综放面端面注水泄压技术应用分析

文/王满旺

综放面端面注水泄压技术应用分析

文/王满旺

山西钜盛能源集团公司3号煤层已进入八采区开采，最大埋深可达480m，采用原有ZF5800/16/ 30放顶煤支架综放开采，初撑力5236kN，工作阻力5800kN，采高2.8m，采放比为1∶1.2。经天地科技股份有限公司测算，八采区工作面支架支护强度须大于4416kN。但目前ZF5800支架工作阻力仅为支护强度的1.3倍，安全系数不高，当工作面来压且顶板破碎时，促使工作面顶板压力加大，可能会引起工作面压架事故。山西钜盛能源集团采用理论分析、实验室试验和数值模拟，研究煤体强度变化对端面稳定性影响以及不同含水率煤体对煤壁强度的影响，得出给煤体注水后，能显著增加煤的抗剪强度，在相同的支护条件下，注水之后的工作面煤体破坏程度比未注水煤层开采要低很多，可有效防止工作面煤壁的失稳破坏，降低工作面煤壁片帮可能性，从而有利于提高工作面煤壁的稳定性。

一、煤体强度对煤壁与端面稳定的机理分析

1.煤体强度变化对支承压力分布影响的理论分析

对于采场前方煤体，其任一点的受力状态如图1所示。由力的平衡方程和极限平衡区满足莫尔—库仑准则可有：

图1采场前方极限平衡区受力状态

采场前方任一点处的垂直应力，即采场前方支承压力：

煤壁前方支承压力峰值点距离煤壁的距离x0：

式中：f—层面间摩擦系数；m—采高；N0—煤壁支撑能力；φ—煤体内摩擦角；γ—上覆岩层平均体积力；K—侧向应力系数；H—单元体距离地表深度。

摩擦角φ降低、抗压强度降低，亦即前方煤壁的支撑能力N0降低。则支承压力σy随着N0的降低而降低，支撑压力峰值距煤壁距离随N0的降低而增大。工作面前方煤壁注水后，前方支承压力的峰值点远离煤壁，峰值相对较低，有利于煤壁与端面稳定。

图2粘聚力随含水率变化趋势图

2.煤体注水提高煤壁的抗剪强度、降低抗压强度试验研究

采用应变控制式三轴仪，进行煤体不同含水率的压缩试验，得出不同含水率情况下，煤样粘聚力和内摩擦角的变化趋势见图2、3所示。合理注水后，煤体粘聚力的大幅度增加对于防止煤壁片帮有很大作用。

图3内摩擦角随含水率变化趋势图

研究得出，抗压强度在含水率介于10%～18%时处于较大值。在含水率一定的情况下，随着围压增大，抗压强度随之增大；而在围压一定的情况下，随着含水率的增大，抗压强度单调下降。

由莫尔—库仑准则，计算出在不同含水率下的抗拉强度规律如图4所示。

图4抗拉强度随含水率的变化规律

试验结果表明：

（1）粘聚力随含水率的增加而增大，在含水率为16%，取得极大值，增加了120%，增大幅度明显；内摩擦角总体上随含水率的增加而减小，在含水率w＝16%时，内摩擦角取极小值，只降低了12%，降低幅度较小。含水率介于12%～17%时，综合抗剪强度在处于较大值，增加了30%～60%。

（2）随着含水率的逐渐加大，抗拉强度也随之加大，当含水率达到16%时，抗拉强度取得极大值。

（3）煤体抗压强度随着含水率增加而降低，降低幅度可达60%以上。煤体抗压强度的降低可使支承压力前移，有利于缓解煤壁压力。

（4）合理的注水量是使煤体的含水率为12%～15%。

二、注水改变煤体力学性质对端面的影响

为了得到煤层注水对工作面煤壁稳定性的影响，山西钜盛能源集团对工作面注水前后施加不同大小的水平护帮阻力0MPa、0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa，进行模拟计算，模拟部分结果如图5所示。

图5护帮阻力工作面应力图（注水前）

护帮阻力工作面应力图（注水后）

注水前的工作面支承压力峰值超前工作面9～12m，注水后在工作面前方约12～15m，注水后的支承压力峰值大小比注水前降低了1MPa左右，且注水后的工作面超前支承压力峰值的影响范围在工作面前方50m以上，而注水前影响范围在工作面前方大约40m左右，注水后超前支承压力峰值比注水前影响范围前移了10m左右；注水后的工作面前方煤体的卸压低应力区增大，但是在靠近工作面煤壁顶底角相同位置，注水后的应力值大于注水前的煤体。究其原因，就是注水后的煤体，在相同的围压强度下，虽然抗压强度降低，但缓解靠近工作面煤体的受载，减少煤体的破坏，使工作面顶底角的煤体的承载能力增加，注水后的煤体，抗剪强度和内聚力的增加，可增大工作面煤体的块度，提高工作面煤壁的完整性。

注水前的工作面前方煤体的破坏区域9～12m，注水后的工作面前方煤体破坏区域超前工作面12～15m，但是在相同支护和围压条件下，注水前工作面前方煤体破坏程度要比注水后的工作面前方煤体破坏程度大；注水之后的煤壁工作面煤体的剪切破坏区范围减小，顶底角剪切破坏区也减小。这是由于，煤体注水后，虽然抗载能力减小了，但增加了煤体的内聚力和抗剪强度，更好的保持了工作面煤体的完整性。

三、应用效果

1.注水后的煤体，工作面超前支承压力峰值比未注水的煤体的工作面超前支承压力峰值距工作面要远，峰值大小降低；注水后的工作面前方煤体的卸压低应力区增大，但是在靠近工作面煤壁顶底角相同位置，注水后的应力值大于注水前的煤体。

2.在相同的围压和支护条件下，注水后的煤体，工作面前方煤体的破坏影响范围增大，但在相同位置，注水后煤体的破坏程度与注水前相比降低了很多，且顶底角煤体的剪切破坏程度降低的更为明显。

（作者单位:山西钜盛能源集团公司）

（责任编辑：周 琼）