楊向東

（山西陽(yáng)城陽(yáng)泰集團(tuán)伏巖煤業(yè)有限公司，山西陽(yáng)城，048105）

1 工程概況

山西陽(yáng)城陽(yáng)泰集團(tuán)伏巖煤業(yè)有限公司3109工作面位于二采區(qū)，開采3#煤層，工作面東北為3108采空區(qū)，南為實(shí)體煤，巷道開切眼臨近F4斷層。3#煤層均厚為4.96 m，平均傾角6°，煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，屬優(yōu)質(zhì)無(wú)煙煤。煤層直接頂為粉砂質(zhì)泥巖，灰黑色，均厚為12.67 m，基本頂為細(xì)粒砂巖，灰色，均厚為3.5 m，底板巖層為炭質(zhì)泥巖和粉砂質(zhì)泥巖。工作面走向長(zhǎng)度為350 m，傾斜長(zhǎng)度為139 m，工作面采用U型通風(fēng)。為有效治理工作面回采作業(yè)時(shí)揚(yáng)塵問(wèn)題，擬采用煤層注水技術(shù)進(jìn)行工作面的降塵作業(yè)。

2 煤層注水降塵機(jī)理

煤層注水技術(shù)主要是通過(guò)在煤體內(nèi)部施工注水鉆孔，隨后利用壓力將水注入到煤體鉆孔內(nèi)，水在壓力作用下會(huì)逐漸向煤層內(nèi)部的孔隙和細(xì)微裂隙內(nèi)擴(kuò)散，從而潤(rùn)濕煤體內(nèi)的原生煤塵、有效包裹煤體的每一微小部分和改變煤體的物理力學(xué)性質(zhì)，達(dá)到降塵的目的，具體三方面的作用機(jī)理如下：

（1）潤(rùn)濕煤體內(nèi)的原生煤塵：在煤體內(nèi)部的裂隙中存在著原生煤塵，當(dāng)工作面煤體采落破碎，原生煤塵便會(huì)進(jìn)入采掘空間。當(dāng)水注入到未被破碎的煤體內(nèi)后，能夠?qū)γ簩觾?nèi)部裂隙的原生煤塵進(jìn)行預(yù)先濕潤(rùn)，濕潤(rùn)后的原生煤塵便喪失了揚(yáng)起的能力。

（2）改變煤體的物理力學(xué)性質(zhì)：在對(duì)煤層進(jìn)行注水作業(yè)后，煤體濕潤(rùn)，煤的脆性降低、塑性增強(qiáng)。當(dāng)煤體采落破碎時(shí)，此時(shí)原本出現(xiàn)脆性破壞的煤體便會(huì)向塑性破壞轉(zhuǎn)化，進(jìn)而減少煤體被破碎為微小塵粒的可能，有效降低煤塵的產(chǎn)生。

（3）有效包裹煤體的每一微小部分：注水作業(yè)后，煤體內(nèi)部孔隙和細(xì)微裂隙內(nèi)會(huì)均被水充滿，煤體采落破碎時(shí)，其破碎面上基本有水的存在，從而能夠有效抑制煤塵飛揚(yáng)。

根據(jù)相關(guān)理論研究可知［1］，水在煤體的運(yùn)動(dòng)主要受到煤層內(nèi)瓦斯壓力、煤體內(nèi)毛細(xì)作用力及注水壓力形成的孔隙兩端的壓力差值影響，具體水在煤體內(nèi)運(yùn)動(dòng)的實(shí)際動(dòng)力Δh的表達(dá)式為：

式中：Pw為煤層內(nèi)的瓦斯壓力；Pz為注水后在孔隙兩端形成的壓力差值；Pm為煤層內(nèi)孔隙的毛細(xì)作用力。

3 煤層注水降塵方案

3.1 煤層可注性分析

為有效的開展煤層注水作業(yè)，首先對(duì)3#煤層的可注性進(jìn)行分析，在3109工作面運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷內(nèi)分別選取一個(gè)測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行煤的取樣作業(yè)，將煤樣編號(hào)為1#和2#，隨后進(jìn)行煤樣孔隙率、水份及堅(jiān)固性系數(shù)等參數(shù)的測(cè)定，結(jié)果見表1。

表1 3109工作面區(qū)域3#煤層各項(xiàng)參數(shù)

根據(jù)相關(guān)理論分析與眾多工程實(shí)踐結(jié)果表明［2］，當(dāng)煤體內(nèi)的原有水份＜4%、吸水率＞1%、孔隙率＞4%及堅(jiān)固性系數(shù)＞0.4四項(xiàng)指標(biāo)滿足時(shí)，該煤體能夠進(jìn)行注水防塵作業(yè)，據(jù)此可判定3109工作面區(qū)域的煤體具有可注性。

3.2 方案設(shè)計(jì)

本次3109工作面煤層擬采用脈動(dòng)式注水，方案設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括注水壓力、注水時(shí)間、注水鉆孔的布置方式及封孔方式等，具體參數(shù)如下：

（1）注水壓力：在采用脈沖式注水作業(yè)時(shí)，注水壓力應(yīng)既能夠讓一定深度的煤體產(chǎn)生松動(dòng)，同時(shí)應(yīng)保障煤體不至于出現(xiàn)嚴(yán)重的片幫現(xiàn)象，具體的注水壓力主要受到煤層吸水率、煤層滲透系數(shù)、注水孔的封孔深度和煤層的開采厚度等因素影響［3］，眾多工程實(shí)踐表明，注水壓力的范圍為5～20 MPa，結(jié)合3109工作面的具體特征，確定注水壓力為10 MPa。

（2）注水鉆孔布置：采用FLUENT數(shù)值模擬軟件進(jìn)行注水鉆孔間距的模擬分析，建立數(shù)值模型的長(zhǎng)×寬=12 m×10 m，設(shè)置注水鉆孔的深度為6 m，注水壓力為10 MPa，具體分析注水壓力為10 MPa時(shí)，注水3h、5h、8h和9h下鉆孔周圍煤體的含水量，結(jié)果見圖1。

圖1 不同注水時(shí)間下注水鉆孔區(qū)域煤體含水量

分析圖1可知，隨著注水時(shí)間的增長(zhǎng)，鉆孔周邊煤體含水量呈現(xiàn)出逐漸增長(zhǎng)的趨勢(shì)，注水濕潤(rùn)半徑同樣呈現(xiàn)為逐漸增大的趨勢(shì)，在注水時(shí)間由3h增大為5h時(shí)，注水濕潤(rùn)半徑的增長(zhǎng)幅度較大，注水濕潤(rùn)半徑由3 m增大為4.3 m，當(dāng)注水時(shí)間達(dá)到8h時(shí)，注水濕潤(rùn)半徑達(dá)到5 m，此后，注水時(shí)間增加，但注水濕潤(rùn)半徑穩(wěn)定在5 m，不再增大。由以上模擬結(jié)果判定，3#煤層在10 MPa的注水壓力下，注水濕潤(rùn)半徑約為5 m。

根據(jù)以上模擬結(jié)果，3109工作面注水鉆孔的各項(xiàng)參數(shù)為：利用工作面回風(fēng)巷原施工的順層瓦斯抽采鉆孔，鉆孔直徑為0.94 m，長(zhǎng)度為120 m，鉆孔在回風(fēng)巷距離底板1.2 m的位置處開孔，孔間距為10 m（原抽采鉆孔間距為5 m，間隔利用，未利用的鉆孔全部按要求封堵），見圖2。注水鉆孔采用速凝漿液固管的方式進(jìn)行封孔，封孔長(zhǎng)度為20 m。

圖2 3109工作面注水鉆孔布置

（3）注水方式：常用的注水方式有連續(xù)注水與間歇注水兩種，本次注水采用間歇注水方式。相關(guān)研究結(jié)果表明［4］，間歇式注水方式下，隨著注水時(shí)間間隔的增大，煤層注水降塵效果越好，綜合3109工作面其余因素，確定間隔注水時(shí)間為1h。

（4）單孔注水量：注水量是影響注水效果的主要因素，受到煤的密度、濕潤(rùn)系數(shù)及鉆孔的各項(xiàng)參數(shù)影響［5］，見式（2）：

式中：q為注水鉆孔的單孔注水量；ρ為煤體的密度；N為煤體的濕潤(rùn)系數(shù)，取為1.5%；Vc為注水區(qū)域的體積；L為注水鉆孔深度；M為煤層厚度，B為注水濕潤(rùn)半徑。結(jié)合3109工作面的地質(zhì)資料及注水鉆孔的布置情況，取ρ=1.45 t/m3，L=120 m，B=5 m，M=4.96 m，N=1.5%，計(jì)算得出工作面的單孔注水量Q=6.46 m3。

（5）單孔注水時(shí)間：基于數(shù)值模擬結(jié)果可知，當(dāng)注水作業(yè)進(jìn)行8h后，注水濕潤(rùn)半徑不再擴(kuò)展，基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，故考慮一定的富裕系數(shù)，單孔注水時(shí)間為8.5h，具體單孔注水時(shí)間可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況調(diào)整，當(dāng)鄰近注水孔出現(xiàn)涌水現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)立即停止注水作業(yè)。

（6）注水系統(tǒng)：3109工作面注水系統(tǒng)包括2BZ-40/12型脈沖式煤層注水泵、供水管、注水流量計(jì)、孔板流量計(jì)等部分，見圖3。

圖3 3109工作面注水系統(tǒng)

3.3 效果分析

為分析煤層水份的增量情況和注水濕潤(rùn)半徑，在煤層注水作業(yè)前，在注水區(qū)域先進(jìn)行煤層自然含水率的測(cè)定作業(yè)，測(cè)試結(jié)果見圖4（a）。當(dāng)煤層注水作業(yè)結(jié)束后，在煤層注水區(qū)域進(jìn)一步采樣測(cè)試煤層水份，注水區(qū)域內(nèi)設(shè)置4組煤層采樣點(diǎn)，采樣點(diǎn)間距為30 m，采取的煤樣，采用密封袋帶到地面測(cè)定全水份，進(jìn)而與注水前煤層自然含水率對(duì)比，計(jì)算水份增量，根據(jù)測(cè)試結(jié)果得出煤體水份增量沿鉆孔兩側(cè)的分布狀況，見圖4（b）。

圖4 煤層注水前自然含水率和注水后鉆孔周邊水份增量曲線

分析圖4（a）可知，煤層注水區(qū)域的自然含水率在1%～1.25%之間，平均含水率為1.09%。

根據(jù)煤層注水效果評(píng)價(jià)相關(guān)規(guī)定，注水后煤層含水率≥4%或水份增量大于1%時(shí)，可認(rèn)為煤層注水達(dá)到了良好的降塵效果。分析圖4（b）可知，當(dāng)煤層注水作業(yè)完成后，注水鉆孔半徑5 m范圍內(nèi)，水份增量大于1.5%，水份增量隨與鉆孔中心距離的增大而逐漸減小，但總體水份增量達(dá)到2%左右，因此可判定3109工作面注水作業(yè)達(dá)到了預(yù)期效果。同時(shí)，分析注水后煤層水份增量曲線可知，注水的有效濕潤(rùn)半徑為5 m，與數(shù)值模擬結(jié)果相一致。

注水前后工作面現(xiàn)場(chǎng)粉塵測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，注水前工作面的平均全塵濃度與半塵濃度分別為310 mg/m3和50 mg/m3，注水后工作面的平均全塵濃度與半塵濃度分別為86.8 mg/m3和15 mg/m3，全塵的降塵率為72%，呼塵的降塵率為70%，降塵效果顯著。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)3109工作面煤層賦存情況，結(jié)合煤層注水技術(shù)原理，確定注水壓力為10 MPa，采用數(shù)值模擬確定注水孔間距為5 m，并根據(jù)理論計(jì)算確定單孔注水量和注水時(shí)間等參數(shù)，并在注水結(jié)束后進(jìn)行注水效果驗(yàn)證，得出注水后工作面煤體水份增量明顯，全塵和呼塵的降塵率分別為72%和70%。