煤体集中应力区注水卸压技术研究

范育青，朱 栋，汪华君，张继华

(毕节学院 资源与安全工程学院，贵州 毕节 551700)

随着采掘深度的增加、开采范围的扩大，采场集中应力区域巷道变形较大，其支护难度也随之加大。一些矿区则随之发生冲击地压或煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害，严重影响煤矿的安全生产。针对深矿井煤体应力集中区域带来的煤岩动力灾害问题，不少煤矿采取深孔爆破、钻孔卸压、煤层注水等措施进行治理，而煤层注水在预防冲击地压、煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害己有较长的历史，该措施还具有工作面降温和降尘的作用。经实践证实：只要注水工艺参数确定合适，则注水对于煤体应力集中区卸压，预防冲击地压、煤和瓦斯突出灾害以及对采掘工作面降尘是有效的，而且应用面广[1-3]。

本文在煤体注水软化机理研究的基础上，针对某矿采八9上山回采工作面应力集中区巷道易变形及冲击地压等问题，采用工作面注水卸压措施，通过数值模拟确定注水参数，并进行现场应用验证。

1 煤体注水软化机理研究

煤体孔隙在注水压力和毛细管作用力的共同作用下吸附水分，从而使煤体颗粒间的内聚力C和内摩擦角φ小降低。根据岩石破坏的库仑-摩尔准则，煤体的强度将大大降低；煤体裂隙对水起着一种通道的作用，当煤体的固有裂隙面吸附水后，其摩擦角φ中也会减小，从而使煤体强度降低。其次，当高压水注入煤体后，由于存在有孔隙压σw，使煤体有效应力改变为：

(1)

剪应力不变，则其抗剪强度降为：

τw=Cw+(σn-σw)tgφw

(2)

式中：Cw为煤块注水后的内聚力；φw为煤块注水后的内摩擦角；σw为煤块因注水引起的孔隙压力。

因此，注水煤块较干燥煤块抗剪强度降低值为：

Δτ=τ-τw

(3)

=C+σntgφ-[Cw+(σn-σw)tgφw]

=(C-Cw)+σn(tgφ-tgφw)+σwtgφw

式(3)为水对煤块抗剪强度所具有的综合力学效应，其中Cw为吸水软化作用使煤块内聚力产生的降低量；tgφ-tgφw为吸水软化作用使煤块的摩擦系数产生的降低量；而σntgφ为孔隙压作用使煤块抗剪强度产生的降低量[4-5]。

采掘现场工作面采用高压注水措施对原煤体进行注水软化，该措施湿润原煤体可以产生以下效果：

当采掘工作面原煤体在高压注水设备进行注水时，煤体逐渐龟裂且产生裂隙，原煤体的整体性遭到破坏。高压水流注入煤层后，当煤层中注入的水量大于煤体的流失量时，煤层内的水压(自由水)就会逐渐升高，当该水压升至大于煤层的水平应力和垂直应力时，煤层便会产生更多的新裂隙，从而破坏了煤层的原始结构，大大降低了原煤层的强度，防止煤层应力的集中。

煤层采用高压设备进行注水，注水水体在高压作用下进入到煤体内部的微观结构内，煤体中的裂隙各种孔隙充分吸水后达到饱和后开始膨胀，裂隙和孔隙的膨胀导致煤质变松软，进而达到软化煤体的效果，压力水在注入煤层后，由于扩大了水与煤体的接触面，从而促进了煤体的软化。

2 现场注水施工方案

2.1 注水孔的布置形式

注水孔可沿走向或沿倾向布置，对特厚煤层还可以穿层布置。注水孔应远离断层，褶皱或破碎带。对顶底板起伏较大或薄煤层，应采用相对布置的孔，以减小孔长，孔口应布置在煤层中较坚硬的分层中，以利于封孔和防止泄水。

2.2 模拟方案的确立

根据经验公式及现场实际情况，可分一下三种方案进行模拟，如表1所示。

1) 钻孔长度L：根据经验公式L=(1/2～2/3)Lg，取钻孔长度60m，Lg为工作面长度，取100m。

2) 钻孔角度：与煤层倾角一致。

表1 注水参数方案

3 模拟结果分析

3.1 注水孔间距对注水效果影响的模拟

煤层注水孔间距对注水卸压防冲效果具有重要的影响，如果孔间距太大，煤层某些区域起不到较好的湿润容易形成应力集中区，该区域往往能诱发冲击地压；孔间距太小容易造成煤层湿润区域叠加，造成施工成本的增加。因此选择合适的注水孔间距具有重要意义。

为优化注水孔间距，采取方案一进行模拟研究，即采用孔深60m,孔径60mm，距离切眼10m布置第一个注水孔，依次向前隔10m、15m、20m分别布置三个注水孔，其余注水参数均保持一致，模拟结果如图1。

通过图1煤层应力云图可以看出，孔间距在20m范围内注水对煤层应力分布影响不太明显。孔间距15m注水效果明显优于孔间距20m，而孔间距10m注水效果仅稍微优于孔间距15m，结合现场实际，采八9上山回采工作面上巷煤层注水孔间距选取15m较为合理。

3.2 注水孔数目对注水效果影响的模拟

为研究注水孔数目对注水效果的影响，采用模拟方案二(具体参数见表1)进行卸压模拟研究，模拟结果如图2～4。

图1 煤层注水效果应力云图

图2 1个注水孔注水效果

图3 2个注水孔注水效果

图4 3个注水孔注水效果

通过三组模拟结果对比发现，3个注水孔同时注水后的煤层湿润面积和应力释放程度均远远优于单个注水孔注水效果。同样，2个注水孔同时注水的效果也优于单个注水孔的注水效果，由此可见随着注水孔的增加注水卸压防冲效果越明显，考虑到现场施工条件及成本，采八9上山回采工作面上巷煤层选择3个注水孔同时注水。

3.3 注水时间对注水效果影响的模拟

结合以上模拟结果，在采八9上山回采工作面上下两巷道，采取三个注水孔同时注水，沿煤层倾向方向布置，孔深60m、孔径60mm，首个注水孔距离切眼的距离为10m，孔间距为15m，进行注水时间对注水卸压防冲效果影响的模拟(具体参数见表1方案三)。

模拟方案：首先对未注水煤体进行数值模拟，应力如图5；然后再对注水过程中煤体应力分布进行数值模拟，按照注水时间为10、15和24个小时分别模拟出不同阶段煤体应力如图6～图8，根据现场监测直接顶垂直应力结果得出注水前后垂直应力对比情况如图9所示。

图5 采八9上山工作面未注水垂直应力分布

图6 采八9上山工作面注水10h垂直应力分布

图7 采八9上山工作面注水15h垂直应力分布

图8 采八9上山工作面注水24h垂直应力分布

图9 采八9上山工作面注水前后垂直应力对比

从图5可以看出，采八9上山回采工作面未注水情况下煤体应力集中工作上下巷道塑性区前段，该区域正是理论分析应力集中区，且下巷应力大于上巷应力。图6～8可以看出随着注水时间的增加，煤体软化程度加大，工作面塑性区的应力逐渐减小，当注水时间达到24个小时的时候，如图8所示注水孔所在部位附近的应力集中基本上已经消失，同时整个塑性区的应力也大大减小。

通过图5～8模拟结果可以看出，煤体塑性区内的应力主要集中在弹性区和塑性区交界处的上下两巷两帮，因此该区域应加强支护，作为防冲的重点部位。

根据监测直接顶垂直应力(图9)可以看出，塑性区应力集中部位向上下两巷两帮延伸3～10m左右，最大应力峰值距煤帮比较近，在下帮煤体内的峰值应力最大。注水24个小时后，最大应力峰值明显下降，充分说明煤体注水有效软化煤体进而释放或转移部分应力，有效减少冲击地压发生次数和降低冲击地压的破坏程度。

4 结论

本文在煤体注水软化机理研究的基础上，采用FLAC-3D数值模拟软件对某矿采八9上山回采工作面应力集中区域进行了不同注水方案下煤体湿润范围及卸压效果进行模拟研究，得出以下结论：

1) 该矿采八9上山回采工作面应力集中区域主要位于塑性区上下两巷上下两帮，应力峰值向深部延伸3～10m左右。下巷应力集中区峰值略大于上巷应力集中区峰值。

2) 分别对注水孔间距、数目及注水时间不同而造成的煤层应力分布差异进行模拟，结果表明采用三个孔深为60m、孔径60mm、间距为15m的注水孔同时注水24个小时，煤层能够达到最佳注水效果。

3) 煤体在注水过程中逐渐被软化，使其应力集中区域应力随着注水时间的增加逐渐释放或转移。对于采八9上山回采工作面应力集中区，当注水时间不低于24个小时的时候，注水孔所在的应力集中基本上已经消失，同时整个塑性区的应力也大大减小，应力得到较好的转移或释放。

通过现场应用监测，验证了模拟方案的合理性，使注水参数得到优化，较好的减少冲击地压发生频次和降低冲击地压发生的破坏程度。

[1] 夏征南.浅析较坚硬煤层深孔高压注水[J].煤炭技术.2004，23(8)：36-37.

[2] 李井坤，龚邦军，赵明勇.煤层注水研究与应用[J].煤炭技术，2006，25(6)：125-127.

[3] 宋维源.阜新矿区冲击地压及其注水防治研究[D].阜新：辽宁工程技术大学，2004.

[4] 康天合，张建平，白世伟.综放开采预注水弱化顶煤的理论研究及其工程应用[J].岩石力学与工程学报.2004，23(15)：2615-2621.

[5] 张坤，来兴平，王宁波.急斜特厚煤层顶煤注水弱化技术试验[J].西安科技大学学报.2010，30(2)：154-158.