煤層注水防治沖擊地壓的應用

摘 要：通過研究煤層注水防治沖擊地壓的機理，提出了適合孫村煤礦煤層注水的參數，如注水壓力在4.5～8.0 MPa，注水時間為8 d，通過對孫村煤礦十一層煤進行注水，使具有中等以上沖擊傾向的十一層煤沖擊傾向減弱，達到了防治沖擊地壓的作用，并為煤礦今后的防治沖擊地壓提供了新的途徑和方法。

關鍵詞：煤層注水 注水工藝 注水參數 沖擊地壓

中圖分類號：TD32 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）12（a）-0084-01

近年來，隨著煤礦開采深度的增加，沖擊地壓災害的發生的頻率越來越多，強度也越來越大。目前，沖擊地壓成為國內外阻礙煤礦安全生產的主要絆腳石之一，雖然采取了一些防治沖擊地壓的措施如：鉆屑法、深孔爆破法、強制放頂、鉆孔泄壓等，但沖擊地壓問題卻逐年增多。采用注水方法，濕潤煤層，增加煤層的塑性可以預防沖擊地壓的發生，經過煤礦的實踐檢驗，確實是預防沖擊地壓發生的有效措施之一。

1 煤層注水預防沖擊地壓的機理

沖擊地壓是壓力超過煤巖體的強度極限，聚積在巷道周圍的煤巖體的能量突然釋放，由于煤巖體的變形局部變化而發生的失穩破壞現象，即：沖擊地壓與煤巖層的破壞方式有關。為防治沖擊地壓的發生，就要在達到煤巖層的破壞峰值強度之前，降低其應力集中，來達到防治沖擊地壓的目的。煤層中含有大量的裂隙和孔隙，當將高壓水注入煤層孔隙、裂隙的同時，煤層注水的破壞機理表現在以下幾個方面。

1.1 壓裂

壓力水進入煤層后，煤層內的水壓會不斷升高，當升高至煤層的垂直應力和水平應力時，就破壞了煤層的原始結構，從而達到破壞煤層的目的，預防了沖擊地壓的發生。

1.2 軟化

壓力水注入煤層后，與煤體接觸，促進了煤體的軟化，主要表現為吸附、水合和化合作用。

（1）吸附：煤體中的粘土礦物，粒徑小，表面積大，故能吸收大量的水分子，提高煤層的含水率，煤體強度降低，彈性模量降低，泊松比增大，從而使煤層的粘結力減小。

（2）水合：煤體中含有大量的粘土微粒，其表面積都帶有負電荷，經過水合作用，形成大量的正電荷，從而增加了煤體內部的分子斥力，破壞了煤的粘結力，因而煤層強度大大降低。

（3）化合：煤層中的黃鐵礦和壓力水發生反應產生硫酸，促進了鈣和碳酸鎂等的溶解作用，從而釋放了部分原巖應力。

1.3 驅替

當將水注入煤層的孔隙、裂隙之間，水逐漸將孔隙、裂隙中的氣體驅走，水就被煤層中的孔隙、裂隙的內外表面吸收，直至煤層全部為水所濕潤。這樣就在煤的表面形成一層水膜，經過復雜的物理化學反應，煤的性質發生了變化，煤體的塑性增強，沖擊傾向減小，尤其在水中添加表面活性劑的時候，效果更好。所以，對煤層注水，可以防治沖擊地壓。

2 注水參數與工藝

孫村煤礦十一煤，平均厚度1.52 m，煤質較硬，性脆，傾角11度，下距13層沒40 m左右；頂板為6～10 m的粉砂巖，淺灰色層理發育。41117與41118工作面長分別為128 m和135 m。

2.1 注水參數

（1）注水壓力。

注水壓力與煤層的埋深、上覆巖層的密度、煤層瓦斯壓力和煤體結構等因素有關，通過煤層注水的機理可以看出，煤層注水分為兩個階段，初期和后期。初期主要以壓裂和松動煤體為主，為后期濕潤軟化煤層提供更多的潤濕面，其注水眼里大于上覆巖層的靜水壓力；后期則以浸潤煤體為主，是煤體濕潤均勻。因此，在注水初期，其注水壓力為Pc，為：

Pc>Ph=γH （1）

式中：Pc為注水壓力，MPa；Ph為上覆巖層靜水壓力，MPa；H為埋深，以十一層煤為基準，取平均值700 m；γ為巖層容重，2.5 t/m3。則

Pc>17.5 MPa

后期濕潤煤體是，根據，孫村煤礦的實際情況，極限注水壓力P’c為

1.5Pt≤P ’c

式中：Pt為煤層瓦斯壓力，取該礦實測最大值；Pf為封孔器的工作壓力；該礦封孔器的最大工作壓力為8 MPa。則

4.5MPa≤P ’c<8 MPa。

（2）鉆孔布置。

根據煤層的滲透性，煤層的厚度，工作面長度及巷道布置等，最終確定煤層注水方式為雙向注水，即在工作面的上下順槽打致敬42 mm，的注水鉆孔，相向注水。注水孔深50 m，間隔10 m，距工作面最近的注水孔離工作面5 m左右，距離頂板0.76 m平行于煤層打孔。

（3）注水量及注水時間。

為使煤體充分濕潤，根據相關資料研究，注水后煤體水分質量分數應不低于5%，根據孫村煤礦煤體水分及煤層結構情況，每噸煤所需要注水量平均為0.03 m3左右。注水時間與注水速度成反比，與注水量成反比。根據張夢濤等研究，煤層注水的時間為：

（3）

通過式（3）計算，最終確定孫村煤礦的最少注水時間為8 d。

2.2 注水工藝

采用MT501-1996長鉆孔煤層注水法；采用封孔器封孔；注水用2BZ-40/12型脈沖式煤層注水泵。

3 應用效果

將煤層注水應用于41117和41118工作面，并進行煤層的沖擊傾向性實驗。實驗結果表明：注水后煤層的含水率明顯升高，一般有注水前的2%升到5%左右。

4 結論

（1）煤層注水通過壓裂、軟化煤體、驅替煤體中的氣體濕潤煤體，改變煤體強度，使煤體塑性增強，沖擊傾向減弱，從而可以防治沖擊地壓，改善回采工作面工作環境，是一項技術可行，經濟合理的安全措施。

（2）煤層注水技術作為當今煤礦井下較為成熟的治災技術，孫村煤礦對其運用，為該礦防治沖擊地壓探索出了新的途徑和方法，并為孫村煤礦今后的防災害工作提供了長遠的指導，社會經濟效益顯著。

（3）與其他地質災害防治技術相比，煤層注水技術工程量較小，施工工藝簡單，工效高，是一種安全、高效、經濟、適用的綜合防災措施，推廣運用前景十分廣闊。