趙莊礦煤層注水治理強(qiáng)礦壓預(yù)評(píng)價(jià)研究

錢繼發(fā)，　劉曉斐，　劉貞堂，　林松

(1.煤礦瓦斯與火災(zāi)防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 徐州　221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院， 江蘇 徐州　221116)

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趙莊礦煤層注水治理強(qiáng)礦壓預(yù)評(píng)價(jià)研究

錢繼發(fā)1,2，劉曉斐1,2，劉貞堂1,2，林松1,2

(1.煤礦瓦斯與火災(zāi)防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 徐州221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院， 江蘇 徐州221116)

摘要：為了評(píng)估采用煤層注水治理趙莊礦3號(hào)煤層強(qiáng)礦壓的效果，開展了煤層注水治理強(qiáng)礦壓的預(yù)評(píng)價(jià)研究。對(duì)3號(hào)煤層試樣含水率、吸水率、普氏系數(shù)等注水參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，分析3號(hào)煤層注水的可行性；測(cè)試分析試樣浸水前后的抗壓強(qiáng)度絕對(duì)變化量和變化速率，分析煤層注水卸壓預(yù)期效果，并提出注水方案。分析結(jié)果表明，3號(hào)煤層符合注水條件，且浸水后，煤巖樣物理性質(zhì)發(fā)生改變，抗壓強(qiáng)度大幅度降低，具有較理想的預(yù)期卸壓效果。

關(guān)鍵詞：煤層注水； 強(qiáng)礦壓； 含水率； 預(yù)評(píng)價(jià)

網(wǎng)絡(luò)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(qiáng)度日益增大，礦壓顯現(xiàn)、巷道變形、煤與瓦斯突出和沖擊地壓等煤巖動(dòng)力災(zāi)害日趨嚴(yán)重，嚴(yán)重威脅著煤礦的安全開采[1-2]。從煤巖動(dòng)力災(zāi)害的形成機(jī)理來看，通過避免高應(yīng)力集中和改善煤巖體介質(zhì)性質(zhì)來減弱其積聚彈性能的能力，保證煤巖體不足以產(chǎn)生失穩(wěn)破壞，可以有效地控制此類災(zāi)害的發(fā)生[2-3]。煤礦常用的煤巖動(dòng)力災(zāi)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(jiǎn)單易行、投資小、操作工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)在中國(guó)的大多數(shù)礦井中獲得了廣泛應(yīng)用[4]。煤層注水即通過水的物理化學(xué)作用改變煤體性質(zhì)，使煤體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)發(fā)生改變，單軸抗壓強(qiáng)度降低，從而減弱煤層強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)的傾向性[4-6]。但是煤層注水多以現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用為主，由于各個(gè)煤礦開采、地質(zhì)條件和煤巖自身屬性不同，煤層注水措施并非對(duì)所有煤層的強(qiáng)礦壓治理都有效[7]。因此，開展煤層注水治理強(qiáng)礦壓的預(yù)評(píng)價(jià)研究具有積極意義。

趙莊礦3號(hào)煤層在開采過程中受到強(qiáng)礦壓威脅，本文結(jié)合趙莊礦3號(hào)煤層的實(shí)際情況，評(píng)價(jià)研究煤層注水治理強(qiáng)礦壓的可行性和效果，為其制定注水方案及確定合理參數(shù)提供依據(jù)和參考。

1　強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)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(zhǎng)子縣南16 km，是晉煤集團(tuán)新建的現(xiàn)代化礦井，年產(chǎn)量800萬t。目前為單一煤層(3號(hào)煤層)開采。3號(hào)煤層位于山西組下部，層位穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，屬于穩(wěn)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(shù)為25%，可采性指數(shù)為0.98。

目前趙莊礦在3號(hào)煤層開采過程中，煤炮、片幫、底臌等強(qiáng)礦壓動(dòng)力現(xiàn)象已開始顯現(xiàn)。

1.1強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)特征

趙莊礦3號(hào)煤層回采工作面在推采過程中有明顯的強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，主要特征表現(xiàn)如下：

(1) 一、三、五盤區(qū)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(xiàn)片幫現(xiàn)象。

(2) 出現(xiàn)強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)的區(qū)域，除了各盤區(qū)正在回采的工作面巷道之外，處于斷層發(fā)育區(qū)的西翼大巷也出現(xiàn)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(xiàn)象尤為明顯。特別是底板，原先雖然經(jīng)過固結(jié)處理(趙莊礦使用膠帶運(yùn)輸，需對(duì)底板進(jìn)行鋪底和固結(jié)處理)，仍然發(fā)生開裂，出現(xiàn)明顯的底臌，且底臌程度嚴(yán)重；巷道上方頂板下沉。

1.2強(qiáng)礦壓危險(xiǎn)的主要影響因素

結(jié)合趙莊礦地質(zhì)條件和相關(guān)資料，分析趙莊礦強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)的主要影響因素為以下2個(gè)方面。

(1) 自然地質(zhì)因素：① 最大采深超過800 m，已滿足中國(guó)沖擊壓地壓礦井的臨界采深，自重應(yīng)力大；② 構(gòu)造應(yīng)力作用明顯，3號(hào)煤層的原巖應(yīng)力總體上以水平應(yīng)力為主，最大水平應(yīng)力達(dá)到16.22 MPa，且各個(gè)工作面的巷道軸向與最大水平主應(yīng)力方向的夾角均大于60°，對(duì)巷道穩(wěn)定產(chǎn)生很不利的影響；③ 全區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，趙莊礦井田內(nèi)褶曲和大小斷層眾多，使得處于該構(gòu)造影響區(qū)域的巷道變形強(qiáng)烈，壓力偏大；同時(shí)，受陷落柱的影響，3號(hào)煤層存在厚度局部變化的區(qū)域，使得開采過程中易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象；④ 煤層上方存在一系列中-細(xì)砂巖巖層，累計(jì)厚度接近80 m，容易聚積大量彈性能，加劇強(qiáng)礦壓發(fā)生的危險(xiǎn)。

(2) 開采技術(shù)因素：3號(hào)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(dòng)影響范圍大，同一盤區(qū)內(nèi)有多條開掘巷道，存在采動(dòng)相互影響；再加上采空區(qū)和留煤柱的影響，容易造成采動(dòng)應(yīng)力疊加，在采場(chǎng)周圍形成應(yīng)力集中區(qū)，增大強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)危險(xiǎn)。

2　煤層注水治理強(qiáng)礦壓的預(yù)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

2.1煤層注水可行性分析

測(cè)定所用煤巖試樣均按照標(biāo)準(zhǔn)取自趙莊礦3號(hào)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(biāo)準(zhǔn)取樣，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)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(cè)試

煤巖試樣含水率ω按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：m1為保持天然水分的試件質(zhì)量，g；m2為烘干后的試件質(zhì)量，g。

煤巖試樣含水率測(cè)試結(jié)果見表1。

2.1.2吸水率測(cè)試

煤巖試樣自然吸水率ωc按式(2)計(jì)算：

(2)

式中：a1為試樣自然飽和吸水后的質(zhì)量，g；a2為試樣烘干后的質(zhì)量，g。

煤巖試樣吸水率測(cè)試結(jié)果見表2。

表1　煤巖試樣含水率測(cè)試結(jié)果

表2　煤巖試樣吸水率測(cè)試結(jié)果

2.1.3煤的普氏系數(shù)測(cè)定及分析

采用落錘法來測(cè)定煤的普氏系數(shù)f：

(3)

式中：n為單份試樣沖擊次數(shù)；l為單組試樣篩下煤粉的計(jì)量高度，mm。

煤樣普氏系數(shù)測(cè)試結(jié)果見表3。

表3　煤樣普氏系數(shù)測(cè)試結(jié)果

分析3號(hào)煤層煤巖試樣的注水性實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shù)范圍為0.78～0.80，各項(xiàng)參數(shù)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(hào)煤層煤巖原始含水率較低，煤質(zhì)堅(jiān)硬，性脆，煤層強(qiáng)度偏大，煤層的柔性和塑性較小，容易積聚發(fā)生強(qiáng)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(rùn)煤體，使煤層強(qiáng)度降低，彈性變形減少，塑性增強(qiáng)，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(yīng)力集中程度，從而避免彈性能突然釋放，有效降低3號(hào)煤層開采過程中的強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)問題。

2.2煤層注水治理強(qiáng)礦壓預(yù)期效果分析

為了驗(yàn)證注水效果，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)3號(hào)煤層的煤樣進(jìn)行了浸泡實(shí)驗(yàn)，浸水時(shí)間分別為1，3，5，10 d，然后對(duì)其進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，分析浸水時(shí)間對(duì)煤樣抗壓強(qiáng)度Rc的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4和圖1。

表4　煤樣浸水后破壞載荷和單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)定結(jié)果

(a) Rc絕對(duì)減少量

(b) Rc減少速率

從圖1可看出，在自然狀態(tài)下，煤樣抗壓強(qiáng)度為10.848 MPa。經(jīng)過浸泡以后，煤樣抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢(shì)，浸泡10 d以后，試樣抗壓強(qiáng)度達(dá)到最小值3.154 MPa，最大累計(jì)減少量為7.694 MPa，相較于自然狀態(tài)，下降幅度達(dá)到70%以上。試樣浸泡1～3 d后，試樣抗壓強(qiáng)度減小速率最快，達(dá)到最大值3.74 MPa/d；之后，隨著時(shí)間增加，抗壓強(qiáng)度減小速率逐漸減小，尤其是在浸泡10 d以后，抗壓強(qiáng)度減少量?jī)H為0.291 MPa。由此可以得出，3號(hào)煤層試樣在經(jīng)水潤(rùn)濕后，抗壓強(qiáng)度明顯降低，最佳浸水時(shí)間為1～3 d。浸水后煤的物理性質(zhì)發(fā)生顯著變化，煤體抗壓強(qiáng)度降低，該結(jié)論可為煤層注水治理強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)問題提供參考依據(jù)。

2.3注水方案

2.3.1注水參數(shù)

根據(jù)3號(hào)煤層工作面強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)情況，選擇在巷道內(nèi)實(shí)施鉆孔注水卸壓。注水參數(shù)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(shù)為初步確定，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)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(hào)煤層各工作面條件確定，以不漏水、不崩孔為原則，一般不應(yīng)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(gè)鉆孔安設(shè)流量計(jì)、壓力表。靜壓注水壓力不小于2 MPa，動(dòng)壓壓力不小于10 MPa。

2.3.4注水量計(jì)算

注水量根據(jù)注水孔承擔(dān)的濕潤(rùn)煤量確定：

(4)

式中：Q為單個(gè)注水孔的注水量，m3；q為水的密度，kg/m3；K為富余系數(shù)，一般為1.00～1.55；T為一個(gè)注水孔承擔(dān)的濕潤(rùn)煤量，t；W為預(yù)計(jì)含水率增值(取3%)或者設(shè)計(jì)含水率增值。

一個(gè)注水孔承擔(dān)的濕潤(rùn)煤量按式(5)計(jì)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(kuò)散直徑，m；γ為煤的密度，kg/m3。

3　結(jié)語

根據(jù)趙莊礦3號(hào)煤層發(fā)生的煤炮、片幫等動(dòng)力現(xiàn)象，結(jié)合地質(zhì)條件和相關(guān)資料，分析了趙莊礦3號(hào)煤層強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)的特征及影響因素。對(duì)3號(hào)煤層煤巖試樣的含水率、吸水率、普氏系數(shù)等注水參數(shù)進(jìn)行測(cè)試分析，得出3號(hào)煤層各項(xiàng)條件均符合注水要求的結(jié)論。通過分析浸水時(shí)間對(duì)煤樣抗壓強(qiáng)度的影響及煤樣浸水前后抗壓強(qiáng)度的變化來驗(yàn)證注水效果，發(fā)現(xiàn)煤樣在持續(xù)浸水10 d以后，抗壓強(qiáng)度下降幅度達(dá)到70%以上；浸水1～3 d后，煤樣抗壓強(qiáng)度下降速率最快，為煤層注水最佳時(shí)間。分析結(jié)果表明，通過煤層注水可以降低煤體的抗壓強(qiáng)度，從而有效降低3號(hào)煤層開采過程中的強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)危險(xiǎn)。

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文章編號(hào)：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(zé)任編輯：胡嫻。

基金項(xiàng)目：教育部科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(113031A);江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目。

作者簡(jiǎn)介：錢繼發(fā)(1992-)，男，河南新密人，碩士研究生，主要從事煤巖動(dòng)力災(zāi)害預(yù)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(dòng)力災(zāi)害預(yù)防、安全技術(shù)及工程等方面的研究，E-mail:Liuxiaofei_1981@163.com。

中圖分類號(hào)：TD323

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)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(fā)，劉曉斐，劉貞堂,等.趙莊礦煤層注水治理強(qiáng)礦壓預(yù)評(píng)價(jià)研究[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(8)：29-32.