寺河礦煤層脈動注水降塵技術研究

林傳兵

(徐州海森德新材料有限公司，江蘇 徐州 221008)

煤塵是煤礦安全生產的五大災害之一[1]。煤塵不僅危害職工身體健康，而且高濃度粉塵導致作業環境能見度降低，提高了事故發生的可能性。為降低礦塵濃度，晉煤集團采取了二次負壓除塵、噴霧降塵等措施，但是工作場所粉塵濃度依然居高不下，嚴重威脅礦井安全生產和職工身心健康[1-4]。為改善井下高濃度粉塵的作業環境，基于塵源抑塵降塵理念，煤層注水是工作面最有效、最根本的抑塵降塵措施之一[3,5]。煤層注水不僅增加了煤體水分，使其更加濕潤，而且降低了煤體強度和脆性，增強塑性，從根本上降低了生產作業各工序產生的粉塵量[6-9]。雖然該方法可以從源頭對煤塵進行治理，但也有一定局限性，需要對煤層進行注水可行性研究和相應影響因素進行分析[10]。煤層注水過程中受到各種因素影響，尤其是受到煤層層理、裂隙、孔隙率、水分、吸水性等影響。以寺河3#煤層為研究對象，研究上述因素的影響機理和相應條件下的注水降塵技術，為相關工程提供技術參考。

1 煤層脈動注水影響因素與機理

脈動注水是指利用大流量的脈動高壓水在較短時間內對煤體反復作用、連續膨脹和收縮致其疲勞、弱化至破壞，從而達到煤體破裂程度增加、裂隙連通性增強的效果。通過對寺河礦3#煤層煤樣進行測試得出：水分均值1.16%≤4%，自然吸水率均值5.09%≥1%，孔隙率均值8.91%≥4%，堅固性系數f均值0.83≥0.4，結合現場工業性試驗，認為該煤層注水性良好。

1.1 煤層結構特征對注水的影響

煤層裂隙結構分類見表1。

內生裂隙即煤層割理，是煤層最主要的裂隙系統，一般為一組相互交叉的裂隙(面割理和端割理)。割理是煤層氣主要的運移通道，也是注水水流的主要通道，因此割理對注水效果有很大影響。如圖1所示，脈動注水壓裂過程中，在注水壓力、煤壁阻力和瓦斯壓力等共同作用下，根據裂隙開度尺寸水流依次浸入。

表1 煤層裂隙分類

圖1 煤體結構簡化模型示意圖

煤層割理作為脈動水流的浸入通道，割理中相對比較薄弱的“弱面”將會是脈動壓裂的起裂位置，進而增加割理的開度和連通性。

研究發現，煤層裂隙的發育程度對脈動水力壓裂效果以及煤體首次致裂時間和位置有顯著影響。由于煤層孔隙分布于煤基質中，與割理相比，基質滲透率非常低，水流很難浸入，所以煤基質很難被破壞。利用脈動注水壓力在煤基質表面反復作用產生疲勞損傷，以應力波的形式進行緩慢滲透，裂紋累積最終使煤基質破壞。在脈動水流作用下孔隙結構逐漸擴展、貫通并形成裂隙網絡，為注水潤煤降塵抑塵創造條件。

由于脈動注水泵的驅使，壓裂液以一定頻率反復沖擊煤體，致使煤體產生損傷緩慢發生碎裂。脈動流從鉆孔進入煤層，首先進入煤層內的一級裂隙流動，逐漸進入二級裂隙、三級裂隙和四級裂隙，使得裂隙相互貫通和新生裂隙，如圖2～4所示。

圖2 壓裂(脈動)液浸入煤層示意圖

圖3 水平直裂隙模型示意圖

圖4 脈動水流逐級浸入示意圖

煤體內部本身存在很多不同尺度和規模的裂隙(原生裂隙)，因所處的應力環境和采掘擾動影響，裂隙發育位置產生不同尺度的應力弱面，成為了壓裂液浸入通道。由于弱面的開度不同，壓裂液浸入到煤層裂隙具有一定的先后順序(圖4)。

圖5為生產應力條件下脈動水力壓裂鉆孔布置圖，鉆孔周圍分布著大量裂隙，并沿徑向依次由近及遠劃分為破碎區(Ⅰ)、塑性區(Ⅱ)和彈性區(Ⅲ)。隨著徑向距增加，裂隙分布密度和尺度均減小。

1.2 層理、裂隙對注水的影響

結合電鏡掃描實驗，分析了煤樣孔隙結構的微觀特征，如圖6所示。

圖5 脈動注水鉆孔圍巖裂隙分布

圖6 煤樣電鏡掃描

由圖6可以看出，寺河礦3#煤層紋理清晰，煤質硬脆，色澤黑，裂隙中初級和次級裂隙發育，對脈動注水導流是有利的,具體特征見表2。

表2 電子顯微鏡照基本特征分析表

1.3 孔隙對注水的影響

煤樣孔隙參數測試結果見表3和表4。

表3 煤樣孔隙率測試(以密度測定為基礎)

煤樣總孔隙容積在0.060 3～0.072 1 cm3/g之間，孔隙率在7.55%～9.31%之間(平均8.91%)，且連通孔隙容積為0.056 3～0.069 2 cm3/g，占總孔隙率的80%以上，且連通孔隙率大于4%，因此該煤層注水相對容易。

表4 煤樣總孔隙與連通孔隙(以壓汞和低溫液氮測定為基礎)

2 工業性試驗

以寺河礦W2302中段工作面為試驗點，分別進行脈動注水和靜壓注水，對兩者注水效果進行了驗證，其中，脈動注水采用2BZ-125/20型煤層脈動注水泵(脈沖強度0～20 MPa，輸出流量125 L/min，脈沖頻率1 060次/min)，主要從達到等注水量耗時和單次注水量兩個方面進行比較分析。鉆孔布置圖如圖7所示。

圖7 現場考察鉆孔布置示意圖

2.1 單次注水量

由于現場注水并不是連續進行，而是存在一定的間斷。所謂單次注水量就是指每次連續注水工作條件下的注水量，單次注水量試驗統計結果見表5。

根據表5，脈動、靜壓單次注水速度如圖8所示。

表5 脈動、靜壓單次注水量統計

圖8 脈動、靜壓單次注水速度

由圖8可以看出，脈動注水要遠遠快于靜壓注水，脈動注水速度是靜壓注水的2.59～6.50倍，注水速度的提高為水分滲透留出了更多時間，有利于注水的均勻性。

2.2 達到極限注水量所用注水時間

極限注水量又稱為單孔最大注水量，是指單個注水鉆孔的注水量不隨時間延長而增加時的最大注水量，一般認為單孔注水速度低于0.1 m3/h時即達到鉆孔的極限注水量。試驗統計結果見表6。

表6 等注水量所用時間統計

由表6和圖9可知，脈動注水平均速度相較單次注水量并不明顯，但仍然要快于靜壓注水，達到最大注水量時1#孔平均注水速度快45.45%，2#孔快59.70%。

綜上所述，雖然靜壓注水方式工序、操作簡單，但注水壓力低，水不能完全滲入到中等以上硬度煤層中，達不到充分濕潤煤體的目的；脈動注水能充分濕潤煤體，降塵效果較好。然而，脈動注水會因壓力過大導致孔口煤壁嚴重破壞甚至致孔報廢，因此對封孔質量要求較高，需要投入較多設備和人力。

圖9 脈動、靜壓注水達到最大注水量時平均注水速度

3 結 論

1) 隨著徑向距增加，注水鉆孔周圍裂隙分布密度和尺度均減小。由于煤體內部原生裂隙和脈動注水特點，壓裂液浸入到煤體裂隙具有一定的先后順序。

2) 寺河礦3#煤層注水性良好，煤體內裂隙是水流動的主要通道，對注水導流是有利的，總孔隙容積在0.060 3～0.072 1 cm3/g之間，孔隙率在7.55%～9.31%之間，連通孔隙容積為0.056 3～0.069 2 cm3/g，占總孔隙率的80%以上，且連通孔隙率大于4%，因此該煤層注水相對容易。

3) 脈動注水速度顯著高于靜壓注水速度，且脈動注水能充分濕潤煤體，降塵效果較好。