王 軍宋天奇孔國(guó)強(qiáng)齊文躍

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇省徐州市,221116; 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室,江蘇省徐州市,221116)

★煤礦安全★

煤層注水防塵潤(rùn)濕半徑的影響因素研究?

王 軍1,2宋天奇1,2孔國(guó)強(qiáng)1,2齊文躍1,2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇省徐州市,221116; 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室,江蘇省徐州市,221116)

針對(duì)綜合機(jī)械化高產(chǎn)高效工作面粉塵濃度高的問(wèn)題,煤層注水防塵可有效地降低粉塵濃度、改善工作環(huán)境。通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立煤層注水降塵模型,研究煤體潤(rùn)濕半徑與注水時(shí)間、注水壓力之間的關(guān)系,在此基礎(chǔ)上為注水方案及參數(shù)的確定提供一定的參考。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,設(shè)計(jì)了陳四樓煤礦21002工作面煤層注水方案,并進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)粉塵濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,工作面的全塵濃度和呼塵濃度均下降超過(guò)40%,煤層注水防塵取得了良好的效果。

煤層注水防塵 潤(rùn)濕半徑 注水時(shí)間 注水壓力 數(shù)值模擬 粉塵濃度

隨著煤炭產(chǎn)量的提高,回采工作面的煤塵產(chǎn)生量也隨之增大。大量的粉塵嚴(yán)重影響煤礦的正常生產(chǎn),且粉塵可以引發(fā)煤礦職工的職業(yè)病,更嚴(yán)重的會(huì)引起爆炸,對(duì)職工的生命健康有著潛在的危害。煤層注水是解決工作面粉塵問(wèn)題的根本措施,濕潤(rùn)半徑是衡量煤層注水效果的主要參數(shù),濕潤(rùn)半徑越大注水影響效果越好。確定煤層注水潤(rùn)濕半徑的傳統(tǒng)方法是通過(guò)工作面取樣測(cè)定水分增值的方法進(jìn)行分析,此方法耗時(shí)較長(zhǎng)、工程量大,不適合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用。為了彌補(bǔ)這種方法的缺陷,國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了煤層注水?dāng)?shù)值模擬研究,其中包括模型參數(shù)識(shí)別、注水參數(shù)反求、二維徑向滲流和三維空間滲流的數(shù)值模擬等。

本文通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立模型,以陳四樓煤礦21002工作面為工程應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng),研究了煤體潤(rùn)濕半徑與注水壓力、注漿時(shí)間之間的關(guān)系,并設(shè)計(jì)了工作面注水防塵方案,工作面粉塵濃度的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,煤層注水防塵效果非常顯著。

1 試驗(yàn)工作面概況

21002工作面對(duì)應(yīng)地表有前李黑樓和唐莊兩個(gè)村莊,其他均為農(nóng)田,西為21001采空區(qū)及21202里段采空區(qū),東為21003采空區(qū),北為煤層露頭和風(fēng)氧化帶及保護(hù)煤柱,南鄰北部東翼輔助運(yùn)輸巷、北部東翼集中運(yùn)輸巷和北部東翼-470 m軌道巷及其保護(hù)煤柱。工作面走向長(zhǎng)1527 m,傾向長(zhǎng)174 m,面積263478 m2。工作面開(kāi)采二2煤層,工作面靠近切眼處傾角較大,外部較平緩。煤巖類型以亮、暗煤為主,玻璃光澤,半光亮型。工作面實(shí)際揭露斷層28條,其中逆斷層1條,落差為2.0 m,對(duì)回采有一定影響;正斷層27條,其中落差大于2 m的有8條。未采取防塵措施時(shí),工作面采煤機(jī)下風(fēng)處全塵濃度最大,可達(dá)到140.37 mg/m3,呼吸性粉塵濃度可達(dá)到10.79 mg/m3。

2 煤體潤(rùn)濕半徑影響因素?cái)?shù)值模擬分析

2.1 模型建立

為了研究注水壓力、注水時(shí)間變化時(shí)煤層注水的潤(rùn)濕半徑之間的變化規(guī)律,在FLAC3D中采用圓柱體外環(huán)繞放射狀網(wǎng)格建立注水鉆孔模型,鉆孔直徑75 mm,圓柱體外環(huán)繞放射狀網(wǎng)格尺寸為12 m×12 m,外放環(huán)數(shù)20,比率為1.2,模型長(zhǎng)度為160 m,模型網(wǎng)格劃分如圖1所示。通過(guò)對(duì)鉆孔內(nèi)流體設(shè)定壓力,使流體向模型外部擴(kuò)散,從而達(dá)到模擬煤層注水的目的。

2.2 邊界條件及參數(shù)設(shè)定

本次模擬設(shè)定除注水孔一側(cè)邊界外,其他三側(cè)邊界設(shè)置為不透水邊界,流體流設(shè)為定壓處理;注水孔直徑為75 mm,注水孔深度為150 m。根據(jù)21002工作面煤層基本參數(shù)的情況,結(jié)合數(shù)值模擬文獻(xiàn)中的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值,煤的自然含水率為1.435%,流體粘度0.00114 Pa·s,流體密度1000 kg/m3,煤體密度1620 kg/m3,煤的泊松比0.27,體積模量0.8 GPa,切變模量1 GPa,內(nèi)摩擦角34.5°,內(nèi)聚力4.5 MPa,抗拉強(qiáng)度4.37 MPa。

2.3 模擬方案設(shè)計(jì)

在工作面降塵技術(shù)中,采用降塵措施前后工作面粉塵濃度變化量是降塵效果評(píng)估的一項(xiàng)重要標(biāo)準(zhǔn),而煤體的潤(rùn)濕半徑則是評(píng)價(jià)煤層注水的一項(xiàng)重要標(biāo)準(zhǔn)。煤體在不同的注水壓力、注水時(shí)間、煤體滲透率、煤體孔隙率、鉆孔直徑和應(yīng)力環(huán)境等條件下的潤(rùn)濕半徑是不同的,本文通過(guò)控制變量法,在保證其他條件不變的條件下通過(guò)數(shù)值模擬分別研究注水壓力、注水時(shí)間兩種因素對(duì)煤層注水?dāng)U散規(guī)律的影響特征,模擬方案設(shè)計(jì)如下：

(1)研究不同注水壓力下煤體潤(rùn)濕半徑的變化規(guī)律,設(shè)定注水孔直徑75 mm,注水時(shí)間為40 min,煤體滲透系數(shù)1.0×107m/s,煤體孔隙率6.59,分別研究注水壓力為1 MPa、3 MPa、5 MPa、7 MPa、9 MPa和11 MPa時(shí),注水孔周圍孔隙壓力分布特征,得出煤體潤(rùn)濕半徑與注水壓力大小的規(guī)律。

(2)研究不同注水時(shí)間下煤體潤(rùn)濕半徑的變化規(guī)律,取注水壓力9 MPa,注水孔直徑75 mm,煤體滲透系數(shù)1.0×107m/s,煤體孔隙率6.59,分別研究注水時(shí)間為8 min、16 min、24 min、32 min、40 min和48 min時(shí),注水孔周圍孔隙壓力分布特征,得出煤體潤(rùn)濕半徑與注水時(shí)間長(zhǎng)短的規(guī)律。

2.4 結(jié)果分析

2.4.1 潤(rùn)濕半徑與注水壓力之間的規(guī)律

(1)隨著注水時(shí)間的增加,注水壓力能夠更充分發(fā)揮其推動(dòng)流體運(yùn)動(dòng)的作用,使得注水潤(rùn)濕半徑進(jìn)一步增加。不同注水壓力下孔隙壓力梯度分布如圖2所示。由圖2(a)可以看出,隨著煤層注水不斷擴(kuò)散,流體開(kāi)始出現(xiàn)壓力衰減,距離注水孔中心距離越近,壓力衰減越嚴(yán)重,反之則越小。本文在研究潤(rùn)濕半徑和注水壓力之間的規(guī)律時(shí)將注水時(shí)間均設(shè)置為8 min以達(dá)到控制變量的目的,距離鉆孔0～0.2 m范圍內(nèi),不同注水壓力條件下的平均壓力損失4.2 MPa,距離鉆孔0.2～0.4 m范圍內(nèi),不同注水壓力條件下平均壓力損失1.35 MPa,損失量減小了67.8%。

(2)注水壓力是煤層注水?dāng)U散的動(dòng)力,通過(guò)提高注水壓力的大小達(dá)到增加擴(kuò)散半徑的目的。由圖2(b)可以看出,注水壓力增量與煤體潤(rùn)濕半徑增量呈非線性增長(zhǎng)趨勢(shì),隨著注水壓力的提高,單位注水壓力所帶來(lái)的擴(kuò)散距離越來(lái)越小,當(dāng)注水壓力超過(guò)9 MPa時(shí),繼續(xù)增加注水壓力煤體的潤(rùn)濕半徑不會(huì)有顯著的影響。因此,當(dāng)注水壓力達(dá)到9 MPa后,繼續(xù)通過(guò)增加注水壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)增加煤體潤(rùn)濕半徑的方式在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)層面都是不可取的,達(dá)不到預(yù)期效果。將注水壓力確定在7～9 MPa之間,既不會(huì)造成注水壓力浪費(fèi)同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)較大的潤(rùn)濕半徑。

圖2 不同注水壓力下孔隙壓力及煤體潤(rùn)濕半徑

2.4.2 潤(rùn)濕半徑與注水時(shí)間之間的規(guī)律

在注水壓力固定時(shí),增加煤層注水時(shí)間可以增加煤體的潤(rùn)濕半徑。不同注水時(shí)間下煤體潤(rùn)濕半徑變化情況如圖3所示。由圖3可以看出,當(dāng)注水時(shí)間在8～40 min變化時(shí),煤體潤(rùn)濕半徑快速增加。注水時(shí)間為8 min時(shí),煤體潤(rùn)濕半徑為2.1 m,注水時(shí)間為40 min時(shí),煤體潤(rùn)濕半徑為4.4 m,注水時(shí)間為48 min時(shí),煤體潤(rùn)濕半徑為4.5 m,從8 min到40 min,32 min內(nèi)煤體潤(rùn)濕半徑增加了114.2%;當(dāng)注水時(shí)間超過(guò)40 min后,煤體潤(rùn)濕半徑增加速度迅速降低。從40 min到48 min,8 min內(nèi)煤體潤(rùn)濕半徑僅增加了2.2%。因此確定注水時(shí)間在32～40 min之間,能夠在保證達(dá)到較大的潤(rùn)濕半徑的前提下提高工作效率。

圖3 不同注水時(shí)間下煤體潤(rùn)濕半徑變化

3 工程應(yīng)用

3.1 煤層注水方案設(shè)計(jì)

3.1.1 注水區(qū)域確定

當(dāng)向煤體中注水時(shí),水沿著裂隙運(yùn)動(dòng),只有在裂隙比較發(fā)育而且裂隙張開(kāi)量不大的區(qū)域進(jìn)行注水,才能既保證注水影響范圍大,又能充分利用毛細(xì)現(xiàn)象以潤(rùn)濕煤體。從這個(gè)意義上講,合適的注水區(qū)域應(yīng)是原生裂隙張開(kāi)區(qū)和裂隙發(fā)育發(fā)展區(qū)。合理注水區(qū)域選擇參考如表1所示。

表1 合理注水區(qū)域選擇參考

陳四樓煤礦二2煤的單軸抗壓強(qiáng)度為7.56 MPa,煤質(zhì)較硬,為降低綜采工作面粉塵濃度,改善工人作業(yè)環(huán)境,減少采煤機(jī)械磨損,采取煤層注水降塵措施,故鉆孔初始布置距工作面為21 m。

3.1.2 注水方式的確定

根據(jù)21002工作面具體條件,21002綜采工作面傾向長(zhǎng)度174 m,如果從工作面位置垂直煤壁布孔,在檢修班將無(wú)法完成打孔、聯(lián)管、封孔、注水等工藝;同時(shí)考慮到運(yùn)輸巷運(yùn)輸任務(wù)重,跨膠帶打孔存在困難,因此選擇在軌道巷采用單側(cè)布長(zhǎng)孔的注水方式。

3.1.3 鉆孔布置參數(shù)

鉆孔布置在21002軌道巷1002×13測(cè)點(diǎn)向外21 m至1002×11測(cè)點(diǎn)范圍內(nèi),全長(zhǎng)173 m,共布設(shè)18個(gè)注水鉆孔,鉆孔從工作面煤壁沿工作面推進(jìn)方向排列,依次編號(hào)1#、2#,…18#。注水孔位置距巷道底板高度1.2 m,鉆孔設(shè)計(jì)長(zhǎng)度150 m,鉆孔傾角為-1.5°～-3.3°,水平方向垂直工作面煤壁;打鉆鉆頭直徑為78 mm,成孔平均直徑為90 mm,煤層注水鉆孔布置如圖4所示。

根據(jù)注水潤(rùn)濕半徑數(shù)值模擬結(jié)果,在選擇注水壓力為7 MPa、注水時(shí)間為40 min時(shí),煤層內(nèi)水的滲透半徑為4.3 m;為了進(jìn)一步考察注水鉆孔合理間距,設(shè)計(jì)鉆孔間距為三組,分別為8 m、 10 m、12 m,鉆孔具體情況如圖4所示。通過(guò)比較注水降塵效果,最終確定適合陳四樓煤礦煤層注水最佳間距,從而為正確指導(dǎo)其他工作面注水工作提供實(shí)踐基礎(chǔ)。

圖4 注水鉆孔布置圖

3.2 注水效果分析

3.2.1 煤層水分含量變化

采煤樣時(shí),在工作面煤壁前每10 m選擇一個(gè)采樣點(diǎn),樣品送至化驗(yàn)室分析全水分。通過(guò)對(duì)煤層水分含量的數(shù)據(jù)分析整理,對(duì)比注水前后煤層的水分變化情況。

根據(jù)各測(cè)站內(nèi)監(jiān)測(cè)儀器所得數(shù)據(jù),回采期間煤層水分含量變化情況如表2所示。從表2可以看出,21002工作面煤的天然含水率為1.43%,注水后試件含水率約為33.56%,試件內(nèi)含水率明顯增大,說(shuō)明煤的產(chǎn)塵能力變差,注水效果良好。

表2 煤樣含水率測(cè)定記錄表

3.2.2 工作面粉塵濃度變化

分別在采煤機(jī)轉(zhuǎn)載機(jī)處、采煤機(jī)司機(jī)處、移架處和采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)10～15 m處進(jìn)行粉塵濃度的測(cè)定。根據(jù)各測(cè)站內(nèi)監(jiān)測(cè)儀器所得數(shù)據(jù),回采期間各測(cè)點(diǎn)粉塵濃度變化情況如圖5和圖6所示。

(1)全塵濃度對(duì)比。通過(guò)對(duì)注水前后全塵濃度對(duì)比分析可以看出,采煤機(jī)下風(fēng)處全塵濃度最大,可達(dá)到140.37 mg/m3;采取煤層注水措施后各測(cè)點(diǎn)全塵濃度均有不同程度的降低,3#孔的最大降塵率達(dá)37.57%,平均降塵率為35.23%;7#孔的最大降塵率達(dá)42.01%,平均降塵率為41.05%; 11#與12#孔間的最大降塵率達(dá)41.03%,平均降塵率為40.07%;12#與13#孔間最大降塵率達(dá)42.14%,平均降塵率為41.34%;16#與17#孔間最大降塵率達(dá)42.3%,平均降塵率為41.77%。3#孔的孔間距是12 m,7#孔的孔間距是10 m, 16#、17#孔的間距為8 m,由此可見(jiàn),孔間距為8 m時(shí)降塵方案設(shè)計(jì)較為合理。

圖5 全塵濃度對(duì)比圖

圖6 呼塵濃度對(duì)比圖

(2)呼塵濃度對(duì)比。通過(guò)對(duì)注水前后呼塵濃度對(duì)比分析,采煤機(jī)下風(fēng)處呼塵濃度最大,可達(dá)到10.79 mg/m3,采取煤層注水措施后各測(cè)點(diǎn)呼塵濃度均有不同程度的降低,3#孔處的最大降塵率達(dá)38.92%,平均降塵率為34.73%;7#孔處的最大降塵率達(dá)41.15%,平均降塵率為40.05%;11#與12#孔間的最大降塵率達(dá)41.33%,平均降塵率為40.29%;12#與13#孔間最大降塵率達(dá)42.91%,平均降塵率為42.1%;16#與17#孔間最大降塵率達(dá)43.42%,平均降塵率為42.71%。3#孔的孔間距是12 m,而7#孔的孔間距是10 m, 16#與17#孔的孔間距是8 m,可知孔間距8 m時(shí)降塵方案設(shè)計(jì)較為合理。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)利用FLAC3D數(shù)值軟件改變注水壓力和注水時(shí)間,分析了不同注水壓力和注水時(shí)間的情況下煤體的潤(rùn)濕半徑變化規(guī)律,最終確定注水壓力為9 MPa,注水時(shí)間為40 min時(shí)注水效果最好。

(2)設(shè)計(jì)了21002工作面煤層注水方案,制定了工作面粉塵濃度監(jiān)測(cè)方案。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,工作面全塵濃度和呼塵濃度較注水前均降低超過(guò)40%以上,注水防塵達(dá)到了預(yù)期效果,極大地改善了工人的工作環(huán)境。

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Study on influential factors of dust wetting radius of water injection in coal seams

Wang Jun1,2,Song Tianqi1,2,Kong Guoqiang1,2,Qi Wenyue1,2
(1.School of Mining Engineering,China University of Mining&Technology, Xuzhou,Jiangsu 221116,China; 2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining,China University of Mining &Technology,Xuzhou,Jiangsu 221116,China)

Aiming at high dust concentration at comprehensive mechanized,high yield and high efficiency working faces,water injection in coal seams can decrease dust concentration and improve work environment effectively.This paper built up water injection model by FLAC3D numerical simulation software and analyzed the relation between wetting radius of coal blocks and injection time and pressure;provided certain reference for injection plan and parameter determination.According to experimental results,this paper designed injection plan of 21002 working face of a mine and undertook industrial testing.The in-situ dust concentration monitoring outcome indicated that both total dust concentration and breathing dust concentration decreased more than 40%,and water injection in coal seams achieved positive effects on dust cleaning.

water injection and dust control,wetting radius,injection time,injection pressure,numerical simulation,dust concentration

TD741

A

王軍(1991-),山西呂梁人,碩士研究生,研究方向是固體充填采煤與巖層控制。

(責(zé)任編輯 張艷華)

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51404247)