馬堡煤礦煤層脈動(dòng)注水降塵技術(shù)

蕭煜宏，孫 亮

(1.山西馬堡煤業(yè)有限公司，山西 長治 046300； 2.煤科集團(tuán) 沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122)

煤礦粉塵不但會(huì)影響礦井安全生產(chǎn)，而且嚴(yán)重威脅職工的人身健康。采煤工作面是礦井的最大粉塵來源之一，在生產(chǎn)時(shí)未采取有效防塵措施時(shí)，粉塵質(zhì)量濃度能夠升至2 500～3 000 mg/m3，即便實(shí)施防塵措施，仍有工作面回采時(shí)粉塵質(zhì)量濃度超過1 000 mg/m3，明顯大于國家標(biāo)準(zhǔn)。煤層注水是從粉塵源頭上采取的防治措施，降低粉塵的生成[1]. 煤層注水是通過向煤層打一系列的注水鉆孔將壓力水注入煤體，水均勻分布于煤層的孔裂隙空間，使得煤體得以濕潤，增加煤的含水率，是國內(nèi)外廣泛采用的最積極有效的防塵措施。煤層注水的主要作用體現(xiàn)在水進(jìn)入煤體后，可將原生煤塵濕潤并黏結(jié)，使煤塵在破碎時(shí)失去飛揚(yáng)能力，有效地消除粉塵；其次，水進(jìn)入煤體后，其塑性增強(qiáng)，使得煤體的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化，當(dāng)煤體因開采而破碎時(shí)，脆性破碎變?yōu)樗苄宰冃危瑴p少了煤塵的產(chǎn)生量[2]. 郭軍杰等在振興二礦工作面實(shí)施煤層注水技術(shù)后，工作面粉塵濃度降塵率高達(dá)68.7%，有助于降低煤壁片幫現(xiàn)象[3]；張小濤在高瓦斯突出煤層綜采面注水后，通過抽采鉆孔實(shí)施動(dòng)靜壓相結(jié)合的注水減塵技術(shù)，煤體的水分增加了1%以上，降塵效率提高50%以上[4].

現(xiàn)有的注水方式中，靜壓注水由于注水壓力有限，難以滿足“難注”煤層的增透降塵需求，主要應(yīng)用于潤濕透氣性好的煤層。采用高壓水泵對(duì)煤層注水，雖然能夠提高煤層的透氣性，但效果不能持久，對(duì)于透氣性差的煤層，達(dá)不到理想的效果，且注水泵的壓力越高，設(shè)備的運(yùn)行、維護(hù)和管理要求也越高。為了解決煤層可注性差、注水設(shè)備體積大、注水效果不佳的難題，近年來出現(xiàn)了脈動(dòng)注水技術(shù)[5]. 結(jié)合馬堡煤礦8204工作面的實(shí)際條件，研究了脈動(dòng)注水機(jī)理及脈動(dòng)注水技術(shù)的抑塵降塵效果，為鄰近工作面的煤層注水提供指導(dǎo)。

1 脈動(dòng)注水機(jī)理

脈動(dòng)注水機(jī)理是通過脈動(dòng)注水設(shè)備產(chǎn)生具備周期性反復(fù)變化特點(diǎn)的高壓水，此高壓水憑借持續(xù)反復(fù)變化的交變水壓產(chǎn)生荷載施加在煤體上，使煤體內(nèi)部形成疲勞損傷積累，最終使煤體內(nèi)部的裂隙裂紋發(fā)生失穩(wěn)破壞。其過程主要為：脈動(dòng)高壓水流至煤體的原級(jí)裂紋裂隙中，持續(xù)增加的脈動(dòng)水充滿于裂紋裂隙中；當(dāng)煤體內(nèi)充滿水后，脈動(dòng)水以一定頻率的水壓對(duì)煤體原級(jí)裂隙裂紋表面產(chǎn)生擠壓，在煤體內(nèi)部形成疲勞損傷[6]；逐步提高脈動(dòng)水壓，當(dāng)水壓接近或超過起裂臨界壓力時(shí)，煤體的原級(jí)裂隙裂紋開始起裂延伸；在連續(xù)不斷的脈動(dòng)水壓影響下，煤體生產(chǎn)大量的裂隙裂紋，一直到裂隙相互貫通，形成無數(shù)條相互貫通的網(wǎng)絡(luò)，為脈動(dòng)水流進(jìn)入煤體運(yùn)移提供便利條件[7].

脈動(dòng)注水方式下水的流動(dòng)渠道主要是煤層割理，而脈動(dòng)方式水力壓裂的裂隙誕生位置主要是這些煤層割理中比較脆弱的“弱面”，提高了割理的連通性和開度。

在脈動(dòng)注水泵的作用下，憑借一定頻率的高壓液體多次壓裂煤體，迫使煤體發(fā)生損傷并逐漸碎裂。脈動(dòng)水流通過鉆孔注入煤體，起初流入煤體內(nèi)的一級(jí)裂隙，接著流入煤體內(nèi)的二級(jí)、三級(jí)和四級(jí)裂隙，裂隙得到充分貫通并產(chǎn)生新生裂隙，見圖1，2，3.

圖1 煤體結(jié)構(gòu)模型圖

圖2 壓裂液進(jìn)入煤層情況圖

圖3 水平直裂隙模型圖

煤體自身內(nèi)部擁有大量的各種不同規(guī)模和尺度的裂隙裂縫，由于煤層受應(yīng)力作用以及采掘活動(dòng)的影響，裂隙裂縫發(fā)育地點(diǎn)形成了尺度各異的應(yīng)力弱面，為壓裂液的進(jìn)入提供了良好的渠道，壓裂液以一定的先后順序進(jìn)入到煤層裂隙中。

在工作面生產(chǎn)時(shí)，脈動(dòng)注水鉆孔圍巖裂隙分布見圖4，在鉆孔附近存在無數(shù)的裂縫裂隙，從遠(yuǎn)到近沿徑向，將裂隙區(qū)域劃分為3個(gè)區(qū)域：Ⅰ區(qū)—破碎區(qū)、Ⅱ區(qū)—塑性區(qū)和Ⅲ區(qū)—彈性區(qū)。裂隙的數(shù)量和寬度伴隨著徑向距的增加開始減小。

圖4 脈動(dòng)注水鉆孔圍巖裂隙分布圖

測定馬堡煤礦8204工作面8#煤層的相關(guān)參數(shù)，測試結(jié)果符合可注水煤層的4個(gè)條件：全水分W=2.18≤4%、總孔隙率n=2.63%≤4%、普氏系數(shù)f=0.92≥0.4和自然飽和吸水率δ=0.72%≤1%，判斷該煤層可注水孔隙率較低，導(dǎo)水性較差，屬極難注水煤層。

2 現(xiàn)場試驗(yàn)

在馬堡煤礦8204工作面同時(shí)開展脈動(dòng)注水和靜壓注水，驗(yàn)證兩種注水方式的注水效果。脈動(dòng)注水使用2BZ-125/20型注水泵，主要參數(shù)：脈沖頻率為1 060次/min，輸出流量為125 L/min，脈沖強(qiáng)度為2～20 MPa，分析單次注水速度和注入最大注水量時(shí)所用的時(shí)間。8204工作面煤層注水鉆孔布置見圖5.

圖5 8204工作面煤層注水鉆孔布置情況圖

2.1 單次注水速度對(duì)比

單次注水量指的是每次煤層注水時(shí)不間斷持續(xù)一定時(shí)間注入煤層中的水量，8204工作面單次注水量情況見表1，單次注水速度見圖6.

表1 兩種不同注水方式的單次注水量對(duì)比表

圖6 兩種注水方式下的單次注水速度圖

由圖6可知，脈動(dòng)注水速度明顯比靜壓注水速度快，脈動(dòng)注水速度是靜壓注水速度的2.61～6.48倍，煤層注水速度的加快能夠?yàn)樗衷诿簩拥臄U(kuò)散、運(yùn)移提供了足夠的時(shí)間，顯著提高煤層注水的均勻性。

2.2 注入極限注水量時(shí)所用的時(shí)間

鉆孔極限注水量是指隨時(shí)間的推移，向一個(gè)煤層鉆孔注入的水量不在升高時(shí)的注水量，即鉆孔的最大注水量，通常認(rèn)為單孔的注水速度小于0.1 m3/h時(shí)，注水量達(dá)到極限。鉆孔注入最大注水量時(shí)所用時(shí)間見表2. 達(dá)到最大注水量時(shí)兩種注水方式下的平均注水速度見圖7.

表2 鉆孔注入最大注水量時(shí)所用時(shí)間表

圖7 達(dá)到最大注水量時(shí)兩種注水方式下的平均注水速度圖

由表2和圖7可知，與單次注水速度相比，注入最大注水量時(shí)脈動(dòng)注水的速度并不是明顯快于靜壓注水，速度增加幅度有限，但是仍比靜壓注水要快，4#鉆孔采用脈動(dòng)注水方式注入極限注水量時(shí)的速度比靜壓注水方式快46.23%，5#鉆孔脈動(dòng)注水的速度比靜壓注水快58.91%.

2.3 降塵效果對(duì)比

煤層注水的目的是減少工作面在回采過程中所產(chǎn)生的煤塵，對(duì)比煤層在靜壓注水和脈動(dòng)注水后馬堡煤礦8204工作面在割煤時(shí)和移架時(shí)粉塵質(zhì)量濃度，結(jié)果見圖8，9.

圖8 順風(fēng)割煤時(shí)粉塵質(zhì)量濃度圖

圖9 移架時(shí)粉塵質(zhì)量濃度圖

由圖8和圖9可知，實(shí)施煤層脈動(dòng)注水技術(shù)后，順風(fēng)割煤和移架時(shí)的產(chǎn)塵量比靜壓注水有明顯減少。順風(fēng)割煤時(shí)8204工作面的最大全塵質(zhì)量濃度為391.7 mg/m3，而靜壓注水為559.6 mg/m3，全塵降塵效率增加26.38%，呼塵降塵效率增加27.16%；在推移液壓支架時(shí)，最大全塵質(zhì)量濃度為409.6 mg/m3，而靜壓注水為631.8 mg/m3，全塵降塵效率增加24.13%，呼塵降塵效率增加26.15%，表明在8204工作面實(shí)施煤層脈動(dòng)注水技術(shù)后，降塵效果得到顯著提升，工作面環(huán)境明顯改善。

3 結(jié) 論

1) 煤體裂隙的數(shù)量和寬度伴隨著徑向距的增加開始減小；受到煤體原生裂隙和脈動(dòng)注水泵的共同作用，壓裂液以一定的先后順序流至煤體裂隙中。

2) 對(duì)比兩種煤層注水技術(shù)發(fā)現(xiàn)：8204工作面采用脈動(dòng)注水技術(shù)后，割煤時(shí)工作面的全塵除塵效率增大26.38%，呼塵的除塵效率增大27.16%；推移液壓支架時(shí)，工作面的全塵除塵效率增大24.13%，呼塵的除塵效率增大26.15%，工作面的作業(yè)環(huán)境得到明顯改善。

3) 脈動(dòng)注水速度很快，超過靜壓注水速度，脈動(dòng)注水可很好地潤濕煤體，具有良好的降塵效果。