煤層注水防塵研究

摘要:只要有煤炭開采，就會產生粉塵。而粉塵由于其自身的特點具有很大的危害性。為了減少采煤工作面的粉塵，國內外的采礦工程師和相關專業的科技工作者進行了大量的科學研究工作，采取了多種降塵措施，但收效甚微。本文研究了煤層注水防塵的作用機理，以期為煤層注水防塵技術的更好的應用提供幫助。

關鍵字：粉塵、注水防塵、作用機理研究、潤濕機理分析

中圖分類號：TD791 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X(2011)10(b)-0000-00

1問題的提出

只要有煤炭開采，就會產生粉塵。煤礦粉塵是指在煤礦開拓、掘進、回采和提升運輸等生產過程中產生，并能長時間懸浮于空氣中的巖石和煤炭的細微顆粒，也簡稱為礦塵，它包括巖塵和煤塵。煤礦粉塵的危害性主要表現在2個方面：一是煤塵的自燃性和爆炸性，煤塵爆炸危險普遍存在，危害嚴重。二是嚴重的職業危害，中國原國有重點煤礦現患塵肺病人數約17.5萬人，而且每年還在增長，每年因塵肺死亡2500—3000人。這些數字還不包括職業危害更嚴重的原國有地方煤礦和鄉鎮煤礦。所產生的塵肺病是一個沒有醫療終結的致殘性職業病，嚴重影響生活質量，而且每隔數年病情還要升級，合并感染，最后導致心肺病、呼吸衰竭而死亡。患塵肺病死去的人，因死狀悲慘，被稱之為跪著死去的人。

2煤層注水防塵機理研究

煤礦井下的粉塵有45%～80%來自采煤工作面。為了減少采煤工作面的粉塵，國內外的采礦工程師和相關專業的科技工作者進行了大量的科學研究工作，采取了多種降塵措施，如移架噴霧、煤機內外噴霧、轉載點噴霧、濕式打眼、灑水等。這些綜合措施雖然具有較好的防塵效果，但從控制煤塵的過程來看，是在煤塵產生后實施的，屬于被動防塵。而對回采工作面實施煤層注水，則是積極的、主動的、從源頭上控制煤塵產生的最有效的方法。

煤層注水就是在煤層開采之前，打若干鉆孔，通過鉆孔向煤體注入壓力水，使其滲入煤體內部，均勻分布于煤層中無數細微的裂隙和孔隙之中，破壞煤體內原有的煤—瓦斯兩相體系的平衡，使煤的物理化學性質、力學性質及熱力學性質發生變化，并使煤體降低產生浮游煤塵的能力，從而達到主動降塵的效果。

煤層注水是回采工作面有效的防塵措施。煤層注水降塵機理體現在以下三個方面：

（1）水潤濕了煤體內的原生煤塵。在煤體內部各種裂隙中，都或多或少存在著原生煤塵，它們隨煤體破碎而飛揚于礦井空氣中。水進入裂隙后，可將其中的原生煤塵在煤體未破碎前預先潤濕，使其失去飛揚的能力，從而有效地消除塵源。（2）水有效地包裹了煤體的每一個細小部分。水進入煤體各類裂隙、空隙和層理之中，不僅在較大的構造裂隙、層理、節理中有水存在，而且在極其微小的孔隙內部，都有水的注入，甚至在1以下的微孔隙中也充滿了毛細水，這樣就使整個煤體有效地被水包裹起來。當煤體由于開采而受到破碎時，因絕大多數破碎面均有水存在，從而消除了細微煤塵的飛揚，即使煤體破碎的極細，滲入細微孔隙的水也能使之預先潤濕，預防浮游煤塵產生。 （3）改變了煤體的結構和物理力學性質。水進入煤體后，能使煤體塑性增加，脆性減弱，還能使內聚力和摩擦角降低，改善煤體應力集中及支撐壓力和上覆巖層對煤體的影響。當煤體受到外力作用時，許多脆性破碎變為塑性變形，因而大量減少了煤炭破碎為塵粒的可能性，降低了煤塵的產生量。

我國新汶孫村礦和本溪彩屯礦實施煤層注水后，除塵率分別達到73%和79%。表1是“三軟”綜放工作面通過實施煤層注水及其他防塵措施后的降塵效果。

3 煤層注水防塵過程研究

3.1 水在煤體中的運動過程

注水過程中，水不斷改變煤體自身的物理力學結構和性質，從大裂隙通道中不斷壓裂貫通封閉狀態的孔隙進入煤體，直至滲入細微孔隙中，這一過程大致分為以下三個過程。

（1）進水過程。壓力水初始沿煤體原生連通裂隙通道進入煤體，是一個克服煤體內部阻力的過程。處于原始狀態的煤層，原生裂隙通道只占全部裂隙的極少部分，連通的通道更少。因此初始注水時。煤層出現明顯的不進水現象，注水存在一個臨界壓力值。（2）貯水過程。進水的煤體隨注水壓力的增高，煤體裂隙系統通道網在水的壓力作用下，逐漸擴大豐富，壓力水不斷進入煤體，并在通道孔裂隙中滯留，這是注水滲流潤濕的主要過程，煤體最終達到均勻潤濕所吸收的就是這部分水。（3）吸附水過程。在水沿滲流系統通道流動的同時，各類細微孔裂隙(孔隙直徑小于lO-8m)以較低的流速吸附滲流通道的水，形成吸附水過程，這一過程主要是毛細孔隙在起作用。在細微孔隙中，注水壓力在這些孔道中已消耗盡，而毛細作用力增大。

煤層壓力注水的全過程一方面是擴充滲透通道空間及其廣度，形成輸水和貯水空間，把水輸送到煤體各處；另一方面靠煤體細微孔隙的毛細作用逐漸吸附這些水分，構成補給——潤濕吸附的過程。

3.2 煤體潤濕過程

潤濕是指在固體表面上一種液體取代另一種與之不相混溶的流體的過程。煤層注水潤濕過程是典型的非飽和到飽和的滲透過程。以非飽和狀態為主，是壓力滲流、毛細和擴散三種運動共同作用的結果，但起的作用不同，其作用結果都有利于滲透。

在細微孔裂隙中毛細擴散速度一般較慢，主要表現在橫向運動上。注水壓力對注水運動及潤濕狀態起決定性作用。常見的潤濕現象是固體表面上的氣體被液體取代。水對煤體孔隙、裂隙表面的潤濕實質上是水溶液取代煤體孔、裂隙固體表面氣相的過程，因此，深入地研究水對煤體的潤濕機理，就必須分析煤體的潤濕過程。煤體潤濕包括沾濕、浸濕和鋪展過程。

（1）沾濕過程。煤體沾濕是指液體與煤體從不接觸到接觸，變液—氣界面和固—氣界面為固—液界面的過程。（2）浸濕過程。浸濕是指固體浸入液體的過程。此過程的實質是固—氣界面為固—液界面所代替，而液體表面在此過程中并無變化。（3）鋪展過程。鋪展過程的實質是以固—液界面代替氣—固界面的同時還擴展了氣一液界面。

4.煤層注水防塵存在的問題

盡管煤層注水技術已經有了比較大的發展，但是，目前我國煤層注水技術中仍存在以下問題有待解決：（1）煤層注水潤濕煤體的過程和機理。目前國內外關于煤層注水潤濕煤體的機理研究相對較少，而且不夠系統，煤層注水缺乏理論指導。（2）特殊煤層結構條件下的煤層注水工藝問題。如有的煤層煤結構松軟，中間還有高硬度的夾矸層，如何鉆孔，用什么工具鉆孔，都是以前未曾遇到的問題。（3）高爆性煤層注水降塵問題。目前，煤層注水技術主要應用于高瓦斯礦防塵，綜采放頂煤軟化頂煤、降塵，以及通過煤層注水防治沖擊地壓等方面，而在高爆性煤層開采中的應用尚屬空白，有許多新問題有待解決。