煤體集中應力區注水卸壓技術研究

范育青，朱 棟，汪華君，張繼華

(畢節學院 資源與安全工程學院，貴州 畢節 551700)

隨著采掘深度的增加、開采范圍的擴大，采場集中應力區域巷道變形較大，其支護難度也隨之加大。一些礦區則隨之發生沖擊地壓或煤與瓦斯突出等煤巖動力災害，嚴重影響煤礦的安全生產。針對深礦井煤體應力集中區域帶來的煤巖動力災害問題，不少煤礦采取深孔爆破、鉆孔卸壓、煤層注水等措施進行治理，而煤層注水在預防沖擊地壓、煤與瓦斯突出等煤巖動力災害己有較長的歷史，該措施還具有工作面降溫和降塵的作用。經實踐證實：只要注水工藝參數確定合適，則注水對于煤體應力集中區卸壓，預防沖擊地壓、煤和瓦斯突出災害以及對采掘工作面降塵是有效的，而且應用面廣[1-3]。

本文在煤體注水軟化機理研究的基礎上，針對某礦采八9上山回采工作面應力集中區巷道易變形及沖擊地壓等問題，采用工作面注水卸壓措施，通過數值模擬確定注水參數，并進行現場應用驗證。

1 煤體注水軟化機理研究

煤體孔隙在注水壓力和毛細管作用力的共同作用下吸附水分，從而使煤體顆粒間的內聚力C和內摩擦角φ小降低。根據巖石破壞的庫侖-摩爾準則，煤體的強度將大大降低；煤體裂隙對水起著一種通道的作用，當煤體的固有裂隙面吸附水后，其摩擦角φ中也會減小，從而使煤體強度降低。其次，當高壓水注入煤體后，由于存在有孔隙壓σw，使煤體有效應力改變為：

(1)

剪應力不變，則其抗剪強度降為：

τw=Cw+(σn-σw)tgφw

(2)

式中：Cw為煤塊注水后的內聚力；φw為煤塊注水后的內摩擦角；σw為煤塊因注水引起的孔隙壓力。

因此，注水煤塊較干燥煤塊抗剪強度降低值為：

Δτ=τ-τw

(3)

=C+σntgφ-[Cw+(σn-σw)tgφw]

=(C-Cw)+σn(tgφ-tgφw)+σwtgφw

式(3)為水對煤塊抗剪強度所具有的綜合力學效應，其中Cw為吸水軟化作用使煤塊內聚力產生的降低量；tgφ-tgφw為吸水軟化作用使煤塊的摩擦系數產生的降低量；而σntgφ為孔隙壓作用使煤塊抗剪強度產生的降低量[4-5]。

采掘現場工作面采用高壓注水措施對原煤體進行注水軟化，該措施濕潤原煤體可以產生以下效果：

當采掘工作面原煤體在高壓注水設備進行注水時，煤體逐漸龜裂且產生裂隙，原煤體的整體性遭到破壞。高壓水流注入煤層后，當煤層中注入的水量大于煤體的流失量時，煤層內的水壓(自由水)就會逐漸升高，當該水壓升至大于煤層的水平應力和垂直應力時，煤層便會產生更多的新裂隙，從而破壞了煤層的原始結構，大大降低了原煤層的強度，防止煤層應力的集中。

煤層采用高壓設備進行注水，注水水體在高壓作用下進入到煤體內部的微觀結構內，煤體中的裂隙各種孔隙充分吸水后達到飽和后開始膨脹，裂隙和孔隙的膨脹導致煤質變松軟，進而達到軟化煤體的效果，壓力水在注入煤層后，由于擴大了水與煤體的接觸面，從而促進了煤體的軟化。

2 現場注水施工方案

2.1 注水孔的布置形式

注水孔可沿走向或沿傾向布置，對特厚煤層還可以穿層布置。注水孔應遠離斷層，褶皺或破碎帶。對頂底板起伏較大或薄煤層，應采用相對布置的孔，以減小孔長，孔口應布置在煤層中較堅硬的分層中，以利于封孔和防止泄水。

2.2 模擬方案的確立

根據經驗公式及現場實際情況，可分一下三種方案進行模擬，如表1所示。

1) 鉆孔長度L：根據經驗公式L=(1/2～2/3)Lg，取鉆孔長度60m，Lg為工作面長度，取100m。

2) 鉆孔角度：與煤層傾角一致。

表1 注水參數方案

3 模擬結果分析

3.1 注水孔間距對注水效果影響的模擬

煤層注水孔間距對注水卸壓防沖效果具有重要的影響，如果孔間距太大，煤層某些區域起不到較好的濕潤容易形成應力集中區，該區域往往能誘發沖擊地壓；孔間距太小容易造成煤層濕潤區域疊加，造成施工成本的增加。因此選擇合適的注水孔間距具有重要意義。

為優化注水孔間距，采取方案一進行模擬研究，即采用孔深60m,孔徑60mm，距離切眼10m布置第一個注水孔，依次向前隔10m、15m、20m分別布置三個注水孔，其余注水參數均保持一致，模擬結果如圖1。

通過圖1煤層應力云圖可以看出，孔間距在20m范圍內注水對煤層應力分布影響不太明顯。孔間距15m注水效果明顯優于孔間距20m，而孔間距10m注水效果僅稍微優于孔間距15m，結合現場實際，采八9上山回采工作面上巷煤層注水孔間距選取15m較為合理。

3.2 注水孔數目對注水效果影響的模擬

為研究注水孔數目對注水效果的影響，采用模擬方案二(具體參數見表1)進行卸壓模擬研究，模擬結果如圖2～4。

圖1 煤層注水效果應力云圖

圖2 1個注水孔注水效果

圖3 2個注水孔注水效果

圖4 3個注水孔注水效果

通過三組模擬結果對比發現，3個注水孔同時注水后的煤層濕潤面積和應力釋放程度均遠遠優于單個注水孔注水效果。同樣，2個注水孔同時注水的效果也優于單個注水孔的注水效果，由此可見隨著注水孔的增加注水卸壓防沖效果越明顯，考慮到現場施工條件及成本，采八9上山回采工作面上巷煤層選擇3個注水孔同時注水。

3.3 注水時間對注水效果影響的模擬

結合以上模擬結果，在采八9上山回采工作面上下兩巷道，采取三個注水孔同時注水，沿煤層傾向方向布置，孔深60m、孔徑60mm，首個注水孔距離切眼的距離為10m，孔間距為15m，進行注水時間對注水卸壓防沖效果影響的模擬(具體參數見表1方案三)。

模擬方案：首先對未注水煤體進行數值模擬，應力如圖5；然后再對注水過程中煤體應力分布進行數值模擬，按照注水時間為10、15和24個小時分別模擬出不同階段煤體應力如圖6～圖8，根據現場監測直接頂垂直應力結果得出注水前后垂直應力對比情況如圖9所示。

圖5 采八9上山工作面未注水垂直應力分布

圖6 采八9上山工作面注水10h垂直應力分布

圖7 采八9上山工作面注水15h垂直應力分布

圖8 采八9上山工作面注水24h垂直應力分布

圖9 采八9上山工作面注水前后垂直應力對比

從圖5可以看出，采八9上山回采工作面未注水情況下煤體應力集中工作上下巷道塑性區前段，該區域正是理論分析應力集中區，且下巷應力大于上巷應力。圖6～8可以看出隨著注水時間的增加，煤體軟化程度加大，工作面塑性區的應力逐漸減小，當注水時間達到24個小時的時候，如圖8所示注水孔所在部位附近的應力集中基本上已經消失，同時整個塑性區的應力也大大減小。

通過圖5～8模擬結果可以看出，煤體塑性區內的應力主要集中在彈性區和塑性區交界處的上下兩巷兩幫，因此該區域應加強支護，作為防沖的重點部位。

根據監測直接頂垂直應力(圖9)可以看出，塑性區應力集中部位向上下兩巷兩幫延伸3～10m左右，最大應力峰值距煤幫比較近，在下幫煤體內的峰值應力最大。注水24個小時后，最大應力峰值明顯下降，充分說明煤體注水有效軟化煤體進而釋放或轉移部分應力，有效減少沖擊地壓發生次數和降低沖擊地壓的破壞程度。

4 結論

本文在煤體注水軟化機理研究的基礎上，采用FLAC-3D數值模擬軟件對某礦采八9上山回采工作面應力集中區域進行了不同注水方案下煤體濕潤范圍及卸壓效果進行模擬研究，得出以下結論：

1) 該礦采八9上山回采工作面應力集中區域主要位于塑性區上下兩巷上下兩幫，應力峰值向深部延伸3～10m左右。下巷應力集中區峰值略大于上巷應力集中區峰值。

2) 分別對注水孔間距、數目及注水時間不同而造成的煤層應力分布差異進行模擬，結果表明采用三個孔深為60m、孔徑60mm、間距為15m的注水孔同時注水24個小時，煤層能夠達到最佳注水效果。

3) 煤體在注水過程中逐漸被軟化，使其應力集中區域應力隨著注水時間的增加逐漸釋放或轉移。對于采八9上山回采工作面應力集中區，當注水時間不低于24個小時的時候，注水孔所在的應力集中基本上已經消失，同時整個塑性區的應力也大大減小，應力得到較好的轉移或釋放。

通過現場應用監測，驗證了模擬方案的合理性，使注水參數得到優化，較好的減少沖擊地壓發生頻次和降低沖擊地壓發生的破壞程度。

[1] 夏征南.淺析較堅硬煤層深孔高壓注水[J].煤炭技術.2004，23(8)：36-37.

[2] 李井坤，龔邦軍，趙明勇.煤層注水研究與應用[J].煤炭技術，2006，25(6)：125-127.

[3] 宋維源.阜新礦區沖擊地壓及其注水防治研究[D].阜新：遼寧工程技術大學，2004.

[4] 康天合，張建平，白世偉.綜放開采預注水弱化頂煤的理論研究及其工程應用[J].巖石力學與工程學報.2004，23(15)：2615-2621.

[5] 張坤，來興平，王寧波.急斜特厚煤層頂煤注水弱化技術試驗[J].西安科技大學學報.2010，30(2)：154-158.