趙莊礦煤層注水治理強礦壓預評價研究

錢繼發，　劉曉斐，　劉貞堂，　林松

(1.煤礦瓦斯與火災防治教育部重點實驗室， 江蘇 徐州　221116；2.中國礦業大學 安全工程學院， 江蘇 徐州　221116)

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趙莊礦煤層注水治理強礦壓預評價研究

錢繼發1,2，劉曉斐1,2，劉貞堂1,2，林松1,2

(1.煤礦瓦斯與火災防治教育部重點實驗室， 江蘇 徐州221116；2.中國礦業大學 安全工程學院， 江蘇 徐州221116)

摘要：為了評估采用煤層注水治理趙莊礦3號煤層強礦壓的效果，開展了煤層注水治理強礦壓的預評價研究。對3號煤層試樣含水率、吸水率、普氏系數等注水參數進行實驗測試，分析3號煤層注水的可行性；測試分析試樣浸水前后的抗壓強度絕對變化量和變化速率，分析煤層注水卸壓預期效果，并提出注水方案。分析結果表明，3號煤層符合注水條件，且浸水后，煤巖樣物理性質發生改變，抗壓強度大幅度降低，具有較理想的預期卸壓效果。

關鍵詞：煤層注水； 強礦壓； 含水率； 預評價

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160803.1001.008.html

0　引言

隨著礦井開采深度和強度日益增大，礦壓顯現、巷道變形、煤與瓦斯突出和沖擊地壓等煤巖動力災害日趨嚴重，嚴重威脅著煤礦的安全開采[1-2]。從煤巖動力災害的形成機理來看，通過避免高應力集中和改善煤巖體介質性質來減弱其積聚彈性能的能力，保證煤巖體不足以產生失穩破壞，可以有效地控制此類災害的發生[2-3]。煤礦常用的煤巖動力災害防治方法包括煤層卸壓爆破、煤層注水、鉆孔卸壓、定向水力致裂等。其中，煤層注水方法由于簡單易行、投資小、操作工藝簡單等特點在中國的大多數礦井中獲得了廣泛應用[4]。煤層注水即通過水的物理化學作用改變煤體性質，使煤體的內部結構和物理性質發生改變，單軸抗壓強度降低，從而減弱煤層強礦壓顯現的傾向性[4-6]。但是煤層注水多以現場應用為主，由于各個煤礦開采、地質條件和煤巖自身屬性不同，煤層注水措施并非對所有煤層的強礦壓治理都有效[7]。因此，開展煤層注水治理強礦壓的預評價研究具有積極意義。

趙莊礦3號煤層在開采過程中受到強礦壓威脅，本文結合趙莊礦3號煤層的實際情況，評價研究煤層注水治理強礦壓的可行性和效果，為其制定注水方案及確定合理參數提供依據和參考。

1　強礦壓顯現特征及影響因素分析

趙莊礦位于沁水煤田東南部，地處山西省晉城市北53 km，長子縣南16 km，是晉煤集團新建的現代化礦井，年產量800萬t。目前為單一煤層(3號煤層)開采。3號煤層位于山西組下部，層位穩定，結構簡單，屬于穩定的可采煤層，是主要可采煤層之一；煤層厚度為0～6.35 m，平均厚度為4.55 m；變異系數為25%，可采性指數為0.98。

目前趙莊礦在3號煤層開采過程中，煤炮、片幫、底臌等強礦壓動力現象已開始顯現。

1.1強礦壓顯現特征

趙莊礦3號煤層回采工作面在推采過程中有明顯的強礦壓顯現現象，主要特征表現如下：

(1) 一、三、五盤區正在回采的工作面具有不同程度的巷道變形，在回采過程中伴隨有間歇性的煤炮聲，且出現片幫現象。

(2) 出現強礦壓顯現的區域，除了各盤區正在回采的工作面巷道之外，處于斷層發育區的西翼大巷也出現了明顯的巷道變形。

(3) 巷道變形破壞形式主要有冒頂、頂板下沉、幫臌、底臌等，其中底臌和幫臌現象尤為明顯。特別是底板，原先雖然經過固結處理(趙莊礦使用膠帶運輸，需對底板進行鋪底和固結處理)，仍然發生開裂，出現明顯的底臌，且底臌程度嚴重；巷道上方頂板下沉。

1.2強礦壓危險的主要影響因素

結合趙莊礦地質條件和相關資料，分析趙莊礦強礦壓顯現的主要影響因素為以下2個方面。

(1) 自然地質因素：① 最大采深超過800 m，已滿足中國沖擊壓地壓礦井的臨界采深，自重應力大；② 構造應力作用明顯，3號煤層的原巖應力總體上以水平應力為主，最大水平應力達到16.22 MPa，且各個工作面的巷道軸向與最大水平主應力方向的夾角均大于60°，對巷道穩定產生很不利的影響；③ 全區地質構造復雜，趙莊礦井田內褶曲和大小斷層眾多，使得處于該構造影響區域的巷道變形強烈，壓力偏大；同時，受陷落柱的影響，3號煤層存在厚度局部變化的區域，使得開采過程中易產生應力集中現象；④ 煤層上方存在一系列中-細砂巖巖層，累計厚度接近80 m，容易聚積大量彈性能，加劇強礦壓發生的危險。

(2) 開采技術因素：3號煤層回采工作面為一次性采全高，巷道斷面大，推采速度較快，采動影響范圍大，同一盤區內有多條開掘巷道，存在采動相互影響；再加上采空區和留煤柱的影響，容易造成采動應力疊加，在采場周圍形成應力集中區，增大強礦壓顯現危險。

2　煤層注水治理強礦壓的預評價實驗

2.1煤層注水可行性分析

測定所用煤巖試樣均按照標準取自趙莊礦3號煤層1306回采工作面，均按照MT/T1023—2006《煤層注水可注性鑒定方法》[8]標準取樣，在實驗室進行加工并獲取尺寸為Φ50 mm×100 mm的煤樣和巖樣。

2.1.1含水率測試

煤巖試樣含水率ω按式(1)計算：

(1)

式中：m1為保持天然水分的試件質量，g；m2為烘干后的試件質量，g。

煤巖試樣含水率測試結果見表1。

2.1.2吸水率測試

煤巖試樣自然吸水率ωc按式(2)計算：

(2)

式中：a1為試樣自然飽和吸水后的質量，g；a2為試樣烘干后的質量，g。

煤巖試樣吸水率測試結果見表2。

表1　煤巖試樣含水率測試結果

表2　煤巖試樣吸水率測試結果

2.1.3煤的普氏系數測定及分析

采用落錘法來測定煤的普氏系數f：

(3)

式中：n為單份試樣沖擊次數；l為單組試樣篩下煤粉的計量高度，mm。

煤樣普氏系數測試結果見表3。

表3　煤樣普氏系數測試結果

分析3號煤層煤巖試樣的注水性實驗結果可以看出：煤巖試樣的原始含水率范圍為1.0%～1.5%，自然吸水率均在1%以上，煤普氏系數范圍為0.78～0.80，各項參數均符合MT/T1023—2006《煤層注水可注性鑒定方法》中可注水煤層的要求。

3號煤層煤巖原始含水率較低，煤質堅硬，性脆，煤層強度偏大，煤層的柔性和塑性較小，容易積聚發生強礦壓所需要的彈性能；但煤巖自然吸水率均大于1%，吸水性良好，因此，可以通過煤層注水提高煤層含水率，濕潤煤體，使煤層強度降低，彈性變形減少，塑性增強，將工作面附近煤體的彈性潛能更多地消耗于煤體緩慢的塑性變形中，降低應力集中程度，從而避免彈性能突然釋放，有效降低3號煤層開采過程中的強礦壓顯現問題。

2.2煤層注水治理強礦壓預期效果分析

為了驗證注水效果，在實驗室對3號煤層的煤樣進行了浸泡實驗，浸水時間分別為1，3，5，10 d，然后對其進行單軸壓縮實驗，分析浸水時間對煤樣抗壓強度Rc的影響，實驗結果見表4和圖1。

表4　煤樣浸水后破壞載荷和單軸抗壓強度測定結果

(a) Rc絕對減少量

(b) Rc減少速率

從圖1可看出，在自然狀態下，煤樣抗壓強度為10.848 MPa。經過浸泡以后，煤樣抗壓強度呈現持續下降趨勢，浸泡10 d以后，試樣抗壓強度達到最小值3.154 MPa，最大累計減少量為7.694 MPa，相較于自然狀態，下降幅度達到70%以上。試樣浸泡1～3 d后，試樣抗壓強度減小速率最快，達到最大值3.74 MPa/d；之后，隨著時間增加，抗壓強度減小速率逐漸減小，尤其是在浸泡10 d以后，抗壓強度減少量僅為0.291 MPa。由此可以得出，3號煤層試樣在經水潤濕后，抗壓強度明顯降低，最佳浸水時間為1～3 d。浸水后煤的物理性質發生顯著變化，煤體抗壓強度降低，該結論可為煤層注水治理強礦壓顯現問題提供參考依據。

2.3注水方案

2.3.1注水參數

根據3號煤層工作面強礦壓顯現情況，選擇在巷道內實施鉆孔注水卸壓。注水參數如下：煤層注水超前工作面施工距離為30 m；鉆孔孔底間距為15 m；孔間距為10～20 m；注水孔距離底板高度為1.5 m。以上參數為初步確定，在現場實施時可根據實際情況進行調整。

2.3.2封孔要求

封孔方式：采用水泥砂漿、合成樹脂或其他可靠措施封孔。

封孔深度：按最大注水壓力和3號煤層各工作面條件確定，以不漏水、不崩孔為原則，一般不應小于10 m。

2.3.3注水壓力

可使用防塵管靜壓或高壓注水，每個鉆孔安設流量計、壓力表。靜壓注水壓力不小于2 MPa，動壓壓力不小于10 MPa。

2.3.4注水量計算

注水量根據注水孔承擔的濕潤煤量確定：

(4)

式中：Q為單個注水孔的注水量，m3；q為水的密度，kg/m3；K為富余系數，一般為1.00～1.55；T為一個注水孔承擔的濕潤煤量，t；W為預計含水率增值(取3%)或者設計含水率增值。

一個注水孔承擔的濕潤煤量按式(5)計算：

(5)

式中：L2為待注水煤體在鉆孔軸向的尺寸，m；S為注水孔間距，m；M1為注水孔擴散直徑，m；γ為煤的密度，kg/m3。

3　結語

根據趙莊礦3號煤層發生的煤炮、片幫等動力現象，結合地質條件和相關資料，分析了趙莊礦3號煤層強礦壓顯現的特征及影響因素。對3號煤層煤巖試樣的含水率、吸水率、普氏系數等注水參數進行測試分析，得出3號煤層各項條件均符合注水要求的結論。通過分析浸水時間對煤樣抗壓強度的影響及煤樣浸水前后抗壓強度的變化來驗證注水效果，發現煤樣在持續浸水10 d以后，抗壓強度下降幅度達到70%以上；浸水1～3 d后，煤樣抗壓強度下降速率最快，為煤層注水最佳時間。分析結果表明，通過煤層注水可以降低煤體的抗壓強度，從而有效降低3號煤層開采過程中的強礦壓顯現危險。

參考文獻：

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[8]MT/T 1023—2006煤層注水可注性鑒定方法[S].

文章編號：1671-251X(2016)08-0029-04

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.08.008

收稿日期：2016-03-14；修回日期：2016-06-20；責任編輯：胡嫻。

基金項目：教育部科學技術研究項目(113031A);江蘇高校優勢學科建設工程資助項目。

作者簡介：錢繼發(1992-)，男，河南新密人，碩士研究生，主要從事煤巖動力災害預防方面的研究，E-mail:769797078@qq.com。通信作者：劉曉斐(1981-)，男，山西晉中人，副教授，博士，主要從事煤礦動力災害預防、安全技術及工程等方面的研究，E-mail:Liuxiaofei_1981@163.com。

中圖分類號：TD323

文獻標志碼：A網絡出版時間：2016-08-03 10:01

Pre-evalution research of using coal seam water injection to control strong pressure in Zhaozhuang Coal Mine

QIAN Jifa1，2，LIU Xiaofei1，2，LIU Zhentang1，2，LIN Song1，2

(1.Key Laboratory of Coal Methane and Fire Control, Ministry of Education, Xuzhou 221116, China;2.School of Safety Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)

Abstract:In order to assess effect of using coal seam water injection to control strong pressure of No.3 coal seam of Zhaozhuang Coal Mine, pre-evaluation research of using coal seam water injection to control strong pressure was carried out. Water injection parameters including moisture content, water absorption, firmness coefficient of coal sample and so on were tested to analyze feasibility of water injection of No.3 coal seam. Absolute variation and change rate of compressive strength of test sample before and after soaking were test to analyze expected pressure-relief effect of water injection and propose injection project. The analysis result shows that No.3 coal seam can meet the conditions of water injection, and after soaking, physical properties of coal and rock samples are changed, compressive strength is reduced greatly, which indicates water injection has desired expected pressure-relief effect.

Key words:coal seam water injection; strong pressure; moisture content; pre-evaluation

錢繼發，劉曉斐，劉貞堂,等.趙莊礦煤層注水治理強礦壓預評價研究[J].工礦自動化，2016,42(8)：29-32.