马堡煤矿煤层注水参数优化及效果研究.pdf

第 5 期 山 西 焦 煤 科 技 No. 5 2020 年 5 月 Shanxi Coking Coal Science 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 摘 要 采煤工作面在回采时粉尘浓度高影响作业环境,以马堡煤矿 15201 综采工作面为研究 对象,分析煤层在采取注水措施后工作面粉尘浓度的变化。 根据煤样物理化学特征,对纯水和密度为 0. 05的润湿剂溶液与煤样的接触角进行测定,并绘制煤样的自然饱和吸湿曲线,同时优化煤层注水 参数。 结果证明,在注水时加入润湿剂能充分减小煤水接触角,煤样到达饱和吸湿的时间减少,提高 了煤体的吸水量,煤体润湿效果得到增强。 实施注水优化方案后,相比原注水方案,注水区域煤样的 全水分提高 2. 28,润湿半径扩大了 3. 5 m;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,除尘效果良好。 关键词 煤层注水;润湿半径;湿润剂;注水参数;降尘效率 中图分类号TD714 . 41 文献标识码B 文章编号1672-0652202005-0008-06 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. 31. 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 P m P w 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 采样点煤样全水分 / 采样点煤样全水分 / 1 号2. 094 号2. 23 2 号2. 285 号2. 26 3 号2. 216 号2. 32 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。 n 1 - ARD TRD 100 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、 92020 年第 5 期萧煜宏等马堡煤矿煤层注水参数优化及效果研究 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 53 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 14 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 01山 西 焦 煤 科 技2020 年第 5 期 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 510 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. 55 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 112020 年第 5 期萧煜宏等马堡煤矿煤层注水参数优化及效果研究 表 2 优化注水方案后全水分情况表 采样孔 编号 至 1 号注水孔 距离 / m 不同采样孔深的全水分 / 4 m6 m8 m10 m 12 m 14 m 16 m ①34. 466. 546. 896. 266. 656. 336. 04 ②63. 934. 765. 295. 015. 545. 644. 70 ③93. 293. 454. 065. 354. 434. 194. 18 ④124. 326. 276. 086. 336. 726. 226. 88 ⑤184. 566. 306. 126. 456. 866. 436. 21 ⑥213. 434. 264. 794. 514. 706. 325. 76 ⑦242. 383. 583. 813. 873. 386. 193. 31 ⑧273. 172. 743. 673. 483. 393. 623. 73 图 6 优化方案后润湿效果图 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。 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。 参 考 文 献 [1] 李德文,隋金君,刘国庆,等. 中国煤矿粉尘危害防治技术现状及发展方向[J]. 矿业安全与环保,2019,4661-713. 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Research on Optimization and Effect of Coal Seam Water Injection Parameters in Mabao Coal Mine XIAO Yuhong, SUN Liang Abstract The high dust concentration of coal mining face during mining affects the working environment. Tak- ing the 15201 fully mechanized mining face of Mabao Coal Mine as the research object, the change of coal dust con- centration after taking water injection measures is analyzed. According to the physical and chemical characteristics of coal samples, the contact angle of pure water and 0. 05 density wetting agent solution with coal samples was meas- ured, and the natural saturation moisture absorption curve of coal samples was drawn, and the coal seam injection pa- rameters were optimized. The results prove that adding the wetting agent during water injection can fully reduce the coal-water contact angle, the time for the coal sample to reach saturated moisture absorption is reduced, the water ab- sorption of the coal body is increased, and the coal body wetting effect is enhanced. After implementing the water in- jection optimization scheme, compared with the original one, the total moisture of the coal sample in the water injec- tion area increased by 2. 28 and the wetting radius was expanded by 3. 5 m. When cutting coal, the total dust re- moval efficiency of the working face increased by 26. 38 with dust removal efficiency increased by 27. 16. When pushing the hydraulic support, the dust removal efficiency of the working face is increased by 24. 13 with the dust removal efficiency of the dust exhalation increased by 26. 15, and the dust removal effect pers good. Key words Coal seam water injection; Wetting radius; Wetting agent; Water injection parameter; Dust reduc- tion efficiency 上接第 7 页 [6] 袁 亮,郭 华,李 平,等. 大直径地面钻井采空区采动区瓦斯抽采理论与技术[J]. 煤炭学报,2013,3811-8. [7] 凡永鹏,王钰博. 塔山矿特厚煤层综放面采空区瓦斯治理措施研究[J]. 中国安全科学学报,2016,2612116-121. [8] 褚廷湘,余明高,姜德义,等. “UI”型采煤工作面采空区瓦斯抽采量理论研究[J]. 中国矿业大学学报,2015,4461008-1016. [9] 张玫润,杨胜强,程健维,等. 一面四巷高位瓦斯抽采及浮煤自燃耦合研究[J]. 中国矿业大学学报,2013,424513-518. 312020 年第 5 期萧煜宏等马堡煤矿煤层注水参数优化及效果研究