采煤工作面煤层注水防尘机理与钻孔布置研究

于 泽

（山西新元煤炭有限责任公司，山西 晋中 030600）

阳煤集团新元煤矿9104综采工作面煤尘产出量较大，控制较困难，为从源头上防尘降尘，亟需提高煤层注水效果。但由于该工作面回采煤层较松软，孔隙率低，透水性较差，传统的注水方式难以达到理想的湿润煤层效果，需对煤尘颗粒间作用力做详尽研究，提出长孔注水为主、短孔注水为辅的综合注水钻孔布置方式，并检验其注水效果。

1 工程概况

1.1 煤层概况

阳煤集团新元煤矿9104综采工作面位于矿井一水平一采区，北邻9#煤南回风大巷，东邻9103采空区，西邻9105进风巷。该工作面走向长度1217.4m，倾向长度230.8m，所采煤层为9#煤，埋藏深度520～650m，倾角1～5°，煤层平均厚度3.36m。工作面布置如下图1所示。

图1 9104工作面布置示意图

该工作面采用倾斜长壁后退式综合机械化一次采全高采煤方法，顶板采用全部垮落法处理。所采9#煤层为中灰、低硫、低磷、极难选贫煤、无烟煤，煤尘具有爆炸危险性，煤层以亮煤为主，煤体渗透性差，属较难注水煤层。该层上方赋存8#下煤层，厚度约0.3～1.0m，两煤层间距0.5～1.3m，中间为黑色炭质较松软泥岩，顶板以泥岩、砂质泥岩为主，底板以粉砂岩为主。

1.2 产尘特性

由于煤体结构疏松破碎，回采过程中极易产生大量煤尘，故具有扬尘量大、扩散速度快、人员呼吸粉尘比重高等特点。现场实测9104综采工作面不同空间位置处粉尘浓度见表1。尽管工作面采用了喷雾降尘措施，但效果不佳，依旧没能解决根本性问题。

表1 9104工作面不同空间位置煤尘浓度

2 煤层注水防尘机理

2.1 液桥力

煤尘颗粒之间通过桥链状态的液体相连接，因而产生了液桥力。煤层注水可大幅提高煤体含水率，增强煤尘间作用力，特别是颗粒间液桥力。以等径颗粒间液桥力为例（图2），如公式（1）所示：

式中：

γ-液体界面张力，mN/m；

θ-固液接触角，（°）；

α-液体充填角，（°）；

R-颗粒半径，mm；

r1-液桥表面半径，mm；

r2-液桥最窄半径，mm。

图2 等径颗粒间液桥

液桥的存在能够加速颗粒融聚，而液桥含液量与液桥力的大小也存在着密切关系，如公式（2）所示：

式中：

S-颗粒间液桥含量，又称饱和度；

VL-颗粒间液体体积，mm3；

VT-颗粒间孔隙体积，mm3。

颗粒间随着液体体积的增加，饱和度增加，如图3所示。当液桥充满颗粒间缝隙时，颗粒再分离就显得很困难，且随着饱和度增加，原先的煤尘小颗粒融合为较大颗粒，从而不仅降低了煤尘产出量，而且加快了煤尘沉降速度，起到了重要的防治作用。

图3 不等液体饱和度液桥形成形态

2.2 注水防尘机理

为检验煤层注水效果，现场选取注水前与注水后煤样进行分析，其含水量分别为3.3%、6.7%。各取两煤样150g进行筛选，分别对80～120目、120～140目、150目以下煤样进行统计，如表2。

表2 注水前后煤样筛选质量统计

由表2可知，注水后更难筛分出更细颗粒粉尘，其中120～140目减少了69.56%，说明注水增加了煤尘颗粒间液桥力，颗粒融聚作用更加明显。

结合以上分析，煤层注水防尘机理主要体现在以下两大方面：

（1）湿润原有煤尘。经注水后，煤体裂隙中存在的原生煤尘得到预先湿润，从而失去飞扬能力。

（2）改变煤体物理力学性能。煤体由于水的侵入塑性增加，脆性减弱，受外力作用时便有许多脆性破碎变为塑性变形，从而减少了部分煤体因破碎而产生煤尘的可能性。

3 注水钻孔布置方式

依据钻孔位置、方向及长度，煤层注水钻孔常见布置方式有以下三种：（1）长孔注水。钻孔位置在回采巷，长度大于40m；（2）短孔注水。钻孔位置在工作面，长度小于6m，适用于裂隙发育、透水性强煤层；（3）深孔注水。钻孔位置在工作面，长度6～20m，适用于裂隙不发育、透水性弱煤层。

9#煤层属于难注水煤层，故采用“长孔注水为主、短孔注水为辅”的综合注水方式。

3.1 顺层长孔注水

在9104工作面回风巷向预采煤层垂直钻孔，钻孔长度60m，孔直径75mm，孔间距15m，如图4所示。长孔注水具有湿润范围大、湿润均匀、对回采干扰小等特点，可达到良好的预先湿润效果。

图4 顺层长孔布置

3.2 高位钻孔注水

在9104工作面底板起伏明显处设立高位钻场，在钻场布置注水钻孔，如图5所示。共布置20个长钻孔，其中1～13号钻孔为主要钻孔，钻孔长度60～110m，孔直径75mm，开孔间距0.5m，孔端间距15m，作用是湿润工作面前方主要煤体；14～20号钻孔为辅助钻孔，钻孔长度40～70m，孔直径75mm，开孔间距0.5m，作用是弥补主要钻孔对工作面更前方及钻场附近煤体湿润不充分。高位钻孔煤层注水在巷道顶板岩层开孔，密闭性更好，封孔更容易，同时能够利用上层顶板移动增加煤层透水性，提高注水效果，避免了顺层钻孔在煤层底板起伏时孔穿煤体较少、注水量较少的问题。

图5 高位钻孔布置

3.3 短孔注水

9#煤层平均厚度为3.36m，沿9104工作面全长垂直煤壁布置双排注水钻孔，如图6所示。钻孔长度6m，孔直径42mm，孔间距3m。短孔注水具有操作简单、工作量少、对工作面条件要求低等特点。

图6 短孔布置

4 工程应用

煤层注水后，对9104工作面不同地点粉尘浓度再次进行监测，监测结果见表3。

表3 9104工作面不同空间位置煤尘浓度

由表3可知，注水后工作面各空间位置粉尘浓度下降较大，其中回风巷粉尘浓度较未注水前下降了76.71%，下降最明显。说明综合注水方案能有效防治回采过程煤尘产量大、不易控制的问题，为综合机械化采煤快速推进及生产安全提供了条件。

5 结论

（1）煤层注水可提前湿润煤体裂隙中煤尘，改变煤体原有物理力学性质，大幅降低了煤体破碎时的产尘量，并阻止了煤尘飞扬；

（2）煤层注水可充分提高煤尘颗粒间液桥力，使无数小颗粒通过液桥力积聚为较大颗粒，降低了煤尘飞扬能力，加快了煤尘沉降速度；

（3）以长孔注水为主、短孔注水为辅的综合注水方案可有效降低9104综采工作面煤尘产量，为工作面安全快速推进提供了重要保障。