伏岩煤业工作面煤层注水降尘技术应用

杨向东

（山西阳城阳泰集团伏岩煤业有限公司，山西阳城，048105）

1 工程概况

山西阳城阳泰集团伏岩煤业有限公司3109工作面位于二采区，开采3#煤层，工作面东北为3108采空区，南为实体煤，巷道开切眼临近F4断层。3#煤层均厚为4.96 m，平均倾角6°，煤层赋存稳定，结构简单，属优质无烟煤。煤层直接顶为粉砂质泥岩，灰黑色，均厚为12.67 m，基本顶为细粒砂岩，灰色，均厚为3.5 m，底板岩层为炭质泥岩和粉砂质泥岩。工作面走向长度为350 m，倾斜长度为139 m，工作面采用U型通风。为有效治理工作面回采作业时扬尘问题，拟采用煤层注水技术进行工作面的降尘作业。

2 煤层注水降尘机理

煤层注水技术主要是通过在煤体内部施工注水钻孔，随后利用压力将水注入到煤体钻孔内，水在压力作用下会逐渐向煤层内部的孔隙和细微裂隙内扩散，从而润湿煤体内的原生煤尘、有效包裹煤体的每一微小部分和改变煤体的物理力学性质，达到降尘的目的，具体三方面的作用机理如下：

（1）润湿煤体内的原生煤尘：在煤体内部的裂隙中存在着原生煤尘，当工作面煤体采落破碎，原生煤尘便会进入采掘空间。当水注入到未被破碎的煤体内后，能够对煤层内部裂隙的原生煤尘进行预先湿润，湿润后的原生煤尘便丧失了扬起的能力。

（2）改变煤体的物理力学性质：在对煤层进行注水作业后，煤体湿润，煤的脆性降低、塑性增强。当煤体采落破碎时，此时原本出现脆性破坏的煤体便会向塑性破坏转化，进而减少煤体被破碎为微小尘粒的可能，有效降低煤尘的产生。

（3）有效包裹煤体的每一微小部分：注水作业后，煤体内部孔隙和细微裂隙内会均被水充满，煤体采落破碎时，其破碎面上基本有水的存在，从而能够有效抑制煤尘飞扬。

根据相关理论研究可知［1］，水在煤体的运动主要受到煤层内瓦斯压力、煤体内毛细作用力及注水压力形成的孔隙两端的压力差值影响，具体水在煤体内运动的实际动力Δh的表达式为：

式中：Pw为煤层内的瓦斯压力；Pz为注水后在孔隙两端形成的压力差值；Pm为煤层内孔隙的毛细作用力。

3 煤层注水降尘方案

3.1 煤层可注性分析

为有效的开展煤层注水作业，首先对3#煤层的可注性进行分析，在3109工作面运输巷和回风巷内分别选取一个测点，进行煤的取样作业，将煤样编号为1#和2#，随后进行煤样孔隙率、水份及坚固性系数等参数的测定，结果见表1。

表1 3109工作面区域3#煤层各项参数

根据相关理论分析与众多工程实践结果表明［2］，当煤体内的原有水份＜4%、吸水率＞1%、孔隙率＞4%及坚固性系数＞0.4四项指标满足时，该煤体能够进行注水防尘作业，据此可判定3109工作面区域的煤体具有可注性。

3.2 方案设计

本次3109工作面煤层拟采用脉动式注水，方案设计内容主要包括注水压力、注水时间、注水钻孔的布置方式及封孔方式等，具体参数如下：

（1）注水压力：在采用脉冲式注水作业时，注水压力应既能够让一定深度的煤体产生松动，同时应保障煤体不至于出现严重的片帮现象，具体的注水压力主要受到煤层吸水率、煤层渗透系数、注水孔的封孔深度和煤层的开采厚度等因素影响［3］，众多工程实践表明，注水压力的范围为5～20 MPa，结合3109工作面的具体特征，确定注水压力为10 MPa。

（2）注水钻孔布置：采用FLUENT数值模拟软件进行注水钻孔间距的模拟分析，建立数值模型的长×宽=12 m×10 m，设置注水钻孔的深度为6 m，注水压力为10 MPa，具体分析注水压力为10 MPa时，注水3h、5h、8h和9h下钻孔周围煤体的含水量，结果见图1。

图1 不同注水时间下注水钻孔区域煤体含水量

分析图1可知，随着注水时间的增长，钻孔周边煤体含水量呈现出逐渐增长的趋势，注水湿润半径同样呈现为逐渐增大的趋势，在注水时间由3h增大为5h时，注水湿润半径的增长幅度较大，注水湿润半径由3 m增大为4.3 m，当注水时间达到8h时，注水湿润半径达到5 m，此后，注水时间增加，但注水湿润半径稳定在5 m，不再增大。由以上模拟结果判定，3#煤层在10 MPa的注水压力下，注水湿润半径约为5 m。

根据以上模拟结果，3109工作面注水钻孔的各项参数为：利用工作面回风巷原施工的顺层瓦斯抽采钻孔，钻孔直径为0.94 m，长度为120 m，钻孔在回风巷距离底板1.2 m的位置处开孔，孔间距为10 m（原抽采钻孔间距为5 m，间隔利用，未利用的钻孔全部按要求封堵），见图2。注水钻孔采用速凝浆液固管的方式进行封孔，封孔长度为20 m。

图2 3109工作面注水钻孔布置

（3）注水方式：常用的注水方式有连续注水与间歇注水两种，本次注水采用间歇注水方式。相关研究结果表明［4］，间歇式注水方式下，随着注水时间间隔的增大，煤层注水降尘效果越好，综合3109工作面其余因素，确定间隔注水时间为1h。

（4）单孔注水量：注水量是影响注水效果的主要因素，受到煤的密度、湿润系数及钻孔的各项参数影响［5］，见式（2）：

式中：q为注水钻孔的单孔注水量；ρ为煤体的密度；N为煤体的湿润系数，取为1.5%；Vc为注水区域的体积；L为注水钻孔深度；M为煤层厚度，B为注水湿润半径。结合3109工作面的地质资料及注水钻孔的布置情况，取ρ=1.45 t/m3，L=120 m，B=5 m，M=4.96 m，N=1.5%，计算得出工作面的单孔注水量Q=6.46 m3。

（5）单孔注水时间：基于数值模拟结果可知，当注水作业进行8h后，注水湿润半径不再扩展，基本达到稳定状态，故考虑一定的富裕系数，单孔注水时间为8.5h，具体单孔注水时间可根据现场实际情况调整，当邻近注水孔出现涌水现象时，应立即停止注水作业。

（6）注水系统：3109工作面注水系统包括2BZ-40/12型脉冲式煤层注水泵、供水管、注水流量计、孔板流量计等部分，见图3。

图3 3109工作面注水系统

3.3 效果分析

为分析煤层水份的增量情况和注水湿润半径，在煤层注水作业前，在注水区域先进行煤层自然含水率的测定作业，测试结果见图4（a）。当煤层注水作业结束后，在煤层注水区域进一步采样测试煤层水份，注水区域内设置4组煤层采样点，采样点间距为30 m，采取的煤样，采用密封袋带到地面测定全水份，进而与注水前煤层自然含水率对比，计算水份增量，根据测试结果得出煤体水份增量沿钻孔两侧的分布状况，见图4（b）。

图4 煤层注水前自然含水率和注水后钻孔周边水份增量曲线

分析图4（a）可知，煤层注水区域的自然含水率在1%～1.25%之间，平均含水率为1.09%。

根据煤层注水效果评价相关规定，注水后煤层含水率≥4%或水份增量大于1%时，可认为煤层注水达到了良好的降尘效果。分析图4（b）可知，当煤层注水作业完成后，注水钻孔半径5 m范围内，水份增量大于1.5%，水份增量随与钻孔中心距离的增大而逐渐减小，但总体水份增量达到2%左右，因此可判定3109工作面注水作业达到了预期效果。同时，分析注水后煤层水份增量曲线可知，注水的有效湿润半径为5 m，与数值模拟结果相一致。

注水前后工作面现场粉尘测试统计结果表明，注水前工作面的平均全尘浓度与半尘浓度分别为310 mg/m3和50 mg/m3，注水后工作面的平均全尘浓度与半尘浓度分别为86.8 mg/m3和15 mg/m3，全尘的降尘率为72%，呼尘的降尘率为70%，降尘效果显著。

4 结语

根据3109工作面煤层赋存情况，结合煤层注水技术原理，确定注水压力为10 MPa，采用数值模拟确定注水孔间距为5 m，并根据理论计算确定单孔注水量和注水时间等参数，并在注水结束后进行注水效果验证，得出注水后工作面煤体水份增量明显，全尘和呼尘的降尘率分别为72%和70%。