马堡煤矿煤层注水参数优化及效果研究

萧煜宏，孙 亮

(1.山西马堡煤业有限公司， 山西 长治 046300； 2.煤科集团 沈阳研究院有限公司， 辽宁 抚顺 113122； 3.煤矿安全技术国家重点实验室， 辽宁 抚顺 113122)

煤矿井下工作面生产时产生的粉尘不但影响安全生产，而且威胁职工的身体健康[1]. 采煤工作面是矿井的最大粉尘来源之一，在生产时未采取有效防尘措施时，工作面粉尘质量浓度能够升至2 500～3 000 mg/m3，即便实施防尘措施，工作面回采时仍有粉尘质量浓度超过1 000 mg/m3，明显大于国家标准[2-3]. 煤层注水是从粉尘源头采取的防治措施，可从来源上减少粉尘的生成[4]. 从20世纪50年代开始，欧美、前苏联等几个产煤大国开展了煤层注水理论研究和试验，同时在井下工作面推广应用。近年来，伴随我国采煤技术的发展和职业卫生关注度的提高，煤层注水机理研究在我国也快速发展，煤层注水防尘应用研究也得到了快速发展[5-10]. 郭军杰等[11]在振兴二矿工作面实施煤层注水技术后，工作面粉尘浓度降尘率高达68.7%，有助于降低煤壁片帮现象；张小涛[12]在高瓦斯突出煤层综采面注水后，通过抽采钻孔实施动静压相结合注水减尘技术，煤体的水分增加了1%以上，降尘效率提高50%以上；李玉杰等[13]在张家峁煤矿14201综采工作面开展煤层注水研究，煤层水分提高78.1%，工作面的最优排尘风速为1.3～1. 5 m/s，显著降低工作面的粉尘浓度，有效控制了矿井粉尘超标。煤层注水技术的应用研究取得了一定的成绩，但这些应用研究限于工作面的实际条件，在应用注水技术时很难与煤体润湿参数结合起来，也难以分析注水后煤体的水分变化情况。因此，结合马堡煤矿15201综采工作面地质构造特征，通过优化注水参数和改善煤层的润湿性，对注水后煤样的全水分和除尘效果进行研究。

1 煤层注水原理

1.1 煤层注水防尘机理

按照综采工作面煤尘产生的方式，将其划分为两种：原生煤尘和次生煤尘。原生煤尘为在成煤时期煤尘就形成在煤层孔隙中；次生煤尘为工作面回采时，采煤机割煤产生的煤尘。在加压泵的作用下，将水注入煤体中：湿润煤体中的原生煤尘，生成颗粒比较大的煤尘，阻止煤尘在工作面回采时飘散至作业空间，减少尘源的产生；降低煤体的脆性和强度，提高煤体塑性，在工作面回采时将煤体从脆性破碎转化为塑性变形，使煤体的含水率得到提高[14-15].

1.2 水在煤层中的运移机理

水注入煤层后，以较快的流速通过较大的裂缝裂隙，逐步渗透到被裂隙相互贯通的煤体，接着以较小的速度流至煤体内细微孔隙中。此过程为煤体由非饱和至饱和的渗透过程，是3种运动(渗流、毛细和扩散)相互作用形成的。其中，渗流是由注水压力决定的，但毛细和扩散作用是由液体和煤体的裂隙孔隙决定，和水压无关。在注水过程水的有效注水压力是：

Δh=Pz+Pm+Pw

(1)

式中：

Δh—煤层有效注水压力，kPa；

Pz—注水孔口压力，kPa；

Pm—孔隙的毛细作用力，kPa；

Pw—孔隙内的瓦斯压力，kPa.

1.3 影响煤层注水效果的因素

煤层自身裂隙裂缝和孔隙的发育程度，水对煤的润湿性都会直接影响注水效果，此外，煤层覆岩压力和水压、钻孔间距等注水参数也会影响注水效果。

2 煤体参数测定

2.1 工作面概况

马堡煤矿15201综采工作面处于+900 m水平，所采煤层为15#煤层，位于152采区东部，工作面北东侧临近该矿井田边界煤柱，与福达煤业井田边界相邻；东南、西北侧均为实体煤；西南侧与152采区胶带、轨道、回风下山相连。可采推进长度为1 123 m，工作面长度为220 m，面积247 060 m2，15#煤层结构简单，煤层厚度4.45～5.3 m，平均5.2 m，煤层倾角平均为14°. 可采性指数为1，变异系数为6.4%，含1层夹矸，属全区稳定可采煤层。煤层顶板为细砂岩、粉砂质泥岩，底板为泥岩、铝土质泥岩。工作面采用单一走向长壁采煤法，一次性采全高，采高5.2 m，每天3个循环，循环进度为0.8 m.

2.2 煤体的全水分

依据标准GB/T211-2007，在注水前对15201工作面间距10 m进行煤样采集，见图1，煤样的全水分测定结果见表1. 由表1可知，15201工作面煤层的全水分平均是2.23%，煤样的水分值较低，有必要实施煤层注水，充分润湿煤体，以减小在工作面回采时的粉尘浓度，提高工作面的作业环境。

图1 煤层注水示意图

表1 15201工作面煤体全水分表

2.3 煤体的总孔隙率

依据GB/T23561.4-2009，测得15201工作面煤样的视相对密度1.391 g/cm3，真相对密度1.473 g/cm3，带入式(2)计算得煤样的总孔隙率为5.57%. 由此可判断15201工作面煤体孔隙发育不充分、孔隙数量较少，可通过加入润湿剂提高煤层注水效果。

(2)

式中：

n—煤的总孔隙率，%；

ARD—煤的视相对密度，g/cm3；

TRD—煤的真相对密度,g/cm3.

2.4 煤体的普氏系数

依据GB/T 23561.12-2010，利用落锤法对15201工作面煤的普氏系数进行测定，结果为1.3，判断15201工作面为硬煤层，具备煤层注水的条件。

2.5 煤样的自然饱和吸水率

依据GB/T 23561.5-2009，对15201工作面煤样的自然饱和吸水率进行测定，结果为2.79%. 综合以上煤样参数，测试结果符合可注水煤层的4个条件：全水分W≤4%、总孔隙率n≥4%、普氏系数f≥0.4、自然饱和吸水率δ≥1%，判断该煤层能够进行注水润湿。

3 优化煤层注水方案

15201工作面设计原注水方案是静压方式单向钻孔，设置注水压力为2.5 MPa，钻孔长度为180 m，封孔长度为4 m，钻孔d50 mm，钻孔间距为20 m. 注水钻孔布置见图1. 实施此注水方案后，经过测试煤体全水分平均为3.14%，工作面割煤时全尘降尘效率为32.1%，注水效果不佳。因此，对煤层注水方案进行优化。

3.1 加入润湿剂

因15201综采工作面煤样孔隙率小、自然饱和吸水率低，通过加入润湿剂溶液强化注水效果，分别分析了加入纯水和浓度为0.05%的润湿剂溶液对煤样接触角和含水率的影响。

3.1.1测定煤样的接触角

煤样的润湿过程主要为煤样表面液相取代气相的过程。

接触角是液体对煤的润湿性能衡量指标。接触角越小，煤体的润湿性越好，煤层注水效果越好。通过成型煤粉法得到煤样试验，纯水和浓度为0.05%的润湿剂溶液与煤样的接触角通过座滴法测定。测定发现，液滴与煤样表面接触以后，起初纯水与煤样的接触角平均为65.9°，见图2a)，经过5 s后接触角基本未发生变化。接触角超过40°，证明水对煤体的润湿性比较差；起初0.05%润湿剂溶液与煤样的接触角平均为29.3°，见图2b)，经过5 s就扩展平铺，证明加入润湿剂能增加煤体的润湿性，减小液体与煤表面之间的张力，缩小接触角。可见，在15201综采工作面煤层注水过程中加入润湿剂，能提高煤体的润湿性。

图2 纯水、润湿剂对煤样接触角的影响图

3.1.2自然吸湿曲线

在煤层注水过程中，伴随注水时间的推移，煤层吸水的速率不断发生变化，当注水达到煤体一定的饱和程度后，煤层的含水率趋于平稳。工作面条件复杂多变，很难持续测定煤层的吸水情况，所以采集15201工作面的煤样来测定其自然吸湿曲线。煤样在纯水及浓度为0.05%的润湿剂溶液中的吸水率变化规律见图3.

图3 煤样的自然吸湿曲线图

由图3可知，在20 h内煤样的吸水率随时间升高很快，之后煤样的吸水率开始减缓；在40 h以后煤样的吸水率趋于平缓，基本不再增加。通过计算拟合得到煤样的自然吸湿方程，可发现煤样的吸水率与时间的对数之间具有明显的线性关系，见图4.

图4 煤样的吸水率与时间的对数关系曲线图

在纯水中自然吸湿方程为：

ω=0.585 5lgt+0.743 8，R2=0.984 5

(3)

在0.05%润湿剂溶液中自然吸消方程为：

ω=1.034 9lgt+0.602 5，R2=0.979 1

(4)

式中：

ω—煤样吸水率，%；

t—时间，h；

R—线性相关系数。

根据以上方程得到煤样的吸水率伴随时间的推移在下降，当时间越长，煤体吸水的程度逐渐趋于饱和状态。原因是渗流、毛细和扩散3种运动在不同的注水阶段，所发挥的作用不一样。刚开始注水时，起主导作用的是渗流运动，通过煤体的大裂隙和孔隙水先流入其中；伴随时间的变化，煤体中的裂隙和孔隙的阻力在不断增强，这时靠压差作用水很难快速流向和渗透至远处的煤体，此时毛细和扩散作用开始起主导作用。

对比分析图4中的吸湿曲线，可知在润湿剂溶液中，煤样的吸水率显著超过在纯水中；在润湿剂溶液中煤样形成饱和吸湿状态需要40 h，饱和吸水率为4.26%，但在纯水中煤样形成饱和吸湿状态需要30 h，饱和吸水率为2.81%. 原因是润湿剂能减小水的表面张力，增大煤样内裂隙和孔隙的毛细管力，水流进煤样中更小的裂隙和孔隙，煤样的水分得到明显提高。在纯水中煤样的毛细管力小，不能挣脱煤样的内部阻力，水很难渗透至小孔隙中，煤体水分增加幅度很小。

3.2 注水孔间距

在15201工作面原煤层注水设计中，将煤层注水钻孔的间距设计为20 m，注水结束后，采样化验测出在离注水孔5 m区域内煤样的全水分为3%～5%，在距注水孔5～10 m注水效果不理想，煤样的全水分小于3%. 因此，为了有效提高煤层注水效果，同时使用润湿剂，把煤层注水钻孔的间距从20 m减小到15 m，且实施双向注水。

3.3 注水压力

15201工作面煤层埋深为1 000 m，测得工作面前方的地应力值是20.5 MPa. 煤层注水压力和煤层埋深的经验公式如下：

P0=15.6-7.8/(0.001H+0.5)

(5)

式中：

P0—煤层注水的最小压力，MPa；

H—煤层埋深，m.

计算得到煤层注水最小水压为10.4 MPa，同时要求最大水压不能大于覆岩的压力。原注水方案里煤层注水的压力是2.5 MPa，远低于理论计算值，这也是导致煤层注水效果不理想的原因。通过增设加压泵，改静压注水为动压注水，由于煤体裂隙发育的不平均，煤层注水水压逐渐升高，最终保持在10～12 MPa.

3.4 封孔长度

15201综采工作面原煤层注水设计方案中封孔长度为4 m，封孔器采用高压胶管封孔器。注水进行到中间阶段时，煤壁开始渗出少量的水流，进行到注水后期时，煤壁渗流现象越来越明显，注入的水中有40%通过煤壁较大的裂缝裂隙渗出，导致注水效果不佳。原因是封孔器的长度不够，未将煤体的松动带全部密封。为了确保注水效果，将封孔器长度增加。依据钻屑量法现场实测出15201工作面煤体松动带的范围是9.1 m. 因此，把封孔器的长度延长到10 m，达到煤体的松动带被全部密封的目的。

4 现场试验煤层注水效果

煤层注水效果主要通过两个指标进行衡量：煤体含水率及工作面回采后粉尘质量浓度。优化注水方案后采样点设置见图5.

图5 优化注水方案后注水采样点设置图

4.1 润湿效果

注水后测定煤样全水分情况见表2. 表2数据呈现非均匀分布，采用Cline-Renka二维三角剖分算法进行插值处理，绘制出煤体注水后全水分分布图，见图6. 由图6可知，优化注水方案以后，煤体水分不均匀分布。在横向上，距离注水孔越近的区域，煤体含水率越高，而离注水孔越远的区域，注水效果越差，在离注水孔8 m的位置，煤体的含水率升高速度变缓。原因是随着与注水孔距离的增加，水的流动能力变小，但水克服煤体内部流动阻力开始增加，同时由于注水压力的影响作用在减小，煤体内部的孔隙和裂缝裂隙发育程度的影响作用在增大。在纵向上，即使煤层注水钻孔的封孔长度达到10 m，但孔内水仍然通过封孔器10 m长的煤体裂隙渗透到巷道壁周围的煤体；而且巷道掘进和施工锚杆对巷道周围的煤体产生扰动作用，破坏了煤体结构，增加了煤体孔隙和裂隙数量，减小了水在煤体中的流动阻力，便于水充分润湿煤体。在煤体内也发生了局部全水分偏低或偏高的现象，原因是煤体裂缝裂隙的发育程度低和煤组分分布不均匀，导致水在煤体的毛细扩散作用减弱。

原方案实施注水以后，处于两个注水孔影响范围的煤体平均全水分是3.09%，润湿半径是4.5 m. 优化煤层注水方案实施后，在采样孔①至④号这段煤体平均全水分高达5.37%，与原方案相比煤体全水分升高2.28%；优化后的润湿半径高达8 m，与原方案相比润湿半径提高了3.5 m. 优化煤层注水方案后，明显提高了润湿效果。

表2 优化注水方案后全水分情况表

图6 优化方案后润湿效果图

4.2 降尘效果

煤层注水的目的是减少工作面在回采过程中所产生的煤尘，对比煤层优化注水方案前后，15201综采工作面在割煤时和移架时粉尘质量浓度，见图7，图8.

图7 顺风割煤时粉尘质量浓度曲线图

图8 移架时粉尘质量浓度曲线图

由图7和图8可知，实施煤层注水优化方案后，顺风割煤和移架时的产尘量比原注水方案明显减少。顺风割煤时15201工作面的最大全尘质量浓度为391.7 mg/m3，而优化前为559.6 mg/m3，全尘降尘效率提高26.38%，呼尘降尘效率提高27.16%；在推移液压支架时，最大全尘质量浓度为409.6 mg/m3，而优化前为631.8 mg/m3，全尘降尘效率提高24.13%，呼尘降尘效率提高26.15%. 可见，在15201综采工作面实施煤层注水优化方案后，降尘效果得到显著提升，工作面环境明显改善。

5 结 论

1) 由煤样的润湿性试验得到：纯水和密度为0.05%润湿剂溶液与煤形成接触角分别是65.9°、29.3°，完成自然饱和吸湿分别需要30 h、40 h，饱和吸水率分别是2.81%、4.26%，证明加入润湿剂能明显减小煤与液体的界面张力，增大吸湿速度，提高饱和吸水量，提高注水润湿效果。

2) 通过加入密度是0.05%的润湿剂溶液，同时优化了注水参数，将注水压力、钻孔间距和封孔长度调整为10～12 MPa、15 m和10 m，采集煤样借助Cline-Renka插值法获得煤样的全水分分布规律，得出注水范围内煤样的全水分提高2.28%，润湿半径提高了3.5 m，润湿效果得到显著改善。

3) 对比优化前后的注水方案，在割煤时，工作面的全尘除尘效率提高26.38%，呼尘的除尘效率提高27.16%；推移液压支架时，工作面的全尘除尘效率提高24.13%，呼尘的除尘效率提高26.15%. 现场测试结果证明优化方案具有良好的除尘效果，工作面的作业环境得到明显改善。