综放开采工作面粉尘分布规律及防治技术

曹凤前

（中阳县应急管理局， 山西 吕梁 033400）

引言

随着煤矿生产能力的不断提升，综放工作面粉尘产生量也随之增加，高浓度粉尘不仅制约煤炭开采效率，而且给作业人员身体健康、煤炭开采安全带来威胁[1-2]。粉尘治理是提高煤矿生产效率、安全保证能力以及改善作业人员工作环境的重要方面[3-4]。文中以山西某矿1508 综放开采工作面为工程背景，采用现场实测法对工作面粉尘分布情况进行分析，并针对工作面粉尘产生量过大问题，提出长孔注水方式湿润煤层，现场应用取得较好效果。

1 工程概况

山西某矿现开采的15 号煤埋深平均520 m、上距9 号煤间距平均为89 m。15 号煤层赋存整体较为稳定，全区可采。15308 综放工作面开采区域内15号煤厚平均5.59 m，中间有0～3 层炭质泥岩夹矸（夹矸总厚度约0.55 m），顶板岩性以泥岩、砂质泥岩为主，底板为粉砂岩。15308 综放工作面设计推进距离680 m、斜长90 m，采高2.5 m、放煤高度3.09 m。采煤机单刀进尺为600 mm。

2 工作面粉尘浓度监测

2.1 测点布置

为了掌握工作面粉尘分布情况，在采煤机上风侧5 m，采煤机位置及下风侧15 m、30 m、60 m 位置布置5 个测站对工作面不同位置粉尘浓度进行监测，每个测站内均包含4 个测点，其中1 号、2 号测点与煤壁相距均为1.5 m、距底板分别为1.5 m、0.5 m，用以监测机道空间范围内粉尘浓度；3 号、4 号测点与1 号、2 号测点间距均为2 m，距底板高度分别1.5 m、0.5 m，用以监测人行通道空间内粉尘浓度，具体各测站布置见图1。

图1 测站及测点布置示意图

2.1 监测结果分析

监测得到的各测点粉尘浓度监测见表1。从监测结果可出，工作面内粉尘浓度整体加高，特别是2 号测站中的1 号、3 号测点粉尘浓度较高，由于1 号、3号测点距与底板间距为1.5 m，为现场作业人员呼吸高度。从监测结果看出，1～5 号测站呼吸性粉尘的质量浓度占比分别为68.02%、66.6%、50.42%、76.07%、63.29%，呼吸性粉尘占比较高。

表1 各测点粉尘的质量浓度监测结果

根据表1 监测结果绘制采面切眼粉尘浓度分布曲线，其中0 位置表示采煤机位置，具体见下页图2。

从图中看出，全尘、呼吸性粉尘分布规律大致相当，在采煤机上风侧5 m 至采煤机位置范围内，随着风流方向粉尘浓度呈降低趋势，至采煤机位置粉尘浓度达到最低，此位置全尘、呼吸性粉尘质量浓度分别为271.7 mg/m3、178.2 mg/m3；在采煤机下风侧随着与采煤机间距的增加，粉尘浓度呈现先增加后降低趋势，其中在距采煤机15 m 位置的测站位置监测到的粉尘浓度最高，此位置全尘、呼吸性粉尘质量浓度分别为 1 182.4 mg/m3、569.5 mg/m3；随后粉尘质量浓度呈明显降低趋势，到与采煤机相距30 m 时，全尘、呼吸性粉尘质量浓度分别降低至368.9 mg/m3、290.2 mg/m3。

图2 采面粉尘浓度分布曲线

结合采面生产情况以及切眼粉尘浓度监测结果分析，采煤机上风侧5 m 位置粉尘浓度较高的主要原因是由于综放支架移架造成的；采煤机下风侧15 m 位置粉尘浓度较高主要是由于采煤机割煤、放煤产生的粉尘较大引起的。虽然在工作面已采取有采煤机喷雾、综放支架喷雾等降尘措施，但是工作面内粉尘浓度仍较高。

3 煤层注水技术

注水可增加煤体含水率，从根本上降低工作面粉尘量[5-7]。由于采面斜长为90 m，为了降低注水孔工程量，提出在运输巷内施工长注水钻孔对进行注水。

3.1 注水压力

注水压力是煤层注水的重要参数，注水压力过大会增加煤体破碎程度，甚至会破碎顶板岩层稳定性，影响采面生产，压力过小则会弱化注水效果。根据15308 注水条件并结合以往煤层注水经验，在15308 运输巷内距离回采迎头600 m 位置施工试验孔，注水压力取值为2～14 MPa，对不同注水压力下的注水流量进行监测，具体获取到的压力-流量曲线见图3。

从压力- 流量监测曲线看出，当注水压力在8 MPa 以下，注水量随着注水压力增加逐渐增加；当注水压力达到8 MPa 时注水量出现拐点，随着注水压力的增加，注水量基本保持稳定，因此钻孔注水压力选择为8 MPa。

图3 注水孔压力-流量曲线

现场试验确的煤层注水压力8 MPa 明显高于以往注水压力（5～6 MPa），分析主要是以往注水采用在运输、回风巷内同时进行，注水孔深度一般在50m左右，而15308 工作面注水仅布置在运输巷一侧，注水孔深度为80 m，注水过程中受到的阻力大，从而导致注水压力增加。

3.2 注水孔间距

为了提高注水效率、降低注水工程量，通过现场测试对注水间距进行确定[8]。以煤层含水率增加1.5%作为煤层有效浸润标准，超前采面560 m 位置布置注水钻孔，钻孔孔深75 m、孔径为73 mm，注水压力8 MPa、注水时间为10 h，在距离注水孔2～10 m范围内每隔2 m 布置一取样孔，取样分析含水率变化情况，具体结果见表2。

表2 不同位置含水率变化情况

从表2 中看出，当与煤层间距在6～8 m 时煤层含水率增加至介于1.9%～1.3%，以煤层含水率增加1.5%为标准，具体确定注水有效浸润半径为6 m。因此，注浆钻孔间距设计为12 m。

3.3 注水时间

在注水压力8 MPa 下对注水量随时间变化情况进行监测，具体见图4。

从图中看出，注水时间在0～60 h 内注水量随注水时间成线性增加趋势，当注水时间超过60 h 后注水量缓慢增加。单孔注水时间在60 h 时注水量可达到255 m3，可满足煤层注水需要，为此单孔注水时间选择60 h。

图4 注水孔时间-注水量变化曲线

综合上述分析，15308 综放工作面在运输巷单侧布置注水孔、孔深为75 m、间距12 m、注水压力8 MPa、注水时间 60 h。

4 粉尘防治效果分析

15308 综放工作面采用长距离注水钻孔注水后，在注水段内采用上文所示测站布置方式对切眼内粉尘浓度进行测定，具体结果见图5。

图5 注水后采面粉尘浓度分布曲线

从图中看出，注水完成后切眼内粉尘浓度变化曲线与注水前相近，但是粉尘浓度却显著降低，在采煤机下风侧15 m 处粉尘浓度最高，此位置全尘、呼吸性粉尘质量浓度分别为458 mg/m3、189 mg/m3，较注水前降幅分别为57.4%、67.4%，其他的1 号、2号、4 号、5 号测站全尘浓、呼吸性粉尘浓度降幅分别介于50%～65%、58%～69%，通过煤层注水取得显著的粉尘防治效果。

5 结论

1）采用现场实测法对15308 综放工作面生产期间粉尘浓度进行测量，发现在采煤机下风侧15 m 位置粉尘质量浓度最高，其中全尘、呼吸性粉尘质量浓度分别达到 1 182.4 mg/m3、569.5 mg/m3，分析此位置粉尘质量浓度较高主要原因受采煤机割煤以及放煤影响，在采煤机下风侧30 m 以外位置粉尘浓度虽有所降低，但是全尘、呼吸性粉尘质量浓度仍可达到368.9 mg/m3、290.2 mg/m3，工作面现采用的采煤机高压喷雾、液压支架喷雾降尘等措施不能达到有效的降尘效果。

2）根据工作面开采情况确定在运输巷内布置单侧注水孔，通过增加煤层含水率来达到降低粉尘产生量目的，并通过现场试验确定注水孔参数，具体为：注水孔孔深75 m、注水压力8 MPa、间距12 m、注水时间60 h。

3）注水后煤层含水率达到3%以上，采面内粉尘浓度得以明显降低，除采煤机下风侧15 m 位置粉尘浓度较高外（全尘、呼吸性粉尘质量浓度分别为458 mg/m3、189 mg/m3），工作面其他位置的全尘、呼吸性粉尘质量浓度均控制在196 mg/m3、93 mg/m3以内，取得了显著的粉尘防治效果。