15201 工作面煤層注水降塵優(yōu)化研究

蕭煜宏 孫 亮

（1.山西馬堡煤業(yè)有限公司，山西 長治 046300； 2.煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122； 3.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室，遼寧 撫順 113122）

1 煤層注水原理

按照綜采工作面煤塵產(chǎn)生的方式，將其劃分為兩種：原生煤塵和生產(chǎn)煤塵。煤層注水可在煤塵來源上入手降低工作面回采時產(chǎn)生的原生煤塵和生產(chǎn)煤塵，充分改善工作面作業(yè)環(huán)境。在加壓泵的作用下，水注入煤體中，首先濕潤煤體中的原生煤塵，產(chǎn)生顆粒比較大的煤塵，使煤塵在工作面回采時難以飄散至作業(yè)空間中，減少塵源的產(chǎn)生；其次是降低煤體的脆性和強(qiáng)度，提高煤體塑性，在工作面回采時將煤體從脆性破碎轉(zhuǎn)化為塑性變形，消除煤塵。且因注水后提高了煤體的含水率，割煤時形成的煤塵被充分潤濕，難以飛揚(yáng)至作業(yè)空間中，在源頭上消除煤塵。

2 工作面概況

15201 綜采工作面所采煤層為15#煤層，位于152 采區(qū)東部。工作面北東側(cè)臨近該礦井田邊界煤柱，與福達(dá)煤業(yè)井田邊界相鄰；東南、西北側(cè)均為實體煤；西南側(cè)與152 采區(qū)膠帶、軌道、回風(fēng)下山相連。其所處水平為+900 m 水平，隸屬152 采區(qū)，可采推進(jìn)長度為1123 m，工作面長度為220 m，面積247 060 m2，

15#煤層結(jié)構(gòu)簡單，煤層厚度4.45～5.3 m，煤層厚度平均5.2 m，煤層傾角平均為14°，可采性指數(shù)km=1，變異系數(shù)為6.4%。煤層頂板為細(xì)砂巖、粉砂質(zhì)泥巖，底板為泥巖、鋁土質(zhì)泥巖。15201 綜采工作面基本為一單斜構(gòu)造，煤層賦存較穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)單一，含1 層夾矸，屬全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。工作面采用單一走向長壁采煤法，一次性采全高，采高5.2 m，每天3 個循環(huán)，循環(huán)進(jìn)度為0.8 m。

該工作面設(shè)計注水方案是靜壓方式單向鉆孔，設(shè)置注水壓力為2.5 MPa，鉆孔長度為180 m，封孔長度為4 m，鉆孔直徑為50 mm，鉆孔間距為20 m。注水鉆孔布置如圖1 所示。實施此注水方案以后，經(jīng)過測試煤體全水分平均僅為3.14%，工作面割煤時全塵降塵效率僅為32.1%，注水效果不佳。

綜合煤樣參數(shù)，測試結(jié)果符合可注水煤層的四個條件：全水分2.23%≤4%，總孔隙率5.49%≥4%，普氏系數(shù)1.3≥0.4，自然飽和吸水率為2.79%≥1%，判斷該煤層能夠進(jìn)行注水潤濕，所以在15201 工作面實施煤層注水是完全可以的。

圖1 煤層注水示意圖

3 優(yōu)化煤層注水方案

3.1 加入潤濕劑

因15201 綜采工作面煤樣具有孔隙率小、自然飽和吸水率低的缺點(diǎn)，決定通過加入潤濕劑溶液來強(qiáng)化注水效果，同時對純水和濃度為0.05%的潤濕劑溶液如何影響煤樣的接觸角和煤樣的含水率進(jìn)行測定。

3.1.1 測定煤樣的接觸角

煤樣的潤濕過程主要為煤樣表面液相取代氣相的過程。根據(jù)學(xué)者T.Young 科研成果，通過力學(xué)平衡條件推導(dǎo)得出楊氏潤濕方程：

式中：

θ-煤樣的接觸角；

σsg-固氣表面張力；

σsl-固液表面張力；

σlg-液氣表面張力。

測定發(fā)現(xiàn)，液滴與煤樣表面接觸以后，起初純水與煤樣的接觸角平均為65.9°，如圖2（a）所示，經(jīng)過5 s 以后接觸角基本未發(fā)生變化。因為15201綜采工作面水與煤樣的接觸角超過40°，證明水對煤體的潤濕性比較差；但起初時0.05%潤濕劑溶液與煤樣的接觸角平均為29.3°，如圖2（b）所示，且短短5 s 就擴(kuò)展平鋪，證明加入潤濕劑能增加煤體的潤濕性，減小液體與煤表面之間的張力，縮小接觸角。所以在15201 綜采工作面開展煤層注水過程中加入潤濕劑，能提高煤體的潤濕性。

圖2 純水和0.05%的潤濕劑溶液對煤樣接觸角的影響

3.1.2 自然吸濕曲線

煤樣在純水中和濃度為0.05%的潤濕劑溶液中的吸水率變化規(guī)律如圖3 所示。

圖3 煤樣的自然吸濕曲線

從圖3 發(fā)現(xiàn)，在20 h 內(nèi)煤樣的吸水率隨著時間升高很快，然而伴隨時間的推移，煤樣的吸水率開始減緩；在40 h 以后煤樣的吸水率趨于平緩，基本不再增加。通過計算擬合得到煤樣的自然吸濕方程，可發(fā)現(xiàn)煤樣的吸水率與時間的對數(shù)二者之間具有明顯的線性關(guān)系，如圖4 所示。

自然吸濕方程為

在純水中：

ω=0.585 5lgt+0.743 8，R2=0.984 5

在0.05%潤濕劑溶液中：

ω=1.034 9lgt+ 0.602 5，R2=0.979 1

式中：

ω-煤樣吸水率，%；

t-時間，h；

R-線性相關(guān)系數(shù)。

根據(jù)以上方程得到煤樣的吸水率伴隨時間的推移在下降，當(dāng)時間越長，煤體吸水的程度逐漸趨于飽和狀態(tài)。原因是在煤層注水時，煤體中同時存在著三種運(yùn)動：滲流、毛細(xì)和擴(kuò)散，但在注水的不同階段，所發(fā)揮的作用也不一樣。

圖4 煤樣的吸水率與時間的對數(shù)的關(guān)系

另外對比分析圖4 中的兩條吸濕曲線，獲得在潤濕劑溶液中的煤樣，其吸水率顯著超過純水中。在潤濕劑溶液中煤樣形成飽和吸濕狀態(tài)需要40 h，飽和吸水率為4.26%，但在純水中煤樣形成飽和吸濕狀態(tài)需要30 h，飽和吸水率為2.81%。

3.2 注水孔間距

在15201 工作面原煤層注水設(shè)計中，將煤層注水鉆孔的間距設(shè)計為20 m。為了有效提高煤層注水效果，同時使用潤濕劑，把煤層注水鉆孔的間距從20 m 減小到15 m，且實施雙向注水。

3.3 注水壓力

15201 工作面煤層埋深為1000 m，測得工作面前方的地應(yīng)力值是20.5 MPa。煤層注水壓力和煤層埋深的經(jīng)驗公式如下：

式中：

P0-煤層注水的最小壓力，MPa；

H-煤層埋深，m。

從式（2）獲得，理論計算得到煤層注水最小水壓是10.4 MPa，同時最大水壓不能大于覆巖的壓力。但在原注水設(shè)計里煤層注水的壓力是2.5 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論計算值，這也是導(dǎo)致之前煤層注水效果不理想的原因。通過增設(shè)加壓泵，改靜壓注水為動壓注水。由于煤體裂隙發(fā)育的不平均，煤層注水水壓逐漸升高，最終注水壓力保持在10～12 MPa 范圍內(nèi)。

3.4 封孔長度

15201 綜采工作面原煤層注水設(shè)計方案中封孔長度為4 m，封孔器采用高壓膠管封孔器。為了確保注水效果，將封孔器的長度增加。依據(jù)鉆屑量法現(xiàn)場實測出15201工作面煤體松動帶的范圍是9.1 m。因此把封孔器的長度延長到10 m，達(dá)到煤體的松動帶被全部密封的目的。

4 現(xiàn)場試驗煤層注水效果

4.1 潤濕效果

實施優(yōu)化后的注水方案2 d 以后，也就是盡量使煤層達(dá)到飽和潤濕，開始在工作面材料巷兩個注水鉆孔區(qū)域等間距施工4 個采樣孔，一共施工兩組。優(yōu)化注水方案后注水采樣點(diǎn)設(shè)置如圖5 所示。設(shè)計采樣孔長度16 m，每個采樣孔間隔2 m 設(shè)置1 個采樣點(diǎn)。注水后測定煤樣全水分情況見表1。因為表內(nèi)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)非均勻分布，通過Cline-Renka 二維三角剖分算法開始插值處理，同時繪制出煤體注水后全水分分布圖，如圖6 所示。從圖6 發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化注水方案實施以后，煤體水分不均勻分布。在橫向方向上，距離注水孔越近的區(qū)域，煤體含水率越高，而離注水孔越遠(yuǎn)的區(qū)域，注水效果越差。在離注水孔8 m 的位置，煤體的含水率升高速度變緩。在縱向方向上，即使煤層注水鉆孔的封孔長度達(dá)到10 m，但孔內(nèi)水仍然通過封孔器10 m 長的煤體裂隙滲透到巷道壁周圍的煤體。

圖5 優(yōu)化注水方案后注水采樣點(diǎn)設(shè)置

表1 優(yōu)化注水全水分測定

圖6 優(yōu)化方案后潤濕效果

根據(jù)原方案實施注水以后，處于兩個注水孔影響范圍的煤體平均全水分3.09%，潤濕半徑4.5 m。根據(jù)優(yōu)化后的煤層注水方案實施后，在采樣孔①至④號這段煤體平均全水分高達(dá)5.37%，與原方案相比煤體全水分升高2.28%；優(yōu)化后的注水方案潤濕半徑高達(dá)8 m，與原方案相比潤濕半徑提高了3.5 m。所以優(yōu)化煤層注水方案后，明顯提高了潤濕效果。

4.2 降塵效果

實施煤層注水優(yōu)化方案后，順風(fēng)割煤和移架時產(chǎn)塵量明顯減少。具體效果是順風(fēng)割煤時15201工作面的最大全塵質(zhì)量濃度為391.7 mg/m3，而優(yōu)化前為559.6 mg/m3，全塵降塵效率增加26.38%，呼塵降塵效率增加27.16%；在推移液壓支架時，最大全塵質(zhì)量濃度為409.6 mg/m3，而優(yōu)化前為631.8 mg/m3，全塵降塵效率增加24.13%，呼塵降塵效率增加26.15%。表明在15201 綜采工作面實施煤層注水優(yōu)化方案后，降塵效果得到顯著提升，工作面環(huán)境明顯改善。

5 結(jié) 論

（1）通過加入密度是0.05%的潤濕劑溶液，同時優(yōu)化了注水設(shè)計，將注水壓力、鉆孔間距和封孔長度調(diào)整至10～12 MPa、15 m 和10 m，搜集煤樣借助Cline-Renka 插值法獲得煤樣的全水分分布規(guī)律，最終發(fā)現(xiàn)注水范圍內(nèi)煤樣的全水分提高2.28%，潤濕半徑提高了3.5 m，潤濕效果得到顯著改善。

（2）對比優(yōu)化前后的注水方案，在割煤時，工作面的全塵除塵效率增大26.38%，呼塵的除塵效率增大27.16%；推移液壓支架時，工作面的全塵除塵效率增大24.13%，呼塵的除塵效率增大26.15%。現(xiàn)場測試結(jié)果證明優(yōu)化后方案具有良好的除塵效果，工作面的作業(yè)環(huán)境得到明顯改善，確保了職工的人身健康。