呂林奎

(潞安化工集團(tuán) 新元公司,山西 晉中 046000)

隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,綜合機(jī)械化采煤工藝得到了非常廣泛的應(yīng)用,然而在綜采工作面采煤效率迅速提高的同時(shí),粉塵的產(chǎn)生量也急劇增加[1-2]。過(guò)高的粉塵含量不僅會(huì)降低作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)能見(jiàn)度,加速設(shè)備磨損,引起工作人員呼吸系統(tǒng)病變,還可能造成粉塵爆炸,嚴(yán)重影響施工安全[3-4]。煤層注水可以從根源上減少煤體破碎時(shí)粉塵的產(chǎn)生量,是降低綜采工作面粉塵含量最有效、最實(shí)用的技術(shù)手段之一[5]。但由于我國(guó)煤炭開(kāi)采深度不斷增加,煤層呈現(xiàn)出滲透性差、孔隙率低的特點(diǎn),傳統(tǒng)注水方式達(dá)不到預(yù)期的防塵效果[6-7]。基于此,科研工作者開(kāi)展了大量研究。XI等[8]通過(guò)數(shù)值模擬方法研究了水力脈沖頻率與煤體破裂之間的關(guān)系。WANG等[9]探討了在煤層注水過(guò)程中表面活性劑濃度超過(guò)臨界膠束濃度時(shí)的潤(rùn)濕機(jī)理。張仲坤[10]在斜溝煤礦23114工作面開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),證明脈動(dòng)注水相較于靜壓注水可以更好地濕潤(rùn)煤體。劉勇等[11]針對(duì)低孔隙難濕潤(rùn)煤層注水的問(wèn)題,提出了超高壓預(yù)裂+動(dòng)壓發(fā)育+靜壓可控的注水工藝及裝備。鄧健等[12]通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定了濕潤(rùn)劑的合理添加量并進(jìn)行了防塵注水實(shí)踐應(yīng)用。徐連滿(mǎn)等[13]將IDS與SDBS混合形成一種復(fù)合濕潤(rùn)劑,通過(guò)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)作用有效增強(qiáng)了注水效果。

以上研究通過(guò)改進(jìn)煤層注水方式、添加濕潤(rùn)劑等途徑提高了煤層注水抑塵效果,但兩者間的共同作用效果尚未進(jìn)行研究。本文結(jié)合新元煤礦31002綜采工作面實(shí)際條件,進(jìn)行脈沖注水的同時(shí)在水中添加濕潤(rùn)劑,研究脈沖注水抑塵及濕潤(rùn)劑防塵共同作用對(duì)注水效果的影響。

1 工程概況

山西新元煤炭有限責(zé)任公司礦井位于沁水煤田西北部,礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為3.0 Mt/a,全礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為5.0 Mt/a,可采煤層有3、6、8、9、15和15下號(hào)共6層。31002綜采工作面采3號(hào)煤層,煤層自西向東由薄變厚,又漸趨變薄,以中厚煤層為主,最厚處厚度達(dá)4.50 m左右。煤層屬基本全井田可采的穩(wěn)定煤層,其頂板為砂質(zhì)泥巖、泥巖,局部為中、細(xì)粒砂巖,底板為砂質(zhì)泥巖,局部為細(xì)、粉砂巖。煤層水分平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.26%,原煤含水率較低,回采時(shí)煤塵較大,且存在滲透率低、硬度高及難注水等問(wèn)題。

2 高壓脈沖注水原理及方法

2.1 高壓脈沖注水原理

煤層注水降塵技術(shù)是在工作面推進(jìn)前,向煤體打注水鉆孔,通過(guò)所打的鉆孔向煤體內(nèi)注水,使水均勻地侵入到煤層的裂隙和孔隙當(dāng)中,從而降低了產(chǎn)生浮游煤塵的能力。高壓脈沖注水就是利用脈沖式高壓注水過(guò)程中水的壓力波動(dòng)性所形成的水擊、“水劈”作用,有效改善煤層內(nèi)部孔隙、裂隙的張開(kāi)性和溝通性,并在煤層內(nèi)部產(chǎn)生新的、相互關(guān)聯(lián)的煤體裂隙網(wǎng),能有效改善煤層滲透性,提供水進(jìn)入煤體,特別是進(jìn)入內(nèi)部微細(xì)孔裂隙的通道,從而實(shí)現(xiàn)均勻濕潤(rùn)煤體的目的。

2.2 高壓脈動(dòng)注水方法

2.2.1注水泵選擇

本次注水選用3Z-SB-158/18型脈沖式煤層注水泵(圖1)。該款注水泵具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、體積適中、泵效高、流量大、運(yùn)行平穩(wěn)、安全可靠、噪音小、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn),適用于各種類(lèi)型煤層,特別是難注水煤層。

2.2.2注水系統(tǒng)布置

綜采工作面脈沖式高壓注水系統(tǒng)由脈沖式煤層注水泵、高壓水表、注水集成塊以及注水管路系統(tǒng)組成。由于脈沖式煤層注水泵輸出壓力的強(qiáng)脈動(dòng)性,其注水壓力由脈沖注水泵壓力顯示器手動(dòng)測(cè)定,間斷直接顯示,脈沖強(qiáng)度根據(jù)煤層的滲透能力自動(dòng)調(diào)節(jié);靜壓注水壓力由注水集成塊上安設(shè)的壓力表顯示。在注水集成塊上分別設(shè)有脈沖式高壓水和靜壓水接口,并在注水集成塊內(nèi)部對(duì)應(yīng)的接口安設(shè)單向止回閥,從而實(shí)現(xiàn)關(guān)閉脈沖式高壓注水的同時(shí)自動(dòng)切換到靜壓注水。各注水鉆孔的注水量由安設(shè)在注水鉆孔前的高壓水表進(jìn)行計(jì)量。

31002工作面采用“兩堵一注”雙側(cè)長(zhǎng)鉆孔注水,注水孔間距為1.75 m,鉆孔深度為15 m,孔徑為75 mm。在工作面進(jìn)行注水時(shí),3個(gè)注水孔作為一個(gè)注水單元同時(shí)進(jìn)行注水,其中1號(hào)孔和3號(hào)孔注水壓力略小于2號(hào)孔,這樣1號(hào)孔和3號(hào)孔中的注水壓力會(huì)對(duì)2號(hào)孔的注水效果起到“封堵”作用,減少1號(hào)孔和3號(hào)孔跑水的可能。注水系統(tǒng)布置如圖2所示。

1-注水鉆孔;2-封孔段;3-高壓水表;4-閥門(mén);5-注水集成塊;6-靜壓供水管路;7-高壓膠管;8-高壓脈沖注水泵

2.2.3相關(guān)參數(shù)計(jì)算

1)封孔深度。根據(jù)鉆孔施工過(guò)程中排粉的變化所測(cè)定的煤壁前方0～3 m為卸壓帶,應(yīng)力集中帶在3～5 m處,5 m以外為原始應(yīng)力帶,確定煤層注水孔的封孔深度為2 m左右。

2)注水壓力。脈沖式高壓注水壓力以不壓裂煤層為前提,其被壓裂的壓力與上覆巖層的厚度有關(guān),按式(1)計(jì)算:

(1.2～1.5)pG≤pZ≤pRhγcp.

(1)

式中:pZ為脈沖式最大注水壓力,MPa;pG為煤層中的瓦斯壓力,MPa;pR為上覆巖層壓力,取9.8×10-3MPa;h為上覆巖層的平均厚度,m;γcp為上覆巖層的平均密度,一般取2.5 t/m3。根據(jù)新元煤礦公司井下實(shí)際情況,h取600 m。

經(jīng)計(jì)算得出:2.928～3.660 MPa≤pZ≤14.700 MPa,則脈沖式最大注水壓力pZ=14.7 MPa。

3)單孔注水量。鉆孔的單孔注水量通過(guò)式(2)進(jìn)行計(jì)算:

相關(guān)系數(shù)的計(jì)算必須要作顯著性檢驗(yàn)，因?yàn)槭侨〉男颖緮?shù)據(jù)，樣本數(shù)據(jù)計(jì)算出來(lái)的相關(guān)系數(shù)能否推廣到總體，即如果總體數(shù)據(jù)作相關(guān)性計(jì)算，結(jié)果是否還是一樣的.此時(shí)只能用樣本數(shù)據(jù)估計(jì)總體數(shù)據(jù)，估計(jì)就有犯錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)，于是用犯錯(cuò)誤的概率來(lái)描述，這個(gè)過(guò)程就是顯著性檢驗(yàn).

Q=K×b×L×d×γ(w1-w2).

(2)

式中:Q為單個(gè)鉆孔注水量,m3;b為孔間距,取1.75 m;L為工作面長(zhǎng)度,取300 m;d為煤層厚度,取1.8 m;γ為煤的真密度,取1.4 t/m3;w1為注水后要求達(dá)到的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù),取4%;w2為煤層原有水分質(zhì)量分?jǐn)?shù),取1.30%;K為考慮圍巖吸收水分、水的流失和注水不均勻系數(shù),一般取1.5。

經(jīng)計(jì)算得最大單孔注水量Q為53.58 m3。

4)注水流量。高壓脈沖注水泵的流量q為315 L/min,即q=0.315 m3/min。

5)注水時(shí)間。一般認(rèn)為單孔注水時(shí)間為注水量與單孔注水流量的比值。

t=Q/q=53.58/0.315=

170.0 min=2.835 h.

(3)

3 濕潤(rùn)劑的潤(rùn)濕原理與配比選取

3.1 潤(rùn)濕原理

濕潤(rùn)劑的主要作用是改變煤體與水的接觸角,提高水對(duì)煤體的潤(rùn)濕能力。在水與煤的組成體系中,煤體的臨界表面張力沒(méi)有水的表面張力大,不會(huì)發(fā)生自然鋪展,加入濕潤(rùn)劑可以降低液相的表面張力,使之小于煤體的臨界表面張力從而滿(mǎn)足鋪展發(fā)生的條件。濕潤(rùn)劑為幾種表面活性劑與水組成的復(fù)配物,表面活性劑的作用機(jī)理主要有以下3個(gè)方面。

1)表面活性劑在化學(xué)組成結(jié)構(gòu)上為“兩親”分子(一端親水,一端憎水)。在分子結(jié)構(gòu)層面,表面活性劑分子吸附在水溶液上呈定向穩(wěn)定排列層,即親水端伸向水中,疏水端由于疏水性而伸向空氣中,從而改變了空氣與水表面分子之間的接觸狀態(tài)。由于該排列層的存在以及“兩親”特點(diǎn),大大降低了水與空氣接觸的表面積,從而降低了溶液的表面張力,伸向空氣中的疏水端與粉塵進(jìn)行吸附,將粉塵顆粒帶入水溶液中進(jìn)行充分潤(rùn)濕,從而提高了水溶液的濕潤(rùn)性。

2)表面活性劑能提高水在煤體當(dāng)中的滲透作用。與水的黏性相比,由表面活性劑配制成的溶液黏性更小,滲透系數(shù)較小。由達(dá)西定律可知,在注水壓力、注水流量以及滲透截面一定的情況下,添加表面活性劑的溶液滲透流量更大。

3)隨著表面活性劑添加量的增加,活性劑分子在水溶液的表面吸附量也逐漸增加,水分子逐漸減少。表面活性劑溶液的濃度達(dá)到臨界膠束濃度時(shí),表面活性劑分子在溶液表面達(dá)到吸附飽和,之后溶液的表面張力變化不大。

3.2 濕潤(rùn)劑的配比選取

1)無(wú)毒、無(wú)臭、無(wú)害、無(wú)污染、無(wú)刺激性、綠色環(huán)保、不腐蝕金屬材料且無(wú)可燃性。

2)運(yùn)輸便利且使用成本較低,經(jīng)濟(jì)性高。

3)濕潤(rùn)效果良好,即濕潤(rùn)時(shí)間短。

實(shí)驗(yàn)選擇了表1中的4種常見(jiàn)的潤(rùn)濕劑進(jìn)行篩選,分別進(jìn)行了不同類(lèi)型、不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下表面張力和接觸角的測(cè)定,測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2和表3所示。

表1 實(shí)驗(yàn)所用濕潤(rùn)劑Table 1 Wetting agents in the experiment

表2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)濕潤(rùn)劑的表面張力(單位：mN·m-1)Table 2 Surface tension of wetting agents with different mass fractions

表3 濕潤(rùn)劑溶液與煤樣的接觸角Table 3 Contact angles between wetting agent solutions and coal samples

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,加入濕潤(rùn)劑后,溶液的表面張力較純水的表面張力明顯變小。質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí),隨著濕潤(rùn)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,表面張力逐漸減小;當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到一定值時(shí),單體濕潤(rùn)劑的表面張力值的變化趨于平緩。由此可知各個(gè)濕潤(rùn)劑降低表面張力的能力為:T702>CDEA>SDS>ABS。加入不同濕潤(rùn)劑后,溶液與煤的接觸角相較于純水與煤體的接觸角明顯降低(試驗(yàn)測(cè)得煤粉樣品與純水的接觸角為56.18°),且隨著濕潤(rùn)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,接觸角逐漸減小,各個(gè)潤(rùn)濕劑降低煤塵接觸角的能力為:T702>SDS>ABS>CDEA。

T702溶液在降低表面張力和煤塵接觸角方面都優(yōu)于其他溶液,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時(shí)效果更好,但是與0.2%的效果差別不大。對(duì)該濕潤(rùn)劑的急性眼刺激性、皮膚刺激性、急性吸入毒性、金屬腐蝕性、閉杯閃點(diǎn)可燃性(96.0℃及以下沒(méi)有發(fā)生閃燃著火現(xiàn)象)進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果均合格。從經(jīng)濟(jì)性和安全性角度考慮,確定本項(xiàng)目選用潤(rùn)濕劑類(lèi)型為T(mén)702,潤(rùn)濕劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%。

4 煤層高壓脈沖濕潤(rùn)劑注水效果

31002綜采工作面高度1.8 m左右,煤層賦存穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,屬中灰、低硫的優(yōu)質(zhì)貧瘦煤,煤層以亮煤為主,內(nèi)生裂隙發(fā)育,煤層中含1～2層泥質(zhì)夾矸,厚度一般為0.02～0.10 m。對(duì)31002工作面實(shí)施高壓脈沖濕潤(rùn)劑注水,比較注水前后工作面產(chǎn)塵量和煤體含水率變化。

4.1 工作面粉塵含量測(cè)定與分析

在未注水前對(duì)工作面各工序處的粉塵含量進(jìn)行了測(cè)定。針對(duì)綜采工作面的產(chǎn)塵特點(diǎn),主要測(cè)定了釆煤機(jī)割煤上部煤處、釆煤機(jī)割煤下部煤處的粉塵含量。隨著工作面的推進(jìn),在到達(dá)注清水與添加濕潤(rùn)劑脈沖注水區(qū)域時(shí),在同樣位置測(cè)定了工作面的粉塵含量,在實(shí)驗(yàn)室稱(chēng)重計(jì)算后繪制出圖3。

圖3 注水前后工作面粉塵質(zhì)量濃度Fig.3 Dust concentration of working face before and after water injection

由圖3可知,添加濕潤(rùn)劑脈沖注水后,采煤機(jī)割煤上部煤處的呼吸性粉塵與全塵的降塵率分別為62.00%和63.23%,相比普通注水的15.48%和17.57%均有很大的提升。在采煤機(jī)割煤下部煤處的呼吸性粉塵與全塵的降塵率分別為70.53%和64.55%,相比注清水的15.48%和17.57%也有明顯提高,證明添加濕潤(rùn)劑后降塵效率更高。

4.2 工作面含水率的測(cè)定與分析

通過(guò)對(duì)31002綜采工作面注水前后以及添加濕潤(rùn)劑注水后煤樣水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行測(cè)定,比較注水前后煤體含水率變化情況,考察注水潤(rùn)濕效果。具體測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表4和表5所示。

表4 普通注水前后煤樣全水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 4 Results of total moisture content of coal samples after water injection

表5 添加濕潤(rùn)劑注水后煤樣全水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 5 Results of total moisture content of coal samples after water injection with wetting agent

圖4 注水前后煤體全水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)比圖Fig.4 Comparison of total moisture content of coal before and after water injection

由表4、表5和圖4可以看出:普通注水后,煤體平均水分為2.01%,最大水分增量為0.80%,平均水分增量為0.75%;高壓脈沖添加劑注水后,煤體平均水分為3.12%,最大水分增量為1.90%,平均水分增量為1.87%;添加濕潤(rùn)劑脈沖注水潤(rùn)濕效果較好,煤體的含水率明顯提升,煤樣水分平均增量更大。

5 結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)3號(hào)煤層地質(zhì)條件以及注水方式原理等的考察研究,使用經(jīng)驗(yàn)公式得最大注水壓力為14.7 MPa,最大單孔注水量為53.58 m3,單孔注水流量為0.315 m3/min,單孔注水時(shí)間為2.835 h;根據(jù)鉆孔施工過(guò)程中排粉量的變化確定煤層注水孔的封孔深度為2 m左右。

2)對(duì)不同種類(lèi)濕潤(rùn)劑的表面張力和煤樣接觸角進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)定,確定T702溶液能快速有效地對(duì)煤體產(chǎn)生潤(rùn)濕效果,抑制工作面的產(chǎn)塵現(xiàn)象。

3)添加濕潤(rùn)劑進(jìn)行脈沖注水后,工作面回采時(shí)呼吸性粉塵和全塵降塵率都在62%以上,相較于普通注水方式,降塵率有極大提升,降塵效果十分顯著;煤體含水量(水的質(zhì)量分?jǐn)?shù))平均提升1.87%,是傳統(tǒng)注水方式的2.49倍。