掘进工作面分段封孔注水防尘技术的应用

成 晨

（霍州煤电集团金能煤业有限公司，山西 忻州 035100）

煤矿大断面煤巷综掘工作面的应力集中程度相对高于一般综掘工作面，其煤岩体较为破碎，在掘进割煤时产生的粉尘量更大，粉尘浓度也更高[1-2]。高浓度粉尘不仅影响施工效率，还会引起煤尘爆炸及工人尘肺病等问题，因此，如何有效防治掘进工作面粉尘是每个煤矿必须面对的问题。目前的综掘工作面主要防尘措施有长压短抽、机载高压喷雾、泡沫除尘等，但这些措施不能从源头上解决粉尘问题[3]。可采用煤层注水的方式，提前浸润煤体，降低煤体的脆性，从而降低掘进时产生的粉尘含量[4-5]。为此，金能煤业一采区回风上山综掘工作面开展了煤体分段封孔注水防尘技术研究。

1 工程背景

金能煤业一采区回风上山沿2#煤层底板掘进，煤层平均厚度9.8 m，煤层倾角7°～28°，平均12°，顶板为泥岩和砂质泥岩。具体顶底板结构见表1。

一采区回风上山施工长度为1306 m，设计断面为矩形，掘宽×掘高=5.44 m×4.12 m，为大断面煤巷。巷道采用综掘机沿煤层底板截割掘进，采用局扇压入式通风，最长供风距离为1610 m。目前的主要防尘措施为掘进面防尘净化水幕及各转载点安设喷雾，由于矿井水杂质较多且掘进面环境恶劣，导致防尘喷雾装置频繁堵塞，工作面粉尘浓度依旧较高，其中，85.5%的粉尘粒度小于50 μm，危害较大。

2 分段封孔注水降尘技术

2.1 注水系统

本次施工采用的注水系统主要分为高压泵送站、进水回水阀门、自动控制水箱、高压胶管及分段式封孔注水器等组件，其系统布置如图1。

图1 注水系统布置图

（1）高压泵站

本次施工采用的高压泵站包含水泵、水箱及开关控制柜等，不仅需满足煤层注水的用水需求，还需满足掘进面转载喷雾等用水需求。因此，要求高压泵站提供的用水量及水压应大于两者需求值的总和。原掘进面配套的BPW80/31.5 型高压泵的额定压力为31.5 MPa，额定流量为80 L/min，可以满足上述需求。

（2）管路系统

高压泵站一端连接矿井静水，一端通过内径为25 mm 的高压胶管至掘进工作面迎头，再通过变径直通连接内径为13 mm 的高压胶管，最终与分段式封孔注水器相连，实现高压注水。

（3）分段式封孔注水器

分段式封孔注水器主要由带孔钢套管、分段封孔器、高压胶管等组件构成，如图2。

图2 分段式封孔注水器结构示意图

该封孔注水器的外径为39 mm，所需的钻孔直径为50 mm，每段封孔器长度为5400 mm，共分为2 段，工作压力为6～19 MPa。

2.2 钻孔布置方式

在一采区回风上山巷道掘进面共布置4 个钻孔，其中1 个注水孔（1#孔），3 个采样孔（2～4#孔），4 个钻孔在同一水平线上，距巷道底板高度为1.5 m。其中，2#孔与1#孔间距为1.0 m，3#孔与1#孔间距为1.5 m，4#孔与1#孔间距为2.0 m。具体布置方式如图3。

图3 注水钻孔布置方式（m）

4 个钻孔孔径均为50 mm，孔深均为12 m，沿煤层倾向打孔。通过布置的钻孔进行煤层注水湿润半径试验，以此来确定煤层注水参数。

2.3 煤层注水参数分析

（1）注水量及注水时间与注水压力的关系

煤层注水效果主要受煤层赋存条件、注水压力等因素的影响，其中注水压力对于煤层注水效果起主要作用。因此，选择注水压力分别为10 MPa、12 MPa、14 MPa、16 MPa 进行注水效果试验，分析不同注水压力下的注水时间及注水量等参数。测试结果见表2。

由表2 可知，随着注水压力的增大，注水时间逐渐减小，而注水量呈逐渐增大的趋势。由于注水压力提高后，高压水流可以在更短时间内扩张并贯通煤体裂隙，使得煤体在短时间内也能够充满更多的水。为便于现场施工管理，不影响掘进速度，需在保证注水量的前提下，尽可能地缩短注水时间，因此，应选取较高的注水压力。

表2 不同注水压力条件下煤层注水参数

（2）注水压力与煤层湿润半径的关系

采用不同的注水压力对钻孔进行注水，并检测采样孔不同深度的煤体含水率，对比分析不同注水压力的煤层湿润半径，检测结果见表3 ～表6。

表3 16 MPa 注水压力下煤样湿润效果实测

表4 14 MPa 注水压力下煤样湿润效果实测

表5 12 MPa 注水压力下煤样湿润效果实测

表6 10 MPa 注水压力下煤样湿润效果实测

由检测结果可知，10 MPa 注水压力下的采样孔内的含水率增量小于1%，注水效果较差，其余注水压力条件下的孔内含水增量较大，注水效果较好。结合煤层条件分析得出：10 MPa 注水压力下的煤层湿润半径为0.4 m；12 MPa 注水压力下的煤层湿润半径为1.4 m；14 MPa 注水压力下的煤层湿润半径为1.6 m；16 MPa 注水压力下的煤层湿润半径为2.1 m。该条件下仅需在巷道中部施工1 个注水钻孔，就可以对整个断面的煤层进行湿润降尘。因此，综合考虑一采区回风上山掘进工作面的注水降尘最佳注水压力为16 MPa。

3 注水防尘效果分析

综合现场实际情况及研究结果，确定最佳煤层分段封孔注水防尘技术参数为：孔深为12 m，注水压力为16 MPa，注水时间为20 min，注水量为1200 L。

在一采区回风上山掘进工作面采用该分段封孔注水降尘技术后，采用粉尘采样仪对工作面掘进机司机位置、掘进机后方5 m 处的总粉尘、呼吸性粉尘的浓度变化进行监测，监测结果见表7。

表7 分段注水前后粉尘浓度监测结果

由表7 可以看出，采用分段封孔注水降尘技术后，一采区回风上山掘进面司机位置处的总粉尘及呼吸性粉尘浓度分别下降至653.7 mg/m3及234.1 mg/m3；掘进机后方5 m 处的总粉尘及呼吸性粉尘浓度分别下降至466.4 mg/m3及155.3 mg/m3；掘进工作面总粉尘的降尘率为62.3%～69.7%，呼吸性粉尘的降尘率为63.7%～68.9%。粉尘浓度大幅度降低，有效改善了掘进工作面的作业环境，保证矿井安全高效生产。

4 结论

（1）通过现场煤层注水效果试验，得出10～16 MPa 注水压力下的煤层湿润半径为0.4～2.1 m。

（2）综合考虑注水时间、注水量、煤层湿润半径等参数，结合现场实际条件，确定一采区回风上山掘进工作面的最佳注水压力为16 MPa，孔深为12 m，注水时间为20 min，注水量为1200 L。

（3）对一采区回风上山掘进工作面采用分段封孔注水降尘技术后，工作面总粉尘的降尘率为62.3%～69.7%，呼吸性粉尘的降尘率为63.7%～68.9%，有效降低了粉尘浓度。