15201 工作面煤層注水降塵優化研究

蕭煜宏 孫 亮

（1.山西馬堡煤業有限公司，山西 長治 046300； 2.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122； 3.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

1 煤層注水原理

按照綜采工作面煤塵產生的方式，將其劃分為兩種：原生煤塵和生產煤塵。煤層注水可在煤塵來源上入手降低工作面回采時產生的原生煤塵和生產煤塵，充分改善工作面作業環境。在加壓泵的作用下，水注入煤體中，首先濕潤煤體中的原生煤塵，產生顆粒比較大的煤塵，使煤塵在工作面回采時難以飄散至作業空間中，減少塵源的產生；其次是降低煤體的脆性和強度，提高煤體塑性，在工作面回采時將煤體從脆性破碎轉化為塑性變形，消除煤塵。且因注水后提高了煤體的含水率，割煤時形成的煤塵被充分潤濕，難以飛揚至作業空間中，在源頭上消除煤塵。

2 工作面概況

15201 綜采工作面所采煤層為15#煤層，位于152 采區東部。工作面北東側臨近該礦井田邊界煤柱，與福達煤業井田邊界相鄰；東南、西北側均為實體煤；西南側與152 采區膠帶、軌道、回風下山相連。其所處水平為+900 m 水平，隸屬152 采區，可采推進長度為1123 m，工作面長度為220 m，面積247 060 m2，

15#煤層結構簡單，煤層厚度4.45～5.3 m，煤層厚度平均5.2 m，煤層傾角平均為14°，可采性指數km=1，變異系數為6.4%。煤層頂板為細砂巖、粉砂質泥巖，底板為泥巖、鋁土質泥巖。15201 綜采工作面基本為一單斜構造，煤層賦存較穩定，結構單一，含1 層夾矸，屬全區穩定可采煤層。工作面采用單一走向長壁采煤法，一次性采全高，采高5.2 m，每天3 個循環，循環進度為0.8 m。

該工作面設計注水方案是靜壓方式單向鉆孔，設置注水壓力為2.5 MPa，鉆孔長度為180 m，封孔長度為4 m，鉆孔直徑為50 mm，鉆孔間距為20 m。注水鉆孔布置如圖1 所示。實施此注水方案以后，經過測試煤體全水分平均僅為3.14%，工作面割煤時全塵降塵效率僅為32.1%，注水效果不佳。

綜合煤樣參數，測試結果符合可注水煤層的四個條件：全水分2.23%≤4%，總孔隙率5.49%≥4%，普氏系數1.3≥0.4，自然飽和吸水率為2.79%≥1%，判斷該煤層能夠進行注水潤濕，所以在15201 工作面實施煤層注水是完全可以的。

圖1 煤層注水示意圖

3 優化煤層注水方案

3.1 加入潤濕劑

因15201 綜采工作面煤樣具有孔隙率小、自然飽和吸水率低的缺點，決定通過加入潤濕劑溶液來強化注水效果，同時對純水和濃度為0.05%的潤濕劑溶液如何影響煤樣的接觸角和煤樣的含水率進行測定。

3.1.1 測定煤樣的接觸角

煤樣的潤濕過程主要為煤樣表面液相取代氣相的過程。根據學者T.Young 科研成果，通過力學平衡條件推導得出楊氏潤濕方程：

式中：

θ-煤樣的接觸角；

σsg-固氣表面張力；

σsl-固液表面張力；

σlg-液氣表面張力。

測定發現，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°，如圖2（a）所示，經過5 s 以后接觸角基本未發生變化。因為15201綜采工作面水與煤樣的接觸角超過40°，證明水對煤體的潤濕性比較差；但起初時0.05%潤濕劑溶液與煤樣的接觸角平均為29.3°，如圖2（b）所示，且短短5 s 就擴展平鋪，證明加入潤濕劑能增加煤體的潤濕性，減小液體與煤表面之間的張力，縮小接觸角。所以在15201 綜采工作面開展煤層注水過程中加入潤濕劑，能提高煤體的潤濕性。

圖2 純水和0.05%的潤濕劑溶液對煤樣接觸角的影響

3.1.2 自然吸濕曲線

煤樣在純水中和濃度為0.05%的潤濕劑溶液中的吸水率變化規律如圖3 所示。

圖3 煤樣的自然吸濕曲線

從圖3 發現，在20 h 內煤樣的吸水率隨著時間升高很快，然而伴隨時間的推移，煤樣的吸水率開始減緩；在40 h 以后煤樣的吸水率趨于平緩，基本不再增加。通過計算擬合得到煤樣的自然吸濕方程，可發現煤樣的吸水率與時間的對數二者之間具有明顯的線性關系，如圖4 所示。

自然吸濕方程為

在純水中：

ω=0.585 5lgt+0.743 8，R2=0.984 5

在0.05%潤濕劑溶液中：

ω=1.034 9lgt+ 0.602 5，R2=0.979 1

式中：

ω-煤樣吸水率，%；

t-時間，h；

R-線性相關系數。

根據以上方程得到煤樣的吸水率伴隨時間的推移在下降，當時間越長，煤體吸水的程度逐漸趨于飽和狀態。原因是在煤層注水時，煤體中同時存在著三種運動：滲流、毛細和擴散，但在注水的不同階段，所發揮的作用也不一樣。

圖4 煤樣的吸水率與時間的對數的關系

另外對比分析圖4 中的兩條吸濕曲線，獲得在潤濕劑溶液中的煤樣，其吸水率顯著超過純水中。在潤濕劑溶液中煤樣形成飽和吸濕狀態需要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需要30 h，飽和吸水率為2.81%。

3.2 注水孔間距

在15201 工作面原煤層注水設計中，將煤層注水鉆孔的間距設計為20 m。為了有效提高煤層注水效果，同時使用潤濕劑，把煤層注水鉆孔的間距從20 m 減小到15 m，且實施雙向注水。

3.3 注水壓力

15201 工作面煤層埋深為1000 m，測得工作面前方的地應力值是20.5 MPa。煤層注水壓力和煤層埋深的經驗公式如下：

式中：

P0-煤層注水的最小壓力，MPa；

H-煤層埋深，m。

從式（2）獲得，理論計算得到煤層注水最小水壓是10.4 MPa，同時最大水壓不能大于覆巖的壓力。但在原注水設計里煤層注水的壓力是2.5 MPa，遠遠低于理論計算值，這也是導致之前煤層注水效果不理想的原因。通過增設加壓泵，改靜壓注水為動壓注水。由于煤體裂隙發育的不平均，煤層注水水壓逐漸升高，最終注水壓力保持在10～12 MPa 范圍內。

3.4 封孔長度

15201 綜采工作面原煤層注水設計方案中封孔長度為4 m，封孔器采用高壓膠管封孔器。為了確保注水效果，將封孔器的長度增加。依據鉆屑量法現場實測出15201工作面煤體松動帶的范圍是9.1 m。因此把封孔器的長度延長到10 m，達到煤體的松動帶被全部密封的目的。

4 現場試驗煤層注水效果

4.1 潤濕效果

實施優化后的注水方案2 d 以后，也就是盡量使煤層達到飽和潤濕，開始在工作面材料巷兩個注水鉆孔區域等間距施工4 個采樣孔，一共施工兩組。優化注水方案后注水采樣點設置如圖5 所示。設計采樣孔長度16 m，每個采樣孔間隔2 m 設置1 個采樣點。注水后測定煤樣全水分情況見表1。因為表內數據呈現非均勻分布，通過Cline-Renka 二維三角剖分算法開始插值處理，同時繪制出煤體注水后全水分分布圖，如圖6 所示。從圖6 發現，優化注水方案實施以后，煤體水分不均勻分布。在橫向方向上，距離注水孔越近的區域，煤體含水率越高，而離注水孔越遠的區域，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。在縱向方向上，即使煤層注水鉆孔的封孔長度達到10 m，但孔內水仍然通過封孔器10 m 長的煤體裂隙滲透到巷道壁周圍的煤體。

圖5 優化注水方案后注水采樣點設置

表1 優化注水全水分測定

圖6 優化方案后潤濕效果

根據原方案實施注水以后，處于兩個注水孔影響范圍的煤體平均全水分3.09%，潤濕半徑4.5 m。根據優化后的煤層注水方案實施后，在采樣孔①至④號這段煤體平均全水分高達5.37%，與原方案相比煤體全水分升高2.28%；優化后的注水方案潤濕半徑高達8 m，與原方案相比潤濕半徑提高了3.5 m。所以優化煤層注水方案后，明顯提高了潤濕效果。

4.2 降塵效果

實施煤層注水優化方案后，順風割煤和移架時產塵量明顯減少。具體效果是順風割煤時15201工作面的最大全塵質量濃度為391.7 mg/m3，而優化前為559.6 mg/m3，全塵降塵效率增加26.38%，呼塵降塵效率增加27.16%；在推移液壓支架時，最大全塵質量濃度為409.6 mg/m3，而優化前為631.8 mg/m3，全塵降塵效率增加24.13%，呼塵降塵效率增加26.15%。表明在15201 綜采工作面實施煤層注水優化方案后，降塵效果得到顯著提升，工作面環境明顯改善。

5 結 論

（1）通過加入密度是0.05%的潤濕劑溶液，同時優化了注水設計，將注水壓力、鉆孔間距和封孔長度調整至10～12 MPa、15 m 和10 m，搜集煤樣借助Cline-Renka 插值法獲得煤樣的全水分分布規律，最終發現注水范圍內煤樣的全水分提高2.28%，潤濕半徑提高了3.5 m，潤濕效果得到顯著改善。

（2）對比優化前后的注水方案，在割煤時，工作面的全塵除塵效率增大26.38%，呼塵的除塵效率增大27.16%；推移液壓支架時，工作面的全塵除塵效率增大24.13%，呼塵的除塵效率增大26.15%?，F場測試結果證明優化后方案具有良好的除塵效果，工作面的作業環境得到明顯改善，確保了職工的人身健康。