高軍軍

（山西汾西礦業(yè)集團(tuán)南關(guān)煤業(yè)有限責(zé)任公司 山西 靈石 031300）

相比采煤工作面，掘進(jìn)工作面工作空間狹小，不具備循環(huán)通風(fēng)條件，無論是爆破掘進(jìn)的打眼、放炮、出煤工序，還是綜合機(jī)械化掘進(jìn)的破煤、裝煤、運(yùn)煤工序，作業(yè)過程中均會(huì)產(chǎn)生大量粉塵，僅靠局部通風(fēng)機(jī)通風(fēng)降塵，控制難度較大，一是容易造成粉塵積聚，當(dāng)濃度達(dá)到一定值會(huì)形成爆炸隱患，二是大量粉塵積聚，會(huì)對(duì)掘進(jìn)迎頭作業(yè)人員造成極嚴(yán)重的塵肺病隱患，還會(huì)干擾作業(yè)人員視野，造成作業(yè)效率降低，安全性無法保障。目前，掘進(jìn)工作面常見的降塵措施包括濕式打眼、斷面噴霧、爆破噴霧、轉(zhuǎn)載點(diǎn)噴霧、沖洗巷道、落煤灑水等，但均屬于粉塵產(chǎn)生之后的被動(dòng)降塵，不能有效降低粉塵的產(chǎn)生量。降低粉塵產(chǎn)生量的最關(guān)鍵的方法還屬煤層注水，通過注水提前對(duì)即將剝落的煤體進(jìn)行浸潤，提高煤體濕度，降低粉塵的產(chǎn)生量。但常規(guī)的煤層注水受煤體裂隙發(fā)育程度、注水參數(shù)影響較大，注水效果不易控制和評(píng)價(jià)[1-3]。針對(duì)掘進(jìn)工作面粉塵產(chǎn)生量大、常規(guī)注水效果不佳的問題，南關(guān)煤業(yè)在2607掘進(jìn)工作面創(chuàng)新性地使用了分段式煤層注水進(jìn)行防塵，取得了較好的應(yīng)用效果。

1 工程概況

南關(guān)煤業(yè)位于山西省靈石縣南關(guān)鎮(zhèn)北余家溝村，現(xiàn)有井田面積38.67 km2，地質(zhì)儲(chǔ)量7 770 萬t，煤種為1/3焦煤，煤質(zhì)為低硫、低灰、低磷優(yōu)質(zhì)肥煤。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力90萬t/年，安全生產(chǎn)許可證核定能力140萬t/年，屬證照齊全的煤礦生產(chǎn)礦井。礦井2607工作面主采6#煤層，煤層平均厚度2.5 m，平均傾角12°，煤層堅(jiān)固性系數(shù)1.2，實(shí)驗(yàn)室測定的煤層含水率為0.52%。煤層直接頂為平均厚度2.6 m的泥巖、砂質(zhì)泥巖，老頂為平均厚度4.1 m 的細(xì)砂巖，直接底為平均厚度1.2 m 的松軟泥巖、黏土巖，老底為平均厚度2.2 m 的粉砂巖。其中，2607 運(yùn)輸平巷采用綜合機(jī)械化掘進(jìn)工藝，沿煤層底板掘進(jìn)，為梯形斷面，上寬3 600 mm，下寬4 600 mm，高為2 600 mm，采用金屬架棚支護(hù)工藝。

2607 運(yùn)輸平巷在掘進(jìn)過程中使用常規(guī)的兩部FBD-NO.5.6/2×15 kW型局部通風(fēng)機(jī)進(jìn)行供風(fēng)，一用一備，風(fēng)機(jī)裝機(jī)功率30 kW，葉輪直徑560 mm，額定轉(zhuǎn)速2 930 r/min，供風(fēng)量參數(shù)為260 m3/min～440 m3/min，風(fēng)筒直徑為600 mm。由于煤層含水率較低，綜掘破煤過程中會(huì)產(chǎn)生大量煤塵，控制難度較大。目前的降塵措施，一是綜掘機(jī)上安裝的內(nèi)外噴霧，二是掘進(jìn)迎頭15 m處安裝的一處凈化水幕，三是轉(zhuǎn)載點(diǎn)噴霧及巷道回風(fēng)口處的斷面噴霧，四是巷道沖洗降塵。但由于噴霧屬于被動(dòng)降塵，在大量粉塵產(chǎn)生后，降塵效果仍較有限，測得的粉塵濃度最高可達(dá)1 498 mg/m3，需要采取更為有效的降塵方式。

2 分段式注水方案設(shè)計(jì)

2.1 分段式注水技術(shù)原理

分段式注水技術(shù)并未脫離普通單級(jí)注水技術(shù)，其原理是根據(jù)掘進(jìn)工作面煤壁前方煤體承受不同應(yīng)力情況，打設(shè)注水鉆孔，使用2級(jí)或者3級(jí)封孔器進(jìn)行分段注水，如圖1所示。根據(jù)煤壁前方應(yīng)力值大小，至淺部向深部可分為卸壓帶、應(yīng)力集中帶、原巖應(yīng)力帶，簡稱“三帶”，第1 段封孔器的出水孔位于應(yīng)力集中帶，第2段封孔器的出水孔位于原巖應(yīng)力帶，通過分段式封孔器完成煤壁前方煤體內(nèi)分段注水。通過煤壁內(nèi)部分段注水，通過注水使煤體裂隙不斷擴(kuò)展，卸壓帶范圍更大，向內(nèi)部延伸，繼而應(yīng)力集中帶整體向深部移動(dòng)，一是能夠提高煤體濕度，降低粉塵產(chǎn)生量，二是能夠使應(yīng)力集中帶前移，工作面的礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度明顯降低[4-5]。

圖1 分段式注水及二級(jí)注水器工作原理示意圖

2.2 分段式注水方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用二級(jí)分段式注水，系統(tǒng)整體的方案設(shè)計(jì)如圖2所示，由注水泵站、管路、閥門、第1段封孔器進(jìn)水閥門、第2段封孔器進(jìn)水閥門、兩段式注水封孔器等組成。在巷道內(nèi)安設(shè)好注水泵站后，需要先施工注水鉆孔，然后將封孔器插入打設(shè)好的鉆孔內(nèi)，連接好注水管路，通過調(diào)節(jié)閥門的開啟實(shí)施鉆孔內(nèi)的分段注水和封孔。

圖2 二級(jí)分段式注水系統(tǒng)示意圖

2.3 注水參數(shù)設(shè)計(jì)

注水鉆孔設(shè)計(jì)在巷道中央距離底板1 300 mm處，位于巷道的中心位置，一次施工鉆孔深度為10 m，用時(shí)約15 min，施工時(shí)間選在綜掘機(jī)掘進(jìn)后支護(hù)之前，可充分利用巷道支護(hù)時(shí)間進(jìn)行注水，不影響巷道其他工序。通過進(jìn)行注水試驗(yàn)，比對(duì)10 MPa、12 MPa、14 MPa三個(gè)注水壓力的注水效果，設(shè)計(jì)當(dāng)掘進(jìn)迎頭煤壁出現(xiàn)滲水或者注水壓力降幅達(dá)3 成后停止注水，基本的對(duì)應(yīng)關(guān)系是注水壓力越大，注水量就越大；注水壓力越大，需要的注水時(shí)間越短。綜合考慮比對(duì)注水時(shí)間、注水量及注水效果關(guān)系，確定注水壓力為12 MPa，一次注水約耗時(shí)30 min～40 min，注水量能達(dá)到約1 000 L；在此壓力條件下，注水濕潤半徑能達(dá)到1 800 mm，一次施工一個(gè)鉆孔可滿足全斷面的注水需求。除此之外，在注水試驗(yàn)時(shí)，通過在注水孔兩側(cè)布置檢測孔，提取檢測孔內(nèi)的煤屑，測定煤屑水分來分析注水效果，測定水分增加1%時(shí)可起到較好的降塵作用，驗(yàn)證得出每次注水只施工1個(gè)鉆孔即可滿足要求。

3 分段式注水實(shí)踐及效果分析

按照以上制定的注水方案實(shí)施煤壁分段注水，注水泵站選用BPW80/16 型噴霧泵，泵的額定壓力為16 MPa，額定流量為80 L/min；兩段式注水封孔器選型為FSFZ38/16，額定工作壓力為16 MPa，封孔直徑為38 mm，粉塵采樣儀選用AFZ-2型。實(shí)施鉆孔及注水后，對(duì)注水前后掘進(jìn)迎頭的粉塵濃度進(jìn)行測量，測量方法是濾膜采樣稱重法，粉塵測定位置為綜掘機(jī)司機(jī)處及綜掘機(jī)后5 m 處，測定結(jié)果如表1 所示。檢測結(jié)果顯示，在綜掘機(jī)司機(jī)處，全粉塵濃度降低率達(dá)到68%，呼吸性粉塵降低率達(dá)到71.5%；綜掘機(jī)后5 m 處，全粉塵濃度降低率達(dá)到58.5%，呼吸性粉塵降低率達(dá)到59%?？梢姡瑢?shí)施分段注水后，工作面粉塵降低效果較好，粉塵降低率基本能達(dá)到60%及以上，呼吸性粉塵的降塵效果更好。在掘進(jìn)施工過程中，配合使用泡沫除塵措施，綜合降塵率能達(dá)到85%以上，降塵效果顯著，工作環(huán)境得到極大改善。同時(shí)，煤層注水對(duì)煤體強(qiáng)度起到了很好的弱化作用，煤壁支承應(yīng)力峰值前移，工作面礦壓顯現(xiàn)程度顯著降低。

表1 分段注水前后粉塵濃度變化情況

4 結(jié)語

2607 運(yùn)輸平巷在掘進(jìn)過程中受到較嚴(yán)重的粉塵困擾，使用常規(guī)的降塵措施效果不佳，測得的粉塵濃度最高可達(dá)1 498 mg/m3，需要采取更為有效的降塵方式。設(shè)計(jì)使用分段式注水技術(shù)進(jìn)行煤層注水，對(duì)系統(tǒng)整體方案、系統(tǒng)組成、設(shè)備選型、注水參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并在巷道掘進(jìn)過程中實(shí)施分段式煤層注水及泡沫除塵，綜合降塵率能達(dá)到85%以上，降塵效果顯著，工作環(huán)境得到極大改善，工作面礦壓顯現(xiàn)程度顯著降低，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目的。