唐口煤礦三階段動壓注水技術(shù)及工程應(yīng)用

李鵬宇 崔保閣

（山東唐口煤業(yè)有限公司，山東 濟(jì)寧 272055）

唐口煤業(yè)公司位于山東濟(jì)北礦區(qū)，工作面開采普遍處于千米以下。受地質(zhì)條件影響，唐口礦存在較大的沖擊地壓災(zāi)害隱患[1-2]。為了防治沖擊地壓，唐口礦采用了煤層注水措施[3-5]。為了提高煤層注水的效率及效果，本文基于唐口煤層注水?dāng)?shù)據(jù)分析，提出合理的工藝優(yōu)化方案及監(jiān)控方案。

1 煤層注水卸壓

1.1 礦井概況

礦井共設(shè)計10 個采區(qū)，目前生產(chǎn)采區(qū)分別為430、530、630、930 采區(qū)，開拓采區(qū)為730、1030采區(qū)。安排4 個采煤工作面生產(chǎn)，分別為5306 綜采工作面、6304 綜放工作面、4307 綜采工作面及9308 充填工作面，1 個回撤工作面為3313 工作面，1 個安裝工作面為5307 工作面。安排12 個掘進(jìn)工作面生產(chǎn)，其中4 個煤巷掘進(jìn)工作面，分別為6308軌道順槽、6308 皮順2#探巷、4303 軌道順槽、4303 皮帶順槽；7 個巖巷掘進(jìn)工作面，分別為5307回風(fēng)道、1030 軌道集中巷、1030 回風(fēng)集中巷、南部集中回風(fēng)巷、南部集中回風(fēng)巷里段反掘、南部集中回風(fēng)巷外段反掘、730 采區(qū)水倉；1 個工程頭為南北翼大煤倉。

根據(jù)2018 年采掘接續(xù)情況，工作面埋深在643～1130 m 之間，530 采區(qū)、630 采區(qū)的煤層平均埋深均在950 m 左右，730 采區(qū)埋深達(dá)到1130 m。煤層埋深較大，受垂直應(yīng)力影響，具有發(fā)生沖擊地壓的可能性。

1.2 煤層注水卸壓原理

煤層預(yù)注水主要的施工地點是已經(jīng)開挖完成的回采巷道內(nèi)或者與其相鄰的巷道內(nèi)，一般是在對煤層進(jìn)行開采工作之前，對煤層進(jìn)行全方位、長時壓力注水。煤層注水分為靜壓注水和高壓注水壓裂兩種技術(shù)。

煤層靜壓注水的主要作用是改變煤的物理力學(xué)性質(zhì)，以此減弱或者消除煤層的沖擊危險性，這是利用壓力水的物理化學(xué)作用來實現(xiàn)的。試驗結(jié)果證明，當(dāng)煤系地層巖層含水量提高時，其單軸抗壓強(qiáng)度相應(yīng)地會有所降低，并且當(dāng)煤的含水率增加時，煤的強(qiáng)度與沖擊傾向指數(shù)WET 也會有所降低，可用關(guān)系式表達(dá)如公式（1）：

式中：WET為注水后煤層的沖擊傾向性指數(shù)；WET0為自然狀態(tài)下煤層的沖擊傾向性指數(shù)；ΔW為含水率。

當(dāng)煤體硬度較大，通過實施大直徑鉆孔不足以削弱煤體積聚沖擊應(yīng)力和能量的能力時，可對鉆孔高壓注水，以壓裂煤體，人為降低煤體結(jié)構(gòu)的完整性。

在高壓水的作用下，鉆孔周圍的煤體會發(fā)生劈裂從而產(chǎn)生弱面和裂隙，然后在水的持續(xù)切割作用下，煤體內(nèi)部弱面和裂隙會逐步擴(kuò)展和延伸，當(dāng)它們擴(kuò)展到一定程度就會形成多裂縫網(wǎng)絡(luò)，如圖1 所示。單個鉆孔的裂隙網(wǎng)絡(luò)和相鄰鉆孔的裂隙網(wǎng)絡(luò)彼此貫通，煤體被分割成眾多塊體，當(dāng)應(yīng)力超過煤塊之間的滑動摩擦力后，煤塊之間彼此發(fā)生滑動，消耗積聚的應(yīng)力和能量。因此，應(yīng)力和能量很難在經(jīng)過水力壓裂后的煤體中積聚起來，從而起到防治巷道大變形和沖擊地壓的作用。

圖1 高壓注水下鉆孔裂隙發(fā)展示意圖

高壓水的注入會改變壓裂區(qū)域地應(yīng)力的分布狀態(tài)，打破原巖地應(yīng)力的平衡。煤巖體的破裂會使壓裂區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力均化的效果，使得支承壓力峰值向深部轉(zhuǎn)移，從而降低被壓裂區(qū)域煤層的沖擊危險性。

1.3 注水防沖效果

為對注水后煤層的沖擊傾向性進(jìn)行分析研究，在唐口煤礦進(jìn)行了煤層浸水性試驗。試驗結(jié)果表明，在對煤層進(jìn)行注水后，多數(shù)煤體的沖擊傾向性有了明顯的降低。對于煤層動態(tài)破壞時間，當(dāng)煤層浸水10 d 后，相較原來，煤體的動態(tài)破壞時間下降了67%，但之后隨著煤層浸水時間的增長，動態(tài)破壞時間又呈現(xiàn)增大的趨勢，并且煤層沖擊能量指數(shù)也呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，兩者隨浸水時間的變化規(guī)律有著明顯的關(guān)聯(lián)性。同樣是在第10天時，煤層沖擊能量指數(shù)會有一個明顯的增大，但之后又逐漸減小，并最終在較低的狀態(tài)保持穩(wěn)定。隨著煤巖體浸水時間的增長，煤巖體的單軸抗壓強(qiáng)度、沖擊能量指數(shù)和彈性能量指數(shù)逐漸減小，如圖2。

圖2 浸水時間與沖擊傾向性指標(biāo)的關(guān)系曲線

2 三階段動壓注水工藝

對于降低煤層沖擊傾向性這一方面，煤層注水可以有一個比較好的效果，但在前期開展煤層注水工作過程中，存在注水量少、封孔效果差、堵孔、漏水等多個問題，為此提出了“兩堵一注分段封孔技術(shù)”和“三堵一注分段高壓注漿技術(shù)”，如圖3。

圖3 三堵一注分段封孔技術(shù)

在注水工藝方面，與常規(guī)的動壓與靜壓二階段注水不同，實施了“靜-動-靜”三階段注水方式，即第一階段靜壓注水濕潤，第二階段動壓壓裂擴(kuò)展裂隙，第三階段靜壓浸泡飽和。此三階段注水工藝能夠有效提高煤層含水率，同時更有效地破壞煤體的整體性，使其脆性減弱、塑性增強(qiáng)，從而降低煤層的沖擊傾向性。根據(jù)現(xiàn)場兩個相似工作面的監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，三階段注水使煤層含水率提高了2.5%，微震總能量降低820 kJ，微震頻次降低232 次。

3 煤層注水自動化監(jiān)控系統(tǒng)

在注水設(shè)備及監(jiān)測方面，采用目前的機(jī)械設(shè)備和方法進(jìn)行煤層注水需要耗費相當(dāng)長的時間，過程中使用的人工多，管理的難度也大，并且往往無法達(dá)到注水過程中精確掌控注水壓力和注水量的效果。由此，開發(fā)了一種煤層注水自動監(jiān)控設(shè)備及方法，實現(xiàn)了注水過程的集中監(jiān)控，從而大大減少了煤層注水所需要的人工，并且大大提高了裝備的工作效能。

該高壓水力致裂煤層注水系統(tǒng)包括多個注水單元，可以同時實現(xiàn)對煤層多處位置進(jìn)行注水。在加壓泵的進(jìn)水處連接的管路為靜壓注水管道，在其出水處連接的管路為動壓注水管路。兩種類型的注水管路都與注水單元的管路部分相連，控制箱連接并控制著每個注水單元開關(guān)以及加壓泵。對煤層注水的監(jiān)控方法主要是利用各種傳感器來監(jiān)測，首先在注水鉆孔的周圍鉆出用于數(shù)據(jù)監(jiān)測的鉆孔，然后在其中放入傳感器來實現(xiàn)對煤層注水過程的監(jiān)測。傳感器主要監(jiān)測的是煤層的實時狀態(tài)。

在高壓水力致裂煤層注水系統(tǒng)及注水自動化監(jiān)控方法中，系統(tǒng)中存在靜壓、動壓兩種類型的注水管路，因此系統(tǒng)可以同時采用動壓和靜壓兩種注水方式，實現(xiàn)組合水壓的方式對煤層進(jìn)行注水。設(shè)備中的傳感器可以監(jiān)測注水的壓力和注水量，實現(xiàn)對整個注水過程的精準(zhǔn)掌控，從而提高煤層注水的防沖效果。系統(tǒng)每個注水單元均安裝流量計，可以精確監(jiān)測煤層注水各單元的注水量。注水煤層中的濕度傳感器可以反饋注水過程中煤層的濕度，通過其得到煤層具體數(shù)據(jù)來分析煤層注水的現(xiàn)場情況。同時，每個注水單元安裝了壓力傳感器，加壓泵加壓單元的進(jìn)水和出水管路上也分別設(shè)置了壓力傳感器，從而可以分析整個注水過程是否發(fā)生故障，例如加壓泵缺水和漏水情況。

4 結(jié)論

（1）多數(shù)煤層的沖擊傾向性在注水后會明顯降低，并且隨著煤層注水時間的延長，沖擊能量指數(shù)呈先增大后減小的趨勢，并最終在較低的狀態(tài)保持穩(wěn)定。

（2）相比常規(guī)的二階段注水，“靜-動-靜”三階段注水方式更有效地降低了煤層的沖擊傾向性。本文所提出的煤層注水自動化監(jiān)控裝置及方法，在注水壓力和注水量方面能實現(xiàn)精確掌控，并且可以更方便地監(jiān)測煤層數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了注水過程的集中監(jiān)控，減少了施工人員，提高了設(shè)備工作效能。