王振宇

（山西汾西礦業(yè)南關煤業(yè)有限責任公司，山西 靈石 031304）

綜掘巷道施工時會產生大量的粉塵。掘進迎頭高濃度粉塵不僅會造成煤塵爆炸、矽肺病問題，也會影響作業(yè)人員視野、制約掘進效率。因此，如何降低綜掘工作面粉塵濃度是現(xiàn)階段礦井巷道掘進中面臨的現(xiàn)實問題[1-3]。目前，綜掘工作面粉塵防治技術包括有高壓噴霧、長壓短抽以及泡沫降塵等。但上述措施集中在綜掘機割煤破巖階段，不能降低粉塵產生量[4-5]。粉塵產生量與煤層含水率有直接關系。為了降低綜掘機截割時產生的煤塵量，可對煤層進行浸潤，使煤體破碎時由原有脆性變形轉變成塑形變形，從根本上降低粉塵產生量。因此，南關礦在2607綜掘工作面采取分段式注水降塵技術。

1 工程概況

2607綜掘工作面沿著6號煤層底板掘進，煤厚2.5 m，傾角12°，測定的煤層含水率為0.52%，煤層原始瓦斯含量為6.65 m3/t，堅固性系數（f值）為0.38，中下部煤層相對較為松軟。6號煤層頂板為堅硬的砂巖，底板為松軟泥巖、黏土巖。

巷道采用懸臂式掘進機一次性成巷，斷面為梯形（上、下寬分別為3 600 mm、3 800 mm，高為2 600 mm）,采用金屬架棚對圍巖進行控制。巷道采用2臺局部通風機（一主一備，型號為FBDNO.5.6/2×15 kW）為掘進迎頭供風，風量為390 m3/min，風筒直徑600 mm。

掘進工作面防塵主要采用綜掘機機載內、外噴霧裝置，以及掘進工作面臨時設置的一道手動控制凈化水幕。但是由于井下防塵用水雜質含量多、井下環(huán)境惡劣，綜掘機內外噴霧時常堵塞，綜掘工作面粉塵濃度最高可到1 503 mg/m3。

2 綜掘工作面防塵技術

2607綜掘工作面粉塵主要來源于截割頭破煤、巖，同時開采的6號煤層瓦斯涌出量大，采用長壓短抽降塵方式存在一定的安全風險。煤層底板為軟弱泥巖、黏土巖，遇水容易變形，機載噴霧裝置用水量不宜過大。因此，綜掘工作面采取的粉塵防治措施為：①采用分段注水技術提高原煤含水率，從而降低破煤時粉塵產生量；②采用用水量小的泡沫除塵技術降低截割頭破煤后粉塵溢出量；③采用凈化水幕進一步降低回風流中粉塵濃度；④強化對作業(yè)人員個體防護。

2.1 分段式注水技術

（1）技術原理

分段式注水技術是在普通單級注水技術上發(fā)展而來。根據掘進工作面前方礦壓分布情況，采用多級封孔方式進行分段注水[6]。具體掘進迎頭礦壓分布見圖1。在掘進迎頭前方卸壓帶、應力集中帶以及原巖應力帶（下文簡稱“三壓帶”）分段注水，通過分段式封孔器完成分段注水。

圖1 掘進迎頭礦壓分布

在掘進迎頭布置的注水鉆孔內，分段式封孔器位于迎頭前方“三壓帶”影響范圍內，鉆孔注水后，應力集中帶向煤體深部轉移，鉆孔注水段位于應力集中帶附近，使得“三壓帶”范圍內煤體得以充分浸潤。

（2）注水系統(tǒng)構成

圖2 分段注水系統(tǒng)結構

具體采用的分段注水系統(tǒng)結構見圖2，施工時先將封孔器置于已完成鉆進的鉆孔內，隨后注水泵站將高壓水通過高壓軟管與分段式封孔器進水口連接，通過控制進水閥門實現(xiàn)孔內分段封孔、注水。注水泵型號為BPW80/16、額定壓力、流量分別為16 MPa、80 L/min。

考慮到2607綜掘面巷道斷面、掘進速度、注水時間等生產條件，采用的封孔器型號為FSFZ-38/16。該封孔器可實現(xiàn)回收利用，可實現(xiàn)兩段式封孔注水，額定工作壓力達到16 MPa，具體結構見圖3。

圖3 FSFZ-38/16分段式封孔器結構

（3）注水參數

①2607綜掘面巷道斷面較小，同時6號煤層上部較為堅硬、下部松軟，在巷道迎頭煤壁中部布置深度10 m分段注水鉆孔，與巷道底板、頂板間距分別為1 600 mm、1 000 mm。

②為了確定合理注水壓力，分別對10 MPa、12 MPa、13 MPa三種注水壓力下的注水量、注水時間進行現(xiàn)場測試。注水期間，當迎頭煤壁出現(xiàn)滲水或者注水壓力降低幅度超過30%時立刻停止注水。具體三種注水壓力時的注水量、注水時間統(tǒng)計結果見表1。

表1 三種注水壓力時的注水流量、時間統(tǒng)計結果

掘進工作面分段注水孔的注水流量與注水壓力呈正相關，注水壓力越大，注水量越多；反之注水時間與注水壓力呈負相關，注水壓力越大需要的注水時間越短。隨著注水壓力增加，注水量增加幅度有所降低，當注水壓力由10 MPa增加至12 MPa時注水量增加400 L； 注水壓力由12 MPa增加至13 MPa時注水量僅增加100 L。綜合考慮注水時間、注水量，最終選用12 MPa注水壓力。

③煤體水分變化情況

圖4 注水孔、取樣孔布置位置

在注水孔兩側相距1 000 mm、1 800 mm位置分別布置10 m深取樣鉆孔，布孔位置見圖4。注水前后分別在注水孔、取樣孔內提取單位長度煤屑測定煤屑水分，具體兩個取樣孔不同深度時的煤屑水分變化情況見圖5。

圖5 取樣孔不同深度時的煤屑水分變化情況

從圖中看出，與注水鉆孔相距1 000 mm、1 800 mm的取樣孔內煤屑水分增量均超過1%，一般認為煤體水分增加超過1%時才可有效降低粉塵產生量。因此在2607綜掘工作面布置一個注水孔即可滿足降塵需要。

（4）分段注水效果考察

采用濾膜采樣稱重方法對注水前后綜掘司機位置、綜掘機后方5 m位置處全塵、呼吸性粉塵變化情況進行測定，具體測定結果見表2。

表2 分段注水前后粉塵濃度測定結果

從表中看出，通過對綜掘工作面煤體采用分段注水方式后，綜掘司機位置全塵、呼吸性粉塵濃度降低率分別為67%、68.4%；空氣含塵濃度分別降低至672.1 mg/m3、231.3 mg/m3； 綜掘機后方5 m位置處全塵、呼吸性粉塵降濃度低率分別為58.8%、60.3%； 空氣含塵濃度分別降低至478.2 mg/m3、165.3 mg/m3。綜掘工作面采用分段注水后，掘進面產塵量降低明顯，呼吸性粉塵降低率較全塵更高。

2.2 泡沫除塵

泡沫除塵用水量僅為普通噴霧除塵的20%～35%，可起到更好的降塵效果，也更適用于2607綜掘面巷道底板松軟的巖性條件。具體采用的機載泡沫除塵系統(tǒng)結構見圖6?，F(xiàn)場應用時將泡沫自動添加裝置置于綜掘機二運轉載位置，隨綜掘機前移，泡沫噴射裝置布置在綜掘機截割部。

圖6 機載泡沫除塵系統(tǒng)結構

具體系統(tǒng)參數為：工作水壓1.5 MPa、工作氣壓0.4 MPa、耗水量25 L/min、發(fā)泡劑添加率3%、發(fā)泡倍數為70。

3 應用效果分析

在2607綜掘工作面迎頭采用分段注水浸潤煤體后，可大幅度降低掘進期間粉塵產生量。在此基礎上再采用機載泡沫除塵、自動凈化水幕進行降塵。為了分析綜掘工作面粉塵防治效果，采用AFZ-2粉塵采樣儀對綜掘工作面粉塵濃度進行持續(xù)測定，具體測定結果見表3。

表3 粉塵治理前后濃度測定結果

在掘進工作面采用分段注水、泡沫降塵技術后，掘進工作面全塵濃度介于72～85.1 mg/m3、呼吸性粉塵濃度介于32.5～38.4 mg/m3，除塵效率均在90%以上，取得顯著粉塵防治效果。

4 結語

1）6號煤層本身含水率較低，加之瓦斯抽采進一步降低了煤層含水率； 同時巷道底板為軟弱泥巖、黏土巖，采用的噴霧用水量不宜過大，由此造成巷道掘進過程中粉塵產生量大。在掘進迎頭采用分段注水方式，可顯著增加煤層中含水率，從根本上降底粉塵產生量；采用機載泡沫除塵系統(tǒng)可進一步降低掘進迎頭以及巷道內的粉塵濃度。

2）在掘進迎頭采用分段注水方式，短時間內即可增加煤層含水率。在2607綜掘工作面迎頭采用1個注水孔即可實現(xiàn)對掘進范圍內煤層有效注水。注水后，煤體內含水率增加值均超過1%；綜掘機截割時全塵、呼吸性粉塵產生量降低幅度介于58.8%～67.0%、60.3%～68.4%，降塵效果較好。

3）在分段注水基礎上，采用機載泡沫除塵裝置代替原有的噴霧除塵，應用后綜掘司機位置全塵、呼吸性粉塵濃度分別降低至85.1 mg/m3、38.4 mg/m3；綜掘機后方5 m范圍位置全塵、呼吸性粉塵濃度分別降低至72.2 mg/m3、32.5 mg/m3，作業(yè)面環(huán)境質量得以明顯改善。