煤層注水對沖擊礦壓的影響分析

摘 要：煤層注水壓簡單易行，是一種防治沖擊礦的有效方法，實驗室和現場研究結果表明：煤層注水影響煤的結構和強度，使煤體的物理力學性質發生了變化，使煤體的塑性變形增加，在有瓦斯的礦井，注水過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性，削弱了煤層發生沖擊礦壓的可能性。通過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，并通過現場實際應用，進一步闡述了煤層注水防治沖擊礦壓的作用機理。

關鍵詞：煤層注水；沖擊礦壓；沖擊傾向

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

隨著開采深度的增加，煤層壓力的增高，作為煤礦五大自然災害之一的沖擊礦井越來越突出。沖擊礦壓是煤巖體受載后發生變形，積蓄了大量的彈性能，當達到臨界狀態后，受外力干擾而發生的局部失穩破壞現象。這種破壞現象形成機理復雜，小到煤炮、煤層突出，大到劇烈的礦震，長期困擾著煤礦開采工作者，先后有不少學者提出了預防沖擊礦壓的理論方法，但沖擊礦壓時有發生，筆者主要從煤層注水前后影響沖擊礦壓各方面因素進行對比，得出了煤層注水預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。

1 煤層注水對煤的沖擊傾向的影響

煤層注水是將水通過鉆孔注入煤體內，水進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，使煤體的強度減小，塑性增大，煤層整體軟化，形成較長的破裂帶，破壞煤體的整體性，改變了煤體的應力狀態。在實驗室，對浸水煤樣和未浸水煤樣進行了壓力機試驗，得出了煤的應力-應變曲線如下圖1。

試驗結果表明，注水后煤體軟化，結構發生改變，強度明顯下降。在最大屈服強度時，煤體積蓄彈性能下降，破壞時釋放的能量就減小，大多以塑性變形方式來消耗自身積蓄的彈性能，產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，塑性區應力降低，彈性區應力增加，工作面前方破裂帶和卸壓帶增加，支承壓力向煤壁前方轉移，支承壓力峰值降低。對煤層注水進行的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分析結果見圖2。

3 煤體注水后鉆屑量的變化

鉆屑法是根據排出的煤粉量及其變化規律和有關動力效應，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，當單位長度排粉量超過標定值時，沖擊危險性提高。注水前對煤體進行鉆孔試驗，當鉆至5.4m時，孔內有煤炮聲，同時在鉆進的過程中出現了明顯的卡鉆動力現象，每米鉆屑量為33 L，注水后鉆孔鉆屑量約為注水前的2/5，進鉆過程中很少出現動力現象，說明煤體內應力狀態得到改善，沖擊危險性很小。對煤層注水前后進行鉆屑法檢測的結果見圖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，使煤層中可恢復彈性能減少，通過有限元分析，煤體注水能改變煤體內能量積聚和釋放在時間上的穩定性和空間上的均衡性，注水后煤壁前方的能量明顯減小，呈現出較均勻的分布，其分布情況見圖4。

5 實例分析

撫順龍風礦沖擊礦壓由來已久，在有嚴重沖擊危險的情況下對601東下段四煤門北翼東工作面進行煤體注水，注水后用鉆屑法檢測，結果表明鉆屑量顯著下降，基本上消除了沖擊礦壓的危險，使回采能夠順利進行。

6 結論

通過以上分析，煤體注水后可得出如下結論：

（1）煤的力學性質發生變化，不僅強度降低，而且塑性增加，即峰值降低，曲線變得平緩，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生。（2）降低應力集中程度，削弱沖擊礦壓發生的應力條件。數值分析顯示煤體注水前后支承壓力的變化，發現注水后支承壓力向煤壁深部轉移，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，鉆孔過程中動力現象減少，根據排出的煤粉量及其變化規律，遠低于可能發生沖擊礦壓的最大鉆屑量。（4）工作面煤壁松動，礦壓顯現程度降低，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變能突然釋放而導致的沖擊礦壓。

參考文獻：

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