综采工作面塑性区钻孔注水降尘技术试验研究

朱成坦

（关岭布依族苗族自治县应急管理局，贵州 安顺 561300）

0 引 言

煤炭在我国能源消费总量中占到60%以上，同时还是重要的化工生产原料[1-2]。大部分矿井使用综采工艺，在截割头喷洒泡沫进行降尘，同时在支架间喷洒水雾降尘，虽起到了一定效果，对于呼吸性粉尘减少，远远不能满足现场使用要求[3-6]。工人在高浓度粉尘的环境下作业，增加患尘肺病危险，还增加粉尘爆炸的风险。据不完全统计，每年因接触粉尘，全国患病人数达到30 000人，同时高浓度粉尘接触到明火，易引发粉尘爆炸和火灾等重大事故[7-9]。

煤层注水是现今矿井防尘技术中抑制粉尘产生量最有效的治理手段。通过在煤体中进行煤层注水增加煤体水分含量，可明显减少煤层开采时的粉尘产尘量[10-14]。

1 工程概况

贵州土城矿13163工作面开采16号煤层，经鉴定，该煤层具有煤尘爆炸危险性，该煤层平均厚度3.2 m，平均倾角17°，原生水分为1.65%，坚固性系数为3.2，煤层结构简单。该采面采用走向长壁后退式综合机械化采煤，设计走向长度968 m，倾向长度168 m，采高3.2 m。顶板为粉砂岩、细砂岩、砂质泥岩，底板为泥岩，细砂岩。在13163两巷施工顺层长钻孔预抽煤层瓦斯。13163采面试采期间测定，一个圆班割煤过程中，13163回风巷中全尘浓度达到401 mg/m3，呼吸性粉尘浓度达231 mg/m3，远远超过了煤尘爆炸的临界浓度。

2 注水降尘机理

2.1 粉尘来源

采面回风流中的粉尘主要由原生粉尘及次生粉尘组成。原生粉尘来源为煤层层理、节理中包含的粉尘，经截割暴露在风流中；次生粉尘为采煤机截割过程截割头与煤层摩擦产生，部分为移架过程中架间掉落的粉尘，其他为被风流扬起的粉尘。

2.2 降尘机理

采煤工作面向前推进过程中，在超前支撑压力作用下，部分煤体发生弹塑性变形，存在一定范围内的塑性区。塑性区内产生大量裂隙，在采煤机截割及液压支架升降扰动作用下，塑性区内裂隙发育，通过向采面前方瓦斯预抽钻孔注入压力水，使注入塑性区中的水沿着裂隙渗透并储存于煤块裂隙与空隙之中，同时依靠水的压力进一步扩大塑性区内的裂隙，压力水在煤体裂隙中的渗透、分子扩散运动，增加煤体的水分。水的湿润作用使煤体塑性增强，脆性减弱，当煤体受采煤机截割作用时，易产生大块掉落，大量减少与煤体摩擦产生粉尘的可能性，降低了煤尘的产生量。

3 煤层注水参数选择

3.1 注水孔位置

13163工作面上下两巷中均布置本层孔进行抽采瓦斯，钻孔设计深度75 m，间距3 m，孔径80 mm，距离煤层地板1.3 m开孔，采用“两堵一注”工艺进行封孔，两端使用聚氨酯材料进行封堵，中部注入高水材料，注浆长度15 m。煤体前方塑性区内裂隙发育，一定范围内的钻孔失去预抽瓦斯能力，将此钻孔选择作为注水孔。

3.2 注水孔个数

根据已采13161工作面经验判断，塑性区范围是从煤壁往前19~25 m，瓦斯抽采钻孔间距为3 m，选择13163回采工作面回风巷中距离采煤工作面最近的6个钻孔作为注水孔，同时距离采煤工作面3 m范围以内的钻孔不作为注水孔，不连接注水系统，进风巷内的瓦斯抽钻孔封堵。

3.3 注水压力及时间

根据试采期间钻孔注水压力测试，当注水孔压力超过12 MPa时，钻孔封堵段渗水，分别选择2、4、6、8 MPa不同压力下的降尘效果，当注水孔压力达到设定注水压力或者注水时间超过30 min时，停止注水。

3.4 注水泵选择

使用移动式5BZ-33/15煤层注水泵，工作压力15 MPa，公称流量为5 m3/h。注水过程中，每3 h进行补液，保证注水压力。

3.5 注水工艺

采用动压注水系统，用高压胶管将每6个钻孔的供水管路连接起来，实行多孔同时注水。

4 现场应用效果分析

在采煤工作面回风巷上端头设置粉尘采样点，测定全尘浓度及呼吸性粉尘浓度，分别在采煤机距离采样点30、60、90、120、150 m处测定。每个圆班割2刀煤，每割1刀煤采样1次，分别测全尘浓度及呼吸性粉尘浓度，每次将采样点的平均值作为相应的粉尘浓度。每个圆班作为1个采样周期。将测点处粉尘采样后数据处理见表1。不同注水压力下测点粉尘浓度如图1所示。

图1 不同注水压力下测点粉尘浓度Fig.1 Dust concentration diagram of measuring points under different water injection pressures

表1 不同方案下圆班中采样点处的粉尘浓度Table 1 Dust concentration at sampling points in different schemes

从图1中看出，同一种压力注水条件下，随着采煤机远离测点位置，粉尘浓度均呈现下降趋势，采煤机截割过程中，扬起的粉尘颗粒部分因为颗粒重量较大沉降，部分颗粒则被采煤机喷射的泡沫捕捉沉降，距离测点位置越远，粉尘沉降效果越明显；注水压力越大，粉尘浓度降低效果越明显，当注水压力达到6 MPa时，测点处风流中的平均全尘浓度与呼吸性粉尘浓度分别下降56.1%和53.1%，注水压力达到8 MPa时，测点处风流中的平均全尘浓度及呼吸性粉尘浓度分别下降60.1%及60.2%，与注水压力为6 MPa时相比，平均全尘浓度与呼吸性粉尘浓度下降程度分别提高4.0%及7.1%，粉尘浓度下降不明显，同时增加破碎煤炭中水量，恶化底板。将注水压力6 MPa作为该工作面开采条件下的降尘效果及经济成本最优的注水压力。

5 结 论

（1）突出煤层工作面塑性区范围内利用现有瓦斯抽采钻孔进行动压注水降尘，工艺操作简单，成本低，可大幅减少注水钻孔施工量。

（2）同一种注水压力条件下，回风流中的平均全尘浓度及呼吸性粉尘浓度，均随着采煤机远离测点位置而降低。

（3）注水压力为6 MPa时，为该工作面开采条件下降尘效果与经济成本最优。

（4）煤层注水可显著降低煤体硬度，大幅度减少煤尘产生，降低回风流中的粉尘浓度。