掘进工作面短壁煤层注水及效果分析

摘要：根据山西寿阳段王煤业集团段王掘进矿工作面煤层状况，通过合理利用掘进工作面迎头浅孔抽放钻孔，进行煤层注水施工工艺，优化煤层注水参数，加强煤层注水管理，使掘进工序产尘量大幅度降低，收到了良好的效果。

关键词：掘进工作面  利用  浅孔抽放钻孔  煤层注水  降尘

0 引言

掘进工作面作业地点相对狭小，各工序交叉作业、平行作业较多，高瓦斯矿井中又常用了工作面迎头浅孔预抽工艺，因此，科学优化掘进工作面煤层注水措施尤为重要，利用工作面浅孔预抽后废弃钻孔，进行短壁煤层注水，增加煤的水分，从而减少煤层掘进工过程中煤尘的产尘量。原生煤尘处在煤体内部的缝隙中，在和水进行混合后，就会发生粘结，这种情况下，在煤块破碎时，就会大大降低煤尘的飞扬能力，这样就可以减少尘源。在开采煤体时，煤体受到破坏的表面，凹陷的地方，容易有水积存，这样也可以在很大程度上，煤体细微颗粒的飞扬，减少浮尘。从一些实际现场试验的具体情况来看：当煤层的含水量达到4%时，煤尘的将减少80%，其除尘效果是比较理想的。

1 煤层注水实践

1.1 工作面概况 150405掘进工作面煤层厚度为3.19～5.02m，平均厚度4.31m，结构简单，采用综合机械化掘进工艺。煤层瓦斯含量8.27m3/t，自然发火期为70天，煤层原生水分为3.12%，煤层总的孔隙率为2.68%，煤尘爆炸指数为6.788Mpam/s，具有爆炸危险性，局部煤质松软、破碎。

1.2 工作面钻孔布置 受采动影响，原始煤体及围岩应力重新分布，形成卸压区和应力集中区。在卸压区内煤层膨胀变形，透气系数大大增加。使用ZQS-150/28型气动钻机，施工直径为Φ69mm钻孔。钻孔布置在该区域内，对浅孔瓦斯抽采及掘进工作面短壁注水均有较好的效果。

若瓦斯抽放钻孔与注水钻孔分别施工，一方面增加了施工钻孔数量，另一方面，抽放钻孔与注水必须分开施工，若同时施工，会造成抽放钻孔内水量增加，影响抽放效果，而受抽放负压影响，煤体注水压力也相应受到影响。煤层内的瓦斯压力是注水的附加阻力。水克服瓦斯压力后才是注水的有效压力，掘进工作面进行了浅孔预抽后，瓦斯压力降低，再进行煤层注水，可取得更好湿润效果。

150405掘进工作面利用原浅孔迎头抽放钻孔作为煤层注水孔，钻孔参数见表1，布置方式见图1。

表1  钻孔施工参数表

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工作面采用“四六制”，即：两班掘进，一个班施工钻孔，并开始进行瓦斯抽放，一个班实施煤层注水。每天掘进量控制为10m，留有4m的钻孔超前距，即：抽采、注水14m掘进10m，抽采、注水与掘进交替进行。单孔抽放时间于6小时，单孔注水时间3～4小时。

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图1  掘进工作面迎头钻孔布置

1.3 封孔工艺 煤层注水的效果很大程度上取决于封孔方法及封孔质量，工作面钻孔又是二次使用，故对浅孔抽放时期的封孔进行了优化，均选择使用ZF-B51橡胶封孔器。橡胶注水封孔器由内胶层、增强层、中胶层、外胶层组成。橡胶注水封孔器在承受内部正向压力下，管体长度缩短，直径变大呈膨胀状态，实现封孔功能。

1.4 注水参数 煤层注水湿润效果的参数主要是注水压力、流量和注水时间。一般应以在较低的注水压力情况下保持足够的流量和较长的注水时间为宜。注水系统有静压、动压之分，静压注水系统简单，直接将注水管通过胶管和阀门与供水管道连接即可进行注水，而动压注水是在静压满足不了注水压力的要求时，通过设加压泵增压注水，动压注水系统又分单孔注水系统和多孔注水系统。根绝150405掘进工作面实际情况，采用高压5D-2/50型注水泵煤层动压注水，泵与孔之间选用通过分流器（流量调节阀）钢管和高压水胶管连接，并配备DC-2/150高压水表，注水泵工作压力为150kg/cm3，流量为2m3/h，对工作面6个钻孔进行同时注水，注水时间一般为4h左右。

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图2  掘进工作面短壁注水系统图

2 煤层注水作用及效果

2.1 降尘效果 在对煤层进行注水之后，可以检测出，水分升高，平均升高值为1.14%，达到4.26%。通过对煤层进行注水，可以大大减少粉尘，其发挥除尘抑尘的作用的主要原理如下：煤体缝隙在吸收水分之后，可以在很大程度上粘结大量煤塵，这就大大降低了煤尘的扩散能力。在煤体开采过程中，加水之后，煤层湿润，在受到挖煤机的破碎之后，由于水分含量较多，从而使得煤体的可塑性增强，其脆性减弱，物理性质得到一定的改变，这也就从源头上减少了煤尘的形成。

注水前、后各工序粉尘浓度对比，如表2。

表2

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2.2 抑制工作面瓦斯的涌出 通过对煤层进行注水，可以在很大程度上降低瓦斯的涌出量，这主要是因为，在注水过程中，高压水在穿透瓦斯气体的压力之后，进入煤层，这就在很大程度上阻止了瓦斯气体的涌出。根据150405掘进工作面瓦斯涌出情况，注水后工作面瓦斯浓度平均下降了18%左右，回风流中瓦斯浓度基本降低为2%。

2.3 其他效果 煤层注水以后还能取得以下各种效果：降低煤的硬度，软化煤体，降低切割和破碎能量，降低截齿的消耗，提高了生产效率;减少设备的破坏。测定表明，煤层水分在原基础上增加0.8%～2%可使煤的单轴抗压程度降低14%～32%，节能显著。

3 结论

①选择合适的超前注水距离，有利于煤层注水和提高煤层湿润效果。掘进工作面浅孔钻孔的布置处于卸压区内煤层膨胀变形，透气系数大大增加，利用掘进工作面浅孔抽放钻孔开展短壁煤层注水，浅孔预抽降低了煤层中瓦斯压力，煤层裂隙内的游离瓦斯得到抽采，为煤层注水减小了压力，提高了煤层注水效果。②实践证明：由于注水时水从煤体的裂隙和孔隙中挤走大量的游离瓦斯，并在煤块表面形成一层水雾膜儿，延迟了瓦斯解吸释放时间，大大降低了掘进期间瓦斯涌出量。③煤层注水工作关键在于钻孔深度和封孔质量上，必须大力推广应用新技术、新工艺、新设备，借鉴先进单位经验，提高煤层注水效果，从根源上杜绝煤尘事故。

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作者简介：郜艳丽（1987-），女，吉林辽源人，本科学历，2010年毕业于太原理工大学矿业工程学院，2010年至今任辽源职业技术学院教师，从事矿井通风、矿井防尘、煤矿安全等学科的教学与研究。曾主编吉林大学出版的教材《矿尘防治》，参编吉林大学出版的教材《采矿学》一书。