水峪煤业61135工作面煤层注水防尘技术应用

（山西焦煤汾西矿业集团水峪煤业有限责任公司，山西 孝义 032300）

1 工程概况

山西焦煤集团汾西水峪煤业为低瓦斯矿井，工作面相对瓦斯涌出量0.35m3/t。矿井主采的10+11#煤层煤质为中灰富硫主焦煤，煤层有自然发火特性，最短发火期84天。直接顶为泥岩，老顶为K2石灰岩，底板为铝质泥岩，煤层结构复杂，煤尘具有爆炸性，煤层倾角2°～5°，平均倾角3°。

61135工作面位于水峪煤业井田10+11#六采区，工作面埋深为165～259m，走向长度为190m，倾斜长度为1420 m；工作面东临六采区大巷，西部为井田边界，北部为61133工作面采空区。工作面主采的10+11#煤层，煤层厚度6.72～6.82m，平均厚度6.77m，。工作面采用综合机械化低位放顶煤采煤法，采高为3.0m，循环步距0.8m，采放比为1:1.26。

由于61135工作面采用综采放顶煤采煤方法，且10+11#煤尘有爆炸危险性，煤层的全水分较低，平均为3.34%，工作面回采时煤尘浓度较大，本文试图探索煤层注水技术来降低工作面煤尘浓度。

2 煤层注水压力确定

煤层注水技术的主要原理为通过在煤体内预设超前钻孔，采用压力泵将水注入到煤层中，压力水在煤体内部的孔隙中逐渐渗透，从而提高煤层的整体含水率，达到预先湿润煤体的作用，并有效降低煤体的强度，减少工作面回采期间的扬尘量，改变工作面的作业环境[1-2]。

为研究煤层注水后煤层内孔隙水压力的分布规律，本文采用COMSOL数值分析软件模拟煤体的注水作业。根据61135工作面的实际情况，建立长×宽=40 m×40m的模型，设置注水钻孔长度为20m，孔径为94 mm，本次模拟将煤体视为多孔均匀介质，忽略煤层倾角及水重力对注水效果的影响，具体参数与边界条件的设置情况见表1。

表1 数值模拟分析参数取值

图1 不同注水压力下煤层孔隙水流速度分布云图

通过分析图1可知，随着注水压力的增大，煤层内的孔隙水流速呈现出逐渐增大的趋势。但从整体上看，不同注水压力下煤体内孔隙水压力的分布范围大致相同，孔隙水流的速度在注水钻孔周围最大，随着距注水钻孔距离的增大呈现出逐渐递减的趋势。

根据数值模拟结果，同样能够得出不同注水压力下煤层的湿润半径，具体情况见表2。

表2 不同注水压力下煤层湿润半径

根据表2可知，随着注水压力增大，煤层湿润半径逐渐增大，注水压力从6MPa增大为8MPa时，煤层湿润半径增幅明显，当注水压力从8MPa增大为9MPa时，煤层湿润半径增幅较小，这表明当注水压力大于8MPa时，煤层湿润半径受注水压力的影响减弱。因此，考虑到全矿的安全和经济效益，并确保煤层注水取得较好的降尘效果，将煤层注水压力设定为8MPa。

3 注水方案设计与应用效果分析

3.1 方案设计

根据61135工作面的实际情况，并结合煤层注水技术原理，将注水工作面的各项参数设置如下：

（1）钻孔布置及参数

设计本次注水钻孔直径为94 mm，钻孔深度为180m，注水钻孔在回风顺槽内布置，在距离巷道底板2m的高度处施工，钻孔间距为20m，共计布置65个注水钻孔，钻孔布置形式见图2。

图2 61135工作面注水钻孔布置

（2）注水参数

注水参数主要包括注水压力、单孔注水流量、动静压注水时间、单孔注水量等，具体参数如下：

①水压力：根据数值模拟分析结果，将本次注水作业时的注水压力设置为8MPa。

②单孔注水流量：根据相关理论研究与工程实践[3-4]，确定动压注水时的流量为1.5～3.6m3/h，静压注水时不控制注水流量。

③动静压注水时间：在进行单孔动静压注水作业时，确定单孔注水时间为12d。

④单孔注水量:具体单孔注水量计算式[5-6]为：

式中：Q为注水钻孔的单孔注水量；J1为钻孔间距，20 m；K为钻孔前方煤体的湿润系数，取为1.93；h为煤层厚度，取为6.7 m；l为钻孔长度，180 m；δ为吨煤注水量，取为0.015m3/t；ρ为煤的密度，取为1.3 t/m3；基于上述数据能够计算得出单孔注水量Q=907.7m3/t，并控制单孔动压注水量占总注水量的20%，静压注水量占总注水量的80%。

（3）注水设备及工艺

本次注水作业采用的主要设备有坑道钻机、注水泵、泥浆泵、分流器及钻头等，注水泵型号为B223ZSB-158/18，最大注水压力为18MPa，功率为55 kW，其设备配备情况见表3。

表3 61135工作面煤层注水作业设备

在进行注水作业时，采用全孔段动静压交替注水工艺，具体工艺流程为：①按照设计方案在回风巷施工注水钻孔；②钻孔施工完毕后，采用水泵压水进行冲孔作业，将钻孔内的钻渣冲出，此时水泵的工作压力不宜小于2MPa；③采用速凝浆液固管的方式进行封孔作业，其封孔长度为5 m；④注水钻孔封孔1～2 d后，按照设计方案连接注水系统，打开供水阀，进行动静压交替注水作业。当注水压力达到8MPa时，且水在钻孔周围渗出时，可结束钻孔的注水作业，此时应关闭注水泵，卸压拆管，继续进行下一个钻孔的注水作业。其注水作业过程见图3。

图3 注水作业过程

3.2 应用效果分析

为分析煤层注水后的降尘效果，对61135工作面煤层注水前后工作面割煤作业时，回风顺槽的总粉尘浓度、非呼吸粉尘浓度和呼吸性粉尘浓度的进行检测，检测结果见表4。

表4 注水作业前后工作面粉尘浓度检测数据

通过分析表4可知，在工作面采用注水技术后，工作面割煤作业时呼吸性粉尘浓度和非呼吸性粉尘浓度分别下降了45.4%和50%，总体粉尘浓度下降了48.2%。在61135工作面注水作业前后，分别对煤体的含水率进行测定发现，煤体注水前全水分为3.34%，煤层注水后的全水分为4.39%，相较与注水前增大了31.4%。

综合上述分析可知，61135工作面煤层注水提升了煤体的含水率，降低了工作面回采时的粉尘量，注水降尘效果较显著。

4 结语

1）借助COMSOL软件对煤层注水作业进行模拟分析发现，随着注水压力的增大，煤层内的孔隙水流速及煤层湿润半径均呈现出逐渐增大的趋势，但当注水压力大于8MPa时，煤层湿润半径受注水压力的影响减弱，结合61335工作面特征，确定注水压力为8MPa。

2）当注水压力设置为8MPa，钻孔直径为94 mm，深度120m，间距20m时，对61135工作面煤层进行动静压交替注水后，工作面割煤作业时呼吸性粉尘浓度和非呼吸性粉尘浓度分别下降了45.4%和50%，总体粉尘浓度下降了48.2%。

3）对工作面煤层注水前后的煤体含水量进行测定发现，注水后煤层水分增大明显，相较于注水前煤层全水分增大了31.4%，煤层注水效果较好。