巴德民

(霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦， 山西 霍州市 031412)

在山西焦煤礦業(yè)辛置煤礦中，隨著該礦一水平所回采煤炭資源的枯竭，使得本礦生產(chǎn)系統(tǒng)逐漸向二水平轉(zhuǎn)移。由于東四采區(qū)成巷最晚，并位于二水平采區(qū)北側(cè)邊緣處，這使得在采面通風(fēng)困難時(shí)期，所面對(duì)的煤塵釋放和瓦斯治理難題更加緊迫。因此，本文從瓦斯、煤塵涌出規(guī)律和礦井治理方案入手，分析瓦斯賦存形態(tài)，研究煤層注水和平巷噴霧聯(lián)合作用下的煤塵涌出規(guī)律，結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果，為進(jìn)一步深入研究通風(fēng)困難時(shí)期的瓦斯涌出災(zāi)害治理提供參考。

1 10-428B采面煤層內(nèi)瓦斯賦存形態(tài)

煤層以及頂?shù)装鍘r層是存在內(nèi)部層理、斷層等的雙孔介質(zhì)體。煤層與巖層的內(nèi)裂隙是瓦斯、水滲流的廣泛通道。當(dāng)煤層經(jīng)歷回采活動(dòng)，煤層孔隙內(nèi)吸附態(tài)瓦斯逐漸解吸并不斷向周?chē)严秲?nèi)擴(kuò)散、流動(dòng)。最終，瓦斯經(jīng)由裂隙向抽采鉆孔內(nèi)轉(zhuǎn)移，達(dá)到降低和治理煤層內(nèi)瓦斯災(zāi)害的目的。瓦斯賦存和解吸、滲流的簡(jiǎn)化過(guò)程如圖1所示。

在采面消除煤塵作業(yè)中，鉆孔注水是井工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用最為廣泛的措施之一。在鉆孔設(shè)計(jì)與開(kāi)掘作業(yè)中，首先在區(qū)段平巷（進(jìn)、回風(fēng)巷）內(nèi)沿煤層傾向延伸開(kāi)掘出一定長(zhǎng)度鉆孔，成型鉆孔經(jīng)封閉處理后，完成后續(xù)注水作業(yè)。當(dāng)外部水在煤層裂隙內(nèi)流動(dòng)，自由水含量的提高，使得煤層內(nèi)部充分潤(rùn)濕，起到包裹破裂煤塊的目的。當(dāng)注水煤層潤(rùn)濕后，增大了煤塵釋放阻力，并最終降低外部瓦斯?jié)舛?。外部水的注入，不僅降低了煤層（巖石）的力學(xué)強(qiáng)度，同時(shí)還改變了煤體內(nèi)部瓦斯的滲流特性。

2 10-428B采面注水、噴霧工藝設(shè)計(jì)

2.1 10-428B采面地質(zhì)條件介紹

在此選取辛置煤礦10-428B綜采面作為工程背景，該面布置于+540 m水平山西組1#主采煤層內(nèi)，10-428B采面南側(cè)為東四采區(qū)軌道、皮帶巷，西側(cè)為相鄰10-428A工作面。煤層埋深+403 m～+431 m，煤層走向較為平緩，傾角約5°，平均厚度3.65 m。

圖1 煤層內(nèi)瓦斯賦存與流動(dòng)狀態(tài)

10-428 B采面直接頂為厚約3.1 m的砂質(zhì)泥巖，頂板來(lái)壓強(qiáng)度、步距較為穩(wěn)定，因此采用全部垮落法控制頂板。在通風(fēng)困難時(shí)期，為解決回采過(guò)程中428B工作面煤塵污染問(wèn)題，采用“U型通風(fēng)+采煤機(jī)噴霧”的常規(guī)手段難以較好治理污風(fēng)風(fēng)流中浮塵。因此，為尋求解決方案，在經(jīng)煤樣孔隙率、含水率試驗(yàn)后，根據(jù)《煤層注水可注性鑒定方法》（2006版）判定428B可采煤層為可注水治理瓦斯煤層，改用“煤層預(yù)注水+平巷轉(zhuǎn)載點(diǎn)噴霧”的聯(lián)合措施治理回風(fēng)流瓦斯超限和煤塵超量的難題。10-428B采面和鉆孔布置如圖2所示，煤樣注水試驗(yàn)結(jié)果與鉆孔參數(shù)見(jiàn)表1。

2.2 10-428B采面注水系統(tǒng)與鉆孔

在10-428B采面注水作業(yè)中，所使用的井下煤層注水系統(tǒng)由注水泵站（BRW200型）、耐高壓鋼絲管路和注水監(jiān)測(cè)設(shè)備共同組成。同國(guó)內(nèi)其他注水設(shè)備相比，不僅可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集、監(jiān)測(cè)和傳輸流量數(shù)據(jù)目標(biāo)，還可對(duì)注水設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)和采面注水效果進(jìn)行后期評(píng)估。

圖2 10-428B采面和注水鉆孔的布置

表1 煤樣試驗(yàn)結(jié)果與注水鉆孔參數(shù)

在注水鉆孔開(kāi)掘設(shè)計(jì)中，為保證注水效果，沿回采方向間隔布置注水鉆孔，注水鉆孔分2排布置，分別高出底板1 m、2 m，開(kāi)掘時(shí)需垂直于煤壁。在開(kāi)掘設(shè)計(jì)地點(diǎn)，使用煤電鉆開(kāi)掘，孔徑為42 mm，成型鉆孔開(kāi)掘深度6 m。成孔后，鉆孔密閉長(zhǎng)度不小于2 m。

2.3 注水參數(shù)與工藝

在注水參數(shù)的選定中，注水壓力、注水時(shí)間受設(shè)備與煤層透氣性共同影響。注水壓力的提高，使得鉆孔密閉難度加大，最終導(dǎo)致注水時(shí)間縮短，難以達(dá)到潤(rùn)濕煤體的效果。經(jīng)10-428B采面注水試驗(yàn)測(cè)定，最終選擇4 MPa～7 MPa作為長(zhǎng)期注水壓力。

在辛置煤礦生產(chǎn)中，采用“三班生產(chǎn)+一班檢修”的制度維持生產(chǎn)。為避免對(duì)生產(chǎn)任務(wù)的影響，注水過(guò)程盡量選在檢修班進(jìn)行。注水前，需檢查注水設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣線路完整性。在注水期間，還需切斷注水區(qū)段設(shè)備電源，以保證作業(yè)人員的安全。注水作業(yè)時(shí)，采區(qū)液壓泵站向多趟注水管路集中供水，其供水路線為：注水泵站→鋼絲管路→壓力表→流量表→控制閥門(mén)→封孔器→煤體。當(dāng)注水作業(yè)完畢后，每孔內(nèi)注水量應(yīng)在0.35 m3～0.50 m3之間。同時(shí)，還需等待30 min以上，才由檢查員進(jìn)入注水區(qū)段檢測(cè)瓦斯?jié)舛群兔罕谄瑤颓闆r。

3 10-428B采面鉆孔注水效果

3.1 注水作業(yè)后煤層含水率變化情況

為研究注水區(qū)域內(nèi)自由水含量與潤(rùn)濕半徑變化，當(dāng)注水作業(yè)結(jié)束后，使用鉆孔取樣的方法進(jìn)行煤樣含水率測(cè)試。采樣點(diǎn)處煤層含水率變化見(jiàn)表2。

表2 煤層含水率/%

由表2可知，當(dāng)注水作業(yè)完畢后，在注水區(qū)外部（X軸間隔超過(guò) 4 m），煤層自然含水率分布在1%～1.13%之間。在距離鉆孔3 m以?xún)?nèi)，注水孔煤層含水率最高可達(dá)4.53%，注水區(qū)域周?chē)簩雍示酗@著提高。并且，距離注水孔越近，煤層含水率提升越明顯。在《煤層注水降塵效果評(píng)估》規(guī)定中，當(dāng)注水煤層含水率大于4%或煤層含水率提高2%以上，即可認(rèn)為注水區(qū)域達(dá)到較好的降塵目的?；诖耍⑺^(guò)程達(dá)到了潤(rùn)濕煤層的效果。

3.2 注水作業(yè)后，瓦斯涌出量變化

為驗(yàn)證注水對(duì)煤層內(nèi)瓦斯涌出的影響，在注水區(qū)域和未注水區(qū)域分別使用便攜式瓦斯儀開(kāi)展瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)。注水前后的污風(fēng)內(nèi)瓦斯涌出量變化如圖3所示。

圖3 瓦斯涌出量變化

如圖3所示，在實(shí)施注水前，污風(fēng)內(nèi)瓦斯含量約為0.8%。實(shí)施注水作業(yè)后，污風(fēng)內(nèi)瓦斯?jié)舛认陆抵?.6%，瓦斯?jié)舛扔忻黠@降低趨勢(shì)。在已有研究結(jié)果中，高壓注水（注水壓力＞10 MPa）可促使煤層產(chǎn)生大量裂隙，進(jìn)一步改變煤層透氣性，使得游離態(tài)瓦斯從煤層內(nèi)部破裂區(qū)域內(nèi)快速釋放，并最終提高污風(fēng)內(nèi)瓦斯?jié)舛?。相較于井工礦高壓注水案例，在本礦注水作業(yè)中，所選取注水壓力在 4 MPa～7 MPa，這對(duì)煤層完整性影響較小，此時(shí)自由水充分占據(jù)煤層原有裂隙空間，自由水的存在不僅提高了瓦斯?jié)B流阻力，同時(shí)也減少吸附態(tài)瓦斯向游離態(tài)瓦斯轉(zhuǎn)變，從而避免瓦斯向外部環(huán)境釋放。根據(jù)瓦斯檢測(cè)結(jié)果，注水后煤層有助于減少瓦斯涌出。

3.3 注水作業(yè)后煤塵降塵效果

為評(píng)估注水對(duì)污風(fēng)內(nèi)漂浮煤塵治理效果，還需開(kāi)展煤塵含量測(cè)試。在回風(fēng)巷測(cè)試點(diǎn)使用AZF-02型粉塵濃度測(cè)試儀開(kāi)展煤塵濃度檢測(cè)，得到回風(fēng)平巷不同地點(diǎn)處煤塵濃度數(shù)據(jù)，見(jiàn)表3。

表3 煤塵濃度變化

由煤炭生產(chǎn)流程可知，采煤機(jī)的回采與轉(zhuǎn)載點(diǎn)處大塊煤體的破碎是污風(fēng)中煤塵產(chǎn)生的主要來(lái)源。從圖4可以看出，在回風(fēng)平巷中，距離采面越近，空氣中煤塵含量越高，注水前所產(chǎn)生的煤塵平均濃度可達(dá)283 mg/m3，嚴(yán)重超過(guò)國(guó)家所頒布的煤礦安全標(biāo)準(zhǔn)。注水后，自由水不僅充分潤(rùn)濕煤層，還與破裂的小顆粒煤塵相融合，極大地減少煤塵漂浮量，最終促使污風(fēng)中煤塵濃度不斷降低。注水后煤塵平均濃度僅為168 mg/m3，并且距離工作面越遠(yuǎn)，煤塵下降越快，最高可達(dá)46%，達(dá)到最終降塵目的。

圖4 污風(fēng)內(nèi)煤塵含量變化

4 結(jié)論

（1）根據(jù)辛置煤礦10-428B采面地質(zhì)賦存情況，在已有注水設(shè)備和試驗(yàn)基礎(chǔ)上，驗(yàn)證了本礦最佳注水壓力，通過(guò)井下采面注水措施，提高了煤層自然含水率，減少了工作面處瓦斯超限的威脅和煤塵污染。

（2）根據(jù)煤層賦存條件，注水效果受注水設(shè)備與注水工藝共同影響。在降低人員勞動(dòng)強(qiáng)度和保證人身安全的基礎(chǔ)上，增加了采面直接生產(chǎn)時(shí)間，提高了礦井效益。