朱成坦

（關(guān)嶺布依族苗族自治縣應(yīng)急管理局，貴州 安順 561300）

0 引 言

煤炭在我國(guó)能源消費(fèi)總量中占到60%以上，同時(shí)還是重要的化工生產(chǎn)原料[1-2]。大部分礦井使用綜采工藝，在截割頭噴灑泡沫進(jìn)行降塵，同時(shí)在支架間噴灑水霧降塵，雖起到了一定效果，對(duì)于呼吸性粉塵減少，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求[3-6]。工人在高濃度粉塵的環(huán)境下作業(yè)，增加患?jí)m肺病危險(xiǎn)，還增加粉塵爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，每年因接觸粉塵，全國(guó)患病人數(shù)達(dá)到30 000人，同時(shí)高濃度粉塵接觸到明火，易引發(fā)粉塵爆炸和火災(zāi)等重大事故[7-9]。

煤層注水是現(xiàn)今礦井防塵技術(shù)中抑制粉塵產(chǎn)生量最有效的治理手段。通過在煤體中進(jìn)行煤層注水增加煤體水分含量，可明顯減少煤層開采時(shí)的粉塵產(chǎn)塵量[10-14]。

1 工程概況

貴州土城礦13163工作面開采16號(hào)煤層，經(jīng)鑒定，該煤層具有煤塵爆炸危險(xiǎn)性，該煤層平均厚度3.2 m，平均傾角17°，原生水分為1.65%，堅(jiān)固性系數(shù)為3.2，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。該采面采用走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化采煤，設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度968 m，傾向長(zhǎng)度168 m，采高3.2 m。頂板為粉砂巖、細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖，底板為泥巖，細(xì)砂巖。在13163兩巷施工順層長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯。13163采面試采期間測(cè)定，一個(gè)圓班割煤過程中，13163回風(fēng)巷中全塵濃度達(dá)到401 mg/m3，呼吸性粉塵濃度達(dá)231 mg/m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了煤塵爆炸的臨界濃度。

2 注水降塵機(jī)理

2.1 粉塵來源

采面回風(fēng)流中的粉塵主要由原生粉塵及次生粉塵組成。原生粉塵來源為煤層層理、節(jié)理中包含的粉塵，經(jīng)截割暴露在風(fēng)流中；次生粉塵為采煤機(jī)截割過程截割頭與煤層摩擦產(chǎn)生，部分為移架過程中架間掉落的粉塵，其他為被風(fēng)流揚(yáng)起的粉塵。

2.2 降塵機(jī)理

采煤工作面向前推進(jìn)過程中，在超前支撐壓力作用下，部分煤體發(fā)生彈塑性變形，存在一定范圍內(nèi)的塑性區(qū)。塑性區(qū)內(nèi)產(chǎn)生大量裂隙，在采煤機(jī)截割及液壓支架升降擾動(dòng)作用下，塑性區(qū)內(nèi)裂隙發(fā)育，通過向采面前方瓦斯預(yù)抽鉆孔注入壓力水，使注入塑性區(qū)中的水沿著裂隙滲透并儲(chǔ)存于煤塊裂隙與空隙之中，同時(shí)依靠水的壓力進(jìn)一步擴(kuò)大塑性區(qū)內(nèi)的裂隙，壓力水在煤體裂隙中的滲透、分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，增加煤體的水分。水的濕潤(rùn)作用使煤體塑性增強(qiáng)，脆性減弱，當(dāng)煤體受采煤機(jī)截割作用時(shí)，易產(chǎn)生大塊掉落，大量減少與煤體摩擦產(chǎn)生粉塵的可能性，降低了煤塵的產(chǎn)生量。

3 煤層注水參數(shù)選擇

3.1 注水孔位置

13163工作面上下兩巷中均布置本層孔進(jìn)行抽采瓦斯，鉆孔設(shè)計(jì)深度75 m，間距3 m，孔徑80 mm，距離煤層地板1.3 m開孔，采用“兩堵一注”工藝進(jìn)行封孔，兩端使用聚氨酯材料進(jìn)行封堵，中部注入高水材料，注漿長(zhǎng)度15 m。煤體前方塑性區(qū)內(nèi)裂隙發(fā)育，一定范圍內(nèi)的鉆孔失去預(yù)抽瓦斯能力，將此鉆孔選擇作為注水孔。

3.2 注水孔個(gè)數(shù)

根據(jù)已采13161工作面經(jīng)驗(yàn)判斷，塑性區(qū)范圍是從煤壁往前19~25 m，瓦斯抽采鉆孔間距為3 m，選擇13163回采工作面回風(fēng)巷中距離采煤工作面最近的6個(gè)鉆孔作為注水孔，同時(shí)距離采煤工作面3 m范圍以內(nèi)的鉆孔不作為注水孔，不連接注水系統(tǒng)，進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)的瓦斯抽鉆孔封堵。

3.3 注水壓力及時(shí)間

根據(jù)試采期間鉆孔注水壓力測(cè)試，當(dāng)注水孔壓力超過12 MPa時(shí)，鉆孔封堵段滲水，分別選擇2、4、6、8 MPa不同壓力下的降塵效果，當(dāng)注水孔壓力達(dá)到設(shè)定注水壓力或者注水時(shí)間超過30 min時(shí)，停止注水。

3.4 注水泵選擇

使用移動(dòng)式5BZ-33/15煤層注水泵，工作壓力15 MPa，公稱流量為5 m3/h。注水過程中，每3 h進(jìn)行補(bǔ)液，保證注水壓力。

3.5 注水工藝

采用動(dòng)壓注水系統(tǒng)，用高壓膠管將每6個(gè)鉆孔的供水管路連接起來，實(shí)行多孔同時(shí)注水。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

在采煤工作面回風(fēng)巷上端頭設(shè)置粉塵采樣點(diǎn)，測(cè)定全塵濃度及呼吸性粉塵濃度，分別在采煤機(jī)距離采樣點(diǎn)30、60、90、120、150 m處測(cè)定。每個(gè)圓班割2刀煤，每割1刀煤采樣1次，分別測(cè)全塵濃度及呼吸性粉塵濃度，每次將采樣點(diǎn)的平均值作為相應(yīng)的粉塵濃度。每個(gè)圓班作為1個(gè)采樣周期。將測(cè)點(diǎn)處粉塵采樣后數(shù)據(jù)處理見表1。不同注水壓力下測(cè)點(diǎn)粉塵濃度如圖1所示。

圖1 不同注水壓力下測(cè)點(diǎn)粉塵濃度Fig.1 Dust concentration diagram of measuring points under different water injection pressures

表1 不同方案下圓班中采樣點(diǎn)處的粉塵濃度Table 1 Dust concentration at sampling points in different schemes

從圖1中看出，同一種壓力注水條件下，隨著采煤機(jī)遠(yuǎn)離測(cè)點(diǎn)位置，粉塵濃度均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，采煤機(jī)截割過程中，揚(yáng)起的粉塵顆粒部分因?yàn)轭w粒重量較大沉降，部分顆粒則被采煤機(jī)噴射的泡沫捕捉沉降，距離測(cè)點(diǎn)位置越遠(yuǎn)，粉塵沉降效果越明顯；注水壓力越大，粉塵濃度降低效果越明顯，當(dāng)注水壓力達(dá)到6 MPa時(shí)，測(cè)點(diǎn)處風(fēng)流中的平均全塵濃度與呼吸性粉塵濃度分別下降56.1%和53.1%，注水壓力達(dá)到8 MPa時(shí)，測(cè)點(diǎn)處風(fēng)流中的平均全塵濃度及呼吸性粉塵濃度分別下降60.1%及60.2%，與注水壓力為6 MPa時(shí)相比，平均全塵濃度與呼吸性粉塵濃度下降程度分別提高4.0%及7.1%，粉塵濃度下降不明顯，同時(shí)增加破碎煤炭中水量，惡化底板。將注水壓力6 MPa作為該工作面開采條件下的降塵效果及經(jīng)濟(jì)成本最優(yōu)的注水壓力。

5 結(jié) 論

（1）突出煤層工作面塑性區(qū)范圍內(nèi)利用現(xiàn)有瓦斯抽采鉆孔進(jìn)行動(dòng)壓注水降塵，工藝操作簡(jiǎn)單，成本低，可大幅減少注水鉆孔施工量。

（2）同一種注水壓力條件下，回風(fēng)流中的平均全塵濃度及呼吸性粉塵濃度，均隨著采煤機(jī)遠(yuǎn)離測(cè)點(diǎn)位置而降低。

（3）注水壓力為6 MPa時(shí)，為該工作面開采條件下降塵效果與經(jīng)濟(jì)成本最優(yōu)。

（4）煤層注水可顯著降低煤體硬度，大幅度減少煤塵產(chǎn)生，降低回風(fēng)流中的粉塵濃度。