超前高應(yīng)力區(qū)煤層注水應(yīng)力突降機(jī)理研究

呂玉磊，白俊杰，鄭 波

(1.中煤西北能源公司 烏審旗蒙大礦業(yè)， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000； 2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院, 北京 100013)

煤礦井下開采會(huì)在煤壁前方附近形成超前支承壓力[1]，當(dāng)超前支承壓力累積到一定程度，容易造成巷幫大變形，甚至誘發(fā)沖擊地壓災(zāi)害，影響煤礦安全生產(chǎn)。煤層注水卸壓技術(shù)在煤礦的應(yīng)用越來越廣泛，其安全、環(huán)保且具有有效降低煤體應(yīng)力的作用。

眾多學(xué)者對(duì)煤層注水降低煤體高應(yīng)力的機(jī)理進(jìn)行了研究：閆立宏等[2]對(duì)煤浸水后的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出了煤浸水后，其強(qiáng)度降低，變形量增加的結(jié)論。范家文等[3]以煤層注水對(duì)煤層力學(xué)特性的影響為基礎(chǔ)，分析得出了煤層注水具有抑制瓦斯突出和瓦斯解吸、軟化中硬頂煤、防治煤塵和減緩沖擊傾向的作用。李兵等[4]研究了工作面注水孔附近10 m內(nèi)煤層的含水率變化規(guī)律以及注水孔處煤樣由淺及深的含水率變化規(guī)律，得出其含水率隨著向煤體深入而逐漸增大的結(jié)論，并證明了煤礦深部煤層注水效果。劉忠峰等[5]研究了注水對(duì)煤體力學(xué)特性的改變規(guī)律，得出了煤體的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、抗剪強(qiáng)度等隨著注水含水率的增加而減小的結(jié)論，且證實(shí)了運(yùn)用預(yù)注水方法處理硬或中硬煤層，可以達(dá)到弱化煤體的目的。盛磊[6]研究了注水孔深度、注水孔間距、注水壓力等松散煤層工作面煤壁注水參數(shù)并在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，結(jié)果表明煤體能夠達(dá)到有效濕潤(rùn)范圍,注水后減少了煤壁片幫和冒頂。章夢(mèng)濤等[7]認(rèn)為煤層注水過程是水驅(qū)氣的驅(qū)替過程，是有動(dòng)界面的滲流力學(xué)問題，為此，進(jìn)一步研究了水在煤層中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為制定煤層注水防治沖擊地壓的工藝參數(shù)提供依據(jù)。薛霄飛[8]現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐了淺壁注水工藝，結(jié)果表明淺壁注水能夠在工作面前方形成一層抗剪強(qiáng)度較高的粘結(jié)層,可提高煤壁的整體性與穩(wěn)定性，片幫深度和影響范圍也大幅縮減。王珂[9]對(duì)煤樣進(jìn)行飽水煤巖單軸、三軸壓縮試驗(yàn)，得到飽和水狀態(tài)煤巖試件單軸抗壓、三軸抗壓強(qiáng)度以及彈性模量等力學(xué)參數(shù)均低于自然狀態(tài)下的煤巖試件，力學(xué)性能參數(shù)出現(xiàn)下降現(xiàn)象的結(jié)論，為煤層注水防災(zāi)減災(zāi)提供了有力的試驗(yàn)依據(jù)。

綜上所述，眾多學(xué)者對(duì)注水影響煤體內(nèi)在力學(xué)性質(zhì)的研究和試驗(yàn)考察表明，注水濕潤(rùn)煤體，可使煤的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生明顯變化，煤的彈性和強(qiáng)度減小，塑性增大，從而使壓力分布發(fā)生變化，即高壓力向煤體深部轉(zhuǎn)移，壓力集中系數(shù)減小。但對(duì)煤體所處的外部環(huán)境缺少結(jié)合，忽略了外部應(yīng)力對(duì)煤體注水卸壓效果的影響。本文分析了不同應(yīng)力環(huán)境下煤體注水卸壓效果產(chǎn)生較大差異的原因，揭示了高應(yīng)力環(huán)境下煤體注水應(yīng)力突降的機(jī)理，為分析煤體注水卸壓效果提供了一定的基礎(chǔ)。

1 工程概況

某礦工作面長(zhǎng)度300 m，主采煤層平均厚度5.3 m，單軸抗壓強(qiáng)度18 MPa，煤層層位穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，平均埋深580 m. 推采過程中，工作面前方煤體應(yīng)力監(jiān)測(cè)預(yù)警，隨即停采進(jìn)行煤體注水卸壓。工作面不同應(yīng)力條件下的注水卸壓過程出現(xiàn)了時(shí)間及應(yīng)力變化上的差異性。

工作面注水卸壓淺孔預(yù)警時(shí)煤體應(yīng)力12.7 MPa，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間(20 h)的注水卸壓，煤體應(yīng)力降至3.7 MPa；隨著工作面的推采，深孔預(yù)警時(shí)煤體應(yīng)力達(dá)到25 MPa，經(jīng)過短時(shí)間(0.5 h)的注水卸壓，煤體應(yīng)力突然降至5 MPa，期間伴有較大聲響。工作面煤體應(yīng)力預(yù)警位置示意圖見圖1，淺孔、深孔注水卸壓過程中的應(yīng)力變化趨勢(shì)見圖2，3.

圖1 工作面煤體應(yīng)力預(yù)警示意圖

圖2 淺孔煤體應(yīng)力變化圖

圖3 深孔煤體應(yīng)力變化圖

2 高應(yīng)力區(qū)煤體注水應(yīng)力突降機(jī)理

2.1 工作面微震數(shù)據(jù)分析

為了更完整地分析高應(yīng)力區(qū)煤體注水應(yīng)力突降的原因，調(diào)取了卸壓前3天到截止卸壓結(jié)束時(shí)間段內(nèi)的微震數(shù)據(jù)，得到的微震單次能量分布見圖4，微震單日頻次分布見圖5.

圖4 微震單次能量分布圖

圖5 微震單日頻次分布圖

由圖4可知，將6月26日—7月1日微震能量圖監(jiān)測(cè)結(jié)果整理后發(fā)現(xiàn)工作面6月26日、6月27日、6月29日、7月1日分別產(chǎn)生了(或接近)104J能量事件，見表1. 根據(jù)6月26日—7月1日微震頻次圖(圖5)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，工作面微震單日頻次呈先逐漸增高然后逐漸降低趨勢(shì)，其中，在6月27日微震頻次最高，為389次，在7月1日微震頻次最小，為68次。

表1 大能量事件表

2.2 工作面支架阻力數(shù)據(jù)分析

將工作面支架阻力的分布云圖和工作面支架阻力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到支架阻力云圖見圖6. 由圖6可知，在6月26日工作面發(fā)生大面積支架阻力突增現(xiàn)象，最高達(dá)到40 MPa. 對(duì)比微震事件，初步判斷6月26日工作面發(fā)生基本頂周期來壓，7月1日是基本頂周期來壓末段。

圖6 支架阻力云圖

2.3 高應(yīng)力區(qū)煤體注水應(yīng)力突降機(jī)理

工作面每次來壓前，煤體壓力呈上升趨勢(shì)，并由煤壁與淺部煤體同時(shí)承載頂板載荷，見圖7a)；來壓過后壓力逐漸下降，伴隨著頂板斷裂，載荷主要由煤壁位置承載，隨后進(jìn)入一定時(shí)間的穩(wěn)定期，直至下次來壓顯現(xiàn)，見圖7b).

圖7 來壓末段煤體應(yīng)力降低原理圖

高應(yīng)力區(qū)煤體注水應(yīng)力突降過程主要分為兩個(gè)階段：1) 當(dāng)發(fā)生周期來壓時(shí)頂板斷裂，工作面支架與頂板接觸剛性大，工作面支架及煤壁作為支點(diǎn)承受更大的壓力，從而使超前支承壓力得到緩解，出現(xiàn)煤體應(yīng)力降低。應(yīng)力降低的過程同時(shí)也是煤體中孔隙裂隙恢復(fù)的過程。2) 隨著孔隙裂隙的恢復(fù)，向高應(yīng)力煤體注水浸潤(rùn)、軟化了剛性煤體，使其向塑性轉(zhuǎn)變，在周期來壓末段殘余高應(yīng)力的作用下，已經(jīng)塑性化的煤體產(chǎn)生突然的大變形，釋放積累的能量并向深部剛性煤體轉(zhuǎn)移應(yīng)力，出現(xiàn)應(yīng)力突降現(xiàn)象，見圖7c).

低應(yīng)力區(qū)煤體應(yīng)力并沒有達(dá)到使注水煤體瞬間變形釋放能量的程度，在注水不斷進(jìn)行的情況下，煤體應(yīng)力緩慢降低，并沒有出現(xiàn)應(yīng)力突降現(xiàn)象。

3 注水效果驗(yàn)證

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況，煤體應(yīng)力于17:00左右突降，并伴隨著較大聲響。將工作面高應(yīng)力區(qū)注水時(shí)間段的微震監(jiān)測(cè)結(jié)果整理得到表2. 由表2可知，將高應(yīng)力區(qū)進(jìn)行煤體注水后，于16:59出現(xiàn)相對(duì)較大的微震能量事件。結(jié)果表明，煤體釋放能量、轉(zhuǎn)移應(yīng)力的瞬間產(chǎn)生小能量震動(dòng)事件，闡明了煤體注水過程中煤體應(yīng)力突降伴隨著較大聲響的原因。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，解釋了超前高應(yīng)力區(qū)煤層注水應(yīng)力突降機(jī)理。

表2 高應(yīng)力區(qū)注水過程中微震事件表

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 通過監(jiān)測(cè)不同孔深數(shù)據(jù)，對(duì)比分析了不同應(yīng)力環(huán)境下煤體注水效果產(chǎn)生差異性的原因。

2) 得出了高應(yīng)力環(huán)境下煤體注水應(yīng)力突降的機(jī)理：來壓末期，隨著煤體應(yīng)力的降低，煤體內(nèi)的孔隙、裂隙得到恢復(fù)；向高應(yīng)力煤體注水浸潤(rùn)、軟化了剛性煤體，使其向塑性轉(zhuǎn)變，在高應(yīng)力的作用下，已經(jīng)塑性化的煤體產(chǎn)生突然的大變形，釋放能量并向深部煤體轉(zhuǎn)移應(yīng)力，出現(xiàn)應(yīng)力突降現(xiàn)象。

3) 通過微震監(jiān)測(cè)、支架阻力數(shù)據(jù)確定了周期來壓的起始時(shí)間；通過微震數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)了煤體釋放能量、轉(zhuǎn)移應(yīng)力的瞬間產(chǎn)生小能量震動(dòng)事件，證實(shí)了超前高應(yīng)力區(qū)煤層注水應(yīng)力突降機(jī)理。