超前高应力区煤层注水应力突降机理研究

吕玉磊，白俊杰，郑 波

(1.中煤西北能源公司 乌审旗蒙大矿业， 内蒙古 鄂尔多斯 017000； 2.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院, 北京 100013)

煤矿井下开采会在煤壁前方附近形成超前支承压力[1]，当超前支承压力累积到一定程度，容易造成巷帮大变形，甚至诱发冲击地压灾害，影响煤矿安全生产。煤层注水卸压技术在煤矿的应用越来越广泛，其安全、环保且具有有效降低煤体应力的作用。

众多学者对煤层注水降低煤体高应力的机理进行了研究：闫立宏等[2]对煤浸水后的力学性质进行了试验研究，得出了煤浸水后，其强度降低，变形量增加的结论。范家文等[3]以煤层注水对煤层力学特性的影响为基础，分析得出了煤层注水具有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的作用。李兵等[4]研究了工作面注水孔附近10 m内煤层的含水率变化规律以及注水孔处煤样由浅及深的含水率变化规律，得出其含水率随着向煤体深入而逐渐增大的结论，并证明了煤矿深部煤层注水效果。刘忠峰等[5]研究了注水对煤体力学特性的改变规律，得出了煤体的单轴抗压强度、弹性模量、抗剪强度等随着注水含水率的增加而减小的结论，且证实了运用预注水方法处理硬或中硬煤层，可以达到弱化煤体的目的。盛磊[6]研究了注水孔深度、注水孔间距、注水压力等松散煤层工作面煤壁注水参数并在现场应用，结果表明煤体能够达到有效湿润范围,注水后减少了煤壁片帮和冒顶。章梦涛等[7]认为煤层注水过程是水驱气的驱替过程，是有动界面的渗流力学问题，为此，进一步研究了水在煤层中的运动规律，为制定煤层注水防治冲击地压的工艺参数提供依据。薛霄飞[8]现场实践了浅壁注水工艺，结果表明浅壁注水能够在工作面前方形成一层抗剪强度较高的粘结层,可提高煤壁的整体性与稳定性，片帮深度和影响范围也大幅缩减。王珂[9]对煤样进行饱水煤岩单轴、三轴压缩试验，得到饱和水状态煤岩试件单轴抗压、三轴抗压强度以及弹性模量等力学参数均低于自然状态下的煤岩试件，力学性能参数出现下降现象的结论，为煤层注水防灾减灾提供了有力的试验依据。

综上所述，众多学者对注水影响煤体内在力学性质的研究和试验考察表明，注水湿润煤体，可使煤的力学性质发生明显变化，煤的弹性和强度减小，塑性增大，从而使压力分布发生变化，即高压力向煤体深部转移，压力集中系数减小。但对煤体所处的外部环境缺少结合，忽略了外部应力对煤体注水卸压效果的影响。本文分析了不同应力环境下煤体注水卸压效果产生较大差异的原因，揭示了高应力环境下煤体注水应力突降的机理，为分析煤体注水卸压效果提供了一定的基础。

1 工程概况

某矿工作面长度300 m，主采煤层平均厚度5.3 m，单轴抗压强度18 MPa，煤层层位稳定，结构简单，平均埋深580 m. 推采过程中，工作面前方煤体应力监测预警，随即停采进行煤体注水卸压。工作面不同应力条件下的注水卸压过程出现了时间及应力变化上的差异性。

工作面注水卸压浅孔预警时煤体应力12.7 MPa，经过长时间(20 h)的注水卸压，煤体应力降至3.7 MPa；随着工作面的推采，深孔预警时煤体应力达到25 MPa，经过短时间(0.5 h)的注水卸压，煤体应力突然降至5 MPa，期间伴有较大声响。工作面煤体应力预警位置示意图见图1，浅孔、深孔注水卸压过程中的应力变化趋势见图2，3.

图1 工作面煤体应力预警示意图

图2 浅孔煤体应力变化图

图3 深孔煤体应力变化图

2 高应力区煤体注水应力突降机理

2.1 工作面微震数据分析

为了更完整地分析高应力区煤体注水应力突降的原因，调取了卸压前3天到截止卸压结束时间段内的微震数据，得到的微震单次能量分布见图4，微震单日频次分布见图5.

图4 微震单次能量分布图

图5 微震单日频次分布图

由图4可知，将6月26日—7月1日微震能量图监测结果整理后发现工作面6月26日、6月27日、6月29日、7月1日分别产生了(或接近)104J能量事件，见表1. 根据6月26日—7月1日微震频次图(图5)监测结果可知，工作面微震单日频次呈先逐渐增高然后逐渐降低趋势，其中，在6月27日微震频次最高，为389次，在7月1日微震频次最小，为68次。

表1 大能量事件表

2.2 工作面支架阻力数据分析

将工作面支架阻力的分布云图和工作面支架阻力数据进行分析，得到支架阻力云图见图6. 由图6可知，在6月26日工作面发生大面积支架阻力突增现象，最高达到40 MPa. 对比微震事件，初步判断6月26日工作面发生基本顶周期来压，7月1日是基本顶周期来压末段。

图6 支架阻力云图

2.3 高应力区煤体注水应力突降机理

工作面每次来压前，煤体压力呈上升趋势，并由煤壁与浅部煤体同时承载顶板载荷，见图7a)；来压过后压力逐渐下降，伴随着顶板断裂，载荷主要由煤壁位置承载，随后进入一定时间的稳定期，直至下次来压显现，见图7b).

图7 来压末段煤体应力降低原理图

高应力区煤体注水应力突降过程主要分为两个阶段：1) 当发生周期来压时顶板断裂，工作面支架与顶板接触刚性大，工作面支架及煤壁作为支点承受更大的压力，从而使超前支承压力得到缓解，出现煤体应力降低。应力降低的过程同时也是煤体中孔隙裂隙恢复的过程。2) 随着孔隙裂隙的恢复，向高应力煤体注水浸润、软化了刚性煤体，使其向塑性转变，在周期来压末段残余高应力的作用下，已经塑性化的煤体产生突然的大变形，释放积累的能量并向深部刚性煤体转移应力，出现应力突降现象，见图7c).

低应力区煤体应力并没有达到使注水煤体瞬间变形释放能量的程度，在注水不断进行的情况下，煤体应力缓慢降低，并没有出现应力突降现象。

3 注水效果验证

根据现场施工情况，煤体应力于17:00左右突降，并伴随着较大声响。将工作面高应力区注水时间段的微震监测结果整理得到表2. 由表2可知，将高应力区进行煤体注水后，于16:59出现相对较大的微震能量事件。结果表明，煤体释放能量、转移应力的瞬间产生小能量震动事件，阐明了煤体注水过程中煤体应力突降伴随着较大声响的原因。根据监测结果和现场实际情况，解释了超前高应力区煤层注水应力突降机理。

表2 高应力区注水过程中微震事件表

4 结 语

1) 通过监测不同孔深数据，对比分析了不同应力环境下煤体注水效果产生差异性的原因。

2) 得出了高应力环境下煤体注水应力突降的机理：来压末期，随着煤体应力的降低，煤体内的孔隙、裂隙得到恢复；向高应力煤体注水浸润、软化了刚性煤体，使其向塑性转变，在高应力的作用下，已经塑性化的煤体产生突然的大变形，释放能量并向深部煤体转移应力，出现应力突降现象。

3) 通过微震监测、支架阻力数据确定了周期来压的起始时间；通过微震数据分析发现了煤体释放能量、转移应力的瞬间产生小能量震动事件，证实了超前高应力区煤层注水应力突降机理。