15201 工作面煤层注水降尘优化研究

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）

1 煤层注水原理

按照综采工作面煤尘产生的方式，将其划分为两种：原生煤尘和生产煤尘。煤层注水可在煤尘来源上入手降低工作面回采时产生的原生煤尘和生产煤尘，充分改善工作面作业环境。在加压泵的作用下，水注入煤体中，首先湿润煤体中的原生煤尘，产生颗粒比较大的煤尘，使煤尘在工作面回采时难以飘散至作业空间中，减少尘源的产生；其次是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，消除煤尘。且因注水后提高了煤体的含水率，割煤时形成的煤尘被充分润湿，难以飞扬至作业空间中，在源头上消除煤尘。

2 工作面概况

15201 综采工作面所采煤层为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。其所处水平为+900 m 水平，隶属152 采区，可采推进长度为1123 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，煤层厚度平均5.2 m，煤层倾角平均为14°，可采性指数km=1，变异系数为6.4%。煤层顶板为细砂岩、粉砂质泥岩，底板为泥岩、铝土质泥岩。15201 综采工作面基本为一单斜构造，煤层赋存较稳定，结构单一，含1 层夹矸，属全区稳定可采煤层。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。

该工作面设计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，钻孔直径为50 mm，钻孔间距为20 m。注水钻孔布置如图1 所示。实施此注水方案以后，经过测试煤体全水分平均仅为3.14%，工作面割煤时全尘降尘效率仅为32.1%，注水效果不佳。

综合煤样参数，测试结果符合可注水煤层的四个条件：全水分2.23%≤4%，总孔隙率5.49%≥4%，普氏系数1.3≥0.4，自然饱和吸水率为2.79%≥1%，判断该煤层能够进行注水润湿，所以在15201 工作面实施煤层注水是完全可以的。

图1 煤层注水示意图

3 优化煤层注水方案

3.1 加入润湿剂

因15201 综采工作面煤样具有孔隙率小、自然饱和吸水率低的缺点，决定通过加入润湿剂溶液来强化注水效果，同时对纯水和浓度为0.05%的润湿剂溶液如何影响煤样的接触角和煤样的含水率进行测定。

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。根据学者T.Young 科研成果，通过力学平衡条件推导得出杨氏润湿方程：

式中：

θ-煤样的接触角；

σsg-固气表面张力；

σsl-固液表面张力；

σlg-液气表面张力。

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°，如图2（a）所示，经过5 s 以后接触角基本未发生变化。因为15201综采工作面水与煤样的接触角超过40°，证明水对煤体的润湿性比较差；但起初时0.05%润湿剂溶液与煤样的接触角平均为29.3°，如图2（b）所示，且短短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。所以在15201 综采工作面开展煤层注水过程中加入润湿剂，能提高煤体的润湿性。

图2 纯水和0.05%的润湿剂溶液对煤样接触角的影响

3.1.2 自然吸湿曲线

煤样在纯水中和浓度为0.05%的润湿剂溶液中的吸水率变化规律如图3 所示。

图3 煤样的自然吸湿曲线

从图3 发现，在20 h 内煤样的吸水率随着时间升高很快，然而伴随时间的推移，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二者之间具有明显的线性关系，如图4 所示。

自然吸湿方程为

在纯水中：

ω=0.585 5lgt+0.743 8，R2=0.984 5

在0.05%润湿剂溶液中：

ω=1.034 9lgt+ 0.602 5，R2=0.979 1

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。原因是在煤层注水时，煤体中同时存在着三种运动：渗流、毛细和扩散，但在注水的不同阶段，所发挥的作用也不一样。

图4 煤样的吸水率与时间的对数的关系

另外对比分析图4 中的两条吸湿曲线，获得在润湿剂溶液中的煤样，其吸水率显著超过纯水中。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%。

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。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1000 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：

式中：

P0-煤层注水的最小压力，MPa；

H-煤层埋深，m。

从式（2）获得，理论计算得到煤层注水最小水压是10.4 MPa，同时最大水压不能大于覆岩的压力。但在原注水设计里煤层注水的压力是2.5 MPa，远远低于理论计算值，这也是导致之前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，最终注水压力保持在10～12 MPa 范围内。

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。为了确保注水效果，将封孔器的长度增加。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

4.1 润湿效果

实施优化后的注水方案2 d 以后，也就是尽量使煤层达到饱和润湿，开始在工作面材料巷两个注水钻孔区域等间距施工4 个采样孔，一共施工两组。优化注水方案后注水采样点设置如图5 所示。设计采样孔长度16 m，每个采样孔间隔2 m 设置1 个采样点。注水后测定煤样全水分情况见表1。因为表内数据呈现非均匀分布，通过Cline-Renka 二维三角剖分算法开始插值处理，同时绘制出煤体注水后全水分分布图，如图6 所示。从图6 发现，优化注水方案实施以后，煤体水分不均匀分布。在横向方向上，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。在纵向方向上，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。

图5 优化注水方案后注水采样点设置

表1 优化注水全水分测定

图6 优化方案后润湿效果

根据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3.09%，润湿半径4.5 m。根据优化后的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%；优化后的注水方案润湿半径高达8 m，与原方案相比润湿半径提高了3.5 m。所以优化煤层注水方案后，明显提高了润湿效果。

4.2 降尘效果

实施煤层注水优化方案后，顺风割煤和移架时产尘量明显减少。具体效果是顺风割煤时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，全尘降尘效率增加26.38%，呼尘降尘效率增加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，全尘降尘效率增加24.13%，呼尘降尘效率增加26.15%。表明在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）通过加入密度是0.05%的润湿剂溶液，同时优化了注水设计，将注水压力、钻孔间距和封孔长度调整至10～12 MPa、15 m 和10 m，搜集煤样借助Cline-Renka 插值法获得煤样的全水分分布规律，最终发现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。

（2）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增大26.38%，呼尘的除尘效率增大27.16%；推移液压支架时，工作面的全尘除尘效率增大24.13%，呼尘的除尘效率增大26.15%。现场测试结果证明优化后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，确保了职工的人身健康。