綜放面端面注水泄壓技術應用分析

文/王滿旺

綜放面端面注水泄壓技術應用分析

文/王滿旺

山西鉅盛能源集團公司3號煤層已進入八采區開采，最大埋深可達480m，采用原有ZF5800/16/ 30放頂煤支架綜放開采，初撐力5236kN，工作阻力5800kN，采高2.8m，采放比為1∶1.2。經天地科技股份有限公司測算，八采區工作面支架支護強度須大于4416kN。但目前ZF5800支架工作阻力僅為支護強度的1.3倍，安全系數不高，當工作面來壓且頂板破碎時，促使工作面頂板壓力加大，可能會引起工作面壓架事故。山西鉅盛能源集團采用理論分析、實驗室試驗和數值模擬，研究煤體強度變化對端面穩定性影響以及不同含水率煤體對煤壁強度的影響，得出給煤體注水后，能顯著增加煤的抗剪強度，在相同的支護條件下，注水之后的工作面煤體破壞程度比未注水煤層開采要低很多，可有效防止工作面煤壁的失穩破壞，降低工作面煤壁片幫可能性，從而有利于提高工作面煤壁的穩定性。

一、煤體強度對煤壁與端面穩定的機理分析

1.煤體強度變化對支承壓力分布影響的理論分析

對于采場前方煤體，其任一點的受力狀態如圖1所示。由力的平衡方程和極限平衡區滿足莫爾—庫侖準則可有：

圖1采場前方極限平衡區受力狀態

采場前方任一點處的垂直應力，即采場前方支承壓力：

煤壁前方支承壓力峰值點距離煤壁的距離x0：

式中：f—層面間摩擦系數；m—采高；N0—煤壁支撐能力；φ—煤體內摩擦角；γ—上覆巖層平均體積力；K—側向應力系數；H—單元體距離地表深度。

摩擦角φ降低、抗壓強度降低，亦即前方煤壁的支撐能力N0降低。則支承壓力σy隨著N0的降低而降低，支撐壓力峰值距煤壁距離隨N0的降低而增大。工作面前方煤壁注水后，前方支承壓力的峰值點遠離煤壁，峰值相對較低，有利于煤壁與端面穩定。

圖2粘聚力隨含水率變化趨勢圖

2.煤體注水提高煤壁的抗剪強度、降低抗壓強度試驗研究

采用應變控制式三軸儀，進行煤體不同含水率的壓縮試驗，得出不同含水率情況下，煤樣粘聚力和內摩擦角的變化趨勢見圖2、3所示。合理注水后，煤體粘聚力的大幅度增加對于防止煤壁片幫有很大作用。

圖3內摩擦角隨含水率變化趨勢圖

研究得出，抗壓強度在含水率介于10%～18%時處于較大值。在含水率一定的情況下，隨著圍壓增大，抗壓強度隨之增大；而在圍壓一定的情況下，隨著含水率的增大，抗壓強度單調下降。

由莫爾—庫侖準則，計算出在不同含水率下的抗拉強度規律如圖4所示。

圖4抗拉強度隨含水率的變化規律

試驗結果表明：

（1）粘聚力隨含水率的增加而增大，在含水率為16%，取得極大值，增加了120%，增大幅度明顯；內摩擦角總體上隨含水率的增加而減小，在含水率w＝16%時，內摩擦角取極小值，只降低了12%，降低幅度較小。含水率介于12%～17%時，綜合抗剪強度在處于較大值，增加了30%～60%。

（2）隨著含水率的逐漸加大，抗拉強度也隨之加大，當含水率達到16%時，抗拉強度取得極大值。

（3）煤體抗壓強度隨著含水率增加而降低，降低幅度可達60%以上。煤體抗壓強度的降低可使支承壓力前移，有利于緩解煤壁壓力。

（4）合理的注水量是使煤體的含水率為12%～15%。

二、注水改變煤體力學性質對端面的影響

為了得到煤層注水對工作面煤壁穩定性的影響，山西鉅盛能源集團對工作面注水前后施加不同大小的水平護幫阻力0MPa、0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa，進行模擬計算，模擬部分結果如圖5所示。

圖5護幫阻力工作面應力圖（注水前）

護幫阻力工作面應力圖（注水后）

注水前的工作面支承壓力峰值超前工作面9～12m，注水后在工作面前方約12～15m，注水后的支承壓力峰值大小比注水前降低了1MPa左右，且注水后的工作面超前支承壓力峰值的影響范圍在工作面前方50m以上，而注水前影響范圍在工作面前方大約40m左右，注水后超前支承壓力峰值比注水前影響范圍前移了10m左右；注水后的工作面前方煤體的卸壓低應力區增大，但是在靠近工作面煤壁頂底角相同位置，注水后的應力值大于注水前的煤體。究其原因，就是注水后的煤體，在相同的圍壓強度下，雖然抗壓強度降低，但緩解靠近工作面煤體的受載，減少煤體的破壞，使工作面頂底角的煤體的承載能力增加，注水后的煤體，抗剪強度和內聚力的增加，可增大工作面煤體的塊度，提高工作面煤壁的完整性。

注水前的工作面前方煤體的破壞區域9～12m，注水后的工作面前方煤體破壞區域超前工作面12～15m，但是在相同支護和圍壓條件下，注水前工作面前方煤體破壞程度要比注水后的工作面前方煤體破壞程度大；注水之后的煤壁工作面煤體的剪切破壞區范圍減小，頂底角剪切破壞區也減小。這是由于，煤體注水后，雖然抗載能力減小了，但增加了煤體的內聚力和抗剪強度，更好的保持了工作面煤體的完整性。

三、應用效果

1.注水后的煤體，工作面超前支承壓力峰值比未注水的煤體的工作面超前支承壓力峰值距工作面要遠，峰值大小降低；注水后的工作面前方煤體的卸壓低應力區增大，但是在靠近工作面煤壁頂底角相同位置，注水后的應力值大于注水前的煤體。

2.在相同的圍壓和支護條件下，注水后的煤體，工作面前方煤體的破壞影響范圍增大，但在相同位置，注水后煤體的破壞程度與注水前相比降低了很多，且頂底角煤體的剪切破壞程度降低的更為明顯。

（作者單位:山西鉅盛能源集團公司）

（責任編輯：周 瓊）