泰山隆安煤矿综采工作面高压注水防尘技术应用
田 野
（晋能控股煤业集团泰山隆安煤矿，山西 保德 036600）
我国是当今世界最大的能源消费国，达到世界能源消费总量1/5 以上，而在能源消费结构中，煤炭消耗仍然占据着主导地位。煤尘是煤炭开采过程中主要危害源之一，其产生原因主要是由于煤层大型煤块破碎过程中截割煤体应力集中点，造成破碎小型煤块，从而产生粉尘，其存在过程包括采煤机采煤作业过程、煤炭转载运输过程、工作面支护过程等，其中以采煤机产生煤尘为主要组成部分，达总尘量70%以上。煤尘危害包括多方面影响，如严重危害人员健康、矿山正常生产和安全高效开采、增加矿山机械磨损等，而对人员健康和生产安全造成危害，尤为突出。
国外以采煤工业为主要产业的国家，如美国、英国、德国等，在完善的粉尘监测管理立法上，采用泡沫除尘、负压滚筒吸尘、湿式除尘机等技术除尘，效果良好[1]。国内除尘技术主要以国外技术为基础，依据我国煤层赋存特征，不断创新改进，以满足现场工作面实际防尘要求，达到安全高效开采水准[2]。经多位学者进行大量实验研究[3]，我国防尘技术迅猛发展，已达到国际领先水平，并广泛应用在煤矿粉尘防治工作中，主要包括设备除尘、通风除尘、化学制剂除尘等技术，在实际防尘措施中起到了非常重要作用，但各项现场应用技术都有各自优缺点，不能完美实现成本、工艺和效率上的统一，每项技术仍存在一定不足，亟待改进优化。
泰山隆安煤矿11303 工作面开采11 号煤层，煤层平均厚度为2.2 m，平均煤层倾角2°～8°，工作面走向长度为1 068 m，倾斜长度237.8 m。煤层顶板岩层主要为泥岩和砂质泥岩，底板为泥岩，煤层赋存比较稳定。工作面的瓦斯绝对涌出量为0.3 m3/min，相对涌出量为0.5 m3/t，煤尘含量高，爆炸指数高达32.04 %，属于有爆炸危险性煤层，自燃倾向性为自燃，自燃等级划分为Ⅱ级，为优化回采工作面环境，加强工作面开采安全系数，采取注水降尘措施，以降低工作面的煤尘浓度，直至达到规定安全范围，杜绝煤尘对人员健康造成危害，实现科学性、系统性、高效性、安全性为一体的综合防尘系统，为形成完整防尘技术体系提供理论依据。
回采作业过程中煤尘产生的主要原因是采煤机在割煤过程中，截割头与煤体相互作用，在煤体破碎成散体碎块的同时产生煤尘，另外在装运及转载过程中，煤块间也会发生相互碰撞摩擦，从而进一步增加巷道煤尘的含量。随着机械化作业程度的不断发展，机械设备的发展趋势也逐渐趋向于巨型化发展，而附带产生的煤尘含量也急剧增加，煤尘含量增加到煤炭总含量的3%。依据《煤矿安全规程》规定，煤层含水量低于4 %时，应及时进行煤层注水，以满足预湿润要求，有效减少煤尘产生，优化工作环境，预防人员健康危害，并降低煤强度，提高采煤机械工作效率和使用寿命，从而降低开采成本。
煤体强度及脆性随注水水量增加而下降，采煤过程中煤尘产生率也随之下降，此过程中水分将煤体中原微小细尘粘结，使其成为具有一定粘性较大尘颗粒，丧失在空气中漂浮的能力，在重力作用下自由落地，从而优化工作面环境，提高采煤效率。目前国内对于降低煤尘浓度的技术措施主要还是以高压喷雾以及注水洒水为主，上述措施对于煤层内部的作用主要有以下几点：
1）原生煤尘达到湿润状态：煤体由整体破碎成煤块的过程中，煤块间赋存已久的原生煤尘被释放到空气中，以回采工作面为中心不断向外扩散。为降低原生煤尘的含量，可以通过向煤体裂隙实施预注水的技术方案，使得原生煤尘在被释放之前处于湿润状态，实现降尘的最终目的。
2）煤体内部破碎面基本被水吸附：在煤体裂隙中预注水方案实施后，媒体内所有裂隙和节理均已充满水分，在表面张力的作用下，毛细水扩展到1μm 以下的微孔隙，煤体破碎面基本被水全覆盖包裹，无细微粉尘产生。
3）改变煤体物理性状：煤体经过注水后，在水体的作用下，煤体会发生一系列物理性状的变化，如塑性指数、液性指数、脆性指数等，根据库仑定律原理，其内聚力和内摩擦角也呈降低趋势，煤体抗剪强度逐渐降低，塑性变形逐渐成为主要形变形式，煤体内部应力场由集中分布逐渐向分散分布转化，对煤体的局部破坏有一定改善作用，以达到预防浮尘从裂隙中喷发而出的效果。
4）后续降尘：煤体经过在工作面湿润之后，在后续的运输、提升、转运等工序中，煤尘始终处于粘滞状态，从而实现预防煤尘飞扬和扩散的效果。
动力水在煤体中运动形式的主要影响因素有煤体产状、煤层裂隙构造、毛细压力等[4]，当动力水自工作面注入煤层后，初期在水压力和煤层孔裂隙毛细作用影响下，只沿着煤层原始裂隙产生渗流，随着注水压力增加以及时间消耗增多，煤层原始孔裂隙不断扩展延伸直至贯通，最终形成贯通的渗流通道，沿裂隙发育不断发生渗流，在空间阻力和渗透力的作用下，动力水的总水头逐渐降低，压力也不断减少，煤层孔裂隙中水含量达到饱和状态，水对于煤层的湿润作用也随之减弱。动力水经过的区域，煤体呈现饱和状态，随着注浆钻孔的距离不断增大，煤体的湿润程度如图1 所示。
图1 煤体湿润区分布图
在注水水压处于初始阶段时，煤体湿润半径随注水压力增加而增大，湿润效果明显。当注水压力增加到一定值时，煤体湿润半径增大不再显著，说明此时注水压力对煤体湿润程度影响减弱，主要是由于煤体湿润程度达到饱和状态，从而判定注水压力的影响界定范围。
3.1 注水方案
依据供注水水压不同，现阶段注水方式主要分为静压、动压和脉冲式高压注水3 种，若要达到理想注水效果，使得注水作用得以最大限度发挥，应结合现场煤层需求，选择最适宜注水方式。基于注水降尘原理，并结合11303 工作面的特征，确定使用脉冲高压注水技术进行工作面降尘，脉冲高压注水技术方案的技术参数如下：
1）设备：根据回采工作面对于设备参数的要求，设计采用2BZ-40/12 型脉冲式煤层注水泵，该水泵为煤矿井下采煤系统高压注水专业设备，设备使用过程中注水流量与注水压力均为脉冲式，可满足井下煤层注水压力要求，设备主要结构组成见图2。
图2 2BZ-40/12 型脉冲式煤层注水泵原理示意图
2）注水钻孔：主要布置在工作面进风巷和回风巷的回采侧帮处，钻孔在距离煤层底板垂距为1.0 m的位置进行钻进，回风巷钻孔钻进方向与煤帮成8°俯角，进风巷钻孔钻进方向与煤帮成8°仰角，钻孔间距3 m，孔径0.94 m，钻进深度100 m，距离开切眼40 m 处开始打钻施工。将注水钻孔分为2 组，第1 组布置在运输巷，第2 组布置在回风巷，5 个钻孔为一组循环作业，具体布置形式如图3 所示。
图3 工作面注水钻孔布置平面图
3）封孔形式：为实现良好的注水降尘效果，保证动力水不溢出钻孔，采用FKT-65/5 型水泥砂浆封孔器进行密闭封孔操作，如图4 所示。为进一步防止水体外渗，必须使封孔长度保证在5 m 以上，方案设计为5.2 m，封口与端部处的0.2 m 范围内，使用棉纱封孔，最后进行注浆作业，注浆完成之后静待2 d，等水泥砂浆彻底凝固之后，进行注水作业。
图4 钻孔封孔示意图
4）注水压力：初始压力设置为8 MPa，随着注水深度的增加，注水压力也逐渐加大，保证水可以进入终孔内，为使终孔处煤体可以达到饱和状态，最后的压力要保持0.5 h。
5）技术标准的制定：依据相关降尘研究理论可知[5-6]，由于毛细水压力和阻力的作用，在注水作业完成之后，静待8 h 后，即使压力不减，随着时间的增加，动力水的扩散范围也会停滞增加，以修正系数1.1 为时间增加余量，设置注水时间为8.8 h。如果钻孔外壁出现水珠，可不考虑时间因素，认为注水效果已达到，可以结束注水作业。
注水初始阶段，由静水压将水缓慢压入煤层裂隙中，记录随时间水流量变化，若出现水流量减少趋势，可将注水压力增加，转为脉冲高压注水阶段。由于脉冲高压注水采用强度可控水锤，对煤层适应性强，易在现场施工。注水时采用周期性压力，使得煤层裂隙在膨胀-收缩的不断演变中逐渐贯通，煤层原始力学性质也发生了改变，塑性指数增加，致使裂隙进一步扩展，提高注水效率，工作面总体湿润速度得以有效控制，与工作面推进速度相适宜。另外，脉冲高压注水能够增加钻孔间预抽瓦斯浓度，大大提升瓦斯抽采的效率，使游离瓦斯得以有效释放，实现了预防瓦斯突出的作用，尤其是煤层裂隙收缩时，煤体湿润速度较均匀，待煤体湿润过后，煤体不仅强度得以降低，而且无煤尘冒出煤体，在保证煤体完整性基础上，让煤尘失去漂浮特性，实现良好降尘效果。
在注水完成后至回采工作开始前，应对钻孔压力进行全程监测，并详细记录，依据实时监测的数据分析煤层孔裂隙中动力水渗流过程，当压力出现异常时可进行调节，必要时可采取补注水措施，保证注水压力满足渗流要求。
3.2 注水应用分析
在脉冲高压注水技术实施前，对煤层各区域可注水性进行采样分析，测定试样初始含水量、孔隙率、硬度、吸水率等特性参量，根据各试样特性，并为验证11303 工作面的降尘效果，在工作面的回风巷、采煤机和支架的司机处、采煤机机组后各布置监测点，设置多组监测粉尘浓度措施，用来监测全尘和呼尘浓度在注水前后的分布数据变化情况，测定结果数据由直读式粉尘浓度测量仪获取，并经过降尘率计算公式计算得出。具体测定结果见表1。
由表1 可知，11303 工作面经过脉冲注水技术措施后，能够有效改善井下煤层粉尘过大而影响正常生产的问题，工作面各区域的全尘降尘率均在38%以上，呼尘降尘率也均达到42 %以上，总体降尘效果良好，其中回风巷处的降尘效果尤为显著，达到了预期降尘目标。
表1 11303 工作面注水前后粉尘浓度记录汇总表
11303 工作面通过对注水防尘技术措施应用，并结合合理钻孔施工工艺，将注水钻孔布置参数进一步优化，使其可行性最大限度提高，结合日常注水工艺实施过程中严格把控制度管理，对注水施工过程中任意突发意外能够及时进行处理，保障施工顺利进行，将人员工作安排合理，避免时间冲突与值班空档期，提高设备使用频率及施工效率，以及设备测定数据精准率，以最科学的数据，从技术上大大减少粉尘产生率，实现良好降尘效果。
1）通过分析煤层注水降尘的作用机理，得出原生煤尘、煤体内部破碎面及后续煤尘等不同溯源粉尘在注水后的物理状态。针对煤层埋藏条件，以及煤体力学性质变化，设计合理钻孔布置方案，为进一步防止水体外渗，将注水钻孔进行密闭封孔处理。
2）设置初始注水压力为8 MPa，为保证终孔处煤体可以达到饱和状态使水压保持0.5 h。通过对动力水在煤层中渗流状态分析得出动力水在裂隙中移动的规律，即当动力水自工作面注入煤层后，初期在水压力和煤层孔裂隙毛细作用影响下，只沿着煤层原始裂隙产生渗流，随着注水压力增加以及时间消耗增多，煤层原始孔裂隙不断扩展延伸直至贯通，最终形成贯通的渗流通道，沿裂隙发育不断发生渗流，在空间阻力和渗透力的作用下，动力水的总水头逐渐降低，压力也不断减少，煤层孔裂隙中水含量达到饱和状态，水对于煤层的湿润作用也随之减弱。
3）依据11303 工作面特征，采取脉冲注水技术对工作面进行降尘处理，通过对监测点在注水前后粉尘浓度的测定分析可知，工作面各区域的全尘降尘率均在38 % 以上，呼尘降尘率也均达到42 % 以上，结果表明降尘效果良好，达到预期降尘目标，可为相关煤矿采取防尘降尘措施提供理论参考。
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