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        基于分段注水的綜掘工作面防塵技術(shù)實(shí)踐

        2022-03-17 10:30:14高軍軍
        同煤科技 2022年6期
        關(guān)鍵詞:煤壁降塵煤體

        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。

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