煤層注水防塵潤濕半徑的影響因素研究?

王 軍宋天奇孔國強齊文躍

(1.中國礦業大學礦業工程學院,江蘇省徐州市,221116; 2.中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點試驗室,江蘇省徐州市,221116)

★煤礦安全★

煤層注水防塵潤濕半徑的影響因素研究?

王 軍1,2宋天奇1,2孔國強1,2齊文躍1,2

(1.中國礦業大學礦業工程學院,江蘇省徐州市,221116; 2.中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點試驗室,江蘇省徐州市,221116)

針對綜合機械化高產高效工作面粉塵濃度高的問題,煤層注水防塵可有效地降低粉塵濃度、改善工作環境。通過FLAC3D數值模擬軟件建立煤層注水降塵模型,研究煤體潤濕半徑與注水時間、注水壓力之間的關系,在此基礎上為注水方案及參數的確定提供一定的參考。根據試驗結果,設計了陳四樓煤礦21002工作面煤層注水方案,并進行了工業性試驗。現場粉塵濃度監測結果表明,工作面的全塵濃度和呼塵濃度均下降超過40%,煤層注水防塵取得了良好的效果。

煤層注水防塵 潤濕半徑 注水時間 注水壓力 數值模擬 粉塵濃度

隨著煤炭產量的提高,回采工作面的煤塵產生量也隨之增大。大量的粉塵嚴重影響煤礦的正常生產,且粉塵可以引發煤礦職工的職業病,更嚴重的會引起爆炸,對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題的根本措施,濕潤半徑是衡量煤層注水效果的主要參數,濕潤半徑越大注水影響效果越好。確定煤層注水潤濕半徑的傳統方法是通過工作面取樣測定水分增值的方法進行分析,此方法耗時較長、工程量大,不適合現場實際應用。為了彌補這種方法的缺陷,國內學者進行了煤層注水數值模擬研究,其中包括模型參數識別、注水參數反求、二維徑向滲流和三維空間滲流的數值模擬等。

本文通過FLAC3D數值模擬軟件建立模型,以陳四樓煤礦21002工作面為工程應用現場,研究了煤體潤濕半徑與注水壓力、注漿時間之間的關系,并設計了工作面注水防塵方案,工作面粉塵濃度的現場監測結果表明,煤層注水防塵效果非常顯著。

1 試驗工作面概況

21002工作面對應地表有前李黑樓和唐莊兩個村莊,其他均為農田,西為21001采空區及21202里段采空區,東為21003采空區,北為煤層露頭和風氧化帶及保護煤柱,南鄰北部東翼輔助運輸巷、北部東翼集中運輸巷和北部東翼-470 m軌道巷及其保護煤柱。工作面走向長1527 m,傾向長174 m,面積263478 m2。工作面開采二2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。工作面實際揭露斷層28條,其中逆斷層1條,落差為2.0 m,對回采有一定影響;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,工作面采煤機下風處全塵濃度最大,可達到140.37 mg/m3,呼吸性粉塵濃度可達到10.79 mg/m3。

2 煤體潤濕半徑影響因素數值模擬分析

2.1 模型建立

為了研究注水壓力、注水時間變化時煤層注水的潤濕半徑之間的變化規律,在FLAC3D中采用圓柱體外環繞放射狀網格建立注水鉆孔模型,鉆孔直徑75 mm,圓柱體外環繞放射狀網格尺寸為12 m×12 m,外放環數20,比率為1.2,模型長度為160 m,模型網格劃分如圖1所示。通過對鉆孔內流體設定壓力,使流體向模型外部擴散,從而達到模擬煤層注水的目的。

2.2 邊界條件及參數設定

本次模擬設定除注水孔一側邊界外,其他三側邊界設置為不透水邊界,流體流設為定壓處理;注水孔直徑為75 mm,注水孔深度為150 m。根據21002工作面煤層基本參數的情況,結合數值模擬文獻中的經驗數值,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,內摩擦角34.5°,內聚力4.5 MPa,抗拉強度4.37 MPa。

2.3 模擬方案設計

在工作面降塵技術中,采用降塵措施前后工作面粉塵濃度變化量是降塵效果評估的一項重要標準,而煤體的潤濕半徑則是評價煤層注水的一項重要標準。煤體在不同的注水壓力、注水時間、煤體滲透率、煤體孔隙率、鉆孔直徑和應力環境等條件下的潤濕半徑是不同的,本文通過控制變量法,在保證其他條件不變的條件下通過數值模擬分別研究注水壓力、注水時間兩種因素對煤層注水擴散規律的影響特征,模擬方案設計如下：

(1)研究不同注水壓力下煤體潤濕半徑的變化規律,設定注水孔直徑75 mm,注水時間為40 min,煤體滲透系數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,注水孔周圍孔隙壓力分布特征,得出煤體潤濕半徑與注水壓力大小的規律。

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

2.4 結果分析

2.4.1 潤濕半徑與注水壓力之間的規律

(1)隨著注水時間的增加,注水壓力能夠更充分發揮其推動流體運動的作用,使得注水潤濕半徑進一步增加。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散,流體開始出現壓力衰減,距離注水孔中心距離越近,壓力衰減越嚴重,反之則越小。本文在研究潤濕半徑和注水壓力之間的規律時將注水時間均設置為8 min以達到控制變量的目的,距離鉆孔0～0.2 m范圍內,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,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擴散的動力,通過提高注水壓力的大小達到增加擴散半徑的目的。由圖2(b)可以看出,注水壓力增量與煤體潤濕半徑增量呈非線性增長趨勢,隨著注水壓力的提高,單位注水壓力所帶來的擴散距離越來越小,當注水壓力超過9 MPa時,繼續增加注水壓力煤體的潤濕半徑不會有顯著的影響。因此,當注水壓力達到9 MPa后,繼續通過增加注水壓力來實現增加煤體潤濕半徑的方式在技術和經濟層面都是不可取的,達不到預期效果。將注水壓力確定在7～9 MPa之間,既不會造成注水壓力浪費同時可以實現較大的潤濕半徑。

圖2 不同注水壓力下孔隙壓力及煤體潤濕半徑

2.4.2 潤濕半徑與注水時間之間的規律

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

圖3 不同注水時間下煤體潤濕半徑變化

3 工程應用

3.1 煤層注水方案設計

3.1.1 注水區域確定

當向煤體中注水時,水沿著裂隙運動,只有在裂隙比較發育而且裂隙張開量不大的區域進行注水,才能既保證注水影響范圍大,又能充分利用毛細現象以潤濕煤體。從這個意義上講,合適的注水區域應是原生裂隙張開區和裂隙發育發展區。合理注水區域選擇參考如表1所示。

表1 合理注水區域選擇參考

陳四樓煤礦二2煤的單軸抗壓強度為7.56 MPa,煤質較硬,為降低綜采工作面粉塵濃度,改善工人作業環境,減少采煤機械磨損,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21002工作面具體條件,21002綜采工作面傾向長度174 m,如果從工作面位置垂直煤壁布孔,在檢修班將無法完成打孔、聯管、封孔、注水等工藝;同時考慮到運輸巷運輸任務重,跨膠帶打孔存在困難,因此選擇在軌道巷采用單側布長孔的注水方式。

3.1.3 鉆孔布置參數

鉆孔布置在21002軌道巷1002×13測點向外21 m至1002×11測點范圍內,全長173 m,共布設18個注水鉆孔,鉆孔從工作面煤壁沿工作面推進方向排列,依次編號1#、2#,…18#。注水孔位置距巷道底板高度1.2 m,鉆孔設計長度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。

根據注水潤濕半徑數值模擬結果,在選擇注水壓力為7 MPa、注水時間為40 min時,煤層內水的滲透半徑為4.3 m;為了進一步考察注水鉆孔合理間距,設計鉆孔間距為三組,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,從而為正確指導其他工作面注水工作提供實踐基礎。

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,在工作面煤壁前每10 m選擇一個采樣點,樣品送至化驗室分析全水分。通過對煤層水分含量的數據分析整理,對比注水前后煤層的水分變化情況。

根據各測站內監測儀器所得數據,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%,試件內含水率明顯增大,說明煤的產塵能力變差,注水效果良好。

表2 煤樣含水率測定記錄表

3.2.2 工作面粉塵濃度變化

分別在采煤機轉載機處、采煤機司機處、移架處和采煤機下風側10～15 m處進行粉塵濃度的測定。根據各測站內監測儀器所得數據,回采期間各測點粉塵濃度變化情況如圖5和圖6所示。

(1)全塵濃度對比。通過對注水前后全塵濃度對比分析可以看出,采煤機下風處全塵濃度最大,可達到140.37 mg/m3;采取煤層注水措施后各測點全塵濃度均有不同程度的降低,3#孔的最大降塵率達37.57%,平均降塵率為35.23%;7#孔的最大降塵率達42.01%,平均降塵率為41.05%; 11#與12#孔間的最大降塵率達41.03%,平均降塵率為40.07%;12#與13#孔間最大降塵率達42.14%,平均降塵率為41.34%;16#與17#孔間最大降塵率達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,孔間距為8 m時降塵方案設計較為合理。

圖5 全塵濃度對比圖

圖6 呼塵濃度對比圖

(2)呼塵濃度對比。通過對注水前后呼塵濃度對比分析,采煤機下風處呼塵濃度最大,可達到10.79 mg/m3,采取煤層注水措施后各測點呼塵濃度均有不同程度的降低,3#孔處的最大降塵率達38.92%,平均降塵率為34.73%;7#孔處的最大降塵率達41.15%,平均降塵率為40.05%;11#與12#孔間的最大降塵率達41.33%,平均降塵率為40.29%;12#與13#孔間最大降塵率達42.91%,平均降塵率為42.1%;16#與17#孔間最大降塵率達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時降塵方案設計較為合理。

4 結論

(1)通過利用FLAC3D數值軟件改變注水壓力和注水時間,分析了不同注水壓力和注水時間的情況下煤體的潤濕半徑變化規律,最終確定注水壓力為9 MPa,注水時間為40 min時注水效果最好。

(2)設計了21002工作面煤層注水方案,制定了工作面粉塵濃度監測方案。監測結果表明,工作面全塵濃度和呼塵濃度較注水前均降低超過40%以上,注水防塵達到了預期效果,極大地改善了工人的工作環境。

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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。

(責任編輯 張艷華)

國家自然科學基金資助項目(51404247)