基于改進(jìn)滲透劑提升煤層注水效果分析及試驗(yàn)研究

李樂成

（山東能源臨沂礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山東 臨沂 216017）

臨礦集團(tuán)田莊煤礦采煤機(jī)械化程度較高，采動(dòng)過程中綜采工作面粉塵含量較大，污染嚴(yán)重，危及工作人員職業(yè)健康，甚至?xí)蟹蹓m爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重制約了田莊煤礦的高效生產(chǎn)[1]。田莊煤礦煤層含揮發(fā)組分加高，普通注水劑提升潤濕效果較差。基于不同表面活性劑對煤體潤濕結(jié)果[2]，提出了改進(jìn)滲透劑試劑配比的新思路，通過改進(jìn)潤濕添加劑配比，結(jié)合現(xiàn)場應(yīng)用測試，為煤層注水添加劑配比提供實(shí)踐基礎(chǔ)和案例借鑒。在試驗(yàn)之前，經(jīng)研究所、高校及廠家對可行性方案進(jìn)行探討，根據(jù)測試煤層的生產(chǎn)工藝特點(diǎn)結(jié)合煤體微觀理化特性，確定試驗(yàn)流程。

1 工程背景

臨礦集團(tuán)田莊煤礦17 煤距上煤6 m 左右，距下煤距離為3.2 m 左右，是太原組下部主要含煤段。17 煤含能較高，外表光亮，煤層形成穩(wěn)定，厚度約為0.95 m，經(jīng)測試煤體孔隙率φ為0.16，水溶液黏滯系數(shù)μw為1. 018 MPa·s，氣黏滯系數(shù)μg為0.19 MPa·s，煤質(zhì)硬度系數(shù)為2.6～3.4。

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)區(qū)域?yàn)?701 工作面回風(fēng)巷，試驗(yàn)工序主要分五個(gè)步驟：打鉆、（裝棒）、封孔、注水、取樣、測試。滲透棒的用量為25 根/孔，使用深度為15 m。本試驗(yàn)注水參數(shù)具體為：打孔深度80 m，封孔器封孔深度10 m，注水管壓力1.2～3 MPa，管口流量為1.0～1.5 m3/h，向試驗(yàn)煤層注水量0.02～0.03 m3/t，注水時(shí)長為15～30 h。

鉆孔設(shè)備為巖石軌道鉆機(jī)，鉆桿直徑75 mm，鉆孔距底板垂直距離1.0 m，與底板呈5°～15°仰角。打鉆時(shí)沿順風(fēng)方向?qū)︺@孔依次進(jìn)行排序標(biāo)記，分別為1～10 號(hào)。按照制定方案選擇3 個(gè)注水測試鉆孔，1 號(hào)為普通注水鉆孔，2 號(hào)為使用普通滲透劑注水鉆孔，3 號(hào)為使用改進(jìn)滲透劑配比后注水鉆孔。工作面開采速度約為5 m/d。為了保證潤濕煤層能有效銜接，沿順風(fēng)向距綜采工作面32 m 處打1號(hào)注水鉆孔，2 號(hào)和3 號(hào)注水鉆孔的位置根據(jù)1 號(hào)注水孔潤濕效果另行調(diào)整。

普通滲透劑中的潤濕劑主要為十二烷基磺酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉等有效降低水表面張力的活性劑，裝填在長600 mm、直徑44 mm 的滲透棒中。鑒于不同表面活性劑潤濕煤體接觸角測試結(jié)果，對滲透棒配比進(jìn)行了改進(jìn)，即減少了十二烷基磺酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉的用量，添加了十二烷基硫酸鈉、十二烷基二甲基甜菜堿。改進(jìn)后的滲透棒乳化煤油能力增強(qiáng)，較普通滲透棒降低水體表面性能較低。打鉆后按照滲透棒使用順序裝填潤濕劑，對于改進(jìn)配比的潤濕劑，十二烷基硫酸鈉、十二烷基二甲基甜菜堿等乳化性強(qiáng)的活性劑位于滲透棒前端，增潤型活性劑位于后端。裝填結(jié)束后，用封孔器對鉆眼封堵，使注入的水不能從孔口及附近的裂隙流出，直至注水作業(yè)結(jié)束。滲透棒填裝如圖1。

圖1 滲透棒填裝

2.2 注水效果分析

為保證測試精準(zhǔn)度，本試驗(yàn)選擇受采煤影響較低的內(nèi)部原始煤樣，在井下將煤破碎為小于5 mm的小碎塊，用采樣杯將煤樣密封編號(hào)，按照全水分含量測試標(biāo)準(zhǔn)對煤樣進(jìn)行測試。由潤濕效果來看，煤體全水分含量為1%以上時(shí)，注水防塵效果較好，所以以注水鉆孔為中心向周邊延伸，煤體全水分含量在1%以上為有效潤濕區(qū)域，在1%以下為非潤濕區(qū)域，交接處為潤濕臨界線。

（1）普通注水。圖2 為不采取額外措施的注水方案。按照方案要求，在打鉆時(shí)按照方案深度收集鉆屑，在實(shí)驗(yàn)室測定煤樣原始水分。注水工作結(jié)束后，在注水孔周邊打測試鉆孔，打孔時(shí)按一定深度（2 m、4 m 和6 m）收集鉆屑，在實(shí)驗(yàn)室中用空氣干燥法測試煤樣全水分含量。

圖2 普通注水潤濕半徑測試方案

圖3 為普通注水孔前后不同位置煤樣水分增加量實(shí)測結(jié)果。從測試結(jié)果可以看出，以注水孔為中心，兩側(cè)煤體水分增量呈對稱分布。在6 m 范圍內(nèi)煤體水分增量均在1%以上，是為有效潤濕區(qū)域；在6～8 m 范圍內(nèi)，煤體水分增量在臨界線上下浮動(dòng)，是潤濕-非潤濕交錯(cuò)區(qū)域。不完全對稱的原因可能是煤質(zhì)自身或地質(zhì)結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致。從試驗(yàn)的結(jié)果來看，普通注水的潤濕半徑約為6～8 m。

圖3 1 號(hào)注水孔全水分增量曲線

（2）普通滲透劑及改進(jìn)滲透劑煤層注水。根據(jù)普通注水不同位置煤樣水分增加量實(shí)測結(jié)果及潤濕半徑，設(shè)計(jì)相應(yīng)的注水試驗(yàn)方案如圖4。

圖4 填裝滲透棒和改進(jìn)滲透棒注水潤濕半徑測試方案

基于上節(jié)的試驗(yàn)結(jié)果，為降低采煤工作對注水效果的影響，減少試驗(yàn)工作量，布孔方案為：沿順風(fēng)向距1 號(hào)注水孔20 m 處打2 號(hào)注水孔，并在2號(hào)注水孔下風(fēng)向10 m、15 m 處分別打測試鉆孔，根據(jù)2 號(hào)注水鉆孔潤濕測試結(jié)果在2 號(hào)注水孔下風(fēng)向30 m 處打3 號(hào)注水鉆孔。

在打鉆時(shí)對煤體水分增量進(jìn)行測試，作為2 號(hào)注水孔的測試孔，3 號(hào)注水鉆孔使用改進(jìn)滲透棒注水。參照注2 號(hào)水孔注水潤濕范圍，在3 號(hào)注水孔順風(fēng)側(cè)25 m、30 m、32.5 m 和35 m 處布置4 個(gè)測試鉆孔。圖5 和圖6 為2 號(hào)和3 號(hào)注水鉆孔煤樣全水分增量值。

圖5 2 號(hào)注水孔全水分增量曲線

圖6 3 號(hào)注水孔全水分增量曲線

從圖5 和圖6 中各測試鉆孔測得煤樣水分含量可知：（1）2 號(hào)注水孔兩側(cè)20 m 范圍內(nèi)的煤體全水分增量均大于3%，為有效潤濕區(qū)域。（2）通過進(jìn)一步試驗(yàn)（3 號(hào)注水孔）發(fā)現(xiàn)，距離注水孔25 m、30 m、32.5 m 和35 m 處，煤體全水分增量分別為2.56%、1.81%、0.85%、0.68%，實(shí)測結(jié)果顯示改進(jìn)滲透棒潤濕劑注水后的煤體潤濕半徑提升至30～32.5 m，由于不同煤層有一定差異性及現(xiàn)場各種不確定性，煤層潤濕半徑至少為25 m 以上。改進(jìn)滲透棒潤濕劑注水效果更好，可以減少工作面注水鉆孔數(shù)量50%以上，大幅度增加潤濕面積。

3 結(jié) 論

改進(jìn)配比后的滲透棒注水效果更好，距離注水孔 25 m、30 m、32. 5 m 和35 m 處的煤體全水分增量分別為2.96%、1.83%、0.96%、0.65%，潤濕半徑保守估計(jì)為25 m 左右，說明改進(jìn)后的滲透棒注水效果更佳，煤體潤濕范圍進(jìn)一步提高。分析原因應(yīng)該是乳化性能強(qiáng)的活性劑能分解乳化煤體有機(jī)質(zhì)，促進(jìn)煤體開裂，提高滲透性。與普通注水煤體潤濕半徑只有6～8 m 相比，使用普通和改進(jìn)后滲透棒注水潤濕半徑提高2～3 倍，改進(jìn)滲透劑配比后的滲透棒潤濕效果更好，可以進(jìn)一步提升煤層預(yù)潤濕范圍，降低注水成本，應(yīng)用效果較好。