于 澤

（山西新元煤炭有限責(zé)任公司，山西 晉中 030600）

陽(yáng)煤集團(tuán)新元煤礦9104綜采工作面煤塵產(chǎn)出量較大，控制較困難，為從源頭上防塵降塵，亟需提高煤層注水效果。但由于該工作面回采煤層較松軟，孔隙率低，透水性較差，傳統(tǒng)的注水方式難以達(dá)到理想的濕潤(rùn)煤層效果，需對(duì)煤塵顆粒間作用力做詳盡研究，提出長(zhǎng)孔注水為主、短孔注水為輔的綜合注水鉆孔布置方式，并檢驗(yàn)其注水效果。

1 工程概況

1.1 煤層概況

陽(yáng)煤集團(tuán)新元煤礦9104綜采工作面位于礦井一水平一采區(qū)，北鄰9#煤南回風(fēng)大巷，東鄰9103采空區(qū)，西鄰9105進(jìn)風(fēng)巷。該工作面走向長(zhǎng)度1217.4m，傾向長(zhǎng)度230.8m，所采煤層為9#煤，埋藏深度520～650m，傾角1～5°，煤層平均厚度3.36m。工作面布置如下圖1所示。

圖1 9104工作面布置示意圖

該工作面采用傾斜長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化一次采全高采煤方法，頂板采用全部垮落法處理。所采9#煤層為中灰、低硫、低磷、極難選貧煤、無(wú)煙煤，煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性，煤層以亮煤為主，煤體滲透性差，屬較難注水煤層。該層上方賦存8#下煤層，厚度約0.3～1.0m，兩煤層間距0.5～1.3m，中間為黑色炭質(zhì)較松軟泥巖，頂板以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，底板以粉砂巖為主。

1.2 產(chǎn)塵特性

由于煤體結(jié)構(gòu)疏松破碎，回采過(guò)程中極易產(chǎn)生大量煤塵，故具有揚(yáng)塵量大、擴(kuò)散速度快、人員呼吸粉塵比重高等特點(diǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)9104綜采工作面不同空間位置處粉塵濃度見(jiàn)表1。盡管工作面采用了噴霧降塵措施，但效果不佳，依舊沒(méi)能解決根本性問(wèn)題。

表1 9104工作面不同空間位置煤塵濃度

2 煤層注水防塵機(jī)理

2.1 液橋力

煤塵顆粒之間通過(guò)橋鏈狀態(tài)的液體相連接，因而產(chǎn)生了液橋力。煤層注水可大幅提高煤體含水率，增強(qiáng)煤塵間作用力，特別是顆粒間液橋力。以等徑顆粒間液橋力為例（圖2），如公式（1）所示：

式中：

γ-液體界面張力，mN/m；

θ-固液接觸角，（°）；

α-液體充填角，（°）；

R-顆粒半徑，mm；

r1-液橋表面半徑，mm；

r2-液橋最窄半徑，mm。

圖2 等徑顆粒間液橋

液橋的存在能夠加速顆粒融聚，而液橋含液量與液橋力的大小也存在著密切關(guān)系，如公式（2）所示：

式中：

S-顆粒間液橋含量，又稱飽和度；

VL-顆粒間液體體積，mm3；

VT-顆粒間孔隙體積，mm3。

顆粒間隨著液體體積的增加，飽和度增加，如圖3所示。當(dāng)液橋充滿顆粒間縫隙時(shí)，顆粒再分離就顯得很困難，且隨著飽和度增加，原先的煤塵小顆粒融合為較大顆粒，從而不僅降低了煤塵產(chǎn)出量，而且加快了煤塵沉降速度，起到了重要的防治作用。

圖3 不等液體飽和度液橋形成形態(tài)

2.2 注水防塵機(jī)理

為檢驗(yàn)煤層注水效果，現(xiàn)場(chǎng)選取注水前與注水后煤樣進(jìn)行分析，其含水量分別為3.3%、6.7%。各取兩煤樣150g進(jìn)行篩選，分別對(duì)80～120目、120～140目、150目以下煤樣進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表2。

表2 注水前后煤樣篩選質(zhì)量統(tǒng)計(jì)

由表2可知，注水后更難篩分出更細(xì)顆粒粉塵，其中120～140目減少了69.56%，說(shuō)明注水增加了煤塵顆粒間液橋力，顆粒融聚作用更加明顯。

結(jié)合以上分析，煤層注水防塵機(jī)理主要體現(xiàn)在以下兩大方面：

（1）濕潤(rùn)原有煤塵。經(jīng)注水后，煤體裂隙中存在的原生煤塵得到預(yù)先濕潤(rùn)，從而失去飛揚(yáng)能力。

（2）改變煤體物理力學(xué)性能。煤體由于水的侵入塑性增加，脆性減弱，受外力作用時(shí)便有許多脆性破碎變?yōu)樗苄宰冃?，從而減少了部分煤體因破碎而產(chǎn)生煤塵的可能性。

3 注水鉆孔布置方式

依據(jù)鉆孔位置、方向及長(zhǎng)度，煤層注水鉆孔常見(jiàn)布置方式有以下三種：（1）長(zhǎng)孔注水。鉆孔位置在回采巷，長(zhǎng)度大于40m；（2）短孔注水。鉆孔位置在工作面，長(zhǎng)度小于6m，適用于裂隙發(fā)育、透水性強(qiáng)煤層；（3）深孔注水。鉆孔位置在工作面，長(zhǎng)度6～20m，適用于裂隙不發(fā)育、透水性弱煤層。

9#煤層屬于難注水煤層，故采用“長(zhǎng)孔注水為主、短孔注水為輔”的綜合注水方式。

3.1 順層長(zhǎng)孔注水

在9104工作面回風(fēng)巷向預(yù)采煤層垂直鉆孔，鉆孔長(zhǎng)度60m，孔直徑75mm，孔間距15m，如圖4所示。長(zhǎng)孔注水具有濕潤(rùn)范圍大、濕潤(rùn)均勻、對(duì)回采干擾小等特點(diǎn)，可達(dá)到良好的預(yù)先濕潤(rùn)效果。

圖4 順層長(zhǎng)孔布置

3.2 高位鉆孔注水

在9104工作面底板起伏明顯處設(shè)立高位鉆場(chǎng)，在鉆場(chǎng)布置注水鉆孔，如圖5所示。共布置20個(gè)長(zhǎng)鉆孔，其中1～13號(hào)鉆孔為主要鉆孔，鉆孔長(zhǎng)度60～110m，孔直徑75mm，開孔間距0.5m，孔端間距15m，作用是濕潤(rùn)工作面前方主要煤體；14～20號(hào)鉆孔為輔助鉆孔，鉆孔長(zhǎng)度40～70m，孔直徑75mm，開孔間距0.5m，作用是彌補(bǔ)主要鉆孔對(duì)工作面更前方及鉆場(chǎng)附近煤體濕潤(rùn)不充分。高位鉆孔煤層注水在巷道頂板巖層開孔，密閉性更好，封孔更容易，同時(shí)能夠利用上層頂板移動(dòng)增加煤層透水性，提高注水效果，避免了順層鉆孔在煤層底板起伏時(shí)孔穿煤體較少、注水量較少的問(wèn)題。

圖5 高位鉆孔布置

3.3 短孔注水

9#煤層平均厚度為3.36m，沿9104工作面全長(zhǎng)垂直煤壁布置雙排注水鉆孔，如圖6所示。鉆孔長(zhǎng)度6m，孔直徑42mm，孔間距3m。短孔注水具有操作簡(jiǎn)單、工作量少、對(duì)工作面條件要求低等特點(diǎn)。

圖6 短孔布置

4 工程應(yīng)用

煤層注水后，對(duì)9104工作面不同地點(diǎn)粉塵濃度再次進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 9104工作面不同空間位置煤塵濃度

由表3可知，注水后工作面各空間位置粉塵濃度下降較大，其中回風(fēng)巷粉塵濃度較未注水前下降了76.71%，下降最明顯。說(shuō)明綜合注水方案能有效防治回采過(guò)程煤塵產(chǎn)量大、不易控制的問(wèn)題，為綜合機(jī)械化采煤快速推進(jìn)及生產(chǎn)安全提供了條件。

5 結(jié)論

（1）煤層注水可提前濕潤(rùn)煤體裂隙中煤塵，改變煤體原有物理力學(xué)性質(zhì)，大幅降低了煤體破碎時(shí)的產(chǎn)塵量，并阻止了煤塵飛揚(yáng)；

（2）煤層注水可充分提高煤塵顆粒間液橋力，使無(wú)數(shù)小顆粒通過(guò)液橋力積聚為較大顆粒，降低了煤塵飛揚(yáng)能力，加快了煤塵沉降速度；

（3）以長(zhǎng)孔注水為主、短孔注水為輔的綜合注水方案可有效降低9104綜采工作面煤塵產(chǎn)量，為工作面安全快速推進(jìn)提供了重要保障。