马兰矿12504综采工作面煤层注水降尘技术研究与应用

胡燕飞

(山西西山煤电股份有限公司 马兰矿，山西 古交 030205)

1 工程概况

山西焦煤西山煤电集团公司马兰矿12504工作面井下位于南五采区，工作面走向长度1 340 m，倾斜长度为211 m，开采2号煤层，煤层厚度为2.68～3.57 m，平均厚度3.26 m，煤层内平均含有1层夹矸，夹矸层平均厚度为0.17 m。工作面用大采高一次采全高采煤方法，根据矿井地质资料可知，2号煤层为Ⅱ级自燃煤层，煤尘具有爆炸性，由于工作面采用大采高采煤方法，工作面回采期间粉尘浓度会较大，为优化回采作业环境，特进行工作面煤层注水方案的设计。

2 煤层注水工艺及参数

煤层注水工艺中主要包括注水钻孔布置方式、单孔注水量、注水压力及注水时间等参数，评价煤层注水效果好坏的主要因素为煤体水分增量[1-2]。煤体内水分增量的多少会决定工作面降尘率的高低，具体煤层注水工艺中的各项参数如下：

1) 注水钻孔布置形式：在进行煤层注水钻孔布置时，钻孔的方位角一般由煤层走向及主裂隙的方向决定，注水钻孔的倾角主要由煤层的倾向决定，具体钻孔长度、间距及封孔长度与方式设计如下：

钻孔长度：注水钻孔的长度主要与工作面的长度及其封孔深度有关，考虑矿井现有设备及工作面特征，设置工作面采用单向钻孔布置方式，钻孔长度的计算公式如下[3-4]：

Lh=L-Ll

(1)

式中：Lh为注水钻孔长度，m；L为工作面的长度，取174 m；Ll为工作面余留长度，取20 m。代入式(1)计算得出：Lh=154 m，考虑到煤层内部的夹矸情况及赋存特征，为方便注水钻孔易打孔和注水作业的进行，综合考虑设置注水钻孔长度为130 m。

钻孔间距：根据众多理论研究可知，在进行煤层注水作业时，可基于煤层内部煤块取样含水率和吸水性的特征，设置注水钻孔的间距为8～10 m，结合12504工作面的特征，确定注水钻孔的间距为8 m。

封孔长度与方式：钻孔的封孔长度主要与钻孔的长度及煤体的破碎程度有关，只有保障注水钻孔的封孔长度大于破碎带的长度时，才能保障煤体内的水分不会从钻孔周围渗出，即保障不出现“跑水”现象。根据12504工作面煤体的特征及开采条件，确定本次注水钻孔的封孔长度为16 m，封孔方式采用封孔器膨胀封孔，本次使用封孔器外径为75 mm，其膨胀后的最大外径为128 mm，工作压力达到1～20 MPa，具体封孔器注水阀门形式如图1所示。

图1 封孔器注水阀门示意

2) 单孔注水量：注水钻孔的单孔注水量计算公式如下：

Q=KhLSrn

(2)

式中：Q为钻孔单孔注水量，m3；L为工作面长度，取174 m；h为煤层厚度，取4.3 m；S为注水孔的间距，取8 m，n为煤层注水后提高的含水率，取0.72%；r为煤层密度，取1.4 t/m3；K为重复润湿系数，取1.2。将上述数据代入式(2)中能够计算得出：单孔注水量Q=72.4 m3；据此确定工作面注水钻孔的单孔注水量为73 m3。

3) 注水压力：煤层注水钻孔单孔注水压力的大小主要取决于煤层的透水性和注水流量。针对透水性不好的煤层，在设置注水压力时，需要使其能够达到煤层孔隙的裂隙值，以保障其能够使煤体充分湿润。根据国内众多煤层注水理论研究和工程实践数据得出注水压力的计算公式[5-6]：

P=15.6-7.8/(0.001H+0.5)

(3)

式中：P为煤层注水的最小压力，MPa；H为煤层埋藏深度，m；根据工作面赋存特征计算得出注水压力P=7 MPa。结合12504工作面的具体地质条件设计注水压力为7～9 MPa。

12504工作面煤层注水钻孔布置在回风巷内，注水钻孔布置在距离巷道顶板100 mm的位置处，具体钻孔布置方式如图2所示。

图2 注水钻孔布置方式示意

注水作业时分组进行，每组中设置6个钻孔，分别标注为1～6号，注水时每次仅进行1个钻孔的注水作业。由于水进入煤体内需要时间向煤体内渗透，故而每个钻孔不能一次性完成注水作业，即设置一个钻孔在进行注水作业时，其他已注水钻孔有时间向煤体内渗透[7-8]。在每个注水孔中,均安装电磁阀压力传感器和流量传感器。设置单孔注水流量达到2.4 m3/h时，持续进行10 min的注水作业，即可关闭该钻孔的注水作业。另外当注水钻孔达到设置压力和设定注水量时，可提前结束，进行下一个钻孔的注水作业，如此循环布置直至工作面内的钻孔均注水完毕，具体煤层注水方式如图3所示。

图3 煤层注水方式示意

3 煤层注水效果分析

3.1 降尘效果分析

12504工作面在进行注水作业时，通过注水钻孔中的各项流量监测器能够得出注水过程中各个注水钻孔的参数，现选择回风巷距离工作面60～120 m位置处的6个注水钻孔进行具体分析，具体注水钻孔的各项参数如表1所示。

表1 煤层注水参数记录

现为有效分析12504工作面采用注水方案的应用效果，特在工作面煤层注水前后分别进行工作面各区域呼尘浓度和全尘浓度的对比分析。现具体以12504机组后、采煤机司机处、支架司机处和工作面回风处的粉尘浓度数据进行具体分析，煤层注水作业分两次进行，分别在7月15日和7月28日，7月28日注水结束后即代表着注水作业的完成，具体工作面煤层注水前后呼尘和全尘浓度对比如图4所示。

分析图4可知，工作面在第一次注水后全尘浓度和呼尘浓度均大幅下降，在煤层钻孔第二次注水作业结束后，相较于工作面未采用注水方案时，工作面全尘浓度和呼尘浓度分别下降26.78%和24.00%，达到了预想目标。采煤机和液压支架喷雾降尘系统能够进一步降低全尘和粉尘的浓度，工作面的回采作业环境会得到大幅改善。据此分析可知，12504工作面煤层注水方案实施效果良好，能够有效降低工作面的粉尘浓度。

图4 工作面注水前后粉尘浓度对比

3.2 煤层水份增量分析

为进一步分析煤层注水方案实施后的效果，现通过测定煤层注水前后煤体内的水分增量来间接反映注水降尘效果。为方便分析作业，分别从工作面5号、25号、45号、65号、85号和105号液压支架处分别取若干煤块，在工作面注水前后分别进行煤样含水量的测试分析，测试结果如表2所示。

分析表2可知，12504工作面煤层注水方案实施后，工作面内煤层的水分增量基本大于1%，水分增幅达到了预期效果。

4 结 语

根据12504工作面的赋存特征，结合煤层注水降尘理论，具体进行煤层注水降尘方案的设计，降尘方案中设计的主要参数包括注水钻孔布置方式、单孔注水量、注水压力及注水施工工艺流程，通过注水方案实施前后工作面粉尘浓度对比分析及煤体水分增量数据可知，注水方案实施后，煤体内水分增幅大于1%，降尘效果显著。