煤層注水降塵關(guān)鍵參數(shù)影響規(guī)律研究

程根銀，侯佳音，司俊鴻，李 林

（華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 065201）

機械化開采技術(shù)在煤礦生產(chǎn)過程中的應(yīng)用趨于廣泛，由此也衍生出了更多的采煤工作面粉塵災(zāi)害問題。煤炭具有可燃性，溢出的煤塵具有爆炸性。煤塵爆炸事故與一定空間內(nèi)煤塵的濃度相關(guān)，降低煤層中煤塵的溢出量有助于排除煤塵爆炸的安全生產(chǎn)事故隱患，降低煤塵爆炸事故發(fā)生的可能性。采煤工作面粉塵濃度超標(biāo)不僅是粉塵爆炸的事故隱患，它還嚴重污染煤礦生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境，高濃度的粉塵危害煤礦工人的生命健康，提升患塵肺病，肺結(jié)核等肺部疾病的風(fēng)險[1-4]；同時也使作業(yè)人員在井下的工作過程中視線感官受阻，增加由于誤操作等人為因素引起的事故風(fēng)險。目前國內(nèi)外在礦井除塵領(lǐng)域普遍采用的方式可以分為干式除塵方法和濕式除塵方法2大類別，具體包括通風(fēng)除塵、除塵器除塵、煤層注水、噴霧降塵、化學(xué)抑塵和泡沫抑塵等[5]。通風(fēng)除塵是利用可控循環(huán)的風(fēng)流將粉塵約束在一定區(qū)域內(nèi)，再利用除塵風(fēng)機等設(shè)備將其消除，李學(xué)勇等[6-8]的研究表明這種方法雖然便于操作，成本不高，但是除塵效率較低，一般除塵效率不高于60%，達不到較好的除塵效果。相對來講，除塵器除塵的效率足夠高，但是其適用區(qū)域具有局限性，不適合應(yīng)用在礦井地下狹窄的空間。程衛(wèi)民、陳連軍等[9-11]指出噴霧降塵法的應(yīng)用范圍較廣，但由于煤塵親水性差，此方法對呼吸性粉塵的降塵效果不明顯，工況環(huán)境仍然惡化。王文婧[12]指出化學(xué)抑塵和泡沫抑塵的運行成本高，操作復(fù)雜，化學(xué)抑塵試劑可能會腐蝕損壞機械設(shè)備，而泡沫抑塵技術(shù)雖然最早起源于20世紀50年代的英國，但幾十年來，我國對于這一技術(shù)手段的研究進展并不明顯，在煤礦企業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的普及率和利用率也不高。煤層注水技術(shù)通過預(yù)先潤濕煤層可在開采前期提高煤層含水率，在開采時降低粉塵溢出量[13-14]。吳兵和于振江等人[15]指出煤層注水還可以改變煤巖體的物理力學(xué)性質(zhì)和化學(xué)特性，使其脆性降低，減少沖擊地壓的危害；發(fā)火周期延長，避免煤自燃的危害。王開德、劉孟杰等[16-17]指出煤層注水降塵法工程一次性投入成本高，耗水量大，所需設(shè)備復(fù)雜，所以合理地安排注水時長和注水壓力，可以在不過度消耗成本和資源的同時達到降低采礦環(huán)境粉塵濃度的目的。通過數(shù)值模擬的方法來研究煤層注水參數(shù)與煤層浸潤效果的關(guān)系，可以為實際工程應(yīng)用提供參考。優(yōu)化煤層注水參數(shù)對保證工人的職業(yè)健康，企業(yè)的高效生產(chǎn)和自然資源的節(jié)約都具有深遠的意義。

1 煤層注水主要影響因素體系

煤層注水是煤礦井下粉塵防治的主要技術(shù)手段之一。其降塵原理是將水注入到待開采煤層中，通過水在煤體內(nèi)部的孔隙、裂隙中緩慢滲流，逐漸潤濕原生煤塵，包裹煤體內(nèi)的細小部分，減少采煤過程中煤體破碎時浮游煤塵的產(chǎn)出量。煤層浸潤效果是煤層注水成效的表征值，它與被注水煤層的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和煤層潤濕性等客觀因素有關(guān)，同時也與注水壓力、時間等注水工藝參數(shù)的選擇和控制有關(guān)。以上各因素綜合稱為煤層注水主要影響因素體系，煤層注水主要影響因素體系如圖1。

圖1 煤層注水主要影響因素體系Fig.1 The main influencing factors system of coal seam water injection

1.1 煤巖體的特性

煤炭的形成是一種歷經(jīng)千百萬年的變質(zhì)生成過程，煤是一種以極其發(fā)育的裂隙、孔隙為主的多孔介質(zhì)。這些裂隙、孔隙的直徑大至數(shù)毫米，小到10-9m不等。根據(jù)煤體中存在的孔隙直徑的大小，通常將其歸為大微孔隙、微孔隙、半微孔隙、中微孔隙和細微孔隙5類。流體在較大的孔隙和裂隙中可以發(fā)生滲流運動，在較小的孔隙中發(fā)生毛細運動，在煤的超級微小的孔隙中則進行分子擴散運動。在煤層注水工作中，水被注入煤層后，首先在較大的孔隙和裂隙中滲透，隨著孔隙的飽和度逐漸提升，水逐漸開始在微小孔隙中做毛細和擴散運動，擴散運動是在已完成緩慢滲流的煤體區(qū)域中進行，并可持續(xù)進行至注水完成后。煤體的固有特性為通過煤層注水減少采煤過程中的粉塵逸散、實現(xiàn)工作面降塵提供了可行性。

1.2 注水工藝參數(shù)

煤層注水的工藝參數(shù)主要包括注水壓力和注水時間。其中，注水壓力可區(qū)分為低壓、中壓和高壓3個級別。注水壓力小于2.45 MPa時，為低壓注水；注水壓力為2.45～7.84 MPa時，為中壓注水；注水壓力高于7.84 MPa時，為高壓注水，目前我國在實際工程中使用的煤層注水水壓最高不超過14.7 MPa，大多為低壓注水和中壓注水。分別在低壓、中壓和高壓注水3個區(qū)間內(nèi)選取壓力數(shù)值進行數(shù)值模擬。煤體的潤濕效果也與注水時間有關(guān)：注水時間過短，不能保證煤體各個區(qū)域全部得到充分浸潤；注水時間過長，可能導(dǎo)致漏水，造成資源浪費。

1.3 粉塵的主要來源

煤礦在生產(chǎn)過程中鉆眼作業(yè)、掘進機掘進作業(yè)、采煤機破碎作業(yè)和煤炭的轉(zhuǎn)載運輸?shù)壬a(chǎn)環(huán)節(jié)都會產(chǎn)生大量的粉塵。煤礦井下主要產(chǎn)生粉塵的地點是綜采工作面，粉塵主要來自采煤機割煤的過程、刮板運輸機與帶式輸送機運煤的過程、轉(zhuǎn)載機運煤的過程、液壓支架移動支護的過程和頂板的垮落。

采煤機采煤的過程需將煤巖體進行分割、破碎等工作，將大型煤塊破碎為小型煤塊，此工作過程會產(chǎn)生大量的粉塵，產(chǎn)塵量在煤礦生產(chǎn)的各項工序中占比最高。

2 煤層注水滲流過程數(shù)值模擬

2.1 數(shù)學(xué)模型

2.1.1 達西滲流定律

水在煤體中的滲流過程遵循達西定律，其運動方程滿足質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律：

式中：v為滲流速度，m/s；k為煤層滲透率，m2；μ為流體動力黏度，Pa·s；z為沿z軸的豎直方向；p為煤體的孔隙水壓，Pa；ρ為流體的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2。

11月2日，在第七屆綠色農(nóng)藥博覽會開幕式上，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)藥檢定所黨委書記吳國強在致辭中說：“落實中央綠色發(fā)展的總體部署和發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)的要求，農(nóng)藥行業(yè)責(zé)任重大，必須順應(yīng)時代潮流，積極研發(fā)、生產(chǎn)、宣傳、推廣高效、低毒、低殘留的環(huán)境友好型農(nóng)藥和施藥機械，大力發(fā)展綠色農(nóng)藥。”

當(dāng)煤層與水平方向的夾角為α?xí)r，得到L方向上的滲流速度為：

式中：α為煤層與水平方向的夾角；L為沿煤層方向的長度，m；vL為流體沿L方向的滲流速度，m/s。

當(dāng)流體沿著水平方向x流動時，α＝0，達西定律最終可簡化為：

在三維滲透條件下，達西定律方程為：

2.1.2 應(yīng)力場方程

由幾何方程、應(yīng)力平衡方程、本構(gòu)方程與有效應(yīng)力原理等公式聯(lián)立，可得到由應(yīng)力和位移表示的應(yīng)力平衡微分方程：

2.2 幾何模型

利用Comsol Multiphysics軟件做1個煤層注水的二維模擬模型，取模擬模型的長度為20 m，寬度為20 m，注水孔設(shè)置在煤層的中間位置。模型的邊界條件設(shè)置如下：模型上邊界、下邊界和右邊界均設(shè)置為無流動，除注水孔邊界外，其他邊界均添加固定約束，限制法向和徑向位移。煤層的上邊界、下邊界和右邊界設(shè)置壓力邊界。注水鉆孔同樣設(shè)置為壓力型邊界，根據(jù)低壓、中壓和高壓注水的壓力數(shù)值規(guī)定區(qū)間，設(shè)置的注水壓力輸入?yún)?shù)分別為1、5、10 MPa，對比分析按照注水壓力區(qū)分的3種注水工藝的應(yīng)用效果。采用軟件的常規(guī)網(wǎng)格劃分方式，由于注水鉆孔附近存在應(yīng)力集中區(qū)域，將注水鉆孔附近的網(wǎng)格細化。網(wǎng)格剖分模型如圖2。

圖2 網(wǎng)格剖分模型Fig.2 Mesh generation model

以某礦煤層中煤炭的特征參數(shù)為例，設(shè)置數(shù)值模擬的輸入值和邊界條件，數(shù)值模擬參數(shù)的設(shè)定見表1。

表1 數(shù)值模擬參數(shù)的設(shè)定Table 1 Setting of numerical simulation parameters

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 模擬結(jié)果

注水壓力為5 MPa，模擬注水時間從1～8 h遞增的條件下，煤層內(nèi)孔隙水壓的分布規(guī)律。不同注水時間條件下煤層內(nèi)孔隙水壓應(yīng)力分布云圖如圖3。

圖3 不同注水時間條件下煤層內(nèi)孔隙水壓應(yīng)力分布云圖Fig.3 Cloud diagrams of water pressure stress distribution in coal seam under different water injection time conditions

從圖3可以看出，隨著注水時間的增加，煤層內(nèi)孔隙水壓以注水鉆孔為中心逐漸擴大。其中，當(dāng)注水時間小于5 h時，煤層內(nèi)孔隙水壓擴大的效果尤為明顯。注水時間在6～8 h內(nèi)，煤體孔隙壓力趨于飽和，隨著時間的增長，孔隙壓力的增長速度減緩，變化不明顯。

選取注水時間為6 h，分別模擬注水壓力為1、5、10 MPa時煤層內(nèi)水流速度場的分布，得出煤層內(nèi)的滲流速度分布規(guī)律，不同注水壓力條件下煤層孔隙水流速度云圖如圖4。

圖4 不同注水壓力條件下煤層孔隙水流速度云圖Fig.4 Cloud diagrams of coal seam flow velocity under different water injection pressure conditions

采取低壓注水工藝，即注水壓力為1 MPa時，煤層內(nèi)滲流速度過低，液體在煤體孔隙中的擴散速度較慢，在同一時間段內(nèi)，煤層被潤濕的面積較小，液體浸潤煤體的效率較低；采取中壓注水工藝，即注水壓力為5 MPa時，煤層內(nèi)滲流速度適中，注水鉆孔附近區(qū)域滲流速度較高，煤層整體潤濕均勻；采取高壓注水工藝，即注水壓力為10 MPa時，注水鉆孔附近區(qū)域滲流速度過高，瞬時孔隙水壓力較大，有破壞煤體固有結(jié)構(gòu)的風(fēng)險，可能導(dǎo)致煤體破裂而漏水。

3.2 數(shù)據(jù)分析

分析煤層中同一注水壓力條件下，注水時長與煤體濕潤半徑之間的關(guān)系。將孔隙水壓作為度量，孔隙水壓大于1.5 MPa的部分視為煤體被充分浸潤，屬于浸濕區(qū)域。注水壓力為5 MPa時，不同的注水時間的煤層濕潤半徑如圖5。煤層注水壓力為5 MPa，注水時間為5 h時，注水鉆孔附近孔隙水壓、滲流速度分布規(guī)律分別如圖6、圖7。

圖5 不同注水時間的煤層濕潤半徑Fig.5 Coal seam wetting radius at different water injection time

圖6 注水鉆孔附近孔隙水壓分布規(guī)律Fig.6 Distribution law of pore water pressure near water injection borehole

圖7 注水鉆孔附近滲流速度分布規(guī)律Fig.7 Distribution law of seepage velocity near water injection borehole

由圖5可知，采取煤層中壓注水工藝時，最佳注水時長為5 h，注水時間達到5 h后，煤層濕潤半徑的增長速度緩慢，在實際工程應(yīng)用中若繼續(xù)注水，將會加大資源投入成本，甚至導(dǎo)致水在煤層中溢出。

由圖6可知，在構(gòu)建煤層注水的幾何模型時，將注水鉆孔安置在模型中心，距原點10 m的位置，煤層內(nèi)孔隙壓力在注水鉆孔處達到最大值，以注水鉆孔為中心的周圍區(qū)域孔隙水壓逐漸減小，而且，孔隙壓力與距注水鉆孔之間的距離2個參數(shù)值的關(guān)系曲線成函數(shù)分布，變化過程比較規(guī)律。

從圖7可知，煤層內(nèi)不同區(qū)域滲流速度的分布規(guī)律與煤層內(nèi)孔隙水壓的分布規(guī)律類似，均為在注水鉆孔處達到最大值，不同的是，達西滲流速度與距注水鉆孔的距離之間的變化規(guī)律未呈現(xiàn)規(guī)則的函數(shù)分布。

4 結(jié)論

1）煤體浸潤效果與煤層內(nèi)孔隙水壓和滲流速度的大小、分布規(guī)律相關(guān)，采取高壓注水工藝時，滲流速度過高，瞬時孔隙水壓過大可能導(dǎo)致煤體破裂；采取低壓注水工藝時，滲流速度過低，液體在煤體孔隙中的擴散速度較慢，浸潤煤體的效率較低。中壓注水時，煤體內(nèi)部的孔隙水壓力和滲流速度適中，所以中壓注水時煤層浸潤效果更好。

2）注水壓力為5 MPa時，注水時間為1～5 h時，濕潤半徑增長速度較快，5～10 h之間，濕潤半徑增長速度緩慢，煤體內(nèi)部水分趨于飽和，所以在這一注水壓力水平下，5 h為最佳注水時長。

3）煤層內(nèi)孔隙水壓與滲流速度的分布規(guī)律類似，2個參數(shù)均在注水鉆孔處達到最大值，隨著與注水鉆孔之間的距離增加，壓力與滲流速度逐漸降低。孔隙壓力隨距注水鉆孔之間距離的變化曲線呈函數(shù)關(guān)系，變化過程規(guī)律，而滲流速度與距注水鉆孔之間距離的變化規(guī)律未呈現(xiàn)規(guī)則的函數(shù)分布。所以，將煤體孔隙水壓這一參數(shù)作為分析煤層浸潤效果的依據(jù)，有利于在數(shù)值模擬的過程中得到煤層注水工藝的優(yōu)化參數(shù)。