蕭煜宏，孫 亮

(1.山西馬堡煤業(yè)有限公司， 山西 長(zhǎng)治 046300； 2.煤科集團(tuán) 沈陽(yáng)研究院有限公司， 遼寧 撫順 113122； 3.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 撫順 113122)

煤礦井下工作面生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)生的粉塵不但影響安全生產(chǎn)，而且威脅職工的身體健康[1]. 采煤工作面是礦井的最大粉塵來(lái)源之一，在生產(chǎn)時(shí)未采取有效防塵措施時(shí)，工作面粉塵質(zhì)量濃度能夠升至2 500～3 000 mg/m3，即便實(shí)施防塵措施，工作面回采時(shí)仍有粉塵質(zhì)量濃度超過(guò)1 000 mg/m3，明顯大于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[2-3]. 煤層注水是從粉塵源頭采取的防治措施，可從來(lái)源上減少粉塵的生成[4]. 從20世紀(jì)50年代開(kāi)始，歐美、前蘇聯(lián)等幾個(gè)產(chǎn)煤大國(guó)開(kāi)展了煤層注水理論研究和試驗(yàn)，同時(shí)在井下工作面推廣應(yīng)用。近年來(lái)，伴隨我國(guó)采煤技術(shù)的發(fā)展和職業(yè)衛(wèi)生關(guān)注度的提高，煤層注水機(jī)理研究在我國(guó)也快速發(fā)展，煤層注水防塵應(yīng)用研究也得到了快速發(fā)展[5-10]. 郭軍杰等[11]在振興二礦工作面實(shí)施煤層注水技術(shù)后，工作面粉塵濃度降塵率高達(dá)68.7%，有助于降低煤壁片幫現(xiàn)象；張小濤[12]在高瓦斯突出煤層綜采面注水后，通過(guò)抽采鉆孔實(shí)施動(dòng)靜壓相結(jié)合注水減塵技術(shù)，煤體的水分增加了1%以上，降塵效率提高50%以上；李玉杰等[13]在張家峁煤礦14201綜采工作面開(kāi)展煤層注水研究，煤層水分提高78.1%，工作面的最優(yōu)排塵風(fēng)速為1.3～1. 5 m/s，顯著降低工作面的粉塵濃度，有效控制了礦井粉塵超標(biāo)。煤層注水技術(shù)的應(yīng)用研究取得了一定的成績(jī)，但這些應(yīng)用研究限于工作面的實(shí)際條件，在應(yīng)用注水技術(shù)時(shí)很難與煤體潤(rùn)濕參數(shù)結(jié)合起來(lái)，也難以分析注水后煤體的水分變化情況。因此，結(jié)合馬堡煤礦15201綜采工作面地質(zhì)構(gòu)造特征，通過(guò)優(yōu)化注水參數(shù)和改善煤層的潤(rùn)濕性，對(duì)注水后煤樣的全水分和除塵效果進(jìn)行研究。

1 煤層注水原理

1.1 煤層注水防塵機(jī)理

按照綜采工作面煤塵產(chǎn)生的方式，將其劃分為兩種：原生煤塵和次生煤塵。原生煤塵為在成煤時(shí)期煤塵就形成在煤層孔隙中；次生煤塵為工作面回采時(shí)，采煤機(jī)割煤產(chǎn)生的煤塵。在加壓泵的作用下，將水注入煤體中：濕潤(rùn)煤體中的原生煤塵，生成顆粒比較大的煤塵，阻止煤塵在工作面回采時(shí)飄散至作業(yè)空間，減少塵源的產(chǎn)生；降低煤體的脆性和強(qiáng)度，提高煤體塑性，在工作面回采時(shí)將煤體從脆性破碎轉(zhuǎn)化為塑性變形，使煤體的含水率得到提高[14-15].

1.2 水在煤層中的運(yùn)移機(jī)理

水注入煤層后，以較快的流速通過(guò)較大的裂縫裂隙，逐步滲透到被裂隙相互貫通的煤體，接著以較小的速度流至煤體內(nèi)細(xì)微孔隙中。此過(guò)程為煤體由非飽和至飽和的滲透過(guò)程，是3種運(yùn)動(dòng)(滲流、毛細(xì)和擴(kuò)散)相互作用形成的。其中，滲流是由注水壓力決定的，但毛細(xì)和擴(kuò)散作用是由液體和煤體的裂隙孔隙決定，和水壓無(wú)關(guān)。在注水過(guò)程水的有效注水壓力是：

Δh=Pz+Pm+Pw

(1)

式中：

Δh—煤層有效注水壓力，kPa；

Pz—注水孔口壓力，kPa；

Pm—孔隙的毛細(xì)作用力，kPa；

Pw—孔隙內(nèi)的瓦斯壓力，kPa.

1.3 影響煤層注水效果的因素

煤層自身裂隙裂縫和孔隙的發(fā)育程度，水對(duì)煤的潤(rùn)濕性都會(huì)直接影響注水效果，此外，煤層覆巖壓力和水壓、鉆孔間距等注水參數(shù)也會(huì)影響注水效果。

2 煤體參數(shù)測(cè)定

2.1 工作面概況

馬堡煤礦15201綜采工作面處于+900 m水平，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(shí)體煤；西南側(cè)與152采區(qū)膠帶、軌道、回風(fēng)下山相連?？刹赏七M(jìn)長(zhǎng)度為1 123 m，工作面長(zhǎng)度為220 m，面積247 060 m2，15#煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤層厚度4.45～5.3 m，平均5.2 m，煤層傾角平均為14°. 可采性指數(shù)為1，變異系數(shù)為6.4%，含1層夾矸，屬全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。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。工作面采用單一走向長(zhǎng)壁采煤法，一次性采全高，采高5.2 m，每天3個(gè)循環(huán)，循環(huán)進(jìn)度為0.8 m.

2.2 煤體的全水分

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T211-2007，在注水前對(duì)15201工作面間距10 m進(jìn)行煤樣采集，見(jiàn)圖1，煤樣的全水分測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1. 由表1可知，15201工作面煤層的全水分平均是2.23%，煤樣的水分值較低，有必要實(shí)施煤層注水，充分潤(rùn)濕煤體，以減小在工作面回采時(shí)的粉塵濃度，提高工作面的作業(yè)環(huán)境。

圖1 煤層注水示意圖

表1 15201工作面煤體全水分表

2.3 煤體的總孔隙率

依據(jù)GB/T23561.4-2009，測(cè)得15201工作面煤樣的視相對(duì)密度1.391 g/cm3，真相對(duì)密度1.473 g/cm3，帶入式(2)計(jì)算得煤樣的總孔隙率為5.57%. 由此可判斷15201工作面煤體孔隙發(fā)育不充分、孔隙數(shù)量較少，可通過(guò)加入潤(rùn)濕劑提高煤層注水效果。

(2)

式中：

n—煤的總孔隙率，%；

ARD—煤的視相對(duì)密度，g/cm3；

TRD—煤的真相對(duì)密度,g/cm3.

2.4 煤體的普氏系數(shù)

依據(jù)GB/T 23561.12-2010，利用落錘法對(duì)15201工作面煤的普氏系數(shù)進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果為1.3，判斷15201工作面為硬煤層，具備煤層注水的條件。

2.5 煤樣的自然飽和吸水率

依據(jù)GB/T 23561.5-2009，對(duì)15201工作面煤樣的自然飽和吸水率進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果為2.79%. 綜合以上煤樣參數(shù)，測(cè)試結(jié)果符合可注水煤層的4個(gè)條件：全水分W≤4%、總孔隙率n≥4%、普氏系數(shù)f≥0.4、自然飽和吸水率δ≥1%，判斷該煤層能夠進(jìn)行注水潤(rùn)濕。

3 優(yōu)化煤層注水方案

15201工作面設(shè)計(jì)原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(zhǎng)度為180 m，封孔長(zhǎng)度為4 m，鉆孔d50 mm，鉆孔間距為20 m. 注水鉆孔布置見(jiàn)圖1. 實(shí)施此注水方案后，經(jīng)過(guò)測(cè)試煤體全水分平均為3.14%，工作面割煤時(shí)全塵降塵效率為32.1%，注水效果不佳。因此，對(duì)煤層注水方案進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 加入潤(rùn)濕劑

因15201綜采工作面煤樣孔隙率小、自然飽和吸水率低，通過(guò)加入潤(rùn)濕劑溶液強(qiáng)化注水效果，分別分析了加入純水和濃度為0.05%的潤(rùn)濕劑溶液對(duì)煤樣接觸角和含水率的影響。

3.1.1測(cè)定煤樣的接觸角

煤樣的潤(rùn)濕過(guò)程主要為煤樣表面液相取代氣相的過(guò)程。

接觸角是液體對(duì)煤的潤(rùn)濕性能衡量指標(biāo)。接觸角越小，煤體的潤(rùn)濕性越好，煤層注水效果越好。通過(guò)成型煤粉法得到煤樣試驗(yàn)，純水和濃度為0.05%的潤(rùn)濕劑溶液與煤樣的接觸角通過(guò)座滴法測(cè)定。測(cè)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°，見(jiàn)圖2a)，經(jīng)過(guò)5 s后接觸角基本未發(fā)生變化。接觸角超過(guò)40°，證明水對(duì)煤體的潤(rùn)濕性比較差；起初0.05%潤(rùn)濕劑溶液與煤樣的接觸角平均為29.3°，見(jiàn)圖2b)，經(jīng)過(guò)5 s就擴(kuò)展平鋪，證明加入潤(rùn)濕劑能增加煤體的潤(rùn)濕性，減小液體與煤表面之間的張力，縮小接觸角。可見(jiàn)，在15201綜采工作面煤層注水過(guò)程中加入潤(rùn)濕劑，能提高煤體的潤(rùn)濕性。

圖2 純水、潤(rùn)濕劑對(duì)煤樣接觸角的影響圖

3.1.2自然吸濕曲線

在煤層注水過(guò)程中，伴隨注水時(shí)間的推移，煤層吸水的速率不斷發(fā)生變化，當(dāng)注水達(dá)到煤體一定的飽和程度后，煤層的含水率趨于平穩(wěn)。工作面條件復(fù)雜多變，很難持續(xù)測(cè)定煤層的吸水情況，所以采集15201工作面的煤樣來(lái)測(cè)定其自然吸濕曲線。煤樣在純水及濃度為0.05%的潤(rùn)濕劑溶液中的吸水率變化規(guī)律見(jiàn)圖3.

圖3 煤樣的自然吸濕曲線圖

由圖3可知，在20 h內(nèi)煤樣的吸水率隨時(shí)間升高很快，之后煤樣的吸水率開(kāi)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(guò)計(jì)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(shí)間的對(duì)數(shù)之間具有明顯的線性關(guān)系，見(jiàn)圖4.

圖4 煤樣的吸水率與時(shí)間的對(duì)數(shù)關(guān)系曲線圖

在純水中自然吸濕方程為：

ω=0.585 5lgt+0.743 8，R2=0.984 5

(3)

在0.05%潤(rùn)濕劑溶液中自然吸消方程為：

ω=1.034 9lgt+0.602 5，R2=0.979 1

(4)

式中：

ω—煤樣吸水率，%；

t—時(shí)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(shí)間的推移在下降，當(dāng)時(shí)間越長(zhǎng)，煤體吸水的程度逐漸趨于飽和狀態(tài)。原因是滲流、毛細(xì)和擴(kuò)散3種運(yùn)動(dòng)在不同的注水階段，所發(fā)揮的作用不一樣。剛開(kāi)始注水時(shí)，起主導(dǎo)作用的是滲流運(yùn)動(dòng)，通過(guò)煤體的大裂隙和孔隙水先流入其中；伴隨時(shí)間的變化，煤體中的裂隙和孔隙的阻力在不斷增強(qiáng)，這時(shí)靠壓差作用水很難快速流向和滲透至遠(yuǎn)處的煤體，此時(shí)毛細(xì)和擴(kuò)散作用開(kāi)始起主導(dǎo)作用。

對(duì)比分析圖4中的吸濕曲線，可知在潤(rùn)濕劑溶液中，煤樣的吸水率顯著超過(guò)在純水中；在潤(rùn)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%. 原因是潤(rùn)濕劑能減小水的表面張力，增大煤樣內(nèi)裂隙和孔隙的毛細(xì)管力，水流進(jìn)煤樣中更小的裂隙和孔隙，煤樣的水分得到明顯提高。在純水中煤樣的毛細(xì)管力小，不能掙脫煤樣的內(nèi)部阻力，水很難滲透至小孔隙中，煤體水分增加幅度很小。

3.2 注水孔間距

在15201工作面原煤層注水設(shè)計(jì)中，將煤層注水鉆孔的間距設(shè)計(jì)為20 m，注水結(jié)束后，采樣化驗(yàn)測(cè)出在離注水孔5 m區(qū)域內(nèi)煤樣的全水分為3%～5%，在距注水孔5～10 m注水效果不理想，煤樣的全水分小于3%. 因此，為了有效提高煤層注水效果，同時(shí)使用潤(rùn)濕劑，把煤層注水鉆孔的間距從20 m減小到15 m，且實(shí)施雙向注水。

3.3 注水壓力

15201工作面煤層埋深為1 000 m，測(cè)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(yàn)公式如下：

P0=15.6-7.8/(0.001H+0.5)

(5)

式中：

P0—煤層注水的最小壓力，MPa；

H—煤層埋深，m.

計(jì)算得到煤層注水最小水壓為10.4 MPa，同時(shí)要求最大水壓不能大于覆巖的壓力。原注水方案里煤層注水的壓力是2.5 MPa，遠(yuǎn)低于理論計(jì)算值，這也是導(dǎo)致煤層注水效果不理想的原因。通過(guò)增設(shè)加壓泵，改靜壓注水為動(dòng)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，最終保持在10～12 MPa.

3.4 封孔長(zhǎng)度

15201綜采工作面原煤層注水設(shè)計(jì)方案中封孔長(zhǎng)度為4 m，封孔器采用高壓膠管封孔器。注水進(jìn)行到中間階段時(shí)，煤壁開(kāi)始滲出少量的水流，進(jìn)行到注水后期時(shí)，煤壁滲流現(xiàn)象越來(lái)越明顯，注入的水中有40%通過(guò)煤壁較大的裂縫裂隙滲出，導(dǎo)致注水效果不佳。原因是封孔器的長(zhǎng)度不夠，未將煤體的松動(dòng)帶全部密封。為了確保注水效果，將封孔器長(zhǎng)度增加。依據(jù)鉆屑量法現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)出15201工作面煤體松動(dòng)帶的范圍是9.1 m. 因此，把封孔器的長(zhǎng)度延長(zhǎng)到10 m，達(dá)到煤體的松動(dòng)帶被全部密封的目的。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)煤層注水效果

煤層注水效果主要通過(guò)兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行衡量：煤體含水率及工作面回采后粉塵質(zhì)量濃度。優(yōu)化注水方案后采樣點(diǎn)設(shè)置見(jiàn)圖5.

圖5 優(yōu)化注水方案后注水采樣點(diǎn)設(shè)置圖

4.1 潤(rùn)濕效果

注水后測(cè)定煤樣全水分情況見(jiàn)表2. 表2數(shù)據(jù)呈現(xiàn)非均勻分布，采用Cline-Renka二維三角剖分算法進(jìn)行插值處理，繪制出煤體注水后全水分分布圖，見(jiàn)圖6. 由圖6可知，優(yōu)化注水方案以后，煤體水分不均勻分布。在橫向上，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。原因是隨著與注水孔距離的增加，水的流動(dòng)能力變小，但水克服煤體內(nèi)部流動(dòng)阻力開(kāi)始增加，同時(shí)由于注水壓力的影響作用在減小，煤體內(nèi)部的孔隙和裂縫裂隙發(fā)育程度的影響作用在增大。在縱向上，即使煤層注水鉆孔的封孔長(zhǎng)度達(dá)到10 m，但孔內(nèi)水仍然通過(guò)封孔器10 m長(zhǎng)的煤體裂隙滲透到巷道壁周?chē)拿后w；而且巷道掘進(jìn)和施工錨桿對(duì)巷道周?chē)拿后w產(chǎn)生擾動(dòng)作用，破壞了煤體結(jié)構(gòu)，增加了煤體孔隙和裂隙數(shù)量，減小了水在煤體中的流動(dòng)阻力，便于水充分潤(rùn)濕煤體。在煤體內(nèi)也發(fā)生了局部全水分偏低或偏高的現(xiàn)象，原因是煤體裂縫裂隙的發(fā)育程度低和煤組分分布不均勻，導(dǎo)致水在煤體的毛細(xì)擴(kuò)散作用減弱。

原方案實(shí)施注水以后，處于兩個(gè)注水孔影響范圍的煤體平均全水分是3.09%，潤(rùn)濕半徑是4.5 m. 優(yōu)化煤層注水方案實(shí)施后，在采樣孔①至④號(hào)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)化后的潤(rùn)濕半徑高達(dá)8 m，與原方案相比潤(rùn)濕半徑提高了3.5 m. 優(yōu)化煤層注水方案后，明顯提高了潤(rùn)濕效果。

表2 優(yōu)化注水方案后全水分情況表

圖6 優(yōu)化方案后潤(rùn)濕效果圖

4.2 降塵效果

煤層注水的目的是減少工作面在回采過(guò)程中所產(chǎn)生的煤塵，對(duì)比煤層優(yōu)化注水方案前后，15201綜采工作面在割煤時(shí)和移架時(shí)粉塵質(zhì)量濃度，見(jiàn)圖7，圖8.

圖7 順風(fēng)割煤時(shí)粉塵質(zhì)量濃度曲線圖

圖8 移架時(shí)粉塵質(zhì)量濃度曲線圖

由圖7和圖8可知，實(shí)施煤層注水優(yōu)化方案后，順風(fēng)割煤和移架時(shí)的產(chǎn)塵量比原注水方案明顯減少。順風(fēng)割煤時(shí)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，全塵降塵效率提高26.38%，呼塵降塵效率提高27.16%；在推移液壓支架時(shí)，最大全塵質(zhì)量濃度為409.6 mg/m3，而優(yōu)化前為631.8 mg/m3，全塵降塵效率提高24.13%，呼塵降塵效率提高26.15%. 可見(jiàn)，在15201綜采工作面實(shí)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) 由煤樣的潤(rùn)濕性試驗(yàn)得到：純水和密度為0.05%潤(rùn)濕劑溶液與煤形成接觸角分別是65.9°、29.3°，完成自然飽和吸濕分別需要30 h、40 h，飽和吸水率分別是2.81%、4.26%，證明加入潤(rùn)濕劑能明顯減小煤與液體的界面張力，增大吸濕速度，提高飽和吸水量，提高注水潤(rùn)濕效果。

2) 通過(guò)加入密度是0.05%的潤(rùn)濕劑溶液，同時(shí)優(yōu)化了注水參數(shù)，將注水壓力、鉆孔間距和封孔長(zhǎng)度調(diào)整為10～12 MPa、15 m和10 m，采集煤樣借助Cline-Renka插值法獲得煤樣的全水分分布規(guī)律，得出注水范圍內(nèi)煤樣的全水分提高2.28%，潤(rùn)濕半徑提高了3.5 m，潤(rùn)濕效果得到顯著改善。

3) 對(duì)比優(yōu)化前后的注水方案，在割煤時(shí)，工作面的全塵除塵效率提高26.38%，呼塵的除塵效率提高27.16%；推移液壓支架時(shí)，工作面的全塵除塵效率提高24.13%，呼塵的除塵效率提高26.15%. 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果證明優(yōu)化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。