提高煤层注水效果的研究与应用

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摘要：在煤矿综合防尘措施中，采煤工作面主要通过煤层深孔注水来降低回采过程中的产尘量，由于煤体不能与净水很好地湿润，为了提高煤层注水的效果，可在水中加入湿润剂，以提高湿润速度、加大湿润范围。本文对其实验机理进行了一定程度的探讨，并在回采过程中，配合其它各种综合防尘、降尘方法，使产尘量降低到7mg/m3以下，降尘效果显著。

关键词：综合防尘 深孔注水 煤体湿润剂

0 引言

煤的润湿性是煤一项很重要的物理化学性质参数， 除在煤化工中应用外，在煤矿开采及安全中亦有重要作用， 特别是煤层预注水防尘中。本文对其实验机理进行了一定程度的探讨和煤尘湿润性能的影响进行了实验，并进行了实际运用。

1 矿井概况及综合防尘工作存在问题

平煤十二矿位于平顶山市东部， 为煤与瓦斯突出矿井。目前核定生产能力130万吨/年。矿井主要开采己组煤层，均具有煤尘爆炸危险性，煤尘爆炸指数22.93-31.11%；自燃发火期3-6个月。目前有三个综采工作面、7个掘进工作面。己15-17200采面位于十二矿己七采区下部，走向长920m，可采走向长762.5m，切眼斜长225.3m，煤厚3-3.5m，平均3.15m，煤层容重1.31t/m3，煤层倾角10-40°，平均19°。而如何从根本上治理和消灭粉尘，就成为提高煤矿安全等级和保护职工自身安全的具有重要意义的一项举措。

2 湿润剂增强注水效果的机理

从渗流理论和表面物理化学理论可知，液体要真正的润湿煤体主要取决于液体和煤体本身的性质。在液体性能上，体现表面活性剂润湿能力的主要参数是表面张力和接触角，水进入煤体后的运移过程首先是水在压力作用下，沿着裂缝、节理、大孔隙以相当大的速度运动，水迅速包围被裂隙切割的煤体，同时，通过微小孔隙缓慢的向煤体内部渗透。在毛细管力作用下的毛细渗透是实现煤体均匀湿润的主要途径。注水加湿润剂后的助渗透作用。

3 表面活性剂的润湿性及试验情况

3.1 表面活性剂的润湿性

将液体滴在固体表面上，由于液体和固体表面性质的不同，有时液滴会在固体表面铺展开来，有时则粘附在表面上成为平凸透镜状，这种现象称为润湿，其实质是界面性质及界面能量的变化。固体表面的润湿性是由固体和液体表面的特性决定的。液体在固体表面的润湿能力用润湿的接触角衡量。根据固体表面润湿理论，液体在固体表面形成液滴，达到平衡时，液体滴呈现一定的形状，如下图所示。

3.2 煤样吸湿速度试验

在煤层注水工艺中，煤体是不可改变的。为此在研究我矿己15-17200采面煤样吸湿速度与表面活性剂溶液的关系时，必须考察表面活性剂溶液在这方面的变化情况。因此，我们选出了3 种有代表性并且廉价易得的表面活性剂进行实验室试验，见下表1，试验数据见表2、表3。

表1 表面活性剂及其类型

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表2 不同浓度下粉碎煤样融入溶液时间（单位：秒）

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表3 块煤吸附不同浓度溶液时间（单位：秒）

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三种表面活性剂价格基本相同，通过以上表格的实验数据表明，十二烷基苯磺酸钠在浓度达到1%时，粉碎煤样融入时间、块煤吸附溶液时间基本能满足注水需要。

4 采面煤层注水添加侵润剂的方案

方案一：在地面中央水池中添加

①优点：a活性剂添加方便，根据要求的配比，只用在地面中央水池添加一定量的活性剂，经搅拌后直接进入井下主供水管路。b井下的所有喷雾用水都可以使用，有效降低风流中的粉尘含量。c由于采面埋深，在注水地点管路压力达到5Mpa，不需要加压设备。

②缺点：a与矿井供水施救方案相抵触，添加后人员不能饮用。b添加后对井下如综采面液压油有分解作用。c由于是直接加入主供水管路，活性剂的使用量增多。

方案二：在井下采面添加

①优点：a不与其它用水地点抵触。b减少活性剂的投入。

②缺点：a在采掘头面需增加水箱、加压水泵、部分管路和施工人员的成本投入，资金量大。b增加运输量。

方案三：在地面中央注浆站中添加

由于添加侵润剂注水处于试验阶段，可借用矿注浆系统短期进行注水工作。

①优点：a活性剂添加方便，根据要求的配比，只用在地面中央注浆水池中添加一定量的活性剂，经搅拌后直接进入井下注浆管路。b不与其它用水地点抵触。c减少活性剂的投入。d由于采面埋深，在注水地点管路压力达到5Mpa，不需要加压设备。

②缺点：a地面混合需要专人进行操作。b由于采面埋深，在注水地点管路压力达到5MPa，需人员巡视管路。

5 添加侵润剂后注水使用效果

经论证分析，选取第三种方案，使用十二烷基苯磺酸钠的1%溶液，采面每天检修班利用回风巷原抽采孔连续注水一个月，由煤质管理部门在采面40、90、130架采煤样分别进行化验水份含量（与煤体原始水份对比）。见表4：

表4结果是与未注水前对比结果。在采用添加了侵润剂的水源注水后，采面回采过程中，采用综合防尘、降尘措施后，煤机司机下风侧5m平均扬尘浓度为5.65mg/m3，降低了73%；切眼向外20m回风巷处平均扬尘浓度为3.32mg/m3，降低了82%。

6 结论

①煤层注水中，添加一定比例的侵润剂，能够降低水的表面张力和水与煤的接触角，提高煤层注水的效果，明显改善注水防尘效果。

②十二矿的煤质，适合采用十二烷基苯磺酸钠溶液进行注水。

③当十二烷基苯磺酸钠溶液最优浓度为1%，效果最佳。短期内注水，煤体内水份含量达到平均的4%以上。

参考文献：

[1]孙文标，刘辉，赵宏伟.煤层注水在煤矿安全中的应用及效果浅析[J].煤矿安全，2004（12）.

[2]胡起晨.煤层注水效果的有效影响因素[J].煤炭与化工，2013（05）.

[3]王森全，张磊.煤层注水技术的研究与实践[J].露天采矿技术，2010（05）.

作者简介：

张培军，河南平顶山人，大学本科，现从事煤矿“一通三防”管理工作。