唐口煤礦三階段動壓注水技術及工程應用

李鵬宇 崔保閣

（山東唐口煤業有限公司，山東 濟寧 272055）

唐口煤業公司位于山東濟北礦區，工作面開采普遍處于千米以下。受地質條件影響，唐口礦存在較大的沖擊地壓災害隱患[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數據分析，提出合理的工藝優化方案及監控方案。

1 煤層注水卸壓

1.1 礦井概況

礦井共設計10 個采區，目前生產采區分別為430、530、630、930 采區，開拓采區為730、1030采區。安排4 個采煤工作面生產，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 個掘進工作面生產，其中4 個煤巷掘進工作面，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 個巖巷掘進工作面，分別為5307回風道、1030 軌道集中巷、1030 回風集中巷、南部集中回風巷、南部集中回風巷里段反掘、南部集中回風巷外段反掘、730 采區水倉；1 個工程頭為南北翼大煤倉。

根據2018 年采掘接續情況，工作面埋深在643～1130 m 之間，530 采區、630 采區的煤層平均埋深均在950 m 左右，730 采區埋深達到1130 m。煤層埋深較大，受垂直應力影響，具有發生沖擊地壓的可能性。

1.2 煤層注水卸壓原理

煤層預注水主要的施工地點是已經開挖完成的回采巷道內或者與其相鄰的巷道內，一般是在對煤層進行開采工作之前，對煤層進行全方位、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。

煤層靜壓注水的主要作用是改變煤的物理力學性質，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作用來實現的。試驗結果證明，當煤系地層巖層含水量提高時，其單軸抗壓強度相應地會有所降低，并且當煤的含水率增加時，煤的強度與沖擊傾向指數WET 也會有所降低，可用關系式表達如公式（1）：

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

當煤體硬度較大，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，人為降低煤體結構的完整性。

在高壓水的作用下，鉆孔周圍的煤體會發生劈裂從而產生弱面和裂隙，然后在水的持續切割作用下，煤體內部弱面和裂隙會逐步擴展和延伸，當它們擴展到一定程度就會形成多裂縫網絡，如圖1 所示。單個鉆孔的裂隙網絡和相鄰鉆孔的裂隙網絡彼此貫通，煤體被分割成眾多塊體，當應力超過煤塊之間的滑動摩擦力后，煤塊之間彼此發生滑動，消耗積聚的應力和能量。因此，應力和能量很難在經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展示意圖

高壓水的注入會改變壓裂區域地應力的分布狀態，打破原巖地應力的平衡。煤巖體的破裂會使壓裂區域產生應力均化的效果，使得支承壓力峰值向深部轉移，從而降低被壓裂區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行分析研究，在唐口煤礦進行了煤層浸水性試驗。試驗結果表明，在對煤層進行注水后，多數煤體的沖擊傾向性有了明顯的降低。對于煤層動態破壞時間，當煤層浸水10 d 后，相較原來，煤體的動態破壞時間下降了67%，但之后隨著煤層浸水時間的增長，動態破壞時間又呈現增大的趨勢，并且煤層沖擊能量指數也呈現出先增大后減小的變化趨勢，兩者隨浸水時間的變化規律有著明顯的關聯性。同樣是在第10天時，煤層沖擊能量指數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保持穩定。隨著煤巖體浸水時間的增長，煤巖體的單軸抗壓強度、沖擊能量指數和彈性能量指數逐漸減小，如圖2。

圖2 浸水時間與沖擊傾向性指標的關系曲線

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”和“三堵一注分段高壓注漿技術”，如圖3。

圖3 三堵一注分段封孔技術

在注水工藝方面，與常規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，從而降低煤層的沖擊傾向性。根據現場兩個相似工作面的監測數據對比，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 煤層注水自動化監控系統

在注水設備及監測方面，采用目前的機械設備和方法進行煤層注水需要耗費相當長的時間，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，開發了一種煤層注水自動監控設備及方法，實現了注水過程的集中監控，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包括多個注水單元，可以同時實現對煤層多處位置進行注水。在加壓泵的進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以及加壓泵。對煤層注水的監控方法主要是利用各種傳感器來監測，首先在注水鉆孔的周圍鉆出用于數據監測的鉆孔，然后在其中放入傳感器來實現對煤層注水過程的監測。傳感器主要監測的是煤層的實時狀態。

在高壓水力致裂煤層注水系統及注水自動化監控方法中，系統中存在靜壓、動壓兩種類型的注水管路，因此系統可以同時采用動壓和靜壓兩種注水方式，實現組合水壓的方式對煤層進行注水。設備中的傳感器可以監測注水的壓力和注水量，實現對整個注水過程的精準掌控，從而提高煤層注水的防沖效果。系統每個注水單元均安裝流量計，可以精確監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據來分析煤層注水的現場情況。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水和出水管路上也分別設置了壓力傳感器，從而可以分析整個注水過程是否發生故障，例如加壓泵缺水和漏水情況。

4 結論

（1）多數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，沖擊能量指數呈先增大后減小的趨勢，并最終在較低的狀態保持穩定。

（2）相比常規的二階段注水，“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控裝置及方法，在注水壓力和注水量方面能實現精確掌控，并且可以更方便地監測煤層數據，實現了注水過程的集中監控，減少了施工人員，提高了設備工作效能。