寺河矿煤层脉动注水降尘技术研究

林传兵

(徐州海森德新材料有限公司，江苏 徐州 221008)

煤尘是煤矿安全生产的五大灾害之一[1]。煤尘不仅危害职工身体健康，而且高浓度粉尘导致作业环境能见度降低，提高了事故发生的可能性。为降低矿尘浓度，晋煤集团采取了二次负压除尘、喷雾降尘等措施，但是工作场所粉尘浓度依然居高不下，严重威胁矿井安全生产和职工身心健康[1-4]。为改善井下高浓度粉尘的作业环境，基于尘源抑尘降尘理念，煤层注水是工作面最有效、最根本的抑尘降尘措施之一[3,5]。煤层注水不仅增加了煤体水分，使其更加湿润，而且降低了煤体强度和脆性，增强塑性，从根本上降低了生产作业各工序产生的粉尘量[6-9]。虽然该方法可以从源头对煤尘进行治理，但也有一定局限性，需要对煤层进行注水可行性研究和相应影响因素进行分析[10]。煤层注水过程中受到各种因素影响，尤其是受到煤层层理、裂隙、孔隙率、水分、吸水性等影响。以寺河3#煤层为研究对象，研究上述因素的影响机理和相应条件下的注水降尘技术，为相关工程提供技术参考。

1 煤层脉动注水影响因素与机理

脉动注水是指利用大流量的脉动高压水在较短时间内对煤体反复作用、连续膨胀和收缩致其疲劳、弱化至破坏，从而达到煤体破裂程度增加、裂隙连通性增强的效果。通过对寺河矿3#煤层煤样进行测试得出：水分均值1.16%≤4%，自然吸水率均值5.09%≥1%，孔隙率均值8.91%≥4%，坚固性系数f均值0.83≥0.4，结合现场工业性试验，认为该煤层注水性良好。

1.1 煤层结构特征对注水的影响

煤层裂隙结构分类见表1。

内生裂隙即煤层割理，是煤层最主要的裂隙系统，一般为一组相互交叉的裂隙(面割理和端割理)。割理是煤层气主要的运移通道，也是注水水流的主要通道，因此割理对注水效果有很大影响。如图1所示，脉动注水压裂过程中，在注水压力、煤壁阻力和瓦斯压力等共同作用下，根据裂隙开度尺寸水流依次浸入。

表1 煤层裂隙分类

图1 煤体结构简化模型示意图

煤层割理作为脉动水流的浸入通道，割理中相对比较薄弱的“弱面”将会是脉动压裂的起裂位置，进而增加割理的开度和连通性。

研究发现，煤层裂隙的发育程度对脉动水力压裂效果以及煤体首次致裂时间和位置有显著影响。由于煤层孔隙分布于煤基质中，与割理相比，基质渗透率非常低，水流很难浸入，所以煤基质很难被破坏。利用脉动注水压力在煤基质表面反复作用产生疲劳损伤，以应力波的形式进行缓慢渗透，裂纹累积最终使煤基质破坏。在脉动水流作用下孔隙结构逐渐扩展、贯通并形成裂隙网络，为注水润煤降尘抑尘创造条件。

由于脉动注水泵的驱使，压裂液以一定频率反复冲击煤体，致使煤体产生损伤缓慢发生碎裂。脉动流从钻孔进入煤层，首先进入煤层内的一级裂隙流动，逐渐进入二级裂隙、三级裂隙和四级裂隙，使得裂隙相互贯通和新生裂隙，如图2～4所示。

图2 压裂(脉动)液浸入煤层示意图

图3 水平直裂隙模型示意图

图4 脉动水流逐级浸入示意图

煤体内部本身存在很多不同尺度和规模的裂隙(原生裂隙)，因所处的应力环境和采掘扰动影响，裂隙发育位置产生不同尺度的应力弱面，成为了压裂液浸入通道。由于弱面的开度不同，压裂液浸入到煤层裂隙具有一定的先后顺序(图4)。

图5为生产应力条件下脉动水力压裂钻孔布置图，钻孔周围分布着大量裂隙，并沿径向依次由近及远划分为破碎区(Ⅰ)、塑性区(Ⅱ)和弹性区(Ⅲ)。随着径向距增加，裂隙分布密度和尺度均减小。

1.2 层理、裂隙对注水的影响

结合电镜扫描实验，分析了煤样孔隙结构的微观特征，如图6所示。

图5 脉动注水钻孔围岩裂隙分布

图6 煤样电镜扫描

由图6可以看出，寺河矿3#煤层纹理清晰，煤质硬脆，色泽黑，裂隙中初级和次级裂隙发育，对脉动注水导流是有利的,具体特征见表2。

表2 电子显微镜照基本特征分析表

1.3 孔隙对注水的影响

煤样孔隙参数测试结果见表3和表4。

表3 煤样孔隙率测试(以密度测定为基础)

煤样总孔隙容积在0.060 3～0.072 1 cm3/g之间，孔隙率在7.55%～9.31%之间(平均8.91%)，且连通孔隙容积为0.056 3～0.069 2 cm3/g，占总孔隙率的80%以上，且连通孔隙率大于4%，因此该煤层注水相对容易。

表4 煤样总孔隙与连通孔隙(以压汞和低温液氮测定为基础)

2 工业性试验

以寺河矿W2302中段工作面为试验点，分别进行脉动注水和静压注水，对两者注水效果进行了验证，其中，脉动注水采用2BZ-125/20型煤层脉动注水泵(脉冲强度0～20 MPa，输出流量125 L/min，脉冲频率1 060次/min)，主要从达到等注水量耗时和单次注水量两个方面进行比较分析。钻孔布置图如图7所示。

图7 现场考察钻孔布置示意图

2.1 单次注水量

由于现场注水并不是连续进行，而是存在一定的间断。所谓单次注水量就是指每次连续注水工作条件下的注水量，单次注水量试验统计结果见表5。

根据表5，脉动、静压单次注水速度如图8所示。

表5 脉动、静压单次注水量统计

图8 脉动、静压单次注水速度

由图8可以看出，脉动注水要远远快于静压注水，脉动注水速度是静压注水的2.59～6.50倍，注水速度的提高为水分渗透留出了更多时间，有利于注水的均匀性。

2.2 达到极限注水量所用注水时间

极限注水量又称为单孔最大注水量，是指单个注水钻孔的注水量不随时间延长而增加时的最大注水量，一般认为单孔注水速度低于0.1 m3/h时即达到钻孔的极限注水量。试验统计结果见表6。

表6 等注水量所用时间统计

由表6和图9可知，脉动注水平均速度相较单次注水量并不明显，但仍然要快于静压注水，达到最大注水量时1#孔平均注水速度快45.45%，2#孔快59.70%。

综上所述，虽然静压注水方式工序、操作简单，但注水压力低，水不能完全渗入到中等以上硬度煤层中，达不到充分湿润煤体的目的；脉动注水能充分湿润煤体，降尘效果较好。然而，脉动注水会因压力过大导致孔口煤壁严重破坏甚至致孔报废，因此对封孔质量要求较高，需要投入较多设备和人力。

图9 脉动、静压注水达到最大注水量时平均注水速度

3 结 论

1) 随着径向距增加，注水钻孔周围裂隙分布密度和尺度均减小。由于煤体内部原生裂隙和脉动注水特点，压裂液浸入到煤体裂隙具有一定的先后顺序。

2) 寺河矿3#煤层注水性良好，煤体内裂隙是水流动的主要通道，对注水导流是有利的，总孔隙容积在0.060 3～0.072 1 cm3/g之间，孔隙率在7.55%～9.31%之间，连通孔隙容积为0.056 3～0.069 2 cm3/g，占总孔隙率的80%以上，且连通孔隙率大于4%，因此该煤层注水相对容易。

3) 脉动注水速度显著高于静压注水速度，且脉动注水能充分湿润煤体，降尘效果较好。