高應力節理化煤體高壓注水防片幫技術研究*

劉民東，嚴少洋

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高應力節理化煤體高壓注水防片幫技術研究*

劉民東1，嚴少洋2

(1.焦作煤業(集團)有限責任公司，河南 焦作市 454000；2.河南理工大學土木工程學院，河南 焦作市 454000)

煤性脆、裂隙發育的煤層在高地應力下極易產生煤壁片幫，運用FLAC3D數值模擬軟件研究此類煤層在不同注水壓力下煤層長孔注水濕潤范圍、濕潤形態及塑性區范圍，采用超長鉆孔高壓注水技術破碎煤層提高煤層塑性區范圍及增強煤層的內聚力。在現場應用中，超長鉆孔高壓注水防片幫技術減緩了煤壁片幫，提高了采煤機開機率，平均日產量增加3400 t，技術經濟效益顯著。

煤壁片幫；堅硬煤層；超長鉆孔；高壓注水

0 前 言

煤巖層是由植物枝葉及根莖經過地殼不斷的變動及一系列復雜的化學物理反應形成的，因此煤巖體在成千上萬年的形成過程中會產生節理裂隙，使得煤層出現許多弱面[1?2]。國內外學者對高壓水進入煤體內部進行了一系列研究，得出高壓水進入煤體后沿煤體內部的弱面流入煤體，對煤體起沖刷和壓裂作用，使煤體在原有裂隙的基礎上擴張并產生新的裂隙。使用高壓水技術使得煤體微觀結構發生變化和改變了煤體的物理力學性質，煤體內部裂紋擴大和增多導致破裂段表面能下降；高壓水與煤體顆粒相互作用增加了煤體的塑性[3]。

秦玉紅，竇林名等[4]通過對不同含水率煤樣進行室內試驗并分析含水量對煤體強度及沖擊性能的影響，結果表明：含水量大的煤樣變形破壞明顯、沖擊性能指數小；沈榮喜，楊勝利等[5]為得到水對煤樣力學性能的影響規律，通過干燥煤樣和飽和煤樣進行拉伸試驗，結果表明：水對煤樣起到增加塑性和降低強度的作用；閆立宏等[6?7]通過試驗對浸水后的煤樣進行力學性能研究，結果表明：浸水后的煤樣抗壓、抗拉強度以及彈性極限降低，但煤樣的延性和韌性增大。楊磊[8]通過對煤塵中的塵粒之間的作用力進行分析并從粉體力學的角度解釋了煤層注水降塵機理，即水分子能夠促使煤塵凝結，使得凝聚力增大，起到降塵作用；王家臣教授[9]分析了極軟煤層煤壁片幫因素，提出煤壁片幫的防治機理，表明煤體合理注水可以提高煤體自身剪切強度和黏聚力來防治煤壁片幫。

為了更好地解決堅硬煤層煤壁片幫，采用高壓水破碎煤層使工作面煤壁塑性區范圍增大，減緩煤壁片幫發生。通過FLAC3D數值模擬軟件研究煤層在不同注水壓力下煤層長孔注水濕潤范圍、濕潤形態及塑性區范圍，通過現場應用，效果顯著。

1 工程概況

趙固二礦煤層賦存具有埋藏深度大(埋深在650 m以上)、基巖薄(最小厚度36.8 m)、底板高承壓水(水壓大于7 MPa)和頂板含水威脅、煤體節理發育等特點。趙固二礦11050工作面設計為走向長壁工作面，斜長172.2 m，煤厚6.2 m，采用一次采全高開采 方式。

工作面回采期間，極易產生煤層片幫。主要原因是煤性脆、節理裂隙發育、基巖薄、工作面壓力大所致。工作面片幫多分布在工作面上下端頭，形成煤壁上部片落，下部片幫形式呈斜切面。工作面多產生平行煤壁的垂向裂隙，煤體開裂，采煤機截割時多呈長塊、大塊片落。工作面周期來壓時煤壁大面積片幫，長度5~15 m，深度1.0~2.0 m，高度1.5~2.5 m，片幫率達到50%，體積可達十幾到幾十立方米，棚架在刮板輸送機上，嚴重影響工作面正常回采及安全。

2 高壓水致裂作用

高壓水致裂指的是在煤巖體中注入高壓水使其通過高壓水的作用產生裂縫，利用煤巖體內部的裂縫擴展達到降低煤巖體強度和增加滲透性的目的[10?11]。高壓水對鉆孔周圍煤層起到高壓致裂和切割的作用，使得煤巖體的強度降低，工作面煤壁塑性區范圍增大，煤巖體整體性及延展性、韌性增強，工作面超前壓力前移，降低片落煤體的大塊率和減緩煤壁片幫。

水壓裂縫前沿為長短軸之比一定橢圓形，該橢圓形以鉆孔導致的斷裂帶為中心。研究發現，2(第二主應力)會影響孔底水壓裂縫的擴展，并且在水壓裂縫擴展的過程中會出現不同程度的分叉現象，水壓裂縫破裂面的走向與3(第三主應力)、2均垂直。

以彈塑性理論為支撐，假設鉆孔內水對周圍巖層不具有滲透性，則鉆孔孔壁破裂的臨界失穩水壓力c滿足：

式中：max為垂直于鉆孔平面內的第一主應力；min為垂直于鉆孔平面內的第三主應力；0為初始孔隙壓力；T為考慮了水壓作用的鉆孔抗拉強度。

3 注水效果數值模擬

基于FLAC3D滲流模型理論，建立煤體在不同注水壓力下及不同孔密度條件下的數值計算模型，進行數值計算。模型長×寬為40 m×40 m，分別在4種注水壓力(5 MPa，10 MPa，20 MPa，30 MPa)條件下，對煤層注水滲透濕潤范圍以及不同孔密度、塑性區的變化情況進行了模擬研究。實驗模擬參數見表1。

3.1 不同影響因素對煤層滲透濕潤范圍的影響

由于煤層長孔注水濕潤半徑與注水時間和注水壓力有關，因此，通過模擬相同時間不同壓力下研究煤層注水濕潤范圍及不同時間相同壓力下煤層注水濕潤范圍的影響。

注水時間8 h時不同注漿水壓力濕潤形態及塑性區范圍如圖1所示。在射孔壓力作用下，當水平應力小于垂直應力時，塑性區沿垂直分布，只發生拉伸破壞，而且隨著水平應力的增大，塑性區變化比較明顯。當水平應力大于垂直應力時，塑性區沿水平分布，而且射孔周圍會出現剪切破壞，但塑性區范圍不大，出現在射孔周圍約4 m處。

表1 實驗模擬參數

(a) 注水壓力5 MPa；(b) 注水壓力10 MPa；(c) 注水壓力20 MPa；(d) 注水壓力30 MPa

不同因素下模擬超長注水煤層濕潤半徑結果如表2所示。

注水壓力不同條件下注水濕潤半徑隨注水時間的變化如圖2所示，隨著注水時間的增加，濕潤半徑成線性增加，最大為13.2 m；由圖2可知，濕潤半徑隨著注水壓力的增加而增大。說明隨著時間的增加，高壓水滲流增加孔周圍濕潤半徑。

表2 實驗模擬結果

圖2 注水壓力不同條件下的濕潤半徑

注水時間相同條件下注水壓力對煤體濕潤半徑的影響如圖3所示，從圖3可以看出，注水壓力以10 MPa為分界線，當注水壓力小于10 MPa時，注水壓力對煤層濕潤半徑影響較小，隨著注水壓力增加，煤層濕潤半徑增大較平緩；當注水壓力大于10 MPa時，注水壓力對煤體濕潤半徑的影響程度增大，濕潤半徑隨著注水時間的增加而增加，但影響效果顯著。

3.2 不同孔密度對濕潤半徑的影響

采用單孔布置、二空和四孔布置，研究在相同注水壓力下注水孔最大剪應力受力角度及塑性區破壞范圍。圖4和圖5分別為不同孔布置水平應力分布及塑性區分布。

隨著孔密度的增大，最大剪應力仍然出現在孔周的45°、135°、225°、215°的角上，剪應力影響范圍分別是1孔時為6 m，2孔時為12 m，4孔時24 m。塑性區的長度分別是1孔時為6 m，2孔時為8 m，4孔時為36 m。塑性區長度會隨著孔密度的增大而增加。

圖3 注水時間相同條件下注水壓力對濕潤半徑的影響

(a) 單孔布置；(b) 四孔布置

(a) 單孔布置；(b) 四孔布置

4 現場應用

煤層注水鉆孔至少超前采面100 m；按照?6°±1°進行鉆進施工，以防止鉆孔進入煤層頂、底板；嚴格控制注水壓力，壓力控制在28~31 MPa，防止煤層片幫，并測定出鉆孔注水量；孔內封孔器距孔口5 m以上；鉆孔孔深要控制在80~120 m；注水鉆孔間距為10 m(低水壓)和20 m(高水壓)兩種；第一次注水完畢后，間隔3~4班，再進行第二次注水，以減少大塊率和提高降塵效果。注水參數如表3所示。

表3 注水參數

未用高壓注水之前的回采工作面日產量約為4800 t，注水回采從5月25日至8月5日，3個月內共計回采原煤737960 t，平均每天回采原煤8200 t，平均日產量增加3400 t。在注水區域平均日產量較好，采用高壓注水防片幫技術大幅提高了日產量。

對于趙固二礦二1煤層節理裂隙發育硬煤大采高工作面進行長鉆孔、高水壓煤壁注水試驗發現，煤壁片幫減緩，片落大塊煤體顯著減少，采煤機開機率提高，日產量增加。

5 結 論

(1) 采用超長鉆孔高壓注水技術破碎煤層提高煤層塑性區范圍及增強煤層的內聚力，使得超前支承壓力前移，降低片落煤體的大塊率、減緩煤壁片幫；提高了工作面開采的進度和降塵效果，平均日產量增加3400 t，經濟效果顯著。

(2) 不同注水壓力下隨著注水時間的增加，濕潤半徑成線性增加，最大為13.2 m；濕潤半徑隨著注水壓力的增加而增大。相同注水時間下，當注水壓力小于10 MPa時，注水壓力對煤層濕潤半徑影響較小，隨著注水壓力增加，煤層濕潤半徑增大較平緩；當注水壓力大于10 MPa時，注水壓力對煤體濕潤半徑的影響程度增大，濕潤半徑隨著注水時間的增加而增加，但影響效果顯著。

(3) 隨著孔密度的增大，最大剪應力出現在孔周圍45°、135°、225°、215°處，剪應力影響范圍增加，塑性區長度隨著孔密度的增加而增加。

[1] 王雪濤.地質雷達探測技術在烏東煤礦的應用實踐[J].煤炭科技,2016(4):92?95.

[2] 董金奎,申 延,邱俊剛.焦家金礦寺莊礦區巖體節理裂隙調查與礦巖穩定性分析[J].黃金科學技術,2012,20(2):58?61.

[3] 程玉剛,盧義玉,葛兆龍,等.孔隙水壓力梯度對煤層導向壓裂控制影響[J].東北大學學報(自然科學版),2017,38(7):1043?1048.

[4] 秦玉紅,竇林名,牟宗龍.含水對煤的沖擊傾向性影響實驗室測定[J].江蘇煤炭,2004(1):15?16.

[5] 沈榮喜,楊勝利,鄧曉謙,等.水對煤樣的力學特性及聲電特征影響分析[J].煤炭科學技術,2014,42(11):11?13+115.

[6] 閆立宏,吳基文,劉小紅.水對煤的力學性質影響試驗研究[J].建井技術,2002(3):30?32.

[7] 楊 磊.煤層注水治理煤塵災害的粉體力學分析[J].工業安全與環保,2008(5):15?17.

[8] 安超軍,王平均,李 升.義絡公司煤層注水技術[J].煤炭技術, 2007(1):129?130.

[9] 王家臣.極軟厚煤層煤壁片幫與防治機理[J].煤炭學報,2007(8): 785?788.

[10] 李 博.塔山礦臨空巷道高壓水致裂卸壓技術應用[J].煤礦現代化,2015(2):9?10.

[11] 陳文文,劉 帥,徐翠云,等.高階煤水力壓裂負效應分析及改造方法優化[J].煤炭技術,2018(6):184?187.

河南省科技攻關項目(172102210286).

(2018?07?18)

嚴少洋(1994—)，男，河南長垣人，碩士研究生，主要從事礦山安全工程研究,Email：jmjhclmd@126.com。