超前高應力區煤層注水應力突降機理研究

呂玉磊，白俊杰，鄭 波

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

煤礦井下開采會在煤壁前方附近形成超前支承壓力[1]，當超前支承壓力累積到一定程度，容易造成巷幫大變形，甚至誘發沖擊地壓災害，影響煤礦安全生產。煤層注水卸壓技術在煤礦的應用越來越廣泛，其安全、環保且具有有效降低煤體應力的作用。

眾多學者對煤層注水降低煤體高應力的機理進行了研究：閆立宏等[2]對煤浸水后的力學性質進行了試驗研究，得出了煤浸水后，其強度降低，變形量增加的結論。范家文等[3]以煤層注水對煤層力學特性的影響為基礎，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內煤層的含水率變化規律以及注水孔處煤樣由淺及深的含水率變化規律，得出其含水率隨著向煤體深入而逐漸增大的結論，并證明了煤礦深部煤層注水效果。劉忠峰等[5]研究了注水對煤體力學特性的改變規律，得出了煤體的單軸抗壓強度、彈性模量、抗剪強度等隨著注水含水率的增加而減小的結論，且證實了運用預注水方法處理硬或中硬煤層，可以達到弱化煤體的目的。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并在現場應用，結果表明煤體能夠達到有效濕潤范圍,注水后減少了煤壁片幫和冒頂。章夢濤等[7]認為煤層注水過程是水驅氣的驅替過程，是有動界面的滲流力學問題，為此，進一步研究了水在煤層中的運動規律，為制定煤層注水防治沖擊地壓的工藝參數提供依據。薛霄飛[8]現場實踐了淺壁注水工藝，結果表明淺壁注水能夠在工作面前方形成一層抗剪強度較高的粘結層,可提高煤壁的整體性與穩定性，片幫深度和影響范圍也大幅縮減。王珂[9]對煤樣進行飽水煤巖單軸、三軸壓縮試驗，得到飽和水狀態煤巖試件單軸抗壓、三軸抗壓強度以及彈性模量等力學參數均低于自然狀態下的煤巖試件，力學性能參數出現下降現象的結論，為煤層注水防災減災提供了有力的試驗依據。

綜上所述，眾多學者對注水影響煤體內在力學性質的研究和試驗考察表明，注水濕潤煤體，可使煤的力學性質發生明顯變化，煤的彈性和強度減小，塑性增大，從而使壓力分布發生變化，即高壓力向煤體深部轉移，壓力集中系數減小。但對煤體所處的外部環境缺少結合，忽略了外部應力對煤體注水卸壓效果的影響。本文分析了不同應力環境下煤體注水卸壓效果產生較大差異的原因，揭示了高應力環境下煤體注水應力突降的機理，為分析煤體注水卸壓效果提供了一定的基礎。

1 工程概況

某礦工作面長度300 m，主采煤層平均厚度5.3 m，單軸抗壓強度18 MPa，煤層層位穩定，結構簡單，平均埋深580 m. 推采過程中，工作面前方煤體應力監測預警，隨即停采進行煤體注水卸壓。工作面不同應力條件下的注水卸壓過程出現了時間及應力變化上的差異性。

工作面注水卸壓淺孔預警時煤體應力12.7 MPa，經過長時間(20 h)的注水卸壓，煤體應力降至3.7 MPa；隨著工作面的推采，深孔預警時煤體應力達到25 MPa，經過短時間(0.5 h)的注水卸壓，煤體應力突然降至5 MPa，期間伴有較大聲響。工作面煤體應力預警位置示意圖見圖1，淺孔、深孔注水卸壓過程中的應力變化趨勢見圖2，3.

圖1 工作面煤體應力預警示意圖

圖2 淺孔煤體應力變化圖

圖3 深孔煤體應力變化圖

2 高應力區煤體注水應力突降機理

2.1 工作面微震數據分析

為了更完整地分析高應力區煤體注水應力突降的原因，調取了卸壓前3天到截止卸壓結束時間段內的微震數據，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日微震能量圖監測結果整理后發現工作面6月26日、6月27日、6月29日、7月1日分別產生了(或接近)104J能量事件，見表1. 根據6月26日—7月1日微震頻次圖(圖5)監測結果可知，工作面微震單日頻次呈先逐漸增高然后逐漸降低趨勢，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 工作面支架阻力數據分析

將工作面支架阻力的分布云圖和工作面支架阻力數據進行分析，得到支架阻力云圖見圖6. 由圖6可知，在6月26日工作面發生大面積支架阻力突增現象，最高達到40 MPa. 對比微震事件，初步判斷6月26日工作面發生基本頂周期來壓，7月1日是基本頂周期來壓末段。

圖6 支架阻力云圖

2.3 高應力區煤體注水應力突降機理

工作面每次來壓前，煤體壓力呈上升趨勢，并由煤壁與淺部煤體同時承載頂板載荷，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，隨后進入一定時間的穩定期，直至下次來壓顯現，見圖7b).

圖7 來壓末段煤體應力降低原理圖

高應力區煤體注水應力突降過程主要分為兩個階段：1) 當發生周期來壓時頂板斷裂，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承受更大的壓力，從而使超前支承壓力得到緩解，出現煤體應力降低。應力降低的過程同時也是煤體中孔隙裂隙恢復的過程。2) 隨著孔隙裂隙的恢復，向高應力煤體注水浸潤、軟化了剛性煤體，使其向塑性轉變，在周期來壓末段殘余高應力的作用下，已經塑性化的煤體產生突然的大變形，釋放積累的能量并向深部剛性煤體轉移應力，出現應力突降現象，見圖7c).

低應力區煤體應力并沒有達到使注水煤體瞬間變形釋放能量的程度，在注水不斷進行的情況下，煤體應力緩慢降低，并沒有出現應力突降現象。

3 注水效果驗證

根據現場施工情況，煤體應力于17:00左右突降，并伴隨著較大聲響。將工作面高應力區注水時間段的微震監測結果整理得到表2. 由表2可知，將高應力區進行煤體注水后，于16:59出現相對較大的微震能量事件。結果表明，煤體釋放能量、轉移應力的瞬間產生小能量震動事件，闡明了煤體注水過程中煤體應力突降伴隨著較大聲響的原因。根據監測結果和現場實際情況，解釋了超前高應力區煤層注水應力突降機理。

表2 高應力區注水過程中微震事件表

4 結 語

1) 通過監測不同孔深數據，對比分析了不同應力環境下煤體注水效果產生差異性的原因。

2) 得出了高應力環境下煤體注水應力突降的機理：來壓末期，隨著煤體應力的降低，煤體內的孔隙、裂隙得到恢復；向高應力煤體注水浸潤、軟化了剛性煤體，使其向塑性轉變，在高應力的作用下，已經塑性化的煤體產生突然的大變形，釋放能量并向深部煤體轉移應力，出現應力突降現象。

3) 通過微震監測、支架阻力數據確定了周期來壓的起始時間；通過微震數據分析發現了煤體釋放能量、轉移應力的瞬間產生小能量震動事件，證實了超前高應力區煤層注水應力突降機理。