田 野

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)泰山隆安煤礦，山西 保德 036600）

0 引 言

我國(guó)是當(dāng)今世界最大的能源消費(fèi)國(guó)，達(dá)到世界能源消費(fèi)總量1/5 以上，而在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，煤炭消耗仍然占據(jù)著主導(dǎo)地位。煤塵是煤炭開采過(guò)程中主要危害源之一，其產(chǎn)生原因主要是由于煤層大型煤塊破碎過(guò)程中截割煤體應(yīng)力集中點(diǎn)，造成破碎小型煤塊，從而產(chǎn)生粉塵，其存在過(guò)程包括采煤機(jī)采煤作業(yè)過(guò)程、煤炭轉(zhuǎn)載運(yùn)輸過(guò)程、工作面支護(hù)過(guò)程等，其中以采煤機(jī)產(chǎn)生煤塵為主要組成部分，達(dá)總塵量70%以上。煤塵危害包括多方面影響，如嚴(yán)重危害人員健康、礦山正常生產(chǎn)和安全高效開采、增加礦山機(jī)械磨損等，而對(duì)人員健康和生產(chǎn)安全造成危害，尤為突出。

國(guó)外以采煤工業(yè)為主要產(chǎn)業(yè)的國(guó)家，如美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)等，在完善的粉塵監(jiān)測(cè)管理立法上，采用泡沫除塵、負(fù)壓滾筒吸塵、濕式除塵機(jī)等技術(shù)除塵，效果良好[1]。國(guó)內(nèi)除塵技術(shù)主要以國(guó)外技術(shù)為基礎(chǔ)，依據(jù)我國(guó)煤層賦存特征，不斷創(chuàng)新改進(jìn)，以滿足現(xiàn)場(chǎng)工作面實(shí)際防塵要求，達(dá)到安全高效開采水準(zhǔn)[2]。經(jīng)多位學(xué)者進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)研究[3]，我國(guó)防塵技術(shù)迅猛發(fā)展，已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，并廣泛應(yīng)用在煤礦粉塵防治工作中，主要包括設(shè)備除塵、通風(fēng)除塵、化學(xué)制劑除塵等技術(shù)，在實(shí)際防塵措施中起到了非常重要作用，但各項(xiàng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用技術(shù)都有各自優(yōu)缺點(diǎn)，不能完美實(shí)現(xiàn)成本、工藝和效率上的統(tǒng)一，每項(xiàng)技術(shù)仍存在一定不足，亟待改進(jìn)優(yōu)化。

1 工程概況

泰山隆安煤礦11303 工作面開采11 號(hào)煤層，煤層平均厚度為2.2 m，平均煤層傾角2°～8°，工作面走向長(zhǎng)度為1 068 m，傾斜長(zhǎng)度237.8 m。煤層頂板巖層主要為泥巖和砂質(zhì)泥巖，底板為泥巖，煤層賦存比較穩(wěn)定。工作面的瓦斯絕對(duì)涌出量為0.3 m3/min，相對(duì)涌出量為0.5 m3/t，煤塵含量高，爆炸指數(shù)高達(dá)32.04 %，屬于有爆炸危險(xiǎn)性煤層，自燃傾向性為自燃，自燃等級(jí)劃分為Ⅱ級(jí)，為優(yōu)化回采工作面環(huán)境，加強(qiáng)工作面開采安全系數(shù)，采取注水降塵措施，以降低工作面的煤塵濃度，直至達(dá)到規(guī)定安全范圍，杜絕煤塵對(duì)人員健康造成危害，實(shí)現(xiàn)科學(xué)性、系統(tǒng)性、高效性、安全性為一體的綜合防塵系統(tǒng)，為形成完整防塵技術(shù)體系提供理論依據(jù)。

2 高壓注水基本原理

回采作業(yè)過(guò)程中煤塵產(chǎn)生的主要原因是采煤機(jī)在割煤過(guò)程中，截割頭與煤體相互作用，在煤體破碎成散體碎塊的同時(shí)產(chǎn)生煤塵，另外在裝運(yùn)及轉(zhuǎn)載過(guò)程中，煤塊間也會(huì)發(fā)生相互碰撞摩擦，從而進(jìn)一步增加巷道煤塵的含量。隨著機(jī)械化作業(yè)程度的不斷發(fā)展，機(jī)械設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)也逐漸趨向于巨型化發(fā)展，而附帶產(chǎn)生的煤塵含量也急劇增加，煤塵含量增加到煤炭總含量的3%。依據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，煤層含水量低于4 %時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行煤層注水，以滿足預(yù)濕潤(rùn)要求，有效減少煤塵產(chǎn)生，優(yōu)化工作環(huán)境，預(yù)防人員健康危害，并降低煤強(qiáng)度，提高采煤機(jī)械工作效率和使用壽命，從而降低開采成本。

煤體強(qiáng)度及脆性隨注水水量增加而下降，采煤過(guò)程中煤塵產(chǎn)生率也隨之下降，此過(guò)程中水分將煤體中原微小細(xì)塵粘結(jié)，使其成為具有一定粘性較大塵顆粒，喪失在空氣中漂浮的能力，在重力作用下自由落地，從而優(yōu)化工作面環(huán)境，提高采煤效率。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于降低煤塵濃度的技術(shù)措施主要還是以高壓噴霧以及注水灑水為主，上述措施對(duì)于煤層內(nèi)部的作用主要有以下幾點(diǎn)：

1）原生煤塵達(dá)到濕潤(rùn)狀態(tài)：煤體由整體破碎成煤塊的過(guò)程中，煤塊間賦存已久的原生煤塵被釋放到空氣中，以回采工作面為中心不斷向外擴(kuò)散。為降低原生煤塵的含量，可以通過(guò)向煤體裂隙實(shí)施預(yù)注水的技術(shù)方案，使得原生煤塵在被釋放之前處于濕潤(rùn)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)降塵的最終目的。

2）煤體內(nèi)部破碎面基本被水吸附：在煤體裂隙中預(yù)注水方案實(shí)施后，媒體內(nèi)所有裂隙和節(jié)理均已充滿水分，在表面張力的作用下，毛細(xì)水?dāng)U展到1μm 以下的微孔隙，煤體破碎面基本被水全覆蓋包裹，無(wú)細(xì)微粉塵產(chǎn)生。

3）改變煤體物理性狀：煤體經(jīng)過(guò)注水后，在水體的作用下，煤體會(huì)發(fā)生一系列物理性狀的變化，如塑性指數(shù)、液性指數(shù)、脆性指數(shù)等，根據(jù)庫(kù)侖定律原理，其內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角也呈降低趨勢(shì)，煤體抗剪強(qiáng)度逐漸降低，塑性變形逐漸成為主要形變形式，煤體內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)由集中分布逐漸向分散分布轉(zhuǎn)化，對(duì)煤體的局部破壞有一定改善作用，以達(dá)到預(yù)防浮塵從裂隙中噴發(fā)而出的效果。

4）后續(xù)降塵：煤體經(jīng)過(guò)在工作面濕潤(rùn)之后，在后續(xù)的運(yùn)輸、提升、轉(zhuǎn)運(yùn)等工序中，煤塵始終處于粘滯狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)防煤塵飛揚(yáng)和擴(kuò)散的效果。

動(dòng)力水在煤體中運(yùn)動(dòng)形式的主要影響因素有煤體產(chǎn)狀、煤層裂隙構(gòu)造、毛細(xì)壓力等[4]，當(dāng)動(dòng)力水自工作面注入煤層后，初期在水壓力和煤層孔裂隙毛細(xì)作用影響下，只沿著煤層原始裂隙產(chǎn)生滲流，隨著注水壓力增加以及時(shí)間消耗增多，煤層原始孔裂隙不斷擴(kuò)展延伸直至貫通，最終形成貫通的滲流通道，沿裂隙發(fā)育不斷發(fā)生滲流，在空間阻力和滲透力的作用下，動(dòng)力水的總水頭逐漸降低，壓力也不斷減少，煤層孔裂隙中水含量達(dá)到飽和狀態(tài)，水對(duì)于煤層的濕潤(rùn)作用也隨之減弱。動(dòng)力水經(jīng)過(guò)的區(qū)域，煤體呈現(xiàn)飽和狀態(tài)，隨著注漿鉆孔的距離不斷增大，煤體的濕潤(rùn)程度如圖1 所示。

圖1 煤體濕潤(rùn)區(qū)分布圖

在注水水壓處于初始階段時(shí)，煤體濕潤(rùn)半徑隨注水壓力增加而增大，濕潤(rùn)效果明顯。當(dāng)注水壓力增加到一定值時(shí)，煤體濕潤(rùn)半徑增大不再顯著，說(shuō)明此時(shí)注水壓力對(duì)煤體濕潤(rùn)程度影響減弱，主要是由于煤體濕潤(rùn)程度達(dá)到飽和狀態(tài)，從而判定注水壓力的影響界定范圍。

3 注水方案及應(yīng)用分析

3.1 注水方案

依據(jù)供注水水壓不同，現(xiàn)階段注水方式主要分為靜壓、動(dòng)壓和脈沖式高壓注水3 種，若要達(dá)到理想注水效果，使得注水作用得以最大限度發(fā)揮，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)煤層需求，選擇最適宜注水方式。基于注水降塵原理，并結(jié)合11303 工作面的特征，確定使用脈沖高壓注水技術(shù)進(jìn)行工作面降塵，脈沖高壓注水技術(shù)方案的技術(shù)參數(shù)如下：

1）設(shè)備：根據(jù)回采工作面對(duì)于設(shè)備參數(shù)的要求，設(shè)計(jì)采用2BZ-40/12 型脈沖式煤層注水泵，該水泵為煤礦井下采煤系統(tǒng)高壓注水專業(yè)設(shè)備，設(shè)備使用過(guò)程中注水流量與注水壓力均為脈沖式，可滿足井下煤層注水壓力要求，設(shè)備主要結(jié)構(gòu)組成見圖2。

圖2 2BZ-40/12 型脈沖式煤層注水泵原理示意圖

2）注水鉆孔：主要布置在工作面進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷的回采側(cè)幫處，鉆孔在距離煤層底板垂距為1.0 m的位置進(jìn)行鉆進(jìn)，回風(fēng)巷鉆孔鉆進(jìn)方向與煤幫成8°俯角，進(jìn)風(fēng)巷鉆孔鉆進(jìn)方向與煤幫成8°仰角，鉆孔間距3 m，孔徑0.94 m，鉆進(jìn)深度100 m，距離開切眼40 m 處開始打鉆施工。將注水鉆孔分為2 組，第1 組布置在運(yùn)輸巷，第2 組布置在回風(fēng)巷，5 個(gè)鉆孔為一組循環(huán)作業(yè)，具體布置形式如圖3 所示。

圖3 工作面注水鉆孔布置平面圖

3）封孔形式：為實(shí)現(xiàn)良好的注水降塵效果，保證動(dòng)力水不溢出鉆孔，采用FKT-65/5 型水泥砂漿封孔器進(jìn)行密閉封孔操作，如圖4 所示。為進(jìn)一步防止水體外滲，必須使封孔長(zhǎng)度保證在5 m 以上，方案設(shè)計(jì)為5.2 m，封口與端部處的0.2 m 范圍內(nèi)，使用棉紗封孔，最后進(jìn)行注漿作業(yè)，注漿完成之后靜待2 d，等水泥砂漿徹底凝固之后，進(jìn)行注水作業(yè)。

圖4 鉆孔封孔示意圖

4）注水壓力：初始?jí)毫υO(shè)置為8 MPa，隨著注水深度的增加，注水壓力也逐漸加大，保證水可以進(jìn)入終孔內(nèi)，為使終孔處煤體可以達(dá)到飽和狀態(tài)，最后的壓力要保持0.5 h。

5）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定：依據(jù)相關(guān)降塵研究理論可知[5-6]，由于毛細(xì)水壓力和阻力的作用，在注水作業(yè)完成之后，靜待8 h 后，即使壓力不減，隨著時(shí)間的增加，動(dòng)力水的擴(kuò)散范圍也會(huì)停滯增加，以修正系數(shù)1.1 為時(shí)間增加余量，設(shè)置注水時(shí)間為8.8 h。如果鉆孔外壁出現(xiàn)水珠，可不考慮時(shí)間因素，認(rèn)為注水效果已達(dá)到，可以結(jié)束注水作業(yè)。

注水初始階段，由靜水壓將水緩慢壓入煤層裂隙中，記錄隨時(shí)間水流量變化，若出現(xiàn)水流量減少趨勢(shì)，可將注水壓力增加，轉(zhuǎn)為脈沖高壓注水階段。由于脈沖高壓注水采用強(qiáng)度可控水錘，對(duì)煤層適應(yīng)性強(qiáng)，易在現(xiàn)場(chǎng)施工。注水時(shí)采用周期性壓力，使得煤層裂隙在膨脹-收縮的不斷演變中逐漸貫通，煤層原始力學(xué)性質(zhì)也發(fā)生了改變，塑性指數(shù)增加，致使裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，提高注水效率，工作面總體濕潤(rùn)速度得以有效控制，與工作面推進(jìn)速度相適宜。另外，脈沖高壓注水能夠增加鉆孔間預(yù)抽瓦斯?jié)舛龋蟠筇嵘咚钩椴傻男?，使游離瓦斯得以有效釋放，實(shí)現(xiàn)了預(yù)防瓦斯突出的作用，尤其是煤層裂隙收縮時(shí)，煤體濕潤(rùn)速度較均勻，待煤體濕潤(rùn)過(guò)后，煤體不僅強(qiáng)度得以降低，而且無(wú)煤塵冒出煤體，在保證煤體完整性基礎(chǔ)上，讓煤塵失去漂浮特性，實(shí)現(xiàn)良好降塵效果。

在注水完成后至回采工作開始前，應(yīng)對(duì)鉆孔壓力進(jìn)行全程監(jiān)測(cè)，并詳細(xì)記錄，依據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)分析煤層孔裂隙中動(dòng)力水滲流過(guò)程，當(dāng)壓力出現(xiàn)異常時(shí)可進(jìn)行調(diào)節(jié)，必要時(shí)可采取補(bǔ)注水措施，保證注水壓力滿足滲流要求。

3.2 注水應(yīng)用分析

在脈沖高壓注水技術(shù)實(shí)施前，對(duì)煤層各區(qū)域可注水性進(jìn)行采樣分析，測(cè)定試樣初始含水量、孔隙率、硬度、吸水率等特性參量，根據(jù)各試樣特性，并為驗(yàn)證11303 工作面的降塵效果，在工作面的回風(fēng)巷、采煤機(jī)和支架的司機(jī)處、采煤機(jī)機(jī)組后各布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，設(shè)置多組監(jiān)測(cè)粉塵濃度措施，用來(lái)監(jiān)測(cè)全塵和呼塵濃度在注水前后的分布數(shù)據(jù)變化情況，測(cè)定結(jié)果數(shù)據(jù)由直讀式粉塵濃度測(cè)量?jī)x獲取，并經(jīng)過(guò)降塵率計(jì)算公式計(jì)算得出。具體測(cè)定結(jié)果見表1。

由表1 可知，11303 工作面經(jīng)過(guò)脈沖注水技術(shù)措施后，能夠有效改善井下煤層粉塵過(guò)大而影響正常生產(chǎn)的問題，工作面各區(qū)域的全塵降塵率均在38%以上，呼塵降塵率也均達(dá)到42 %以上，總體降塵效果良好，其中回風(fēng)巷處的降塵效果尤為顯著，達(dá)到了預(yù)期降塵目標(biāo)。

表1 11303 工作面注水前后粉塵濃度記錄匯總表

11303 工作面通過(guò)對(duì)注水防塵技術(shù)措施應(yīng)用，并結(jié)合合理鉆孔施工工藝，將注水鉆孔布置參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化，使其可行性最大限度提高，結(jié)合日常注水工藝實(shí)施過(guò)程中嚴(yán)格把控制度管理，對(duì)注水施工過(guò)程中任意突發(fā)意外能夠及時(shí)進(jìn)行處理，保障施工順利進(jìn)行，將人員工作安排合理，避免時(shí)間沖突與值班空檔期，提高設(shè)備使用頻率及施工效率，以及設(shè)備測(cè)定數(shù)據(jù)精準(zhǔn)率，以最科學(xué)的數(shù)據(jù)，從技術(shù)上大大減少粉塵產(chǎn)生率，實(shí)現(xiàn)良好降塵效果。

4 結(jié) 論

1）通過(guò)分析煤層注水降塵的作用機(jī)理，得出原生煤塵、煤體內(nèi)部破碎面及后續(xù)煤塵等不同溯源粉塵在注水后的物理狀態(tài)。針對(duì)煤層埋藏條件，以及煤體力學(xué)性質(zhì)變化，設(shè)計(jì)合理鉆孔布置方案，為進(jìn)一步防止水體外滲，將注水鉆孔進(jìn)行密閉封孔處理。

2）設(shè)置初始注水壓力為8 MPa，為保證終孔處煤體可以達(dá)到飽和狀態(tài)使水壓保持0.5 h。通過(guò)對(duì)動(dòng)力水在煤層中滲流狀態(tài)分析得出動(dòng)力水在裂隙中移動(dòng)的規(guī)律，即當(dāng)動(dòng)力水自工作面注入煤層后，初期在水壓力和煤層孔裂隙毛細(xì)作用影響下，只沿著煤層原始裂隙產(chǎn)生滲流，隨著注水壓力增加以及時(shí)間消耗增多，煤層原始孔裂隙不斷擴(kuò)展延伸直至貫通，最終形成貫通的滲流通道，沿裂隙發(fā)育不斷發(fā)生滲流，在空間阻力和滲透力的作用下，動(dòng)力水的總水頭逐漸降低，壓力也不斷減少，煤層孔裂隙中水含量達(dá)到飽和狀態(tài)，水對(duì)于煤層的濕潤(rùn)作用也隨之減弱。

3）依據(jù)11303 工作面特征，采取脈沖注水技術(shù)對(duì)工作面進(jìn)行降塵處理，通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在注水前后粉塵濃度的測(cè)定分析可知，工作面各區(qū)域的全塵降塵率均在38 % 以上，呼塵降塵率也均達(dá)到42 % 以上，結(jié)果表明降塵效果良好，達(dá)到預(yù)期降塵目標(biāo)，可為相關(guān)煤礦采取防塵降塵措施提供理論參考。