煤體集中應(yīng)力區(qū)注水卸壓技術(shù)研究

范育青，朱 棟，汪華君，張繼華

(畢節(jié)學(xué)院 資源與安全工程學(xué)院，貴州 畢節(jié) 551700)

隨著采掘深度的增加、開(kāi)采范圍的擴(kuò)大，采場(chǎng)集中應(yīng)力區(qū)域巷道變形較大，其支護(hù)難度也隨之加大。一些礦區(qū)則隨之發(fā)生沖擊地壓或煤與瓦斯突出等煤巖動(dòng)力災(zāi)害，嚴(yán)重影響煤礦的安全生產(chǎn)。針對(duì)深礦井煤體應(yīng)力集中區(qū)域帶來(lái)的煤巖動(dòng)力災(zāi)害問(wèn)題，不少煤礦采取深孔爆破、鉆孔卸壓、煤層注水等措施進(jìn)行治理，而煤層注水在預(yù)防沖擊地壓、煤與瓦斯突出等煤巖動(dòng)力災(zāi)害己有較長(zhǎng)的歷史，該措施還具有工作面降溫和降塵的作用。經(jīng)實(shí)踐證實(shí)：只要注水工藝參數(shù)確定合適，則注水對(duì)于煤體應(yīng)力集中區(qū)卸壓，預(yù)防沖擊地壓、煤和瓦斯突出災(zāi)害以及對(duì)采掘工作面降塵是有效的，而且應(yīng)用面廣[1-3]。

本文在煤體注水軟化機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)某礦采八9上山回采工作面應(yīng)力集中區(qū)巷道易變形及沖擊地壓等問(wèn)題，采用工作面注水卸壓措施，通過(guò)數(shù)值模擬確定注水參數(shù)，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證。

1 煤體注水軟化機(jī)理研究

煤體孔隙在注水壓力和毛細(xì)管作用力的共同作用下吸附水分，從而使煤體顆粒間的內(nèi)聚力C和內(nèi)摩擦角φ小降低。根據(jù)巖石破壞的庫(kù)侖-摩爾準(zhǔn)則，煤體的強(qiáng)度將大大降低；煤體裂隙對(duì)水起著一種通道的作用，當(dāng)煤體的固有裂隙面吸附水后，其摩擦角φ中也會(huì)減小，從而使煤體強(qiáng)度降低。其次，當(dāng)高壓水注入煤體后，由于存在有孔隙壓σw，使煤體有效應(yīng)力改變?yōu)椋?/p>

(1)

剪應(yīng)力不變，則其抗剪強(qiáng)度降為：

τw=Cw+(σn-σw)tgφw

(2)

式中：Cw為煤塊注水后的內(nèi)聚力；φw為煤塊注水后的內(nèi)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(qiáng)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(duì)煤塊抗剪強(qiáng)度所具有的綜合力學(xué)效應(yīng)，其中Cw為吸水軟化作用使煤塊內(nèi)聚力產(chǎn)生的降低量；tgφ-tgφw為吸水軟化作用使煤塊的摩擦系數(shù)產(chǎn)生的降低量；而σntgφ為孔隙壓作用使煤塊抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生的降低量[4-5]。

采掘現(xiàn)場(chǎng)工作面采用高壓注水措施對(duì)原煤體進(jìn)行注水軟化，該措施濕潤(rùn)原煤體可以產(chǎn)生以下效果：

當(dāng)采掘工作面原煤體在高壓注水設(shè)備進(jìn)行注水時(shí)，煤體逐漸龜裂且產(chǎn)生裂隙，原煤體的整體性遭到破壞。高壓水流注入煤層后，當(dāng)煤層中注入的水量大于煤體的流失量時(shí)，煤層內(nèi)的水壓(自由水)就會(huì)逐漸升高，當(dāng)該水壓升至大于煤層的水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力時(shí)，煤層便會(huì)產(chǎn)生更多的新裂隙，從而破壞了煤層的原始結(jié)構(gòu)，大大降低了原煤層的強(qiáng)度，防止煤層應(yīng)力的集中。

煤層采用高壓設(shè)備進(jìn)行注水，注水水體在高壓作用下進(jìn)入到煤體內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)內(nèi)，煤體中的裂隙各種孔隙充分吸水后達(dá)到飽和后開(kāi)始膨脹，裂隙和孔隙的膨脹導(dǎo)致煤質(zhì)變松軟，進(jìn)而達(dá)到軟化煤體的效果，壓力水在注入煤層后，由于擴(kuò)大了水與煤體的接觸面，從而促進(jìn)了煤體的軟化。

2 現(xiàn)場(chǎng)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(duì)特厚煤層還可以穿層布置。注水孔應(yīng)遠(yuǎn)離斷層，褶皺或破碎帶。對(duì)頂?shù)装迤鸱^大或薄煤層，應(yīng)采用相對(duì)布置的孔，以減小孔長(zhǎng)，孔口應(yīng)布置在煤層中較堅(jiān)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(jù)經(jīng)驗(yàn)公式及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，可分一下三種方案進(jìn)行模擬，如表1所示。

1) 鉆孔長(zhǎng)度L：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式L=(1/2～2/3)Lg，取鉆孔長(zhǎng)度60m，Lg為工作面長(zhǎng)度，取100m。

2) 鉆孔角度：與煤層傾角一致。

表1 注水參數(shù)方案

3 模擬結(jié)果分析

3.1 注水孔間距對(duì)注水效果影響的模擬

煤層注水孔間距對(duì)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(qū)域起不到較好的濕潤(rùn)容易形成應(yīng)力集中區(qū)，該區(qū)域往往能誘發(fā)沖擊地壓；孔間距太小容易造成煤層濕潤(rùn)區(qū)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(yōu)化注水孔間距，采取方案一進(jìn)行模擬研究，即采用孔深60m,孔徑60mm，距離切眼10m布置第一個(gè)注水孔，依次向前隔10m、15m、20m分別布置三個(gè)注水孔，其余注水參數(shù)均保持一致，模擬結(jié)果如圖1。

通過(guò)圖1煤層應(yīng)力云圖可以看出，孔間距在20m范圍內(nèi)注水對(duì)煤層應(yīng)力分布影響不太明顯?？组g距15m注水效果明顯優(yōu)于孔間距20m，而孔間距10m注水效果僅稍微優(yōu)于孔間距15m，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(shù)目對(duì)注水效果影響的模擬

為研究注水孔數(shù)目對(duì)注水效果的影響，采用模擬方案二(具體參數(shù)見(jiàn)表1)進(jìn)行卸壓模擬研究，模擬結(jié)果如圖2～4。

圖1 煤層注水效果應(yīng)力云圖

圖2 1個(gè)注水孔注水效果

圖3 2個(gè)注水孔注水效果

圖4 3個(gè)注水孔注水效果

通過(guò)三組模擬結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，3個(gè)注水孔同時(shí)注水后的煤層濕潤(rùn)面積和應(yīng)力釋放程度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于單個(gè)注水孔注水效果。同樣，2個(gè)注水孔同時(shí)注水的效果也優(yōu)于單個(gè)注水孔的注水效果，由此可見(jiàn)隨著注水孔的增加注水卸壓防沖效果越明顯，考慮到現(xiàn)場(chǎng)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(gè)注水孔同時(shí)注水。

3.3 注水時(shí)間對(duì)注水效果影響的模擬

結(jié)合以上模擬結(jié)果，在采八9上山回采工作面上下兩巷道，采取三個(gè)注水孔同時(shí)注水，沿煤層傾向方向布置，孔深60m、孔徑60mm，首個(gè)注水孔距離切眼的距離為10m，孔間距為15m，進(jìn)行注水時(shí)間對(duì)注水卸壓防沖效果影響的模擬(具體參數(shù)見(jiàn)表1方案三)。

模擬方案：首先對(duì)未注水煤體進(jìn)行數(shù)值模擬，應(yīng)力如圖5；然后再對(duì)注水過(guò)程中煤體應(yīng)力分布進(jìn)行數(shù)值模擬，按照注水時(shí)間為10、15和24個(gè)小時(shí)分別模擬出不同階段煤體應(yīng)力如圖6～圖8，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)直接頂垂直應(yīng)力結(jié)果得出注水前后垂直應(yīng)力對(duì)比情況如圖9所示。

圖5 采八9上山工作面未注水垂直應(yīng)力分布

圖6 采八9上山工作面注水10h垂直應(yīng)力分布

圖7 采八9上山工作面注水15h垂直應(yīng)力分布

圖8 采八9上山工作面注水24h垂直應(yīng)力分布

圖9 采八9上山工作面注水前后垂直應(yīng)力對(duì)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(yīng)力集中工作上下巷道塑性區(qū)前段，該區(qū)域正是理論分析應(yīng)力集中區(qū)，且下巷應(yīng)力大于上巷應(yīng)力。圖6～8可以看出隨著注水時(shí)間的增加，煤體軟化程度加大，工作面塑性區(qū)的應(yīng)力逐漸減小，當(dāng)注水時(shí)間達(dá)到24個(gè)小時(shí)的時(shí)候，如圖8所示注水孔所在部位附近的應(yīng)力集中基本上已經(jīng)消失，同時(shí)整個(gè)塑性區(qū)的應(yīng)力也大大減小。

通過(guò)圖5～8模擬結(jié)果可以看出，煤體塑性區(qū)內(nèi)的應(yīng)力主要集中在彈性區(qū)和塑性區(qū)交界處的上下兩巷兩幫，因此該區(qū)域應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)，作為防沖的重點(diǎn)部位。

根據(jù)監(jiān)測(cè)直接頂垂直應(yīng)力(圖9)可以看出，塑性區(qū)應(yīng)力集中部位向上下兩巷兩幫延伸3～10m左右，最大應(yīng)力峰值距煤幫比較近，在下幫煤體內(nèi)的峰值應(yīng)力最大。注水24個(gè)小時(shí)后，最大應(yīng)力峰值明顯下降，充分說(shuō)明煤體注水有效軟化煤體進(jìn)而釋放或轉(zhuǎn)移部分應(yīng)力，有效減少?zèng)_擊地壓發(fā)生次數(shù)和降低沖擊地壓的破壞程度。

4 結(jié)論

本文在煤體注水軟化機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，采用FLAC-3D數(shù)值模擬軟件對(duì)某礦采八9上山回采工作面應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行了不同注水方案下煤體濕潤(rùn)范圍及卸壓效果進(jìn)行模擬研究，得出以下結(jié)論：

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

2) 分別對(duì)注水孔間距、數(shù)目及注水時(shí)間不同而造成的煤層應(yīng)力分布差異進(jìn)行模擬，結(jié)果表明采用三個(gè)孔深為60m、孔徑60mm、間距為15m的注水孔同時(shí)注水24個(gè)小時(shí)，煤層能夠達(dá)到最佳注水效果。

3) 煤體在注水過(guò)程中逐漸被軟化，使其應(yīng)力集中區(qū)域應(yīng)力隨著注水時(shí)間的增加逐漸釋放或轉(zhuǎn)移。對(duì)于采八9上山回采工作面應(yīng)力集中區(qū)，當(dāng)注水時(shí)間不低于24個(gè)小時(shí)的時(shí)候，注水孔所在的應(yīng)力集中基本上已經(jīng)消失，同時(shí)整個(gè)塑性區(qū)的應(yīng)力也大大減小，應(yīng)力得到較好的轉(zhuǎn)移或釋放。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證了模擬方案的合理性，使注水參數(shù)得到優(yōu)化，較好的減少?zèng)_擊地壓發(fā)生頻次和降低沖擊地壓發(fā)生的破壞程度。

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