楊朝霞，郭敬中，程紅林

(1. 陽(yáng)泉煤業(yè)(集團(tuán))股份有限公司二礦，山西 陽(yáng)泉 045000；2. 北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；3.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

煤層注水防塵作為《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的有效防塵措施的一種，由于我國(guó)煤礦在此領(lǐng)域的理論研究和技術(shù)手段相對(duì)落后，這種具有良好前景的防塵措施尚遠(yuǎn)未達(dá)到其應(yīng)有的效果。例如，由于條件限制，我國(guó)普遍采用的中、低壓注水方式，很難使注入水有效地潤(rùn)濕煤體；再如，注入水分的蒸發(fā)不僅縮短了注水的超前時(shí)間，導(dǎo)致采煤與注水作業(yè)相互干擾，而且還嚴(yán)重影響著注水的降塵效果。為此，探索物理化學(xué)方法提高注水效果具有重要意義。

為改善工作面注水效果，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者在實(shí)驗(yàn)研究煤體的孔隙特性與注水增量的關(guān)系[1～4]、優(yōu)化注水參數(shù)[5～6]、化學(xué)抑塵劑[7～10]等方面開展了大量研究，對(duì)煤層注水效果的優(yōu)化起到很大的推動(dòng)作用。但是，注水鉆孔數(shù)量多，普通靜壓注水無(wú)法使水在短時(shí)間內(nèi)滲入煤體，注水成本居高不下，造成現(xiàn)場(chǎng)注水積極性不高。

因此，本文以陽(yáng)泉煤業(yè)(集團(tuán))股份有限公司二礦(簡(jiǎn)稱“二礦”)為工程背景，提出應(yīng)用滲透棒注水以提高降塵效果。通過(guò)滲透棒性能測(cè)試與加工，滲透棒注水工業(yè)性對(duì)比試驗(yàn)，緩解煤層注水中潤(rùn)濕性弱、潤(rùn)濕面積小、注入水分蒸發(fā)快、注水成本高等問(wèn)題，從源頭降低煤塵產(chǎn)生量，改善職工作業(yè)環(huán)境。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 滲透棒制備

滲透棒是一種由基料和輔料按照一定比例配制而成的混合溶液，經(jīng)熱合成工藝加工而成的棒狀潤(rùn)濕劑。其中基料為吸濕性無(wú)機(jī)鹽，用于防止注水水分的蒸發(fā)；輔料為幾種表面活性劑復(fù)配物。

本文以二礦81201工作面15#煤塵理化特性及潤(rùn)濕性能基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過(guò)一系列篩選實(shí)驗(yàn)，獲得以氯化鈣和氯化鎂為基料，以三種陰離子表面活性劑(分別為S1、S2、S3)為輔料的滲透棒配方。

為簡(jiǎn)化滲透棒填裝工藝，實(shí)現(xiàn)井下快速、安全、有效填裝，節(jié)省工人作業(yè)時(shí)間，減少對(duì)注水和采煤工藝的影響，在優(yōu)選滲透棒配方的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)滲透棒制作工藝流程(如圖1所示)，依次為加熱系統(tǒng)→澆注系統(tǒng)→冷卻系統(tǒng)→脫模系統(tǒng)。制成滲透棒若干，滲透棒規(guī)格為長(zhǎng)約600 mm，直徑為44 mm，采用密封真空包裝。

圖1 滲透棒制作工藝流程

1.2 滲透棒性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)

(1) 含固量

滲透棒含固量的大小直接影響其抗蒸發(fā)能力、吸濕保濕、潤(rùn)濕性能。

采用物理測(cè)定方法測(cè)定滲透棒溶液的含固量。測(cè)量步驟為：在實(shí)驗(yàn)室條件下(空氣相對(duì)濕度φ<40%)，稱量W(g)滲透棒樣品置于已稱重的托盤中；在烘干箱150℃環(huán)境下烘干4.0 h，對(duì)烘干后的托盤稱重，并減去托盤自重，從而獲得蒸發(fā)的水分重量Ww(g)，并代入含固量計(jì)算公式：

(1)

式中，Hs為含固量，%；W0為滲透棒樣本原始重量，g；Ww為滲透棒樣品所含水分重量，g。

結(jié)果顯示，研發(fā)的滲透棒樣品含固量為80.8%，含水量為19.2%，能夠滿足二礦15#煤81201工作面煤層注水要求。

(2)抗蒸發(fā)性能

滲透棒的抗蒸發(fā)能力是檢驗(yàn)其保濕能力的重要指標(biāo)，通過(guò)抗蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)，對(duì)滲透棒的抗蒸發(fā)能力進(jìn)行了測(cè)試，抗蒸發(fā)量計(jì)算公式為。

W=W0-Wi

(2)

式中，W0為樣品初始重量，g；Mi為第i次樣品重量，g；W為蒸發(fā)的水量，g。

由圖2可知，噴灑清水的煤塵樣本，其蒸發(fā)量變化比較大，在4.0 h內(nèi)其水分幾乎被蒸發(fā)完畢，蒸發(fā)速率達(dá)2.375 g/h，且煤塵樣本表面呈蓬松狀，該現(xiàn)象解釋了普通注水蒸發(fā)速度快、注水間隔時(shí)間短、降塵效果差的原因。盡管噴灑滲透棒溶液的煤塵樣本，在同樣的時(shí)間內(nèi)其蒸發(fā)量也在不斷增大，但蒸發(fā)速率明顯變慢，僅為1.3 g/h。此外，經(jīng)計(jì)算可知，噴灑滲透棒溶液的煤塵樣本在4 h后保水率仍為55%，說(shuō)明研制的滲透棒具有較強(qiáng)的抗蒸發(fā)能力，能夠使注水煤層在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)保持較高的含水率。

圖2 蒸發(fā)量隨時(shí)間變化曲線

(3) 潤(rùn)濕性能測(cè)定

滲透棒溶液的潤(rùn)濕能力直接影響水在煤體內(nèi)的潤(rùn)濕面積和潤(rùn)濕速度。采用TL101接觸角測(cè)定儀測(cè)定一定濃度滲透棒溶液和去離子水對(duì)15#煤粉塵樣本的接觸角，其測(cè)試結(jié)果見圖3。

圖3 接觸角變化曲線

由圖3接觸角變化曲線可知，無(wú)論是去離子水，還是滲透棒溶液，其對(duì)煤塵樣本的初始接觸角均為最大，分別為58.9°和25.6°，且隨著時(shí)間推移，接觸角均呈下降趨勢(shì)。但是，滲透棒溶液對(duì)煤塵的初始接觸角不及去離子水對(duì)煤塵接觸角大小的一半，且去離子水溶液達(dá)到平衡的時(shí)間為5 s，滲透棒溶液僅為1.3 s，說(shuō)明滲透棒溶液具有較好的潤(rùn)濕能力，且其潤(rùn)濕速率較大。

1.3 現(xiàn)場(chǎng)注水試驗(yàn)

(1) 工程背景

二礦81201工作面開采15#煤，煤種為無(wú)煙煤，走向長(zhǎng)1877 m，傾斜長(zhǎng)220 m，面積412940 m2，計(jì)算儲(chǔ)量采用煤層厚度6.0 m。

工作面原有注水方式為單向鉆孔注水，工作面平均全塵(‘全塵’也稱‘總塵’，指‘總粉塵’)降塵效率不足30%，降塵效果達(dá)不到安全規(guī)程要求。

(2) 注水試驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為81201工作面回風(fēng)巷，采用單側(cè)布孔注水方式，如圖4所示。注水孔深度80 m，鉆孔直徑75 mm，注水孔距巷道底板高度1.2 m。鉆孔與頂板層面的夾角5～15°。鉆孔從當(dāng)前煤壁沿工作面順風(fēng)方向排列，試驗(yàn)鉆孔為10個(gè)，編號(hào)依次為1，2，3，…10#?，F(xiàn)場(chǎng)注水分兩個(gè)階段進(jìn)行，第一個(gè)階段為試驗(yàn)階段，按要求布置3個(gè)孔，其中注水孔1#為普通注水，注水孔2#和3#為滲透棒注水；第二階段為鞏固階段，布置7個(gè)鉆孔，均為滲透棒注水。81201工作面采煤日進(jìn)尺約5 m，為了保證注水接續(xù)，注水孔1#超前工作面距離為32 m，注水孔2#與3#的距離根據(jù)前面注水潤(rùn)濕半徑確定。

圖4 注水試驗(yàn)方案示意圖

注水試驗(yàn)工序可概括為 “打鉆、(裝棒)、封孔、注水、取樣、測(cè)試”，單孔滲透棒裝填長(zhǎng)度約為15 m(即25根/孔)。采用人工導(dǎo)入滲透棒，見圖5。

圖5 滲透棒填裝示意圖

2 現(xiàn)場(chǎng)注水試驗(yàn)結(jié)果

(1) 降塵效果

為盡可能完整地體現(xiàn)工作面粉塵的分布規(guī)律，在81201工作面布置7個(gè)采樣點(diǎn)，分別為采煤機(jī)司機(jī)，移架，多工序，前溜頭，破碎機(jī)，轉(zhuǎn)載機(jī)，回風(fēng)巷。

從圖6和圖7可知，移架處的粉塵濃度為最大。煤層注水前，移架處呼塵(指呼吸性粉塵)、全塵濃度分別為378.9 mg/m3、578.7 mg/m3；普通注水后，移架處呼塵、全塵濃度分別為216.3 mg/m3、426.4 mg/m3，降塵率分別為42.91%、26.31%；添加滲透棒注水后，呼塵、全塵分別為22.4 mg/m3、44.3 mg/m3，降塵率分別為94.09%、92.34%。其它工序呈現(xiàn)相同的規(guī)律。說(shuō)明滲透棒能有效降低水的表面張力，使煤體更易被潤(rùn)濕，滲透性更強(qiáng)，煤體水分增加明顯，從而從源頭降低粉塵的產(chǎn)生。

圖6 呼塵濃度前后對(duì)比圖

圖7 全塵濃度前后對(duì)比圖

(2)潤(rùn)濕半徑

一般認(rèn)為，當(dāng)煤體水分增加1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，就能起到降塵效果。為考察煤層注水后的有效潤(rùn)濕范圍，引入潤(rùn)濕半徑概念，以注水鉆孔為中心，周圍煤體的水分增加1%的界限為潤(rùn)濕半徑。潤(rùn)濕半徑以內(nèi)煤體被有效潤(rùn)濕，超出潤(rùn)濕半徑范圍為無(wú)效潤(rùn)濕。

采用鉆孔法和直接觀察法相結(jié)合的方法進(jìn)行普通注水、滲透棒注水的潤(rùn)濕半徑進(jìn)行測(cè)試，設(shè)計(jì)方案如圖8。

圖8 濕潤(rùn)半徑測(cè)試方案示意圖

注水孔1#為普通注水，按照設(shè)計(jì)要求完成注水工作一段時(shí)間后，在注水孔的順風(fēng)方向布置5個(gè)測(cè)試鉆孔，間隔距離均是2 m，孔深為6 m，在2 m、4 m、6 m深處分別取鉆屑，并測(cè)定其全水分增量。測(cè)試結(jié)果表明，普通煤層注水潤(rùn)濕半徑為6～8 m。為降低對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采煤工作的影響與減少測(cè)試工作量，在注水孔1#的順風(fēng)側(cè)20 m布置注水孔2#。在注水孔2#順風(fēng)側(cè)10 m、15 m處布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，在其順風(fēng)側(cè)20 m處布置注水孔3#，并作為注水孔的第3個(gè)測(cè)試孔。

通過(guò)測(cè)定注水孔2#的注水效果，發(fā)現(xiàn)添加滲透棒煤層注水的潤(rùn)濕半徑大于20 m，因而在注水孔3#順風(fēng)側(cè)25 m、30 m、32.5 m、35 m處布置4個(gè)測(cè)試鉆孔。

通過(guò)測(cè)定樣本全水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)值，得出添加滲透棒注水前后注水鉆孔周圍煤體的全水分值見表1和表2。

表1 煤體全水分增量結(jié)果(注水孔2#)

表2 煤體全水分增量結(jié)果(注水孔3#)

由表1～2可知，在注水鉆孔周圍20 m的范圍內(nèi)，其煤體全水分增量基本上在3%以上，說(shuō)明添加滲透棒注水的煤層潤(rùn)濕半徑大于20 m，遠(yuǎn)大于普通煤層注水的6～8 m，煤層潤(rùn)濕半徑提高2～3倍。通過(guò)進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證(注水孔3#)發(fā)現(xiàn)，添加滲透棒注水后，在距注水孔25 m、30 m、32.5 m、35 m處的煤體全水分增量分別為2.56%、1.81%、0.85%、0.68%，說(shuō)明煤層注水中添加滲透棒，煤層潤(rùn)濕半徑可達(dá)30 m以上，煤體潤(rùn)濕面積增大50%以上。由于滲透棒的高濕潤(rùn)性及吸濕性，至少可減少工作面50%以上鉆孔數(shù)，大幅降低成本，且操作工藝簡(jiǎn)單?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)各種不確定性因素，第二階段注水鉆孔的潤(rùn)濕半徑設(shè)為20 m，即相鄰注水鉆孔間距為40 m。

(3) 保濕時(shí)間

滲透棒注水保濕時(shí)間測(cè)試方案如圖9所示。

圖9 保濕時(shí)間測(cè)試方案示意圖

滲透棒注水完成后，在25天時(shí)間內(nèi)煤體的全水分增量值如圖10所示。

由圖10可知，滲透棒注水工作完成后，距注水點(diǎn)越遠(yuǎn)，煤體全水分增量不斷減小。距注水孔越近其煤體全水分增量越大，且保持的時(shí)間越長(zhǎng)。在注水半徑20 m的范圍內(nèi)，在25天的時(shí)間內(nèi)煤體全水分增量一直在1%以上，說(shuō)明添加滲透棒注水后，在其潤(rùn)濕范圍內(nèi)其保濕時(shí)間為25天，與普通注水保濕時(shí)間只有5～10天相比，有效降低了注入煤體水分的蒸發(fā)速度，失水率可降低2～5倍。

圖10 全水分增量隨時(shí)間變化曲線

(4) 注水速度

開展注水試驗(yàn)時(shí)，每隔一分鐘讀一次水壓值和流量值，自開始注水始，連續(xù)記錄15 min，結(jié)果如圖11所示。

圖11 注水壓力與流量隨時(shí)間變化曲線

由圖11可知，在同一段時(shí)間內(nèi)，2#、3#注水孔水表讀數(shù)要大于1#注水鉆孔水表讀數(shù)，但1#注水孔的注水壓力大于2#、3#注水孔的注水壓力。與1#注水孔的注水速度相比，2#、3#注水孔的注水速度提高分別為50.90%，55.78%，說(shuō)明滲透棒注水可提高注水速度50%以上，降低注水壓力，從而降低注水成本。

3 結(jié)論

(1) 滲透棒性能測(cè)試結(jié)果表明：滲透棒的含固量為80.8%，含水量為19.2%，能滿足二礦15#煤層注水的要求；滲透棒具有較強(qiáng)的抗蒸發(fā)能力，能夠使注水煤層在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)保持較高的含水率。

(2) 應(yīng)用滲透棒注水，采煤工作面各主要生產(chǎn)工序的降塵效率均80%以上；其中，移架時(shí)呼塵、全塵分別為22.4 mg/m3、44.3 mg/m3，降塵效率分別為94.09%、92.34%，降塵效果很好。

(3) 試驗(yàn)結(jié)果表明，添加滲透棒進(jìn)行煤層注水作業(yè)，煤體潤(rùn)濕半徑達(dá)20 m以上，比普通注水提高2～3倍以上，可減少工作面一半以上鉆孔數(shù)；滲透棒注水后，煤體失水率降低2～5倍，注水速度可提高50%以上，說(shuō)明滲透棒注水可延緩注入水分的蒸發(fā)速度，增強(qiáng)水分在煤體中的潤(rùn)濕速度，從而降低注水壓力，降低注水成本，改善降塵效果。