煤層注水降塵關鍵參數影響規律研究

程根銀，侯佳音，司俊鴻，李 林

（華北科技學院 安全工程學院，北京 065201）

機械化開采技術在煤礦生產過程中的應用趨于廣泛，由此也衍生出了更多的采煤工作面粉塵災害問題。煤炭具有可燃性，溢出的煤塵具有爆炸性。煤塵爆炸事故與一定空間內煤塵的濃度相關，降低煤層中煤塵的溢出量有助于排除煤塵爆炸的安全生產事故隱患，降低煤塵爆炸事故發生的可能性。采煤工作面粉塵濃度超標不僅是粉塵爆炸的事故隱患，它還嚴重污染煤礦生產作業環境，高濃度的粉塵危害煤礦工人的生命健康，提升患塵肺病，肺結核等肺部疾病的風險[1-4]；同時也使作業人員在井下的工作過程中視線感官受阻，增加由于誤操作等人為因素引起的事故風險。目前國內外在礦井除塵領域普遍采用的方式可以分為干式除塵方法和濕式除塵方法2大類別，具體包括通風除塵、除塵器除塵、煤層注水、噴霧降塵、化學抑塵和泡沫抑塵等[5]。通風除塵是利用可控循環的風流將粉塵約束在一定區域內，再利用除塵風機等設備將其消除，李學勇等[6-8]的研究表明這種方法雖然便于操作，成本不高，但是除塵效率較低，一般除塵效率不高于60%，達不到較好的除塵效果。相對來講，除塵器除塵的效率足夠高，但是其適用區域具有局限性，不適合應用在礦井地下狹窄的空間。程衛民、陳連軍等[9-11]指出噴霧降塵法的應用范圍較廣，但由于煤塵親水性差，此方法對呼吸性粉塵的降塵效果不明顯，工況環境仍然惡化。王文婧[12]指出化學抑塵和泡沫抑塵的運行成本高，操作復雜，化學抑塵試劑可能會腐蝕損壞機械設備，而泡沫抑塵技術雖然最早起源于20世紀50年代的英國，但幾十年來，我國對于這一技術手段的研究進展并不明顯，在煤礦企業生產領域的普及率和利用率也不高。煤層注水技術通過預先潤濕煤層可在開采前期提高煤層含水率，在開采時降低粉塵溢出量[13-14]。吳兵和于振江等人[15]指出煤層注水還可以改變煤巖體的物理力學性質和化學特性，使其脆性降低，減少沖擊地壓的危害；發火周期延長，避免煤自燃的危害。王開德、劉孟杰等[16-17]指出煤層注水降塵法工程一次性投入成本高，耗水量大，所需設備復雜，所以合理地安排注水時長和注水壓力，可以在不過度消耗成本和資源的同時達到降低采礦環境粉塵濃度的目的。通過數值模擬的方法來研究煤層注水參數與煤層浸潤效果的關系，可以為實際工程應用提供參考。優化煤層注水參數對保證工人的職業健康，企業的高效生產和自然資源的節約都具有深遠的意義。

1 煤層注水主要影響因素體系

煤層注水是煤礦井下粉塵防治的主要技術手段之一。其降塵原理是將水注入到待開采煤層中，通過水在煤體內部的孔隙、裂隙中緩慢滲流，逐漸潤濕原生煤塵，包裹煤體內的細小部分，減少采煤過程中煤體破碎時浮游煤塵的產出量。煤層浸潤效果是煤層注水成效的表征值，它與被注水煤層的物理性質、化學性質和煤層潤濕性等客觀因素有關，同時也與注水壓力、時間等注水工藝參數的選擇和控制有關。以上各因素綜合稱為煤層注水主要影響因素體系，煤層注水主要影響因素體系如圖1。

圖1 煤層注水主要影響因素體系Fig.1 The main influencing factors system of coal seam water injection

1.1 煤巖體的特性

煤炭的形成是一種歷經千百萬年的變質生成過程，煤是一種以極其發育的裂隙、孔隙為主的多孔介質。這些裂隙、孔隙的直徑大至數毫米，小到10-9m不等。根據煤體中存在的孔隙直徑的大小，通常將其歸為大微孔隙、微孔隙、半微孔隙、中微孔隙和細微孔隙5類。流體在較大的孔隙和裂隙中可以發生滲流運動，在較小的孔隙中發生毛細運動，在煤的超級微小的孔隙中則進行分子擴散運動。在煤層注水工作中，水被注入煤層后，首先在較大的孔隙和裂隙中滲透，隨著孔隙的飽和度逐漸提升，水逐漸開始在微小孔隙中做毛細和擴散運動，擴散運動是在已完成緩慢滲流的煤體區域中進行，并可持續進行至注水完成后。煤體的固有特性為通過煤層注水減少采煤過程中的粉塵逸散、實現工作面降塵提供了可行性。

1.2 注水工藝參數

煤層注水的工藝參數主要包括注水壓力和注水時間。其中，注水壓力可區分為低壓、中壓和高壓3個級別。注水壓力小于2.45 MPa時，為低壓注水；注水壓力為2.45～7.84 MPa時，為中壓注水；注水壓力高于7.84 MPa時，為高壓注水，目前我國在實際工程中使用的煤層注水水壓最高不超過14.7 MPa，大多為低壓注水和中壓注水。分別在低壓、中壓和高壓注水3個區間內選取壓力數值進行數值模擬。煤體的潤濕效果也與注水時間有關：注水時間過短，不能保證煤體各個區域全部得到充分浸潤；注水時間過長，可能導致漏水，造成資源浪費。

1.3 粉塵的主要來源

煤礦在生產過程中鉆眼作業、掘進機掘進作業、采煤機破碎作業和煤炭的轉載運輸等生產環節都會產生大量的粉塵。煤礦井下主要產生粉塵的地點是綜采工作面，粉塵主要來自采煤機割煤的過程、刮板運輸機與帶式輸送機運煤的過程、轉載機運煤的過程、液壓支架移動支護的過程和頂板的垮落。

采煤機采煤的過程需將煤巖體進行分割、破碎等工作，將大型煤塊破碎為小型煤塊，此工作過程會產生大量的粉塵，產塵量在煤礦生產的各項工序中占比最高。

2 煤層注水滲流過程數值模擬

2.1 數學模型

2.1.1 達西滲流定律

水在煤體中的滲流過程遵循達西定律，其運動方程滿足質量守恒定律和能量守恒定律：

式中：v為滲流速度，m/s；k為煤層滲透率，m2；μ為流體動力黏度，Pa·s；z為沿z軸的豎直方向；p為煤體的孔隙水壓，Pa；ρ為流體的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2。

11月2日，在第七屆綠色農藥博覽會開幕式上，農業農村部農藥檢定所黨委書記吳國強在致辭中說：“落實中央綠色發展的總體部署和發展綠色農業的要求，農藥行業責任重大，必須順應時代潮流，積極研發、生產、宣傳、推廣高效、低毒、低殘留的環境友好型農藥和施藥機械，大力發展綠色農藥。”

當煤層與水平方向的夾角為α時，得到L方向上的滲流速度為：

式中：α為煤層與水平方向的夾角；L為沿煤層方向的長度，m；vL為流體沿L方向的滲流速度，m/s。

當流體沿著水平方向x流動時，α＝0，達西定律最終可簡化為：

在三維滲透條件下，達西定律方程為：

2.1.2 應力場方程

由幾何方程、應力平衡方程、本構方程與有效應力原理等公式聯立，可得到由應力和位移表示的應力平衡微分方程：

2.2 幾何模型

利用Comsol Multiphysics軟件做1個煤層注水的二維模擬模型，取模擬模型的長度為20 m，寬度為20 m，注水孔設置在煤層的中間位置。模型的邊界條件設置如下：模型上邊界、下邊界和右邊界均設置為無流動，除注水孔邊界外，其他邊界均添加固定約束，限制法向和徑向位移。煤層的上邊界、下邊界和右邊界設置壓力邊界。注水鉆孔同樣設置為壓力型邊界，根據低壓、中壓和高壓注水的壓力數值規定區間，設置的注水壓力輸入參數分別為1、5、10 MPa，對比分析按照注水壓力區分的3種注水工藝的應用效果。采用軟件的常規網格劃分方式，由于注水鉆孔附近存在應力集中區域，將注水鉆孔附近的網格細化。網格剖分模型如圖2。

圖2 網格剖分模型Fig.2 Mesh generation model

以某礦煤層中煤炭的特征參數為例，設置數值模擬的輸入值和邊界條件，數值模擬參數的設定見表1。

表1 數值模擬參數的設定Table 1 Setting of numerical simulation parameters

3 模擬結果及分析

3.1 模擬結果

注水壓力為5 MPa，模擬注水時間從1～8 h遞增的條件下，煤層內孔隙水壓的分布規律。不同注水時間條件下煤層內孔隙水壓應力分布云圖如圖3。

圖3 不同注水時間條件下煤層內孔隙水壓應力分布云圖Fig.3 Cloud diagrams of water pressure stress distribution in coal seam under different water injection time conditions

從圖3可以看出，隨著注水時間的增加，煤層內孔隙水壓以注水鉆孔為中心逐漸擴大。其中，當注水時間小于5 h時，煤層內孔隙水壓擴大的效果尤為明顯。注水時間在6～8 h內，煤體孔隙壓力趨于飽和，隨著時間的增長，孔隙壓力的增長速度減緩，變化不明顯。

選取注水時間為6 h，分別模擬注水壓力為1、5、10 MPa時煤層內水流速度場的分布，得出煤層內的滲流速度分布規律，不同注水壓力條件下煤層孔隙水流速度云圖如圖4。

圖4 不同注水壓力條件下煤層孔隙水流速度云圖Fig.4 Cloud diagrams of coal seam flow velocity under different water injection pressure conditions

采取低壓注水工藝，即注水壓力為1 MPa時，煤層內滲流速度過低，液體在煤體孔隙中的擴散速度較慢，在同一時間段內，煤層被潤濕的面積較小，液體浸潤煤體的效率較低；采取中壓注水工藝，即注水壓力為5 MPa時，煤層內滲流速度適中，注水鉆孔附近區域滲流速度較高，煤層整體潤濕均勻；采取高壓注水工藝，即注水壓力為10 MPa時，注水鉆孔附近區域滲流速度過高，瞬時孔隙水壓力較大，有破壞煤體固有結構的風險，可能導致煤體破裂而漏水。

3.2 數據分析

分析煤層中同一注水壓力條件下，注水時長與煤體濕潤半徑之間的關系。將孔隙水壓作為度量，孔隙水壓大于1.5 MPa的部分視為煤體被充分浸潤，屬于浸濕區域。注水壓力為5 MPa時，不同的注水時間的煤層濕潤半徑如圖5。煤層注水壓力為5 MPa，注水時間為5 h時，注水鉆孔附近孔隙水壓、滲流速度分布規律分別如圖6、圖7。

圖5 不同注水時間的煤層濕潤半徑Fig.5 Coal seam wetting radius at different water injection time

圖6 注水鉆孔附近孔隙水壓分布規律Fig.6 Distribution law of pore water pressure near water injection borehole

圖7 注水鉆孔附近滲流速度分布規律Fig.7 Distribution law of seepage velocity near water injection borehole

由圖5可知，采取煤層中壓注水工藝時，最佳注水時長為5 h，注水時間達到5 h后，煤層濕潤半徑的增長速度緩慢，在實際工程應用中若繼續注水，將會加大資源投入成本，甚至導致水在煤層中溢出。

由圖6可知，在構建煤層注水的幾何模型時，將注水鉆孔安置在模型中心，距原點10 m的位置，煤層內孔隙壓力在注水鉆孔處達到最大值，以注水鉆孔為中心的周圍區域孔隙水壓逐漸減小，而且，孔隙壓力與距注水鉆孔之間的距離2個參數值的關系曲線成函數分布，變化過程比較規律。

從圖7可知，煤層內不同區域滲流速度的分布規律與煤層內孔隙水壓的分布規律類似，均為在注水鉆孔處達到最大值，不同的是，達西滲流速度與距注水鉆孔的距離之間的變化規律未呈現規則的函數分布。

4 結論

1）煤體浸潤效果與煤層內孔隙水壓和滲流速度的大小、分布規律相關，采取高壓注水工藝時，滲流速度過高，瞬時孔隙水壓過大可能導致煤體破裂；采取低壓注水工藝時，滲流速度過低，液體在煤體孔隙中的擴散速度較慢，浸潤煤體的效率較低。中壓注水時，煤體內部的孔隙水壓力和滲流速度適中，所以中壓注水時煤層浸潤效果更好。

2）注水壓力為5 MPa時，注水時間為1～5 h時，濕潤半徑增長速度較快，5～10 h之間，濕潤半徑增長速度緩慢，煤體內部水分趨于飽和，所以在這一注水壓力水平下，5 h為最佳注水時長。

3）煤層內孔隙水壓與滲流速度的分布規律類似，2個參數均在注水鉆孔處達到最大值，隨著與注水鉆孔之間的距離增加，壓力與滲流速度逐漸降低。孔隙壓力隨距注水鉆孔之間距離的變化曲線呈函數關系，變化過程規律，而滲流速度與距注水鉆孔之間距離的變化規律未呈現規則的函數分布。所以，將煤體孔隙水壓這一參數作為分析煤層浸潤效果的依據，有利于在數值模擬的過程中得到煤層注水工藝的優化參數。