李張晉

（山西蘭花集團(tuán)莒山煤礦有限公司，山西 晉城 048000）

礦山粉塵不僅使得工作環(huán)境惡化，耽誤施工進(jìn)度，同時(shí)也會(huì)降低煤礦設(shè)備的使用壽命，一定濃度的粉塵會(huì)引發(fā)爆炸事故，而且粉塵對(duì)人體的傷害也是不容忽視的。因此綜采工作面粉塵的防治是煤礦安全生產(chǎn)中的重要工作[1-3]。實(shí)踐表明，煤層注水是解決綜采面粉塵濃度過(guò)高的根本方法[4]，高壓分段注水封孔技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了在較高注水壓力下的動(dòng)、靜壓交替注水，能夠極大地提高水分在煤體中的運(yùn)移速率，節(jié)省時(shí)間，提高煤層潤(rùn)濕范圍[5]?；诖?，以西曲礦18306工作面為研究對(duì)象，對(duì)分段封孔動(dòng)壓注水系統(tǒng)及其現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用進(jìn)行研究。

1 工作面概況及可注性分析

1.1 工作面概況

18306工作面煤層厚度3.70～4.20m，煤層傾角3 °～ 7 °，平均4 °，直接頂為4.36m石灰?guī)r，直接底為2.70m細(xì)砂巖。

18306工作面走向長(zhǎng)度1560m，工作面長(zhǎng)200m，工作面進(jìn)、回風(fēng)巷斷面尺寸4m×3.3m，工作面風(fēng)量1677m3/min。

1.2 工作面可注性

根據(jù)MT/T 1023-2006《煤層注水可注性鑒定方法》規(guī)定，當(dāng)原有水分W≤4%、孔隙率n≥4%、吸水率δ≥1%和堅(jiān)固性系數(shù)f≥0.4，則該工作面具有可注性。通過(guò)對(duì)該采煤工作面的煤樣分析，原始自然水分為1.02%，煤樣孔隙率為2.92%，煤樣72h平均吸水率1.71%，煤樣堅(jiān)固性系數(shù)0.49。由于煤樣吸水率較強(qiáng)，且煤質(zhì)較硬，打鉆時(shí)可以順利成孔，因此本工作面煤層具有可注性。參照本工作面作業(yè)規(guī)程及其他資料，準(zhǔn)備在回風(fēng)順槽實(shí)施單向鉆孔方式煤層注水。

2 分段注水封孔技術(shù)

2.1 分段注水封孔器的選擇

本文采用FSFZ38/16型分段式注水用封孔器具有分段注水、封孔深度大、注水效果好等特點(diǎn)，因此采用分段式封孔注水方案。該方案具有以下特點(diǎn)：

（1）實(shí)現(xiàn)高壓注水，注水壓力最大達(dá)16MPa。

（2）封孔深度深，采用水力膨脹式封孔器封孔深度可達(dá)5m以上。

（3）封孔器采用特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)在卸壓帶和應(yīng)力集中帶分別注水，注水效果好。

（4）水箱具有高低水位自動(dòng)控制功能，實(shí)現(xiàn)高水位自動(dòng)停水、低水位自動(dòng)斷電的功能。

（5）封孔器可以重復(fù)使用。

（6）通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)、靜壓交替注水。

封孔器如圖1所示。

圖1 FSFZ38/16型分段式注水用封孔器

2.2 注水封孔技術(shù)

本方案采用水力膨脹封孔技術(shù)進(jìn)行封孔，將封孔位置分別設(shè)置在煤體卸壓帶和應(yīng)力集中帶，從而提高注水效果。

首先利用分段式注水封孔器的第一段封孔器在卸壓帶內(nèi)進(jìn)行封孔注水，使卸壓帶的煤體得到充分的濕潤(rùn)，關(guān)閉第一段封孔器進(jìn)水閥門，使第一段封孔器仍處于膨脹封孔狀態(tài)；然后利用分段式注水用封孔器的第二段封孔器在應(yīng)力集中帶內(nèi)進(jìn)行封孔注水，使完全卸壓帶、卸壓帶和集中應(yīng)力帶的煤體得到進(jìn)一步的濕潤(rùn)，關(guān)閉第二段封孔器進(jìn)水閥門，使第二段封孔器仍處于膨脹封孔狀態(tài)；當(dāng)注水完成后，在卸載停泵的同時(shí)，打開(kāi)注水用分段式封孔器的第一段封孔器、第二段封孔器的進(jìn)水閥門和調(diào)壓閥門，注水用分段式封孔器利用鉆孔內(nèi)外壓差，自動(dòng)彈出鉆孔。

2.3 動(dòng)壓注水系統(tǒng)

動(dòng)壓注水系統(tǒng)由BPW-80/31.5型噴霧泵、自動(dòng)控制水箱、SGS型雙功能高壓水表，DF-Ⅲ型分流器、單向閥及截止閥等組成。

2.3.1 系統(tǒng)電路

系統(tǒng)需連接660/1140V電源，其中660V采用三角形連接方式，1140V采用星形連接方式。系統(tǒng)需要配備電纜和專用電磁啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，泵站和水箱需安置在平板車上。

2.3.2 系統(tǒng)水路

系統(tǒng)水路要求在動(dòng)壓注水20m范圍內(nèi)有水源，且有KJ32的快接出口，如水源離注水地點(diǎn)過(guò)遠(yuǎn)，則需另外配備水管和短接。

3 注水工藝

3.1 工藝參數(shù)

（1）注水壓力：16MPa；

（2）單孔注水總量：按煤體水分增量至少2%計(jì)算，5m間距的注水孔注水量為3.95×5×110×1.35×2% ＞ 60m3；

（3）注水時(shí)間：每天動(dòng)、靜壓交替注水時(shí)間總計(jì)22 h（其中動(dòng)壓注水不低于每班2h）。注水流量一般在0.3m3/h～2m3/h，由于西曲礦煤質(zhì)滲透性弱，將注水流量暫定為0.6m3/h，動(dòng)壓注水流量為80L/min，因此每天的注入水量為0.6×20+80×10-3×60×2/5=13.92m3，因此總注水時(shí)間為4.3d（以上注水時(shí)間為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)間，實(shí)際注水時(shí)間以注水總流量達(dá)到規(guī)定值）；

（4）同時(shí)注水鉆孔數(shù)量：5個(gè)鉆孔為一組，間距5m；

（5）鉆孔位置：回風(fēng)順槽煤壁中部，距離工作面110m，封孔器外露不超過(guò)500mm。

3.2 動(dòng)、靜壓注水工藝的實(shí)施

（1）將設(shè)備運(yùn)到固定地點(diǎn)，將設(shè)備接好，連通水電。

（2）查看煤壁是否有瓦斯抽放孔或殘孔，有則須用水泥砂漿或聚氨酯進(jìn)行封孔。

（3）關(guān)閉靜壓進(jìn)水管路，5個(gè)注水孔同時(shí)進(jìn)行動(dòng)壓注水，動(dòng)壓注水總時(shí)間為2h。最外側(cè)封孔器注水時(shí)間和最里側(cè)封孔器注水時(shí)間分別規(guī)定為5～10min和 110min：

① 進(jìn)行最外側(cè)封孔器注水，注水壓力為16MPa。若所有鉆孔周圍煤壁出現(xiàn)掛汗但未到注水時(shí)間，則繼續(xù)注水到規(guī)定時(shí)間；若某一鉆孔周壁出現(xiàn)出水現(xiàn)象，而其他鉆孔未出現(xiàn)，則關(guān)閉該路壓力水，繼續(xù)進(jìn)行其他孔的動(dòng)壓注水；若所有鉆孔周圍煤壁出現(xiàn)出水現(xiàn)象，立即停止注水（即使注水時(shí)間很短），開(kāi)始進(jìn)行最里側(cè)封孔器注水。

② 進(jìn)行最里側(cè)封孔器注水，注水壓力為16MPa。若動(dòng)壓注水時(shí)間未到但所有煤壁已經(jīng)掛汗，則繼續(xù)注水到規(guī)定時(shí)間；若某一鉆孔周壁出現(xiàn)出水現(xiàn)象，而其他鉆孔未出現(xiàn)，則關(guān)閉該路壓力水，繼續(xù)進(jìn)行其他孔的動(dòng)壓注水；若所有鉆孔周圍煤壁出現(xiàn)出水現(xiàn)象，則停止動(dòng)壓注水（即使注水時(shí)間很短），直接切換到靜壓注水。記錄動(dòng)壓注水時(shí)間和每個(gè)注水孔在不同注水階段的流量。

③ 關(guān)閉水泵電源和泵出水閥門，打開(kāi)靜壓水管閥門，切換到靜壓注水。

④ 第二天下井記錄靜壓注水時(shí)間和流量，切換到動(dòng)壓注水方式。以后每天重復(fù)進(jìn)行第二步至第四步注水步驟，直至注水達(dá)到規(guī)定時(shí)間。

4 注水鉆孔布置及效果檢驗(yàn)

4.1 注水鉆孔布置方式

本方案在回風(fēng)順槽進(jìn)行工作面單向鉆孔布置方式注水。一組注水孔共布置5個(gè)，注水孔間距為5m。第一個(gè)注水孔距開(kāi)切眼100m，鉆孔深度110m，鉆孔直徑為50mm。注水鉆孔布置如圖2所示。

圖2 綜采工作面注水鉆孔布置圖

4.2 含水率考察

注水潤(rùn)濕半徑確定方法如圖3所示。在測(cè)試孔中每鉆10m采集一個(gè)煤樣測(cè)定含水率。

圖3 潤(rùn)濕半徑測(cè)試鉆孔布置圖

1#鉆孔為注水孔，2#～6#為測(cè)試鉆孔，布置間距均為0.5m。不同間距煤體含水率變化如圖4所示。由圖4可知，距注水孔水平距離越近，煤體含水率越大。在間距為2.5m時(shí)，測(cè)試孔中煤體含水率接近煤體中的原始含水率，因此可認(rèn)為注水孔的有效潤(rùn)濕半徑為2.5m，鉆孔布置間距為5m是合適的。在垂直距離上，隨著與回風(fēng)巷距離的增加，注水距離增大，在50m以后煤體含水率下降幅度較大，但均大于煤體原始含水率。

圖4 距注水孔水平及垂直距離煤體含水率變化圖

4.3 降塵效果考察

為了檢驗(yàn)注水后降塵效果，在工作面推進(jìn)到注水區(qū)域內(nèi)時(shí)，沿工作面回風(fēng)方向進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置。注水后降塵效果如圖5所示。

圖5 降塵效果圖

由圖5可以看出，注水后的平均粉塵濃度明顯要低于注水前，煤層注水降塵效果明顯。降塵效率呈現(xiàn)正態(tài)分布的趨勢(shì)，在距上隅角100m左右的位置降塵效率最大，此位置正是采煤機(jī)割煤的區(qū)域。采煤機(jī)區(qū)域粉塵濃度的降低，改善了工作面割煤環(huán)境，提高了工人的勞動(dòng)效率。

5 結(jié)論

（1）采用分段封孔器，將封孔位置分別設(shè)置在煤體卸壓帶和應(yīng)力集中帶，能夠有效提高煤層注水效果。

（2）通過(guò)動(dòng)、靜壓交替來(lái)實(shí)現(xiàn)煤層深孔高壓注水潤(rùn)濕，在深孔有效影響半徑范圍內(nèi)均能被潤(rùn)濕。

（3）注水后工作面整個(gè)斷面的降塵效率呈現(xiàn)正態(tài)分布的趨勢(shì)，在采煤機(jī)切割煤壁的地方降塵效率達(dá)到最高，從而有效地保護(hù)了工作環(huán)境。