基于改进渗透剂提升煤层注水效果分析及试验研究

李乐成

（山东能源临沂矿业集团有限责任公司，山东 临沂 216017）

临矿集团田庄煤矿采煤机械化程度较高，采动过程中综采工作面粉尘含量较大，污染严重，危及工作人员职业健康，甚至会有粉尘爆炸的风险，严重制约了田庄煤矿的高效生产[1]。田庄煤矿煤层含挥发组分加高，普通注水剂提升润湿效果较差。基于不同表面活性剂对煤体润湿结果[2]，提出了改进渗透剂试剂配比的新思路，通过改进润湿添加剂配比，结合现场应用测试，为煤层注水添加剂配比提供实践基础和案例借鉴。在试验之前，经研究所、高校及厂家对可行性方案进行探讨，根据测试煤层的生产工艺特点结合煤体微观理化特性，确定试验流程。

1 工程背景

临矿集团田庄煤矿17 煤距上煤6 m 左右，距下煤距离为3.2 m 左右，是太原组下部主要含煤段。17 煤含能较高，外表光亮，煤层形成稳定，厚度约为0.95 m，经测试煤体孔隙率φ为0.16，水溶液黏滞系数μw为1. 018 MPa·s，气黏滞系数μg为0.19 MPa·s，煤质硬度系数为2.6～3.4。

2 试验研究

2.1 试验方案

试验区域为3701 工作面回风巷，试验工序主要分五个步骤：打钻、（装棒）、封孔、注水、取样、测试。渗透棒的用量为25 根/孔，使用深度为15 m。本试验注水参数具体为：打孔深度80 m，封孔器封孔深度10 m，注水管压力1.2～3 MPa，管口流量为1.0～1.5 m3/h，向试验煤层注水量0.02～0.03 m3/t，注水时长为15～30 h。

钻孔设备为岩石轨道钻机，钻杆直径75 mm，钻孔距底板垂直距离1.0 m，与底板呈5°～15°仰角。打钻时沿顺风方向对钻孔依次进行排序标记，分别为1～10 号。按照制定方案选择3 个注水测试钻孔，1 号为普通注水钻孔，2 号为使用普通渗透剂注水钻孔，3 号为使用改进渗透剂配比后注水钻孔。工作面开采速度约为5 m/d。为了保证润湿煤层能有效衔接，沿顺风向距综采工作面32 m 处打1号注水钻孔，2 号和3 号注水钻孔的位置根据1 号注水孔润湿效果另行调整。

普通渗透剂中的润湿剂主要为十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠等有效降低水表面张力的活性剂，装填在长600 mm、直径44 mm 的渗透棒中。鉴于不同表面活性剂润湿煤体接触角测试结果，对渗透棒配比进行了改进，即减少了十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠的用量，添加了十二烷基硫酸钠、十二烷基二甲基甜菜碱。改进后的渗透棒乳化煤油能力增强，较普通渗透棒降低水体表面性能较低。打钻后按照渗透棒使用顺序装填润湿剂，对于改进配比的润湿剂，十二烷基硫酸钠、十二烷基二甲基甜菜碱等乳化性强的活性剂位于渗透棒前端，增润型活性剂位于后端。装填结束后，用封孔器对钻眼封堵，使注入的水不能从孔口及附近的裂隙流出，直至注水作业结束。渗透棒填装如图1。

图1 渗透棒填装

2.2 注水效果分析

为保证测试精准度，本试验选择受采煤影响较低的内部原始煤样，在井下将煤破碎为小于5 mm的小碎块，用采样杯将煤样密封编号，按照全水分含量测试标准对煤样进行测试。由润湿效果来看，煤体全水分含量为1%以上时，注水防尘效果较好，所以以注水钻孔为中心向周边延伸，煤体全水分含量在1%以上为有效润湿区域，在1%以下为非润湿区域，交接处为润湿临界线。

（1）普通注水。图2 为不采取额外措施的注水方案。按照方案要求，在打钻时按照方案深度收集钻屑，在实验室测定煤样原始水分。注水工作结束后，在注水孔周边打测试钻孔，打孔时按一定深度（2 m、4 m 和6 m）收集钻屑，在实验室中用空气干燥法测试煤样全水分含量。

图2 普通注水润湿半径测试方案

图3 为普通注水孔前后不同位置煤样水分增加量实测结果。从测试结果可以看出，以注水孔为中心，两侧煤体水分增量呈对称分布。在6 m 范围内煤体水分增量均在1%以上，是为有效润湿区域；在6～8 m 范围内，煤体水分增量在临界线上下浮动，是润湿-非润湿交错区域。不完全对称的原因可能是煤质自身或地质结构不同导致。从试验的结果来看，普通注水的润湿半径约为6～8 m。

图3 1 号注水孔全水分增量曲线

（2）普通渗透剂及改进渗透剂煤层注水。根据普通注水不同位置煤样水分增加量实测结果及润湿半径，设计相应的注水试验方案如图4。

图4 填装渗透棒和改进渗透棒注水润湿半径测试方案

基于上节的试验结果，为降低采煤工作对注水效果的影响，减少试验工作量，布孔方案为：沿顺风向距1 号注水孔20 m 处打2 号注水孔，并在2号注水孔下风向10 m、15 m 处分别打测试钻孔，根据2 号注水钻孔润湿测试结果在2 号注水孔下风向30 m 处打3 号注水钻孔。

在打钻时对煤体水分增量进行测试，作为2 号注水孔的测试孔，3 号注水钻孔使用改进渗透棒注水。参照注2 号水孔注水润湿范围，在3 号注水孔顺风侧25 m、30 m、32.5 m 和35 m 处布置4 个测试钻孔。图5 和图6 为2 号和3 号注水钻孔煤样全水分增量值。

图5 2 号注水孔全水分增量曲线

图6 3 号注水孔全水分增量曲线

从图5 和图6 中各测试钻孔测得煤样水分含量可知：（1）2 号注水孔两侧20 m 范围内的煤体全水分增量均大于3%，为有效润湿区域。（2）通过进一步试验（3 号注水孔）发现，距离注水孔25 m、30 m、32.5 m 和35 m 处，煤体全水分增量分别为2.56%、1.81%、0.85%、0.68%，实测结果显示改进渗透棒润湿剂注水后的煤体润湿半径提升至30～32.5 m，由于不同煤层有一定差异性及现场各种不确定性，煤层润湿半径至少为25 m 以上。改进渗透棒润湿剂注水效果更好，可以减少工作面注水钻孔数量50%以上，大幅度增加润湿面积。

3 结 论

改进配比后的渗透棒注水效果更好，距离注水孔 25 m、30 m、32. 5 m 和35 m 处的煤体全水分增量分别为2.96%、1.83%、0.96%、0.65%，润湿半径保守估计为25 m 左右，说明改进后的渗透棒注水效果更佳，煤体润湿范围进一步提高。分析原因应该是乳化性能强的活性剂能分解乳化煤体有机质，促进煤体开裂，提高渗透性。与普通注水煤体润湿半径只有6～8 m 相比，使用普通和改进后渗透棒注水润湿半径提高2～3 倍，改进渗透剂配比后的渗透棒润湿效果更好，可以进一步提升煤层预润湿范围，降低注水成本，应用效果较好。