任文濤

(山東能源淄礦集團(tuán) 唐口煤業(yè)，山東 濟(jì)寧 272055)

深部低孔隙率煤層高壓注水防沖技術(shù)研究與應(yīng)用

任文濤

(山東能源淄礦集團(tuán) 唐口煤業(yè)，山東 濟(jì)寧 272055)

針對唐口煤礦5304工作面煤層近千米埋深、孔隙率及滲透率低、強(qiáng)沖擊傾向性的條件，研究了適合唐口煤礦的高壓注水致裂煤體的防沖技術(shù)，并運(yùn)用微震事件監(jiān)測、應(yīng)力在線預(yù)警等手段，對應(yīng)用效果進(jìn)行綜合評價(jià)分析。結(jié)果表明：煤層高壓注水后，微震活動(dòng)能量和頻次明顯降低、預(yù)警次數(shù)顯著減少，防沖效果良好。

深部；低孔隙率；高壓注水；沖擊地壓

Studying and Application of High Pressure Water Injection of Low Porosity Coal Seam in Deep

我國煤礦以每年8～12m的速度向深部延伸，深部礦井?dāng)?shù)量逐漸增多[1]。理論研究和現(xiàn)場實(shí)踐表明，開采深度的增加使得礦井沖擊地壓發(fā)生的頻度和強(qiáng)度顯著增大，嚴(yán)重制約了礦井安全和持續(xù)生產(chǎn)[2-5]。因此，采取有效措施防治沖擊地壓災(zāi)害的發(fā)生顯得尤為重要。水力壓裂是防治沖擊地壓發(fā)生的一種有效方法[6-7]。高壓注水致裂煤體能夠改變煤體的物理結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)，促使煤體中應(yīng)力集中能得到釋放，起到卸壓防沖的作用。同時(shí)，由于注水后煤體變得濕潤，其中裂隙也增加、導(dǎo)通，因此還能起到預(yù)防粉塵、瓦斯突出和高溫的作用。本文通過介紹煤層高壓注水技術(shù)在唐口煤礦的研究和應(yīng)用，為類似礦井高壓煤層注水技術(shù)防治沖擊地壓提供參考。

1 唐口煤礦沖擊地壓特點(diǎn)

唐口煤礦5304工作面埋深963.1m，工作面寬230m，可采長度1565m，煤層厚度1.2～5.7m，平均4.3m。工作面內(nèi)受斷層及小褶曲影響，煤層略有起伏，煤層傾角在0～10°之間，平均5°，傾向120～320°。工作面軌道巷、膠帶巷均為矩形斷面，采用錨網(wǎng)索支護(hù)。

5304工作面所采3上煤層，埋深近1000m，為強(qiáng)沖擊傾向性煤層。3上煤層頂板為弱沖擊傾向性巖層。煤層賦存較深，原巖應(yīng)力較大，采掘工作面沖擊危險(xiǎn)性將會(huì)隨深度增加而加劇。經(jīng)過煤炭科學(xué)研究總院開采研究分院對唐口煤礦3上煤層試樣進(jìn)行物理性質(zhì)測定，3上煤層孔隙率4.85%，由于煤體具有孔隙率及滲透率低的特點(diǎn)，普通靜壓注水往往存在水流注不進(jìn)去、煤壁到處漏水、注水防沖效果不好的問題，因此提出采用高壓致裂煤體注水的方法，提高注水防沖效果。

2 煤層高壓注水防沖機(jī)理

煤層水力壓裂破壞是借助高壓水使煤層中各種弱面擴(kuò)展和延伸，并形成一個(gè)裂隙聯(lián)通的網(wǎng)絡(luò)，大大提高煤層的滲透率[8-12]。由于煤層中原始裂隙的大小、尺度、方位等差異，導(dǎo)致壓力水侵入裂隙的順序和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同。壓力水首先以滲流的形式入侵張開度相對較大的一級(jí)弱面，以毛細(xì)浸潤的形式在二級(jí)弱面運(yùn)動(dòng)，最后到水分子擴(kuò)散微裂隙和空隙中，如圖1所示。水力壓裂過程中，高壓水對煤體具有劈裂和貫通裂隙的作用，煤體裂隙變寬，空間容水量也在不斷擴(kuò)大，通過高壓水在煤體中不斷滲透，導(dǎo)致煤層的滲透系數(shù)不斷增大，增加煤體透水性。通過煤層鉆孔注水壓裂改變煤體的裂隙結(jié)構(gòu)，使煤體脆性減弱，塑性增強(qiáng)，促使煤層大范圍卸壓，使煤壁前方塑性變形區(qū)(卸壓帶)加寬，使應(yīng)力集中區(qū)(彈塑性變形區(qū))向煤體深部轉(zhuǎn)移，減弱了應(yīng)力集中程度，緩和了煤體壓力潛能的積聚，顯著地改善了能量釋放過程中在時(shí)間上的穩(wěn)定性和在空間上的均勻性，從而預(yù)防沖擊地壓的發(fā)生或使其強(qiáng)度減弱。

圖1 壓力水流動(dòng)次序示意

3 5304工作面煤層高壓注水設(shè)備及工藝

3.1 煤層高壓注水設(shè)備

(1)高壓注水泵 使用7BG-4.5/160型高壓泵，其相關(guān)參數(shù)為：壓力16MPa；流量4.5m3/h；柱塞直徑25mm；吸水管直徑38mm；排水管直徑20mm；電動(dòng)機(jī)型號(hào)YBK2-225M-6；額定流量125L/min；額定排出壓力31.5MPa。

(2)鉆具 煤層注水鉆孔施工采用ZY-650型鉆機(jī)，所用鉆頭為全液壓滑臺(tái)動(dòng)力頭，鉆孔直徑65mm，最大鉆孔長度為150m。

(3)其他器材 SGS雙功能高壓水表(平均流量2.5m3/h，壓力測量范圍0～25MPa)、卡板、棉紗、固邦特及專用封孔泵、管材及閥門和連接件等。

3.2 煤層高壓注水工藝

采用動(dòng)靜壓相結(jié)合的方式對5304工作面煤層進(jìn)行注水。在超前工作面80m位置施打鉆孔進(jìn)行高壓注水，并沿工作面推進(jìn)方向?qū)@孔編號(hào)，鉆孔間距20m。隨工作面推進(jìn)，當(dāng)注水孔位置進(jìn)入超前支護(hù)范圍及60m時(shí)，改動(dòng)壓注水為靜壓注水，待鉆孔超前工作面10m時(shí)停止靜壓注水，鉆孔注水系統(tǒng)如圖2所示。注水時(shí)，依據(jù)注水泵上設(shè)有的壓力表示數(shù)以及相應(yīng)流量表顯示注水流速情況來調(diào)節(jié)注水壓力。每個(gè)鉆孔配備相應(yīng)的、獨(dú)立的流量表，便于統(tǒng)計(jì)注水效果以及觀測注水實(shí)時(shí)情況，以此來調(diào)節(jié)注水壓力參數(shù)等。

1—鉆孔；2—封孔器；3—注水管；4—壓力表；5—閥門；6—分流器；7—鋼絲編織高壓膠管及接頭；8—單向閥；9—注水表；10—注水泵；11—供水箱圖2 注水系統(tǒng)示意

注水泵連接注水添加劑自動(dòng)添加裝置，參數(shù)如表1所示，具體操作可根據(jù)流量表流速變化情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)。

表1 動(dòng)靜壓注水鉆孔參數(shù)

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

2014年11月至2015年4月，5304工作面煤層月注水量基本呈逐月遞增的趨勢，各月煤層注水量統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 5304工作面月度煤層注水量統(tǒng)計(jì)

4.1 煤層孔隙率對比分析

煤炭科學(xué)研究總院開采研究分院對唐口煤礦3上煤層采取動(dòng)壓注水前后分別取樣，進(jìn)行物理性質(zhì)測定，根據(jù)實(shí)驗(yàn)唐口煤礦3上煤樣自然狀態(tài)強(qiáng)沖擊傾向性煤樣孔隙率為4.85%，采取動(dòng)壓注水20～30d后變?yōu)槿鯖_擊傾向性，對應(yīng)煤樣孔隙率為8.59%，煤體孔隙率明顯提高，動(dòng)壓注水前后孔隙率對比見表3。

表3 5304工作面動(dòng)壓注水前后孔隙率對比

4.2 應(yīng)力在線預(yù)警分析

5304工作面兩巷安裝沖擊地壓應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)，軌道巷與膠帶巷各布置10個(gè)測組，每個(gè)測組2個(gè)測點(diǎn)，兩組測點(diǎn)間距30m。分析5304工作面動(dòng)壓注水區(qū)域應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)預(yù)警次數(shù)與煤層注水量變化，煤層注水量與預(yù)警次數(shù)曲線如圖3所示。從圖3中可知，隨著5304工作面煤層注水量的增加，應(yīng)力在線預(yù)警次數(shù)明顯呈遞減趨勢，月度注水量達(dá)到4000m3以上時(shí)，不再出現(xiàn)紅色預(yù)警，煤體應(yīng)力整體下降。

圖3 5304工作面煤層注水與預(yù)警次數(shù)曲線

4.3 微震事件分析

使用ARAMIS M/E微震監(jiān)測系統(tǒng)對5304工作面微震活動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測，微震事件頻次和能量變化如圖4、圖5所示。從圖中可知，2015年1月中旬開始，微震事件頻次和能量開始大幅減少，微震活動(dòng)一直處于較低的水平。通過對比注水前和注水后的平均能量變化，可知注水后平均能量降低了86%，工作面每推采1m釋放微震能量由403J降低到205J，表明煤層及底板軟化明顯，注水效果良好。

圖4 5304工作面微震事件頻次變化

圖5 5304工作面微震事件能量變化

5 結(jié) 論

(1)工作面煤層高壓注水使內(nèi)部各級(jí)裂隙弱面在空間上進(jìn)一步擴(kuò)展、延伸，導(dǎo)致煤體脆性減弱，塑性增強(qiáng)，煤層大范圍卸壓，減弱了應(yīng)力集中程度，從而有效防止沖擊地壓的發(fā)生。

(2)隨著工作面煤層注水量的增加，應(yīng)力在線預(yù)警次數(shù)明顯減少，當(dāng)月度注水量達(dá)到4000m3以上時(shí)，不再出現(xiàn)紅色預(yù)警現(xiàn)象。

(3)煤層注水后，微震活動(dòng)平均能量降低了86%，工作面每推采1m釋放微震能量由403J降低到205J，煤層及底板軟化顯著，注水效果良好。

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[責(zé)任編輯：鄒正立]

2016-06-02

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.01.022

任文濤(1985-)，男，山東煙臺(tái)人，工程師，防沖辦公室主任，從事沖擊地壓災(zāi)害治理工作。

任文濤.深部低孔隙率煤層高壓注水防沖技術(shù)研究與應(yīng)用[J].煤礦開采，2017，22(1)：91-93.

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1006-6225(2017)01-0091-03