、距離掘進(jìn)頭10 m和100 m處的粉塵濃度進(jìn)行測(cè)試，評(píng)價(jià)降塵技術(shù)效果。測(cè)試結(jié)果見表1～表3所示。

表1 司機(jī)位置處總粉塵降塵效率

表2 離掘進(jìn)頭10m處總粉塵降塵效率

表3 離掘進(jìn)頭100m處總粉塵降塵效率

試驗(yàn)表明，采用綜合降塵措施后，司機(jī)位置處的降塵效率為93.6%，距掘進(jìn)頭10 m處的降塵效率為91.9%，距掘進(jìn)頭100 m處的降塵效率為68.1%，有效解決了該工作面掘進(jìn)時(shí)的粉塵污染問題，顯著改善了工作面的作業(yè)環(huán)境。

5 結(jié) 語

1) 針對(duì)晉華宮礦8718工作面煤層瓦斯含量高、可注性差、難濕潤(rùn)的特點(diǎn)，提出煤層動(dòng)壓注水濕潤(rùn)煤體技術(shù)和粉塵濃度超限噴霧降塵技術(shù)，形成了一套高效、完整的掘進(jìn)工作面綜合降塵系統(tǒng)。

2) 煤層動(dòng)壓注水濕潤(rùn)煤體降塵技術(shù)可分為瓦斯測(cè)試孔動(dòng)壓注水和瓦斯抽放孔動(dòng)壓注水兩類；粉塵濃度超限高壓外噴霧降塵技術(shù)主要采用粉塵濃度傳感器實(shí)現(xiàn)粉塵濃度的連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以達(dá)到降塵目的。

3) 采用綜合降塵措施后，8718回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面司機(jī)位置處的降塵效率為93.6%，距掘進(jìn)頭10 m處的降塵效率為91.9%，距掘進(jìn)頭100 m處的降塵效率為68.1%，顯著改善了工作面的作業(yè)環(huán)境。