林傳兵

(徐州海森德新材料有限公司，江蘇 徐州 221008)

煤塵是煤礦安全生產(chǎn)的五大災(zāi)害之一[1]。煤塵不僅危害職工身體健康，而且高濃度粉塵導(dǎo)致作業(yè)環(huán)境能見度降低，提高了事故發(fā)生的可能性。為降低礦塵濃度，晉煤集團(tuán)采取了二次負(fù)壓除塵、噴霧降塵等措施，但是工作場所粉塵濃度依然居高不下，嚴(yán)重威脅礦井安全生產(chǎn)和職工身心健康[1-4]。為改善井下高濃度粉塵的作業(yè)環(huán)境，基于塵源抑塵降塵理念，煤層注水是工作面最有效、最根本的抑塵降塵措施之一[3,5]。煤層注水不僅增加了煤體水分，使其更加濕潤，而且降低了煤體強(qiáng)度和脆性，增強(qiáng)塑性，從根本上降低了生產(chǎn)作業(yè)各工序產(chǎn)生的粉塵量[6-9]。雖然該方法可以從源頭對煤塵進(jìn)行治理，但也有一定局限性，需要對煤層進(jìn)行注水可行性研究和相應(yīng)影響因素進(jìn)行分析[10]。煤層注水過程中受到各種因素影響，尤其是受到煤層層理、裂隙、孔隙率、水分、吸水性等影響。以寺河3#煤層為研究對象，研究上述因素的影響機(jī)理和相應(yīng)條件下的注水降塵技術(shù)，為相關(guān)工程提供技術(shù)參考。

1 煤層脈動注水影響因素與機(jī)理

脈動注水是指利用大流量的脈動高壓水在較短時(shí)間內(nèi)對煤體反復(fù)作用、連續(xù)膨脹和收縮致其疲勞、弱化至破壞，從而達(dá)到煤體破裂程度增加、裂隙連通性增強(qiáng)的效果。通過對寺河礦3#煤層煤樣進(jìn)行測試得出：水分均值1.16%≤4%，自然吸水率均值5.09%≥1%，孔隙率均值8.91%≥4%，堅(jiān)固性系數(shù)f均值0.83≥0.4，結(jié)合現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)，認(rèn)為該煤層注水性良好。

1.1 煤層結(jié)構(gòu)特征對注水的影響

煤層裂隙結(jié)構(gòu)分類見表1。

內(nèi)生裂隙即煤層割理，是煤層最主要的裂隙系統(tǒng)，一般為一組相互交叉的裂隙(面割理和端割理)。割理是煤層氣主要的運(yùn)移通道，也是注水水流的主要通道，因此割理對注水效果有很大影響。如圖1所示，脈動注水壓裂過程中，在注水壓力、煤壁阻力和瓦斯壓力等共同作用下，根據(jù)裂隙開度尺寸水流依次浸入。

表1 煤層裂隙分類

圖1 煤體結(jié)構(gòu)簡化模型示意圖

煤層割理作為脈動水流的浸入通道，割理中相對比較薄弱的“弱面”將會是脈動壓裂的起裂位置，進(jìn)而增加割理的開度和連通性。

研究發(fā)現(xiàn)，煤層裂隙的發(fā)育程度對脈動水力壓裂效果以及煤體首次致裂時(shí)間和位置有顯著影響。由于煤層孔隙分布于煤基質(zhì)中，與割理相比，基質(zhì)滲透率非常低，水流很難浸入，所以煤基質(zhì)很難被破壞。利用脈動注水壓力在煤基質(zhì)表面反復(fù)作用產(chǎn)生疲勞損傷，以應(yīng)力波的形式進(jìn)行緩慢滲透，裂紋累積最終使煤基質(zhì)破壞。在脈動水流作用下孔隙結(jié)構(gòu)逐漸擴(kuò)展、貫通并形成裂隙網(wǎng)絡(luò)，為注水潤煤降塵抑塵創(chuàng)造條件。

由于脈動注水泵的驅(qū)使，壓裂液以一定頻率反復(fù)沖擊煤體，致使煤體產(chǎn)生損傷緩慢發(fā)生碎裂。脈動流從鉆孔進(jìn)入煤層，首先進(jìn)入煤層內(nèi)的一級裂隙流動，逐漸進(jìn)入二級裂隙、三級裂隙和四級裂隙，使得裂隙相互貫通和新生裂隙，如圖2～4所示。

圖2 壓裂(脈動)液浸入煤層示意圖

圖3 水平直裂隙模型示意圖

圖4 脈動水流逐級浸入示意圖

煤體內(nèi)部本身存在很多不同尺度和規(guī)模的裂隙(原生裂隙)，因所處的應(yīng)力環(huán)境和采掘擾動影響，裂隙發(fā)育位置產(chǎn)生不同尺度的應(yīng)力弱面，成為了壓裂液浸入通道。由于弱面的開度不同，壓裂液浸入到煤層裂隙具有一定的先后順序(圖4)。

圖5為生產(chǎn)應(yīng)力條件下脈動水力壓裂鉆孔布置圖，鉆孔周圍分布著大量裂隙，并沿徑向依次由近及遠(yuǎn)劃分為破碎區(qū)(Ⅰ)、塑性區(qū)(Ⅱ)和彈性區(qū)(Ⅲ)。隨著徑向距增加，裂隙分布密度和尺度均減小。

1.2 層理、裂隙對注水的影響

結(jié)合電鏡掃描實(shí)驗(yàn)，分析了煤樣孔隙結(jié)構(gòu)的微觀特征，如圖6所示。

圖5 脈動注水鉆孔圍巖裂隙分布

圖6 煤樣電鏡掃描

由圖6可以看出，寺河礦3#煤層紋理清晰，煤質(zhì)硬脆，色澤黑，裂隙中初級和次級裂隙發(fā)育，對脈動注水導(dǎo)流是有利的,具體特征見表2。

表2 電子顯微鏡照基本特征分析表

1.3 孔隙對注水的影響

煤樣孔隙參數(shù)測試結(jié)果見表3和表4。

表3 煤樣孔隙率測試(以密度測定為基礎(chǔ))

煤樣總孔隙容積在0.060 3～0.072 1 cm3/g之間，孔隙率在7.55%～9.31%之間(平均8.91%)，且連通孔隙容積為0.056 3～0.069 2 cm3/g，占總孔隙率的80%以上，且連通孔隙率大于4%，因此該煤層注水相對容易。

表4 煤樣總孔隙與連通孔隙(以壓汞和低溫液氮測定為基礎(chǔ))

2 工業(yè)性試驗(yàn)

以寺河礦W2302中段工作面為試驗(yàn)點(diǎn)，分別進(jìn)行脈動注水和靜壓注水，對兩者注水效果進(jìn)行了驗(yàn)證，其中，脈動注水采用2BZ-125/20型煤層脈動注水泵(脈沖強(qiáng)度0～20 MPa，輸出流量125 L/min，脈沖頻率1 060次/min)，主要從達(dá)到等注水量耗時(shí)和單次注水量兩個方面進(jìn)行比較分析。鉆孔布置圖如圖7所示。

圖7 現(xiàn)場考察鉆孔布置示意圖

2.1 單次注水量

由于現(xiàn)場注水并不是連續(xù)進(jìn)行，而是存在一定的間斷。所謂單次注水量就是指每次連續(xù)注水工作條件下的注水量，單次注水量試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表5。

根據(jù)表5，脈動、靜壓單次注水速度如圖8所示。

表5 脈動、靜壓單次注水量統(tǒng)計(jì)

圖8 脈動、靜壓單次注水速度

由圖8可以看出，脈動注水要遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于靜壓注水，脈動注水速度是靜壓注水的2.59～6.50倍，注水速度的提高為水分滲透留出了更多時(shí)間，有利于注水的均勻性。

2.2 達(dá)到極限注水量所用注水時(shí)間

極限注水量又稱為單孔最大注水量，是指單個注水鉆孔的注水量不隨時(shí)間延長而增加時(shí)的最大注水量，一般認(rèn)為單孔注水速度低于0.1 m3/h時(shí)即達(dá)到鉆孔的極限注水量。試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表6。

表6 等注水量所用時(shí)間統(tǒng)計(jì)

由表6和圖9可知，脈動注水平均速度相較單次注水量并不明顯，但仍然要快于靜壓注水，達(dá)到最大注水量時(shí)1#孔平均注水速度快45.45%，2#孔快59.70%。

綜上所述，雖然靜壓注水方式工序、操作簡單，但注水壓力低，水不能完全滲入到中等以上硬度煤層中，達(dá)不到充分濕潤煤體的目的；脈動注水能充分濕潤煤體，降塵效果較好。然而，脈動注水會因壓力過大導(dǎo)致孔口煤壁嚴(yán)重破壞甚至致孔報(bào)廢，因此對封孔質(zhì)量要求較高，需要投入較多設(shè)備和人力。

圖9 脈動、靜壓注水達(dá)到最大注水量時(shí)平均注水速度

3 結(jié) 論

1) 隨著徑向距增加，注水鉆孔周圍裂隙分布密度和尺度均減小。由于煤體內(nèi)部原生裂隙和脈動注水特點(diǎn)，壓裂液浸入到煤體裂隙具有一定的先后順序。

2) 寺河礦3#煤層注水性良好，煤體內(nèi)裂隙是水流動的主要通道，對注水導(dǎo)流是有利的，總孔隙容積在0.060 3～0.072 1 cm3/g之間，孔隙率在7.55%～9.31%之間，連通孔隙容積為0.056 3～0.069 2 cm3/g，占總孔隙率的80%以上，且連通孔隙率大于4%，因此該煤層注水相對容易。

3) 脈動注水速度顯著高于靜壓注水速度，且脈動注水能充分濕潤煤體，降塵效果較好。