用注水法防治軟巖礦區(qū)沖擊地壓事故

程傳超　曾祥利　李國(guó)偉

摘 要：根據(jù)松軟煤層孔隙度高、易注水以及提高煤體含水率能大大降低其沖擊傾向性特性，在權(quán)臺(tái)煤礦3127乙工作面回采期間，用注水法作為防治沖擊地壓的主要技術(shù)措施之一，確保了該工作面的安全生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：軟巖；沖擊地壓；沖擊傾向性；注水法；防治

1 概述

煤礦沖擊地壓是煤礦安全生產(chǎn)的惡性災(zāi)害之一。隨著采區(qū)的擴(kuò)大和采深的增加，沖擊地壓事故越來(lái)越多，并且越來(lái)越嚴(yán)重。徐州礦區(qū)在-500 m水平采深以上，從沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)沖擊地壓現(xiàn)象，當(dāng)采深進(jìn)入-600 m水平以后，經(jīng)常發(fā)生沖擊地壓事故，更為嚴(yán)重的是，徐州東部屬“三軟”礦區(qū)，近年來(lái)也發(fā)生了幾次嚴(yán)重性沖擊地壓事故。軟巖礦區(qū)沖擊地壓事故的發(fā)生，給沖擊地壓理論與防治研究提出了新課題。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)點(diǎn)選為權(quán)臺(tái)煤礦3127乙工作面。3127乙工作面位于-600 m水平東一采區(qū)，開(kāi)采下二疊紀(jì)石盒子組（夏橋系）3#煤層，是本區(qū)最下部最深的工作面。其直接頂為砂頁(yè)巖，抗壓強(qiáng)度為20 MPa左右，彈性模量為2.5 GPa左右；煤層抗壓強(qiáng)度為10 MPa左右，彈性模量為2.0 GPa左右；底板為泥質(zhì)頁(yè)巖，抗壓強(qiáng)度為15 MPa左右，彈性模量為2.0 GPa左右。由于歷史的原因，東一采區(qū)開(kāi)采布局不適當(dāng)，造成3127乙工作面為三面采空區(qū)的半島式局面，致使煤巖受多向支承壓力疊加作用，引起應(yīng)力高度集中。曾于1991年7月在該面材料道掘進(jìn)工作面向后60 m范圍內(nèi)的巷道圍巖發(fā)生嚴(yán)重型沖擊地壓。

經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的調(diào)查研究后，決定恢復(fù)3127乙工作面的掘進(jìn)和回采工作，并且，確定用煤層注水法作為防治沖擊地壓的主要技術(shù)措施之一，確保3127乙工作面掘進(jìn)和回采生產(chǎn)的安全。

2 含水率對(duì)松軟煤層沖擊傾向性的影響

煤層具有沖擊傾向性是發(fā)生沖擊地壓的重要條件。大量的試驗(yàn)研究和生產(chǎn)實(shí)踐表明，發(fā)生沖擊地壓的煤層具有突然破壞并在瞬間釋放大量彈性變形能的能力，而各類煤層儲(chǔ)能和突然破壞的行為有所不同。對(duì)此，人們研究出了多種可測(cè)定的煤的固有沖擊傾向性指標(biāo)。國(guó)內(nèi)外常用的沖擊傾向性指標(biāo)有彈性能指數(shù)WET和沖擊能指數(shù)KE等。所謂彈性能指數(shù)WET是指煤樣在單軸壓縮條件下，破壞前所積蓄的彈性變形能ΦSP與產(chǎn)生塑性變形所消耗的能量ΦST的比值。所謂沖擊能指數(shù)KE是指煤樣在單軸壓縮條件下的全應(yīng)力應(yīng)變曲線峰值前所積蓄的變形能FS與峰值后所消耗的變形能FK的比值。

根據(jù)我國(guó)煤炭工業(yè)部1987年頒布的《煤層沖擊傾向性鑒定試行技術(shù)規(guī)范》，對(duì)權(quán)臺(tái)煤礦3116工作面、3209工作面、3127工作面和旗山礦2121工作面、2124工作面、1122工作面煤樣分別進(jìn)行了沖擊傾向性測(cè)定，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。

單從表1的測(cè)定結(jié)果看，軟巖礦區(qū)煤層的沖擊傾向性較低，但是，原煤炭工業(yè)部頒布的測(cè)試規(guī)范中忽略了有關(guān)煤樣的含水率問(wèn)題。徐州東部礦區(qū)煤層較為松軟，經(jīng)測(cè)定，其孔隙率η=8.95%（權(quán)臺(tái)煤礦3127工作面煤樣）。松軟煤層的吸水能力很強(qiáng)，以3127乙工作面煤樣測(cè)定結(jié)果為例，其飽和含水率高達(dá)7.2%。為了了解權(quán)臺(tái)煤礦3127乙工作面煤層沖擊傾向性與含水率的關(guān)系，測(cè)定了含水率W分別為1.5%、3.0%、4.5%、6.0%時(shí)煤樣的力學(xué)特性和沖擊傾向性指標(biāo)，具體測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2中可以清楚地看到，煤的強(qiáng)度和沖擊傾向性隨其含水率W降低而顯著增長(zhǎng)。并且這種變化是非線性的（見(jiàn)圖1、圖2）。當(dāng)W由3.0%變化到1.5%，這種變化更加強(qiáng)烈；W=3.0%左右時(shí)，剛好是煤樣被加工后的一般含水狀態(tài)，而W=1.5%左右時(shí)，剛好是代表煤樣的原始含水狀態(tài)。所以，如不注意到這一點(diǎn)，就有可能誤判煤層的原始沖擊傾向性。

3 煤層注水方案與技術(shù)效果

前面針對(duì)權(quán)臺(tái)煤礦3127乙工作面附近煤的試驗(yàn)分析知道，其煤層較松軟，且原生水分（即原始含水率）較低，煤層具有較強(qiáng)的吸水能力。經(jīng)測(cè)定，煤層在原始含水狀態(tài)具有中等沖擊傾向性，而當(dāng)其含水率提高，達(dá)到4%左右時(shí)，其沖擊傾向性將大大降低。因此，在3127乙工作面煤層中注水，既能起到降塵的目的，又能起到降低沖擊傾向性的作用。把注水法作為消除軟巖礦區(qū)發(fā)生沖擊地壓事故的首選措施之一。權(quán)臺(tái)煤礦3127乙工作面煤層注水方案設(shè)計(jì)與施工效果如下：①注水孔的布置形式。采用運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷同時(shí)打鉆，雙向布孔的方案。②鉆孔注水的各項(xiàng)參數(shù)。鉆孔直徑為64 mm；鉆孔深度為18.5～25 m；鉆孔間距為7～15 m，其中材料巷距開(kāi)切眼120 m至180 m段注水孔距為7 m，因判定此段發(fā)生沖擊礦壓的可能性最大；鉆孔傾角同煤層；鉆孔位置由頂板向下1.6 m；鉆孔機(jī)具為3 kW旋轉(zhuǎn)式巖石電鉆；用海帶、水泥砂漿封孔。③注水系統(tǒng)及方法。采用動(dòng)、靜壓結(jié)合，并聯(lián)多孔注水。靜壓注水壓力為2.0 MPa。動(dòng)壓采用流量為80 L/min的供液泵，壓力調(diào)至8.0 MPa。④注水效果監(jiān)測(cè)：煤質(zhì)組嚴(yán)格按照防治沖擊地壓的規(guī)程要求，工作面每掘進(jìn)15 m（約7 d左右），在采場(chǎng)中部和離巷道兩端20 m處取3份煤樣，測(cè)定煤體含水量。實(shí)際取樣化驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。從表3中可以看出，經(jīng)已有的11次監(jiān)測(cè)證明，注水后的煤體含水率增長(zhǎng)量?jī)H有1次為1.84%外，其余均已超過(guò)了2.0%，已完全達(dá)到了設(shè)定的技術(shù)要求。

綜上所述，松軟煤層的孔隙度高，滲透性好，煤層注水的技術(shù)指標(biāo)容易實(shí)現(xiàn)。權(quán)臺(tái)礦3127乙工作面煤樣的沖擊傾向性測(cè)定結(jié)果表明，煤樣在原始含水狀態(tài)上提高1%～2%的含水率，其沖擊傾向性指標(biāo)將有顯著降低。實(shí)踐表明，在軟巖礦區(qū)用煤層注水法防治沖擊地壓是一種十分有效的技術(shù)措施，大大降低了煤層的沖擊傾向性，避免了再次發(fā)生沖擊地壓事故危險(xiǎn)，確保了煤礦安全生產(chǎn)。