注水在煤层开采过程中的作用及影响

范家文,赵 东,吴金贵,冯增朝

(1.太原理工大学矿业工程学院,山西太原 030024;2.山西煤炭运销集团,山西太原 030024;3.华晋焦煤集团,山西柳林 046000)

注水在煤层开采过程中的作用及影响

范家文1,2,赵 东1,吴金贵3,冯增朝1

(1.太原理工大学矿业工程学院,山西太原 030024;2.山西煤炭运销集团,山西太原 030024;3.华晋焦煤集团,山西柳林 046000)

为研究注水在煤层开采过程中的作用及影响,以煤层注水对煤层力学特性的影响为基础,分析总结煤层注水在抑制瓦斯突出和瓦斯解吸、软化中硬顶煤、防治煤尘和减缓冲击倾向中的作用。结果表明：矿井注水后瓦斯的喷出频率比未注水时降低了 56.4%;含瓦斯煤体在 4MPa高压水的浸泡作用下,解吸率比未浸泡时降低了 80%左右;注水使顶煤的采出率提高 9%左右;长时 (48h以上)注水可以使煤尘产出率降低 20%;注水使矿井的冲击倾向降低一个等级。

煤层注水;瓦斯突出与解吸;煤尘;中硬顶煤;冲击矿压

由于煤层注水具有防治冲击矿压、防止瓦斯突出、防治煤尘及软化中硬煤层等作用,因此,一直被国内外多数矿井广泛使用。上世纪中期的多数研究证实,在煤层中高压注水,可以有效抑制矿井煤与瓦斯突出,60年代阳泉矿务局采用前苏联的方法曾进行过煤层注水对矿井突出抑制效应影响的工业试验,然而由于没有相关的可靠实验数据支持,这一方法一直没有被广泛推广及再研究。随着近年来,涌现出大批的高瓦斯矿井,作为促进高瓦斯矿井有效开采的煤层注水法又重新被提上日程并加以重视,而且一些相关的实验室研究也同样证实煤层注水可以有效抑制煤层气的解吸,因此,有必要将煤层注水对其开采过程的作用及影响加以分析,从而深化煤层注水的相关理论,为煤层注水的大范围实施提供相应的理论指导[2-12]。

1 煤层注水的力学作用

1.1 水力学特性分析

对煤层的注水效应主要取决于煤体对水的渗透特性,太原理工大学采矿工艺研究所在上世纪 90年代曾对全国 20多个矿井的煤层煤样进行了渗透系数规律的测定研究,测定方法是模拟实际储层煤体对不同压力水流的渗透规律,煤样选取较大尺寸100mm×100mm×200mm的长方体试件,通过大量实验得出煤体对水所遵循的渗透系数规律[2]：

式中,K为渗透系数,m/d;Θ为体积应力σx+σy+σz,MPa;P为孔隙压,MPa;a,b,c均为实验拟合常数。

由式 (1)可以看出,煤体的渗透系数受孔隙压与体积应力影响十分显著,说明煤层注水对煤体的渗透性影响及改性主要取决于注水压力与煤的实际赋存深度。

在不渗透的作用下,水在实际储层煤体中的作用遵循修正的太沙基有效应力规律[1]：

等效孔隙压系数 a随体积应力与空隙压 p呈指数规律变化,即：

式中,σ′为有效应力,MPa;σ为外部应力,MPa;δ为局部变形,%;A为拟合常数。公式 (3)证实注水可以降低煤层原始的体积应力,这样就可以间接起到煤层卸压的效果,因此,煤层注水对预防一系列由于煤体原始压力过高,而引起的矿井灾害事故具有理论上的抑制作用。

1.2 水对煤层力学特性的影响

阜新矿业学院朱之芳等曾对煤样浸水软化特性进行了实验研究,得出煤样在饱和含水以后,其强度和弹性模量均有不同程度的降低,下降幅度基本符合以下关系式[1]：

式中,σc,E分别为煤体单轴抗压强度和弹性模量;Wc,p分别为煤体饱和含水率和孔隙水压;a,b为各自的拟合常数。说明煤层注水可以软化煤体、增加煤体塑性,有效降低由于应变能突然释放导致的各类煤矿事故。

2 煤层注水防治瓦斯突出

用于防治煤层瓦斯突出的注水措施和方法与一般的煤层注水方法相同,可以分为深孔注水与浅孔注水 2种类型。依据煤层注水防治瓦斯突出的机理,主要有以下方面：

(1)软化煤体 煤层注水后,水沿着煤体中的孔隙与裂隙流动,并且充满了所有的空隙空间。经过一段时间作用后,软化了煤体,使煤体由脆性破坏转化为塑性破坏,改变了煤体的全程应力应变曲线形态,使煤体的冲击倾向显著降低[3,13]。也即使得煤体应力应变曲线的弹性能积累量与发生突出时煤体的消耗能量相当或小于消耗能量,从而大大地削弱了煤体突出时的能量。这是注水防治突出的主要机理之一,并已为大量实践所证实[1,9]。

(2)驱赶瓦斯作用 向含有一定瓦斯压力的煤层中注水,实际是涉及固 -气 -液三相耦合作用的复杂问题。在未向煤层注水之前,煤体中的空隙被瓦斯所充满,瓦斯以吸附形式附着于空隙表面,以游离形式存在于空隙空间。煤体瓦斯的研究表明,在空隙瓦斯压相对低时 (2.0～3.0MPa),瓦斯总量的 90%以上以吸附形式存在于煤体中,而且这一部分瓦斯的解吸时间需要 5～6h以上。因此,当向煤层注水时,由于空隙的水压高于瓦斯压力而迫使游离于空隙中的瓦斯向自由空间运移,从而降低了煤层中的瓦斯含量,这一结果已为许多观测结果所证实[1,10]。

(3)降低煤层瓦斯的放散初速度 例如阳泉一矿浅孔煤壁注水提高了煤层水分,在 8081综采面注水前后煤样化验,煤层水分由 1.6%平均增至 2.45%。取煤样进行湿煤瓦斯解吸扩散试验表明,注水后湿煤的瓦斯放散速度较干燥,降低了 69.63%,由于煤体湿润降低了其发生瓦斯突出时,大量吸附瓦斯解吸提供的能量来源,从而降低了煤体与瓦斯突出的危险性[3],具体实验结果如表 1所示。

(4)煤壁破碎带加宽 由于注水后的力学作用使煤体强度降低,应力峰值区域向煤壁深部转移,在实际工程中,无论是深孔预注水方案还是煤壁浅孔注水方案,设计的注水参数都应使煤壁前方支承压力峰值位置在煤壁前方 4～5m以上,方可较好地阻止瓦斯的突出[3,10]。

表1 阳泉一矿干、湿采区瓦斯喷出和压出情况[3]

3 煤体注水抑制瓦斯解吸实验

矿井的瓦斯突出归根结底是大量吸附于煤层中的瓦斯气体由于应力的突然降低导致的快速解吸并大量喷出的现象,煤层注水防治瓦斯突出的机理就是煤体注水抑制瓦斯的解吸。从实验条件下的吸附到解吸以及吸附后的高压注水再解吸入手,通过对比注入高压水后的瓦斯解吸规律与未注水的变化,得出注水抑制瓦斯解吸的实验依据,对工程中煤层注水防治瓦斯突出提供一定的参考。

常温下干燥煤样注水前、后的解吸对比曲线如图 1所示。

由图 1可以看出无论是解吸量还是解吸速率,注水前远远大于注水后,注水前的解吸规律与吸附基本一致,都是先快后慢最后趋于平衡的过程;但注水后的解吸规律 200min内是线性增长,而后逐渐缓慢上升,整个过程没有出现明显的解吸平衡。这说明在相同的解吸时间内,常温下注水前的解吸比较彻底,解吸达到一定的比率后趋于平衡,不再有气体解吸;而注水后的解吸由于受到高压水的浸泡,而使水渗入到煤样的裂隙通道中使吸附在其中的气体无法解吸出来,形成孔隙压力与外界大气压的压力差,随着时间的推移,其中的气体由于压力梯度的作用逐渐缓慢释放出来,但由于水在裂隙中的毛细作用力和表面张力,使得释放出来的气体只占吸附气体的很少一部分。结果得出,注水前的解吸量是注水后的 5.4倍,与吸附总量相比较,注水前的解吸率是 62.3%,注水后的是 11.5%。此实验充分说明,一定压力下的水对煤体的长时间浸泡,可以极有效地抑制瓦斯解吸,通过注水浸泡使得解吸率比未注水时降低了 80%左右[14]。

图1 常温下干燥煤样注水前、后解吸对比

4 煤层注水软化中硬顶煤

4.1 原理及研究概况

依据水对煤体力学特性的影响作用,采用煤层注水软化中硬顶煤,是一项提高放顶煤采出率的重要举措[4]。实验室条件下煤体的浸水与注水试验得出的软化系数结果如表 2所示。1988年山西矿业学院研究小组通过大量而详细的煤体水力学特性试验,提出了潞安矿务局王庄煤矿 3号煤层 4309工作面煤层注水的软化顶煤方案。经过 1988年至1992年试采,成功地实现了中硬放顶煤开采,并很快在潞安矿务局得以推广[4,8]。

4.2 注水软化中硬顶煤效果分析

试验平均注水量为9.1 t/m,顶煤取样实测水分为 2.35%,比原煤提高 0.69%,依据公式 (4),煤体强度降低为 11.98MPa,采用三刀间隔分段放顶煤回采工艺,顶煤放出率为 75.2%。而后的进一步试验,平均注水量为 16.8t/m,顶煤实测注水后含水率为 2.71%,顶煤强度降低为 9.5MPa,即煤层坚固性系数 f＜1.0,仍采用如上回采工艺,顶煤放出率提高至 78.97%。由于平均注水量由9.1t/m提高至 16.8t/m,顶煤实测含水率由2.35%提高至 2.71%,煤体强度由 11.98MPa降至9.575MPa,顶煤回收率由 75.2%提高至 78.97%,如果在回采工艺上选择二刀间隔分段放煤,可使顶煤回收率达到 84.2%。由此可得,煤层注水对中硬煤层顶煤的破碎与放落起了关键作用。

表2 煤样软化系数[4,6,8]

5 煤层注水防治煤尘

5.1 机理分析

煤是孔隙裂隙双重介质,当水通过裂隙进入孔隙并吸附在孔隙表面时,表现为三方面的降尘作用[3,12]：

(1)湿润了煤体内的原生煤尘 煤体内各类裂隙中都存在着原生煤尘,随煤体的破碎而飞扬于矿井空气中。水进入裂隙后,可使其中的原生煤尘在煤体破碎前预先湿润,使其失去飞扬的能力,从而有效地消除了这一尘源[12]。

(2)有效地包裹了煤体的每一个部分 水进入煤体各类裂隙、孔隙之中,不仅在较大的构造裂隙、层理、节理中有水存在,而且在极细微的孔隙中都有水注入,甚至在 1μm以下的微孔隙中充满了毛细水,使整个煤体有效地被水所包裹起来。当煤体在开采中受到破碎时,因为水的存在消除了细粒煤尘的飞扬,即使煤体破碎得极细,渗入细微孔隙的水也能使之都预先湿润,达到预防浮游煤尘产生的目的[14]。

(3)改变了煤体的物理力学性质 水进入煤体后,湿润的煤炭塑性增强,脆性减弱。当煤炭受外力作用时,许多脆性破碎变为塑性形变,因而大量减少了煤炭破碎为尘粒的可能性,降低了煤尘的产生量[15]。

5.2 实地应用效果分析

通过对抚顺胜利矿浸水后的煤样进行物理力学性质的研究,得出当湿煤样试块水分增加值为0.58%～0.75%时,其垂直于层理面方向的单向压缩变形量比干煤样增加 13.4%～14.5%,另外对浸水后煤试样还作了落锤破碎试验,用 0.5mm筛下的碎末重量与煤样总质量之比作为煤炭破碎性能的对比指标,其结果也证明了浸水后的湿煤塑性韧性增大,脆性减弱,受冲击时减少了煤炭破碎程度,结果如表 3所示,由实验结果可知,煤炭浸湿后水分增值达 1%以上时,筛下煤百分比数值比干煤降低 5.9%～12.24%[1]。

表3 胜利矿浸水煤样力学性质试验结果[1,5]

6 煤层注水减缓冲击倾向试验

冲击矿压是矿山坑道 (井巷或采场)周围岩体 (矿体和围岩)在其力学平衡状态失稳破坏时,矿体围岩系统积聚的巨大弹性能突然释放,而产生的一种以急剧、猛烈的破坏为特征的动力现象[9]。

在大同忻州窑矿进行煤层注水防治冲击矿压的工业性试验。该矿位于大同煤田东北部,开采侏罗纪煤层,含煤 20层,可采 12层,由于开采方式采用刀柱法,使上覆煤层开采后残留大量煤柱,致使下层煤经常造成应力集中产生冲击矿压,在 3号煤层某一工作面采用预注水再开采的方式,与未注水区域的对比结果如表 4所示,说明注水降低了煤层的冲击倾向,由中等降低为弱冲击倾向;使煤的强度降低了 17.6%;使煤层平均含水率增加了1.55%,由于注水后的煤体被塑化,弹性效能降低,从而使冲击矿压危险强度减弱[7]。

表4 注水效果综合指标[7]

7 结论

通过理论上水在实际储层煤体的渗透特性分析研究及渗透系数和有效应力规律的确定,实验室条件下注水对含瓦斯煤体解吸特性的影响规律研究和煤体的物理力学性质及软化系数的测定,以及矿井注水对瓦斯喷出涌出情况的实地观测对比研究相结合的方式,确定得出煤层注水可以有效防止瓦斯突出与解吸、软化中硬顶煤、防治煤尘以及减缓冲击倾向,主要有如下结论：

(1)矿井实地观测结果表明,注水后瓦斯的喷出频率比未注水时降低了 56.4%。

(2)实验室条件下的含瓦斯煤体,在 4MPa高压水的浸泡作用下,解吸率比未浸泡时降低了80%左右。

(3)注水使顶煤的采出率提高 9%左右。

(4)长时 (48h以上)注水可以使煤尘产出率降低 20%。

(5)注水使矿井的冲击倾向降低一个等级。

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[责任编辑：于海湧 ]

Action and Influence of Water Injection on Coal Mining

FAN Jia-wen1,2,ZHAO Dong1,WU Jin-gui3,FENG Zeng-chao1
(1.Mining Engineering School,Taiyuan University of Science&Technology,Taiyuan 030024,China;2.Shanxi Coal Transportation&Sale Group,Taiyuan 030024,China;3.Huajin Coke Group,Liulin 046000,China)

In order to research the action and influence of water injection on coal mining,based on influence of water injection on mechanics characteristic of coal,action of water injection in restraining methane burst and desorption,softening medium-hard coal,preventing coal dust and decreasing rock-burst liability was analyzed.Results showed that frequency of methane gushing reduced 56.4%after water injection;desorption ratio of coal soaked by water with 4MPa pressure reduced about 80%of that unsoaked;water injection made top-coal mining ratio increase about 9%;long-term(longer than 48 hours)water injection could reduce 20%of coal dust ratio;water injection could also reduce a degree of rock-burst liability.

water injection in coal;methane burst and desorption;coal dust;medium-hard coal-seam;rock-burst

TD713.33

A

1006-6225(2011)02-0016-04

2010-07-09

山西省自然科学基金项目 (2009011027-1);山西省研究生优秀创新项目 (20093040);山西高等学校优秀青年学术带头人支持计划资助 (2008);山西省重点实验室基金 (2009011059-012)

范家文 (1969-),男,山西文水人,硕士,高级人力资源管理师,主要从事煤矿开采技术及人力资源管理。