综掘工作面高压注水防尘排挤瓦斯技术与实践

摘 要：针对石台矿II3119机巷综掘工作面瓦斯涌出量大，粉尘浓度高，工人劳动环境差的问题，采用高压注水综合防尘排挤瓦斯技术措施，注水压力8MPa，注水流量控制在0.07m3/min以上，注水时间20min。提高了工作面降尘效率，均衡了生产和检修期间工作面瓦斯涌出量，提高劳动效率和劳动环境质量。

关键词：综掘工作面；高压注水；粉尘防治；瓦斯防治

中图分类号：TD71 文献标识码：A

煤矿掘进工作面的产尘量在井下总产尘量中所占的比仅次于综采工作面，并且井巷的掘进又以其工序多，尘源分散、粉尘分散度高的特点，成为防尘的重点。煤层注水是矿井预防重大安全事故的综合性技术措施。

1 矿井概况

石台煤矿设计生产能力为60万吨/年，矿井原设计服务年限57年。2004年矿井生产能力核定为150万吨。2004年末工业储量为2853.3万吨，可采储量1332.5万吨。

2 高压注水防尘机理

高压注水技术的防尘机理与短孔煤层注水技术相似。通过钻孔向煤体注入高压水，使水渗入到煤体内部，增加煤体水份，在落煤时能有效降低其产尘的能力。其降尘机理如下：

（1）原生煤尘在煤体内得到润湿。在煤体内部的裂隙中，存在着原生煤尘，它们随煤体破碎而飞扬于巷道中。高压水进入煤体裂隙后，可将原生煤尘在煤体未破碎前预先润湿，使其失去飞扬的能力，从而有效地消除尘源。

（2）有效地包裹了煤体的每一个细小部分。水进入煤体裂隙、空隙和层理中，不仅在较大的构造裂隙、层理、节理中存在水，而且在极其微小的孔隙内部， 都有水的注入，这样就使整个煤体有效地被水包裹起来。有效预防浮游煤尘产生。

（3）改变了煤体的物理力学性质。水进入煤体后增强塑性，减弱脆性，改变了煤的物理力学性质。因而大量减少了煤体破碎为尘粒的可能性，降低了落煤时的煤尘量。

（4）使煤体变得松散和容易割落。是该高压注水技术区别于传统煤层注水的关键。通过其高压注水过程使工作面前方一定范围内的煤体得到压裂和破碎，并在水压的作用向煤壁方向产生一定的位移，从而使原来较坚硬的煤体结构变得松散，易被综掘机割落，降低了综掘机落煤时对煤体的破碎程度，从而也能有效地降低割煤时的产尘量。

（5）连续的防尘作用。落煤后煤体已被湿润，在装载、运输、提升到地面等过程中均具有一定的防尘作用。

3 高压注水排挤瓦斯机理

煤是一个多孔隙介质，瓦斯在煤层中的存在形态有两种：游离状态和吸附状态，其中以吸附状态存在的瓦斯约占煤层瓦斯含量的80%。煤层高压注水通过高压水的压裂作用使工作面前方的煤体产生一定程度的破裂松动和位移，煤体松动范围的增大，使原本处于集中应力区范围内煤体中的大部分吸附态瓦斯转化为游离状态，并通过水力压裂形成的裂隙通道迅速地涌出到采掘空间，这就是高压注水挤排瓦斯的基本机理。

若高压注水对煤体的压挤过程安排在工作面的检修班内，则会使检修班的瓦斯涌出量增大，瓦斯浓度提高。掘进工作面的瓦斯涌出主要来源于采落的煤炭和煤壁，则工作面的瓦斯涌出高峰是在综掘机割煤或放炮落煤工序。

总之，煤层高压注水的使用均化了综掘工作面的瓦斯涌出强度，降低了落煤时的瓦斯浓度，有利于解决工作面瓦斯经常超限的问题，这对于高瓦斯综掘工作面具有非常重要的意义。

4 高压注水应用实践

II3119机巷综掘工作面，煤层赋存较稳定，煤厚2.2～4.8m，平均厚4.01m，局部含一层夹矸，厚0.1～0.4m，平均0.2m；煤层顶部普遍受岩浆侵蚀，顶部为火成岩和天然焦，厚0.2～1.2m，平均0.6m。煤层倾角10～25°，平均18°。II3119机巷综掘工作面沿着向斜轴部掘进，构造带煤体瓦斯含量比较大，通过高压注水防尘，同时降低掘进期间的瓦斯涌出量，减少掘进工作面因瓦斯超限的断电次数的同时提高了工作面的劳动环境。

4.1 注水参数的选择

（1）注水孔位置

一般情况下在采高范围内的煤体不是一个均质体，而是由若干不同煤岩类型的自然小分层所组成，它们的裂隙率与孔隙率各不相同，高压注水时注水孔孔口位置应布置在较硬而致密的小分层理，这样在注水时就不会过早地破坏孔口发生泄水。

（2）注水孔深度

掘进工作面高压注水的注水钻孔的长度为：

L =（L循+L超）/

式中：L循―掘进工作面日循环进度，m；L超―超前注水有效深度，m；为钻孔仰角，为打钻及排钻屑方便选用向工作面前方的注水孔仰角为1～2°。

II3119机巷综掘工作面L循=9m，L超=1m，则可计算出L采=10m。

在实际的现场试验中，实际注水时钻孔长度为10～11m。

（3）注水孔间距

根据II3119机巷综掘工作面煤的特性，根据测得的湿润半径2.5m，并考虑定孔位的方便，充分湿润煤体，布孔方式采用五花眼布置。具体参照图1所示。

（4）注水压力、流量和时间

根据现场试验和注水效果考察，选择注水压力在5～8MPa，注水单孔流量在0.07m3/min以上。注水时间控制在20min注水效果最好，超过这个时间就容易片帮跑水，影响生产。

5 高压注水效果考察

对II3119机巷综掘工作面进行粉尘浓度测定，是在综掘机正常工作，综掘机内外喷雾开启，各工序正常运行的状态下在综掘机后测定5个测点所产生的粉尘，各测点注水前后粉尘浓度测定结果显示，注水后降尘效率在61.36～71.88%。

根据监控系统检测对注水前后工作面瓦斯浓度变化结果显示，在注水前工作面平均瓦斯浓度0.4%，绝对瓦斯涌出量1.52m3/min，注水后平均瓦斯浓度0.22%，绝对瓦斯涌出量0.83m3/min。排挤瓦斯效果明显均衡了瓦斯涌出。

结语

通过对对II3119机巷综掘工作面采用高压注水，降低了工作面粉尘浓度，提高了工作面的劳动环境质量，同时也排挤了工作面煤体的瓦斯，均化了瓦斯涌出量，减少了瓦斯浓度超限的可能性。提高了掘进速度和劳动效率，为石台矿综掘工作面综合防尘排挤瓦斯提供了宝贵的经验。

参考文献

[1] 张飞，郭文彬.煤体内裂隙对润湿性能差的煤层注水效果的影响[J].矿业安全与环保，2010，02：20-24.

[2]王佰顺，傅昆岚，胡祖祥.高瓦斯煤层掘进工作面水力压挤排挤瓦斯技术[J].煤体科学技术，2008，05：56-58.