煤層注水對(duì)沖擊礦壓的影響分析

摘 要：煤層注水壓簡(jiǎn)單易行，是一種防治沖擊礦的有效方法，實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)研究結(jié)果表明：煤層注水影響煤的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度，使煤體的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化，使煤體的塑性變形增加，在有瓦斯的礦井，注水過(guò)程中能貫通煤體裂隙，擠出煤層中的瓦斯，降低了瓦斯和煤層突出的危險(xiǎn)性，削弱了煤層發(fā)生沖擊礦壓的可能性。通過(guò)煤層注水前后沖擊傾向、支承壓力、鉆屑量和能量分布變化的分析，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，進(jìn)一步闡述了煤層注水防治沖擊礦壓的作用機(jī)理。

關(guān)鍵詞：煤層注水；沖擊礦壓；沖擊傾向

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.24.059

隨著開(kāi)采深度的增加，煤層壓力的增高，作為煤礦五大自然災(zāi)害之一的沖擊礦井越來(lái)越突出。沖擊礦壓是煤巖體受載后發(fā)生變形，積蓄了大量的彈性能，當(dāng)達(dá)到臨界狀態(tài)后，受外力干擾而發(fā)生的局部失穩(wěn)破壞現(xiàn)象。這種破壞現(xiàn)象形成機(jī)理復(fù)雜，小到煤炮、煤層突出，大到劇烈的礦震，長(zhǎng)期困擾著煤礦開(kāi)采工作者，先后有不少學(xué)者提出了預(yù)防沖擊礦壓的理論方法，但沖擊礦壓時(shí)有發(fā)生，筆者主要從煤層注水前后影響沖擊礦壓各方面因素進(jìn)行對(duì)比，得出了煤層注水預(yù)防沖擊礦壓的有效性，為煤層注水防治沖擊礦壓提供了一些理論依據(jù)。

1 煤層注水對(duì)煤的沖擊傾向的影響

煤層注水是將水通過(guò)鉆孔注入煤體內(nèi)，水進(jìn)入煤體的裂隙和孔隙中，煤體浸水后的軟化作用和損傷破壞，使煤體的強(qiáng)度減小，塑性增大，煤層整體軟化，形成較長(zhǎng)的破裂帶，破壞煤體的整體性，改變了煤體的應(yīng)力狀態(tài)。在實(shí)驗(yàn)室，對(duì)浸水煤樣和未浸水煤樣進(jìn)行了壓力機(jī)試驗(yàn)，得出了煤的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)如下圖1。

試驗(yàn)結(jié)果表明，注水后煤體軟化，結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，強(qiáng)度明顯下降。在最大屈服強(qiáng)度時(shí)，煤體積蓄彈性能下降，破壞時(shí)釋放的能量就減小，大多以塑性變形方式來(lái)消耗自身積蓄的彈性能，產(chǎn)生的沖擊能力明顯減弱。

2 煤體注水后支承壓力分布變化

煤體注水后，煤體的支承能力下降，塑性區(qū)應(yīng)力降低，彈性區(qū)應(yīng)力增加，工作面前方破裂帶和卸壓帶增加，支承壓力向煤壁前方轉(zhuǎn)移，支承壓力峰值降低。對(duì)煤層注水進(jìn)行的Flac模擬分析，注水前的最大支承壓力為30 MPa，距煤壁6.8 m處，注水后支承壓力分布比較平緩，最大支承壓力為20MPa，距煤壁10.2m處。Flac分析結(jié)果見(jiàn)圖2。

3 煤體注水后鉆屑量的變化

鉆屑法是根據(jù)排出的煤粉量及其變化規(guī)律和有關(guān)動(dòng)力效應(yīng)，鑒別沖擊礦壓的一種方法，在其他條件相同的情況下，其鉆屑量不同，當(dāng)單位長(zhǎng)度排粉量超過(guò)標(biāo)定值時(shí)，沖擊危險(xiǎn)性提高。注水前對(duì)煤體進(jìn)行鉆孔試驗(yàn)，當(dāng)鉆至5.4m時(shí)，孔內(nèi)有煤炮聲，同時(shí)在鉆進(jìn)的過(guò)程中出現(xiàn)了明顯的卡鉆動(dòng)力現(xiàn)象，每米鉆屑量為33 L，注水后鉆孔鉆屑量約為注水前的2/5，進(jìn)鉆過(guò)程中很少出現(xiàn)動(dòng)力現(xiàn)象，說(shuō)明煤體內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)得到改善，沖擊危險(xiǎn)性很小。對(duì)煤層注水前后進(jìn)行鉆屑法檢測(cè)的結(jié)果見(jiàn)圖3。

4 煤體注水后能量的分布狀況

煤體注水后，煤體積蓄彈性能下降，大多以塑性變形的方式消耗彈性能，使煤層中可恢復(fù)彈性能減少，通過(guò)有限元分析，煤體注水能改變煤體內(nèi)能量積聚和釋放在時(shí)間上的穩(wěn)定性和空間上的均衡性，注水后煤壁前方的能量明顯減小，呈現(xiàn)出較均勻的分布，其分布情況見(jiàn)圖4。

5 實(shí)例分析

撫順龍風(fēng)礦沖擊礦壓由來(lái)已久，在有嚴(yán)重沖擊危險(xiǎn)的情況下對(duì)601東下段四煤門(mén)北翼東工作面進(jìn)行煤體注水，注水后用鉆屑法檢測(cè)，結(jié)果表明鉆屑量顯著下降，基本上消除了沖擊礦壓的危險(xiǎn)，使回采能夠順利進(jìn)行。

6 結(jié)論

通過(guò)以上分析，煤體注水后可得出如下結(jié)論：

（1）煤的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，不僅強(qiáng)度降低，而且塑性增加，即峰值降低，曲線(xiàn)變得平緩，從根本上降低了煤層的沖擊傾向性，因而可以有效的防治沖擊礦壓的發(fā)生。（2）降低應(yīng)力集中程度，削弱沖擊礦壓發(fā)生的應(yīng)力條件。數(shù)值分析顯示煤體注水前后支承壓力的變化，發(fā)現(xiàn)注水后支承壓力向煤壁深部轉(zhuǎn)移，從根本上消除了沖擊傾向性。（3）煤層含水率增加，煤體塑化，煤粉量明顯減少，鉆孔過(guò)程中動(dòng)力現(xiàn)象減少，根據(jù)排出的煤粉量及其變化規(guī)律，遠(yuǎn)低于可能發(fā)生沖擊礦壓的最大鉆屑量。（4）工作面煤壁松動(dòng)，礦壓顯現(xiàn)程度降低，煤體能量得到釋放，降低煤層本身所聚集的彈性能，有效地降低了由于應(yīng)變能突然釋放而導(dǎo)致的沖擊礦壓。

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作者簡(jiǎn)介：夏孝夠（1973-），男，江蘇無(wú)錫人，碩士研究生，主要從事礦壓方面的科研工作。