常村煤礦3#煤層綜放工作面注水降塵技術研究

李 波

（潞安化工集團常村煤礦，山西 長治 046102）

1 工程概況

常村煤礦N3-13 綜放工作面地面位置位于吳家莊村下部和西側，花垴村東北方，蒲草溝村以南，地面標高+951.6～+986.3 m，煤層底板標高+463.6～+484.6 m。N3-13 工作面南鄰N3-15 工作面（未回采），北鄰N3-10 工作面（已回采），東接N3 采區大巷，詳見圖1 所示。N3-13 工作面由北向南布置回風順槽、進風順槽兩條巷道，N3-13 工作面切眼長259.2 m，N3-13 工作面皮順長1 089.7 m，N3-13 工作面軌順長1 058.6 m，可采長度920.6 m，傾斜長259.0 m，斜面積238 435.4 m2。工作面平均煤厚6.09 m，采高（3.2±0.1）m，瓦斯含量6.061 2 m3/t，煤塵有爆炸危險，地壓正常。常村煤礦3#煤層內存在大量的礦物質，礦物晶體的存在封閉了煤層內部分裂隙，導致煤層注水效果不理想，回采期間滾筒截割、煤體轉載運輸、液壓支架移架等工序產塵量大。為解決采煤工作面采煤機司機處、滾筒下風側粉塵濃度過高的問題，以N3-13 工作面為工程背景，對其煤層注水防塵技術進行優化研究。

圖1 N3-13 工作面布置示意圖

2 煤層注水表面活性劑研究

為保障常村煤礦N3-13 工作面煤層注水取得良好的降塵效果，設計在煤層注水期間加入表面活性劑。參考礦區內類似礦井常用的表面活性劑種類[1-2]，初步選擇十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）、亞氨基二琥珀酸四鈉（IDS）兩種活性劑。為測試這兩種表面活性劑對于常村煤礦3#煤層的浸潤效果，設計浸泡試驗進行研究。首先通過X 射線衍射技術檢測煤樣的成分，通過實驗結果確定煤體中含有較多的高嶺石、伊利石、方解石，煤體的主要礦物質元素為Ca、Mg、K、Al。為確定常村煤礦3#煤層最適宜的表面活性劑溶液和種類，在N3-13 工作面取得大量煤樣，煤樣尺寸需不小于（長×寬×高）30 cm×30 cm×20 cm，采用保鮮膜封閉，妥善管理運送至實驗室，采用巖石切割機將煤塊加工成（長×寬×高）5 cm×5 cm×10 cm 的標準試塊，然后將試塊放入不同的1000 mL 燒杯中，進行浸泡試驗。

浸泡溶液可分為純水、SDBS 溶液、IDS 溶液三類。SDBS 溶液、IDS 溶液濃度為0.05wt%～0.25wt%，每0.05wt%為一個梯度，浸泡時間為2 d、4 d、8 d、12 d、16 d。試塊放入對應溶液后在燒杯上做好標簽便于記錄，采用塑料薄膜封閉好燒杯上口避免灰塵進入溶液。當溶液浸泡煤樣到達預定時間后，隨即采用電感耦合等離子體原子發射光譜（ICP-AES）檢測溶液各種離子的濃度。根據常村煤礦3#煤層內主要礦物成分，對溶液中的Mg 離子、Ca 離子含量變化進行分析，根據離子的濃度判定溶液對于煤樣的浸潤效果，優化合適的煤層注水溶液。整理得到不同溶液、對應浸泡時間條件下兩種離子溶度的變化規律如圖2。

圖2 溶液中Mg、Ca 離子濃度變化規律

由圖2（a）、（b）所示結果可以看出，溶液中Mg 離子的溶度隨著浸泡時間的延長呈現不斷增大的趨勢。加入表面活性劑后，在相同浸泡時間條件下，溶液中Mg 離子的濃度顯著提高，浸泡8 d之后溶液中Mg 離子的濃度顯著提高，浸泡12 d 時溶液中Mg 離子濃度已達到較高水平，浸泡時間繼續延長至16 d，濃度變化幅度較小，因此可確定浸泡時間為8～12 d 較為適宜。對比兩種表面活性劑溶液內K 離子濃度，同樣條件下IDS 溶液中Mg 離子濃度顯著高于SDBS 溶液，表明IDS 溶液對于煤體中的高嶺石溶解效果更佳。對比不同濃度SDBS 添加劑條件下，使用濃度為 0.20wt%～0.25wt%時，浸泡8～12 d 即取得良好的溶解效果，考慮到經濟因素，IDS 溶液最佳使用濃度為0.20wt%、浸泡時間8～12 d 是溶解煤層中伊利石的最佳條件。同理，根據圖2（c）、（d）所示結果得到，IDS 溶液最佳使用濃度為0.20wt%、浸泡時間8～12 d 是溶解煤層中方解石的最佳條件。綜上分析可得，常村煤礦3#煤層注水降塵添加劑應使用IDS 活性劑，最佳溶度為0.20wt%，注水時間為8～12 d 左右效果最佳。

3 現場注水方案優化設計

為提高常村煤礦N3-13 綜放工作面注水降塵效果，采用FLAC3D模擬軟件對工作面注水壓力、時間、鉆孔間距等參數進行優化分析[3-4]。根據工作面實際情況建立三維數值計算模型，模型長×寬×高=6 m×60 m×6 m，模型采用放射性網格劃分，注水鉆孔布置在模型中部，直徑30 mm，深度10 m，模型共劃分為11 784 個單元體，共有64 278 個節點，工作面埋深取500 m，頂面施加12.5 MPa 均布載荷。模型具體情況如圖3。

圖3 三維數值模型示意圖

常村煤礦3#煤層埋藏深度大，煤層內孔隙壓實現象較嚴重，且由于礦物晶體影響煤層注水效果差。N3-13 綜放工作面原有注水方案主要參數：煤層注水采用自來水無添加劑，注水鉆孔間距離為4 m，注水壓力為3 MPa，注水時長5 d，注漿鉆孔直徑30 mm。為得到更好的注漿效果，首先對注漿壓力進行優化分析，設計注水壓力為3 MPa、5 MPa、7 MPa，其余注水參數不變的條件下，對不同注水壓力條件進行模擬分析，得到注水口周邊煤體潤濕半徑隨著時間的變化規律如圖4。

圖4 不同注漿壓力條件下滲透半徑模擬結果

由不同注水壓力條件下潤濕半徑的變化規律可看出，當注水壓力由3 MPa 增大至5 MPa 時，隨著注水時間的延長，潤濕半徑顯著增大，而注水壓力為7 MPa 時，其注水半徑變化曲線與注水壓力為5 MPa非常接近，增幅不明顯，因此確定最佳注水壓力為5 MPa。根據潤濕半徑隨時間延長的變化規律可以看出，注水前6 d 潤濕半徑增大速度較快，之后增速減緩，總體而言，注水壓力為5 MPa 時，注水時間為8 d 最為合適。采用相同方法優選N3-13 工作面注水鉆孔間距為6 m。

4 降塵效果考察

結合研究成果對N3-13 工作面注水方案進行優化調整。注水鉆孔布置在N3-13 回風順槽和運輸順槽，鉆孔深度為130 m，鉆孔間距6.0 m，注水壓力5 MPa，每天注一次水，每次注水時間不少于8 h，每個鉆孔需注水8 d，單孔注水流量約為1.5 m3/h。為考察優化注水工藝技術的應用效果，采用直讀式粉塵濃度測試儀在井下進行測試，測點布置情況如圖5 中1、2、3、4。

圖5 N3-13 工作面測塵點分布

通過現場測試得到原注水方案條件下和優化后注水方案條件下采煤工作面粉塵濃度詳見表1。可以看出采用優化后的注水方案時，采煤工作面各處的全塵、呼塵濃度均顯著降低，全塵的降塵效率提升在70%左右，全塵的降塵效率平均提高70.37%，呼塵的降塵效率平均提高76.16%。通過對注水液體及工藝的優化，可顯著降低采煤工作面的產塵量，減小作業環境中全塵、呼塵的濃度，保障工作面的安全高效生產，改善井下作業環境，應用效果良好。

5 結論和建議

本文以常村煤礦N3-13 工作面為背景，通過實驗室對煤樣浸泡試驗表明，添加表面活性劑可顯著提高煤層的潤濕效果，IDS 表面活性劑對于煤樣的潤濕效果明顯優于SDBS，IDS 溶液最佳的使用濃度為0.20wt%；通過數值模擬研究對工作面注水工藝參數進行優化，確定最佳注水壓力為5 MPa，注水時間為8 d，注水鉆孔間距為6 m。工作面實踐應用表明，通過在煤層注水溶液中加入表面活性劑、注水技術參數優化，工作面整體全塵濃度平均減小70.37%，呼吸性粉塵濃度平均減小76.16%，工作面粉塵濃度保持在較低水平，保障了工作面的安全高效生產。