综放工作面煤层注水防尘技术在某煤矿的研究

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　　【摘 要】为了解决某煤矿工作面粉尘问题，采用煤层注水来控制煤尘的产生。首先根据煤层特点研究注水机理，选择合适的湿润剂，结合数值模拟，设计煤层注水系统及注水参数，用于现场实施。通过对现场试验煤层注水前后煤样含水率、粉尘浓度和瓦斯涌出量的变化，得出煤层注水能有效地降低综采工作面粉尘和瓦斯浓度。
　　【关键词】煤层注水；粉尘；湿润剂；数值模拟；现场试验
　　粉尘不仅危害工人身体健康，还能加速磨损机械，造成重大安全灾害，和矿井安全生产一样，是困扰煤矿发展的另一大难题。煤层注水是煤矿最有效的降尘措施之一。本文根据某煤矿综放工作面的具体情况，设计了煤层长钻孔注水的参数和工艺，对煤矿的安全生产具有重要意义。
　　1 试验工作面概况和注水参数确定
　　1.1 工作面概况
　　某煤矿工作面煤层赋存深度150～360m，平均埋深为300m。工作面采用倾斜长壁采煤法，上行开采，工作面走向长度150m，倾斜长度1900m，煤层平均厚度5m。
　　1.2 注水参数设计
　　1.2.1 钻孔
　　钻孔在运输巷一侧布置，采用单侧布孔注水。
　　（1）钻孔长度L：根据经验公式L=（2/3～3/4）Lg，钻孔长度为120～130m，Lg为工作面长度。
　　（2）钻孔间距B：根据下面数值模拟的结果钻孔间距B取15m。
　　1.2.2 注水参数
　　（1）单孔注水量150t：
　　（1）
　　式中：K为系数，取1.1；L为钻孔长度，取130m；B为钻孔间距，取15m；h为煤层厚度，取5m； 为煤的密度，取1.4t/m3；q为煤体注水后提高的含水率，取1%。
　　（2）注水压力
　　煤层注水压力强度应以不压裂煤层为前提，煤层被压裂的压力与上覆岩层厚度的关系采用下式计算：
　　（2）
　　式中 ―煤层中的瓦斯压力，MPa，0； ―上覆岩层压力； ， 为上覆岩层与土层平均密度，取2500kg/m3，H为上覆岩层的平均厚度，取300m。
　　计算得出的为：
　　（3）注水时间
　　t=Q/v=150/4=37.5h。在实际注水中，常把在预定的湿润范围内的煤壁出现均匀“出汗”（渗出水珠）的现象，作为判断煤体是否全面湿润的辅助方法。“出汗”后或在“出汗”后再过一段时间便可结束注水。
　　2 湿润剂的选择
　　煤层注水效果的好坏在于水对煤层的润湿程度的大小。使煤体润湿的原因取决于液体和煤体本身的性质。在液体性能上，体现表面活性剂润湿能力的主要参数是表面张力，表面张力越低，越易于铺展，润湿能力越强。在煤层注水工艺中，煤体是不可改变的，因此需降低水的表面张力以提高注水量。煤表面活性剂是通过吸附表面活性剂形成亲水基向外的吸附层而改变其润湿性能。通过配置由不同表面活性剂构成的渗透剂，可以降低水的表面张力，改善水的润湿、渗透等性能，由此可达到增加煤层注水的润湿半径、扩大注水面积并提高注水量和注水速度。
　　接触角是测定润湿剂对煤润湿性的一个重要参数。我们选取不同的润湿剂做接触角实验。
　　表1 煤不同润湿剂的接触角（o）
　　名称 0.05% 0.10% 0.30% 0.50%
　　N1 45 26 10 0
　　N2 37 22 7 0
　　N3 24 12 5 0
　　N4 14 0 0 0
　　N5 0 0 0 0
　　表1为不同质量分数润湿剂在煤表面的接触角，由表可见，在同样质量分数时，润湿剂N5的接触角最小，因而具有最好的润湿性能。对同一种润湿剂而言，其质量分数越大，接触角越小，润湿性越强。通过以上润湿剂与接触角的关系，可以得到5种润湿剂达到接触角为0o（即在煤样表面完全铺展开时）的溶液浓度分别为：N1溶液浓度为0.50%，N2溶液浓度为0.50%，N3溶液浓度为0.50%，N4溶液浓度为0.10%，N5溶液浓度为0.05%。最优润湿剂是N5，最佳浓度为0.10%～0.30%。
　　3 数值模拟
　　本节利用Flac3D数值模拟模拟了7MPa和8Mpa压力下的饱和度的变化情况。注水时间分别为1h、5h、10h、20h、30h和35h。煤层原始含水率为2.8%，而煤层含水率平均增长1%即能有效的降尘，故定饱和度3.8%为浸润线。
　　Flac3D渗流计算中的参数包括水的密度1000kg/m3、煤的孔隙率0.0755、流体体积模量1.8GPa等。
　　图1 湿润半径与注水压力、注水时间的关系
　　从图1中看出，相同注水时间条件下，注水压力越大，湿润半径越大。注水初期A注水速度较快，曲线曲率变化大，注水孔内水流量大，湿润煤体范围逐渐扩大，这是由于水刚开始进入煤层，水能轻松进入煤层孔隙和裂隙中，这是进水阶段。
　　随着时间的增长，进入了一个相对平缓的时期B，煤体裂隙通道随着注水压力的增大而增大，水进入煤体中，在孔隙和裂隙中存留下来，这一部分水起的是使煤体均匀湿润的作用，B是渗流湿润的主要阶段，为贮水阶段。
　　C阶段相对B阶段曲线曲率是增大的，湿润范围也在增大，这主要是毛细作用力在起作用，煤层在毛细孔隙的作用下吸附渗流通道中的水，注水压力在孔隙的影响越来越低，时间越长，吸附作用越明显，吸附水量也越来越大，湿润范围也在增大，这一阶段为吸附水过程。
　　根据图1中得出注水压力为8MPa，注水孔间距15m。
　　4 注水效果分析
　　4.1 煤层注水湿润效果
　　当工作面距注水孔9m取样打4个钻孔，分别编号1号、2号、3号、4号，钻孔口距工作面开始端依次9m、16m、25m、30m，钻孔深度为16～18m，钻深每隔2m取一次样，现场取完样立即用密封袋封紧，得出煤样含水率如表1。 　　表2 注水孔附近煤样全水分（%）
　　编号 1 2 3 4 5 6 7 8
　　1号孔 3.12 3.18 3.62 4.51 4.51 3.64 3.19 3.15
　　2号孔 3.51 3.54 3.62 4.5 5.05 3.71 3.66 3.49
　　3号孔 3 3.77 3.76 4.08 5.29 3.75 3.75 3.3
　　4号孔 3.51 3.67 3.81 4.55 4.39 3.91 3.68 3.52
　　通过对注水前后煤层含水率实验测定得出注水前煤层的自然含水率为2.8%；注水后取煤样水分含量增加最小为0.42%，增加最大为2.49%，效果显著。
　　4.2 煤层注水降尘效果
　　测点为三个，分别是1号点（20#液压支架），2号点（60#液压支架），3号点（100#液压支架）。采样均在采煤机割煤从机头返回机尾时，距离测点12m处开始测量，且都处在采煤机下风向。
　　表3 工作面粉尘浓度
　　1号测点/ mg/m3 2号测点/ mg/m3 3号测点/ mg/m3 工作面与注水孔位置关系
　　306 388 586 距离注水孔10m
　　223 208 410 距离注水孔5m
　　130 139 308 注水孔位置
　　179 193 370 超过注水孔5m
　　196 308 536 超过注水孔10m
　　从表2可知工作面的平均降尘率都超过70%，对降低工作面粉尘起非常重要的作用，基本上达到预期的改善工作面的工作环境，达到预期效果。
　　4.3 煤层注水降低瓦斯涌出量效果
　　取样打钻孔口距工作面开始端为16m，分别取距注水孔10m、5m、0m，超过注水孔5m、10m等5个测点附近瓦斯涌出量。
　　表4工作面瓦斯涌出量（m3/t）
　　编号 瓦斯涌出量 测点位置
　　1号点 6.19 工作面距注水孔10m
　　2号点 5.99 工作面距注水孔5m
　　3号点 5.09 注水孔位置
　　4号点 6.18 工作面超过注水孔5m
　　5号点 6.77 工作面超过注水孔10m
　　从表4可以看出随着工作面接近注水孔，瓦斯涌出量逐渐减少，而工作面超过注水孔，瓦斯涌出量逐渐增多，所以，综放工作面实施煤层注水会对工作面瓦斯涌出的有降低的影响。
　　5 结论
　　（1）煤层注水能有效降低工作面产尘浓度，使工作面环境条件大为改善，保证了矿井的安全生产和职工的身心健康。
　　（2）润湿剂能明显的增强水湿润煤体，是煤层注水效果更好地达到预期效果.
　　（3）在一定条件下，注水压力越大媒体湿润范围越大，随着注水时间的增加，湿润半径变化逐渐缓慢。
　　（4）注水效果的考察进一步证明了煤层注水能有效降低工作面产尘量。
　　参考文献：
　　[1]何锡坤.煤层注水在煤矿安全生产中的应用[J].河北煤炭，2010（5）.
　　[2]程燕，蒋仲安，陈仲秋.煤层注水添加表面活性剂的研究[J].煤矿安全，2006（3）.
　　作者简介：
　　栗万明（1980―），男，河南登封人，助理工程师，1999年毕业于焦作煤校，现任郑煤集团嵩阳金田煤业有限公司矿长，主要从事煤矿管理工作。
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