李 波

（潞安化工集團常村煤礦，山西 長治 046102）

1 工程概況

常村煤礦N3-13 綜放工作面地面位置位于吳家莊村下部和西側，花垴村東北方，蒲草溝村以南，地面標高+951.6～+986.3 m，煤層底板標高+463.6～+484.6 m。N3-13 工作面南鄰N3-15 工作面（未回采），北鄰N3-10 工作面（已回采），東接N3 采區(qū)大巷，詳見圖1 所示。N3-13 工作面由北向南布置回風順槽、進風順槽兩條巷道，N3-13 工作面切眼長259.2 m，N3-13 工作面皮順長1 089.7 m，N3-13 工作面軌順長1 058.6 m，可采長度920.6 m，傾斜長259.0 m，斜面積238 435.4 m2。工作面平均煤厚6.09 m，采高（3.2±0.1）m，瓦斯含量6.061 2 m3/t，煤塵有爆炸危險，地壓正常。常村煤礦3#煤層內(nèi)存在大量的礦物質(zhì)，礦物晶體的存在封閉了煤層內(nèi)部分裂隙，導致煤層注水效果不理想，回采期間滾筒截割、煤體轉載運輸、液壓支架移架等工序產(chǎn)塵量大。為解決采煤工作面采煤機司機處、滾筒下風側粉塵濃度過高的問題，以N3-13 工作面為工程背景，對其煤層注水防塵技術進行優(yōu)化研究。

圖1 N3-13 工作面布置示意圖

2 煤層注水表面活性劑研究

為保障常村煤礦N3-13 工作面煤層注水取得良好的降塵效果，設計在煤層注水期間加入表面活性劑。參考礦區(qū)內(nèi)類似礦井常用的表面活性劑種類[1-2]，初步選擇十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）、亞氨基二琥珀酸四鈉（IDS）兩種活性劑。為測試這兩種表面活性劑對于常村煤礦3#煤層的浸潤效果，設計浸泡試驗進行研究。首先通過X 射線衍射技術檢測煤樣的成分，通過實驗結果確定煤體中含有較多的高嶺石、伊利石、方解石，煤體的主要礦物質(zhì)元素為Ca、Mg、K、Al。為確定常村煤礦3#煤層最適宜的表面活性劑溶液和種類，在N3-13 工作面取得大量煤樣，煤樣尺寸需不小于（長×寬×高）30 cm×30 cm×20 cm，采用保鮮膜封閉，妥善管理運送至實驗室，采用巖石切割機將煤塊加工成（長×寬×高）5 cm×5 cm×10 cm 的標準試塊，然后將試塊放入不同的1000 mL 燒杯中，進行浸泡試驗。

浸泡溶液可分為純水、SDBS 溶液、IDS 溶液三類。SDBS 溶液、IDS 溶液濃度為0.05wt%～0.25wt%，每0.05wt%為一個梯度，浸泡時間為2 d、4 d、8 d、12 d、16 d。試塊放入對應溶液后在燒杯上做好標簽便于記錄，采用塑料薄膜封閉好燒杯上口避免灰塵進入溶液。當溶液浸泡煤樣到達預定時間后，隨即采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜（ICP-AES）檢測溶液各種離子的濃度。根據(jù)常村煤礦3#煤層內(nèi)主要礦物成分，對溶液中的Mg 離子、Ca 離子含量變化進行分析，根據(jù)離子的濃度判定溶液對于煤樣的浸潤效果，優(yōu)化合適的煤層注水溶液。整理得到不同溶液、對應浸泡時間條件下兩種離子溶度的變化規(guī)律如圖2。

圖2 溶液中Mg、Ca 離子濃度變化規(guī)律

由圖2（a）、（b）所示結果可以看出，溶液中Mg 離子的溶度隨著浸泡時間的延長呈現(xiàn)不斷增大的趨勢。加入表面活性劑后，在相同浸泡時間條件下，溶液中Mg 離子的濃度顯著提高，浸泡8 d之后溶液中Mg 離子的濃度顯著提高，浸泡12 d 時溶液中Mg 離子濃度已達到較高水平，浸泡時間繼續(xù)延長至16 d，濃度變化幅度較小，因此可確定浸泡時間為8～12 d 較為適宜。對比兩種表面活性劑溶液內(nèi)K 離子濃度，同樣條件下IDS 溶液中Mg 離子濃度顯著高于SDBS 溶液，表明IDS 溶液對于煤體中的高嶺石溶解效果更佳。對比不同濃度SDBS 添加劑條件下，使用濃度為 0.20wt%～0.25wt%時，浸泡8～12 d 即取得良好的溶解效果，考慮到經(jīng)濟因素，IDS 溶液最佳使用濃度為0.20wt%、浸泡時間8～12 d 是溶解煤層中伊利石的最佳條件。同理，根據(jù)圖2（c）、（d）所示結果得到，IDS 溶液最佳使用濃度為0.20wt%、浸泡時間8～12 d 是溶解煤層中方解石的最佳條件。綜上分析可得，常村煤礦3#煤層注水降塵添加劑應使用IDS 活性劑，最佳溶度為0.20wt%，注水時間為8～12 d 左右效果最佳。

3 現(xiàn)場注水方案優(yōu)化設計

為提高常村煤礦N3-13 綜放工作面注水降塵效果，采用FLAC3D模擬軟件對工作面注水壓力、時間、鉆孔間距等參數(shù)進行優(yōu)化分析[3-4]。根據(jù)工作面實際情況建立三維數(shù)值計算模型，模型長×寬×高=6 m×60 m×6 m，模型采用放射性網(wǎng)格劃分，注水鉆孔布置在模型中部，直徑30 mm，深度10 m，模型共劃分為11 784 個單元體，共有64 278 個節(jié)點，工作面埋深取500 m，頂面施加12.5 MPa 均布載荷。模型具體情況如圖3。

圖3 三維數(shù)值模型示意圖

常村煤礦3#煤層埋藏深度大，煤層內(nèi)孔隙壓實現(xiàn)象較嚴重，且由于礦物晶體影響煤層注水效果差。N3-13 綜放工作面原有注水方案主要參數(shù)：煤層注水采用自來水無添加劑，注水鉆孔間距離為4 m，注水壓力為3 MPa，注水時長5 d，注漿鉆孔直徑30 mm。為得到更好的注漿效果，首先對注漿壓力進行優(yōu)化分析，設計注水壓力為3 MPa、5 MPa、7 MPa，其余注水參數(shù)不變的條件下，對不同注水壓力條件進行模擬分析，得到注水口周邊煤體潤濕半徑隨著時間的變化規(guī)律如圖4。

圖4 不同注漿壓力條件下滲透半徑模擬結果

由不同注水壓力條件下潤濕半徑的變化規(guī)律可看出，當注水壓力由3 MPa 增大至5 MPa 時，隨著注水時間的延長，潤濕半徑顯著增大，而注水壓力為7 MPa 時，其注水半徑變化曲線與注水壓力為5 MPa非常接近，增幅不明顯，因此確定最佳注水壓力為5 MPa。根據(jù)潤濕半徑隨時間延長的變化規(guī)律可以看出，注水前6 d 潤濕半徑增大速度較快，之后增速減緩，總體而言，注水壓力為5 MPa 時，注水時間為8 d 最為合適。采用相同方法優(yōu)選N3-13 工作面注水鉆孔間距為6 m。

4 降塵效果考察

結合研究成果對N3-13 工作面注水方案進行優(yōu)化調(diào)整。注水鉆孔布置在N3-13 回風順槽和運輸順槽，鉆孔深度為130 m，鉆孔間距6.0 m，注水壓力5 MPa，每天注一次水，每次注水時間不少于8 h，每個鉆孔需注水8 d，單孔注水流量約為1.5 m3/h。為考察優(yōu)化注水工藝技術的應用效果，采用直讀式粉塵濃度測試儀在井下進行測試，測點布置情況如圖5 中1、2、3、4。

圖5 N3-13 工作面測塵點分布

通過現(xiàn)場測試得到原注水方案條件下和優(yōu)化后注水方案條件下采煤工作面粉塵濃度詳見表1?？梢钥闯霾捎脙?yōu)化后的注水方案時，采煤工作面各處的全塵、呼塵濃度均顯著降低，全塵的降塵效率提升在70%左右，全塵的降塵效率平均提高70.37%，呼塵的降塵效率平均提高76.16%。通過對注水液體及工藝的優(yōu)化，可顯著降低采煤工作面的產(chǎn)塵量，減小作業(yè)環(huán)境中全塵、呼塵的濃度，保障工作面的安全高效生產(chǎn)，改善井下作業(yè)環(huán)境，應用效果良好。

5 結論和建議

本文以常村煤礦N3-13 工作面為背景，通過實驗室對煤樣浸泡試驗表明，添加表面活性劑可顯著提高煤層的潤濕效果，IDS 表面活性劑對于煤樣的潤濕效果明顯優(yōu)于SDBS，IDS 溶液最佳的使用濃度為0.20wt%；通過數(shù)值模擬研究對工作面注水工藝參數(shù)進行優(yōu)化，確定最佳注水壓力為5 MPa，注水時間為8 d，注水鉆孔間距為6 m。工作面實踐應用表明，通過在煤層注水溶液中加入表面活性劑、注水技術參數(shù)優(yōu)化，工作面整體全塵濃度平均減小70.37%，呼吸性粉塵濃度平均減小76.16%，工作面粉塵濃度保持在較低水平，保障了工作面的安全高效生產(chǎn)。