赵庄矿煤层注水治理强矿压预评价研究.pdf

第 4 2卷 第 8期 2 0 1 6年 8月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n Vo 1 ． 4 2 NO ． 8 Aug ．2 0 1 6 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 8 0 0 2 9 0 4 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X ． 2 0 1 6 ． 0 8 ． 0 0 8 钱继发 ， 刘晓斐 ， 刘贞堂 ， 等． 赵庄矿煤层注水治理强矿压预评价研究E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 8 2 9 3 2 ． 赵庄矿煤层注水治理强矿压预评价研究 钱 继 发 。 ， 刘晓 斐 。 ， 刘 贞堂 ， 林松 1 ． 煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室 ，江苏 徐州 2 2 1 1 1 6 ； 2 ． 中 国矿业 大学 安 全工 程 学 院 ，江苏 徐 州 2 2 1 1 1 6 摘 要 为 了评 估 采 用煤层 注 水治理 赵 庄矿 3号煤层 强矿 压 的效 果 ， 开展 了煤层 注 水治理 强矿 压 的预评 价 研究。对 3号煤层试样含水率、 吸水率、 普氏系数等注水参数进行实验测试 ， 分析 3号煤层注水的可行性 ； 测 试分析试样浸水前后 的抗压强度绝对变化量和变化速率 ， 分析煤层注水卸压预期效果， 并提 出注水方案。分 析结果表 明， 3号煤层符合 注水条件， 且浸水后， 煤岩样物理性质发生改变， 抗压强度大幅度降低， 具有较理 想的预 期 卸压 效果 。 关 键 词 煤 层 注水 ；强矿 压 ；含 水率 ； 预 评价 中图分 类号 TD 3 2 3 文献 标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 6 0 8 0 3 1 0 0 1 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ ww w． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 6 0 8 0 3 ． 1 0 0 1 ． 0 0 8 ． h t ml Pr e e v a l u t i on r e s e a r c h o f u s i ng c o nt r o l s t r o ng pr e s s u r e i n c o a l s e a m wa t e r i n j e c t i o n t o Zha o z h ua ng Co a l M i ne QI AN J i f a 一，LI U Xi a o f e i 一，LI U Z h e n t a n g 一，L I N S o n g ， 1． Ke y La bo r a t o r y of Co a l M e t ha ne a n d Fi r e Co nt r o l ，M i n i s t r y of Ed uc a t i o n，Xu z h ou 2 2 1 1 1 6，Ch i na； 2 ． S c h o o l o f S a f e t y En g i n e e r i n g ，Ch i n a Un i v e r s i t y o f M i n i n g a n d Te c h n o l o g y，Xu z h o u 2 2 1 1 1 6，Ch i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o a s s e s s e f f e c t o f u s i n g c o a l s e a m wa t e r i n j e c t i o n t o c o n t r o l s t r o n g p r e s s u r e o f No ． 3 c o a l s e a m o f Z h a o z h u a n g Co a l Mi n e ，p r e e v a l u a t i o n r e s e a r c h o f u s i n g c o a l s e a m wa t e r i n j e c t i o n t o c o n t r o l s t r o n g p r e s s u r e wa s c a r r i e d o u t ．Wa t e r i n j e c t i o n p a r a me t e r s i n c l u d i n g mo i s t u r e c o n t e n t ，wa t e r a b s o r p t i o n， f i r mn e s s c o e f f i c i e n t o f c o a l s a mp l e a n d S O o n we r e t e s t e d t o a n a l y z e f e a s i b i l i t y o f wa t e r i n j e c t i o n o f No ． 3 c o a l s e a m ． Abs o l ut e v a r i a t i on a nd c h a ng e r a t e of c ompr e s s i ve s t r e ngt h o f t e s t s a mpl e be f o r e a nd a f t e r s o a k i n g we r e t e s t t o a n a l y z e e x p e c t e d p r e s s u r e r e l i e f e f f e c t o f wa t e r i n j e c t i o n a n d p r o p o s e i n j e c t i o n p r o j e c t ． Th e a n a l y s i s r e s u l t s h o ws t h a t No ． 3 c o a l s e a m c a n me e t t h e c o n d i t i o n s o f wa t e r i n j e c t i o n ．a n d a f t e r s o a ki ng， ph ys i c al p r op e r t i e s o f c o a l a nd r oc k s a mpl e s a r e c ha ng e d， c o mpr e s s i v e s t r e n gt h i s r e du c e d g r e a t l y ，wh i c h i n d i c a t e s wa t e r i n j e c t i o n h a s d e s i r e d e x p e c t e d p r e s s u r e r e l i e f e f f e c t ． Ke y wo r d s c o a l s e a m wa t e r i n j e c t i o n；s t r o n g p r e s s u r e ；mo i s t u r e c o n t e n t ；p r e e v a l u a t i o n 0 引言 随着矿井开采深度和强度 日益增大 ， 矿压显现 、 巷道变形、 煤与瓦斯 突出和冲击地压等煤岩动力 灾 害 日趋严重 ， 严重威胁着煤矿 的安全开采 。从煤 岩动力灾害的形成机理来看 ， 通过避免高应力集中 和 改善 煤 岩体 介 质 性 质 来 减 弱 其 积 聚 弹 性 能 的 能 力 ， 保证煤岩体不足以产生失稳破坏， 可以有效地控 制此类灾害 的发生 。煤矿常用的煤岩动力灾害 防治方法包括煤层卸压爆破 、 煤层注水、 钻孔卸压 、 收稿 日期 2 0 1 6 0 3 1 4 ； 修 回 日期 2 0 1 6 0 6 2 0 } 责任编辑 胡娴 。 基金项 目 教育部科学技术研究项 目 1 1 3 0 3 1 A ； 江苏高 校优 势学科建设工程 资助项 目。 作者简介 钱继发 1 9 9 2 一 ， 男 ， 河南新密人 ， 硕士研究生 ， 主要从事煤岩动力灾害预防方面的研究 ， E - ma i l 7 6 9 7 9 7 0 7 8 q q ． c o rn。通信作者 刘晓斐 1 9 8 1 一 ， 男 ， 山西晋 中人 ， 副教授 ， 博士， 主要从事煤矿动力灾害预防、 安全技术及工程等方面的研究 ， E - ma i l L i u x ia o f e i一1 9 8 1 1 6 3 ． c o m。 3 O 工矿 自动 化 2 0 1 6年 第 4 2卷 定向水力致裂等。其 中， 煤层注水方法 由于简单易 行、 投资小 、 操作工艺简单等特点在中国的大多数矿 井中获得了广泛应用l 4 ] 。煤层注水即通过水的物理 化学作用改变煤体性质， 使煤体 的内部结构和物理 性质发生改变 ， 单轴抗压强度降低， 从而减弱煤层强 矿压显现的倾 向性_ 4 ] 。但是煤层 注水多 以现场应 用为主， 由于各个煤矿开采、 地质条件和煤岩 自身属 性不同， 煤层注水措施并非对所有煤层的强矿压治 理都有效_ 7 ] 。因此 ， 开展煤层注水治理强矿压 的预 评 价研究 具有 积极 意义 。 赵庄矿 3号煤层在开采过程 中受到强矿压威 胁 ， 本文结合赵庄矿 3 号煤层的实际情况 ， 评价研究 煤层注水治理强矿压的可行性和效果 ， 为其制定注 水方案及确定合理参数提供依据和参考。 1 强 矿压显 现特 征及 影响 因素分 析 赵庄矿位于沁水煤 田东南部 ， 地处山西省晋城 市北 5 3 k m， 长子 县南 1 6 k m， 是 晋煤 集 团新 建 的 现 代化矿井 ， 年产量 8 0 0万 t 。 目前为单一煤层 3号 煤层 开采 。3号煤层 位于山西组下部 ， 层位稳定 ， 结构 简单 ， 属于稳 定 的可采煤 层 ， 是主要 可采 煤层 之 一 ； 煤 层厚度 为 0 ～ 6 ． 3 5 m， 平均 厚 度 为 4 ． 5 5 1T I ； 变 异 系数为 2 5 ， 可 采性指 数 为 0 ． 9 8 。 目前 赵 庄 矿 在 3号 煤 层 开 采 过 程 中 ， 煤 炮 、 片 帮 、 底 臌等 强矿 压动力 现象 已开 始显现 。 1 ． 1 强矿 压显 现特征 赵庄矿 3号煤层回采工作面在推采过程 中有明 显 的强矿 压显 现现象 ， 主要 特征 表现如 下 1 一 、 三 、 五盘 区正 在 回采 的工作 面具有 不 同 程度的巷道变形 ， 在 回采过程 中伴随有间歇性的煤 炮声 ， 且出现片帮现象 。 2 出现强 矿 压显 现 的 区域 ， 除 了各 盘 区正 在 回采的工作面巷道之外， 处于断层发育 区的西翼大 巷 也 出现 了明显 的巷道变 形 。 3 巷道 变形破 坏形 式 主要 有 冒顶 、 顶 板下 沉 、 帮臌、 底臌等 ， 其中底臌和帮臌现象尤为明显。特别 是底板 ， 原先虽然经过固结处理 赵庄矿使用胶带运 输 ， 需对底板进行铺底和 固结处理 ， 仍然发生开裂 ， 出现 明显 的底 臌 ， 且 底 臌 程 度 严 重 ； 巷 道 上 方 顶 板 下沉 。 1 ． 2 强矿 压危 险的主要 影 响 因素 结合赵庄矿地质条件和相关资料 ， 分析赵庄矿 强矿 压显 现 的主要 影响 因素 为以下 2个方 面 。 1 自然地质 因素 ① 最大采深超过 8 0 0 m， 已 满足中国冲击压地压矿井的临界采深， 自重应力大 ； ② 构造应力作用 明显， 3号煤层的原岩应力总体上 以水平应力为主 ， 最大水平应力达到 1 6 ． 2 2 MP a ， 且 各个工作面的巷道轴向与最大水平主应力方向的夹 角 均大 于 6 0 。 ， 对巷 道稳定 产生 很不 利 的影 响 ； ③ 全 区地质构造复杂 ， 赵庄矿井 田内褶 曲和大小断层众 多 ， 使得处于该构造影响区域 的巷道变形强烈 ， 压力 偏大 ； 同时 ， 受陷落柱 的影响 ， 3号煤层存在 厚度局 部变化的区域 ， 使得开采过程 中易产生应力集 中现 象 ； ④ 煤层上方存在一系列中一 细砂岩岩层 ， 累计厚 度 接近 8 O m， 容 易 聚积 大 量 弹 性 能 ， 加 剧 强 矿 压 发 生 的危险。 2 开采 技 术 因素 3号 煤 层 回采 工作 面为 一 次性采全 高， 巷道断面大， 推采速度较快 ， 采动影 响范围大 ， 同一盘区内有多条开掘巷道 ， 存在采动相 互影 响 ； 再 加上 采空 区和 留煤柱 的影 响 ， 容 易造 成采 动应 力叠 加 ， 在 采场 周 围形成 应力集 中区 ， 增大 强矿 压显现危险。 2煤层 注水治 理强 矿压 的预 评价 实验 2 ． 1 煤 层 注水 可行 性 分析 测定 所用 煤岩试 样均 按照 标准 取 自赵庄矿 3号 煤层 1 3 0 6回采 工 作 面 ， 均 按 照 MT／ T1 0 2 3 -- 2 0 0 6 煤层注水可注性鉴定方法 l_ 8 标准取样， 在实验室 进行加工并获取尺寸为 05 0 mm1 0 0 mm 的煤样 和 岩样 。 2 ． 1 ． 1 含水 率测试 煤岩试样含水率 叫按式 1 计算 叫 一 1 0 0 1 U一 一／ 0 1 m2 式 中 m 为 保持 天然水 分 的试件 质量 ， g ； m。为烘 干 后 的试 件质 量 ， g 。 煤岩试样含水率测试结果见表 1 。 2 ． 1 ． 2 吸水 率测 试 煤岩试样 自然吸水率 叫 按式 2 计算 一 二 1 0 06 0 9 ／ 5 2 r 一／ ＼／ 0 2 式 中 a 为试 样 自然 饱 和 吸 水 后 的质 量 ， g ； a 为 试 样 烘 干后 的质量 ， g 。 煤 岩试 样 吸水 率 测试结 果见 表 2 。 2 0 1 6年第 8 期 钱继发等 赵庄矿煤层注水治理强矿压预评价研 究 3 1 表 1 煤岩试样含水率测试 结果 2 ． 1 ． 3 煤的普氏系数测定及分析 采用落锤法来测定煤 的普 氏系数 厂 厂一 3 t 式中 为单份试样 冲击次数 ； z 为单组试样筛下煤 粉的计量高度 ， mm。 煤样普 氏系数测试结果见表 3 。 表 3 煤样普 氏系数测试结果 分析 3 号煤层煤岩试样的注水性实验结果可以 看 出 煤 岩 试 样 的 原 始 含 水 率 范 围 为 1 ．0 ～ 1 ． 5 ％， 自然吸水率均在 1 以上 ， 煤普 氏系数范 围 为 0 ． 7 8 ～O ． 8 0 ， 各项参数均符合 MT ／ T1 0 2 3 --2 0 0 6 煤层注水可注性鉴定方法 中可注水煤层的要求。 3号煤 层煤 岩原始 含水率 较低 ， 煤 质坚硬 ， 性 脆 ， 煤层强度偏大 ， 煤层的柔 性和塑性较小 ， 容易积 聚发生强矿压所需要 的弹性能 ； 但煤岩 自然吸水率 均大于 1 ， 吸水性 良好， 因此 ， 可以通过煤层 注水 提高煤层含水率 ， 湿润煤体 ， 使煤层强度 降低 ， 弹性 变形减少 ， 塑性增强， 将工作面附近煤体的弹性潜能 更多地消耗于煤体缓慢 的塑性变形中， 降低应力集 中程度 ， 从而避免弹性能突然释放 ， 有效降低 3号煤 层开 采过 程 中 的强 矿压 显 现 问题 。 2 ． 2煤 层 注水 治理 强矿 压预期 效 果分析 为了验证注水效果 ， 在 实验室对 3号煤层的煤 样进行了浸泡实验 ， 浸水时间分别为 1 ， 3 ， 5 ， 1 0 d ， 然 后对其进行单轴压缩实验 ， 分析浸水 时间对煤样抗 压强度 R 的影响 ， 实验结果见表 4和图 1 。 表 4 煤样浸水后破坏载荷和单轴抗压强度测定结果 a R 绝对减少量 b R 减 少 速 翠 图 1 浸泡 时间对煤样单轴抗压强度 R 的影响 从图 1 可看出， 在 自然状态下， 煤样抗压强度为 1 0 ． 8 4 8 MP a 。经过浸泡以后 ， 煤样抗压强度呈现持 续下 降 趋势 ， 浸泡 1 0 d以后 ， 试 样抗 压强 度 达 到最 小值 3 ． 1 5 4 MP a ， 最大累计减少量为 7 ． 6 9 4 MP a ， 相 较于 自然状态， 下降幅度达到 7 O 以上 。试样浸泡 1 ～3 d 后 ， 试样抗压强度 减小速率最快 ， 达 到最 大 值 3 ． 7 4 MP a ／ d ； 之后 ， 随着时间增加 ， 抗压强度减小 B d 苫＼ 删 堪本峨 9 8 7 6 5 4 3 2 1 O u 如 1 2 2 5 ∞ 鼹 1 1 1 儿 5 2 7 孙 孔 ∞ 孵 2 8 5 船 1 2 3 岩 板 厦 3 2 工矿 自动化 2 0 1 6年 第 4 2卷 速率逐渐减小， 尤其是在浸泡 1 0 d以后 ， 抗压 强度 减少量仅为 0 ． 2 9 1 MP a 。由此可以得 出， 3号煤层 试样在经水润湿后 ， 抗压强度明显降低 ， 最佳浸水时 间为 1 ～3 d 。浸水后煤的物理性质发生显著变化 ， 煤体抗压强度降低 ， 该结论可为煤层注水治理强矿 压显现问题提供参考依据。 2 ． 3 注水 方案 2 ． 3 ． 1 注水参数 根据 3号煤层工作面强矿压显现情况， 选择在 巷道 内实施钻孔注水卸压。注水参数如下 煤层注 水超前工作面施工距离 为 3 0 m； 钻孔 孔底 间距 为 1 5 m； 孔间距为 1 0 ～2 0 m； 注水孔距离底板高度为 1 ． 5 m。以上参数为初步确定 ， 在现场实施 时可根 据实际情况进行调整 。 2 ． 3 ． 2 封孑 L 要求 封孔方式 采用水泥砂浆、 合成树脂或其他可靠 措施 封孔 。 封孔深度 按最大注水压力 和 3号煤层各工作 面条件确定， 以不漏水 、 不崩孔为原则 ， 一般不应小 于 1 0 I n。 2 ． 3 ． 3 注 水压力 可使用防尘管静压或高压注水 ， 每个钻孔安设 流量计、 压力表 。静压注水压力不小于 2 MP a ， 动压 压力 不小 于 1 0 MP a 。 2 ． 3 ． 4 注水量 计算 注水 量根据 注水 孔承担 的湿 润煤 量确定 Q 一 KT W 4 q 式中 Q为单个注水孔的注水量 ， m。 ； q为水的密度， k g ／ m。 ； K 为富余系数 ， 一 般为 1 ． 0 0 ～1 ． 5 5 ； T为 一 个注水孔承担的湿润煤量， t ； W 为预计含水率增 值 取 3 或者设计含水率增值。 一 个 注水 孔承担 的湿 润煤量 按式 5 计 算 T L2 S M 1 y 5 式 中 L 为待注水煤体在钻孔轴向的尺寸， m； S为 注水孔间距 ， 1 T I ； M1 为注水孔扩散直径 ， m； y为煤 的 密度 ， k g ／ m。 。 3 结语 根据赵庄矿 3号煤层发生的煤炮、 片帮等动力 现象 ， 结合地质条件和相关资料 ， 分析 了赵庄矿 3号 煤层强矿压显现的特征及影响因素。对 3号煤层煤 岩试样 的含水率 、 吸水率、 普氏系数等注水参数进行 测试分析 ， 得出 3号煤层各项条件均符合注水要求 的结论 。通过分析浸水时间对煤样抗压强度的影响 及煤样浸水前后抗压强度 的变化来验证 注水效果 ， 发现煤样在持续浸水 1 0 d以后， 抗压强度下降幅度 达到 7 O 以上 ； 浸水 1 ～ 3 d后 ， 煤 样抗 压 强 度下 降 速率最快 ， 为煤层注水最佳时间。分析结果表明， 通 过煤层注水可以降低煤体 的抗压强度 ， 从而有效 降 低 3号煤层开采过程 中的强矿压显现危险。 参考文献 [ 1 ] 姜耀东 ， 潘一 山 ， 姜福兴 ， 等 ． 我 国煤炭开采中 的冲击 地 压机理 和防治E J 3 ． 煤炭学报 ， 2 0 1 4 ， 3 9 2 2 0 5 2 1 3 ． E 2 3 潘一 山， 李忠华 ， 章梦涛． 我 国冲击地 压分 布 、 类 型 、 机 理 及 防 治 研 究 [ J ] ．岩 石 力 学 与 工 程 学 报 ， 2 0 0 3 ， 2 2 1 1 1 8 4 4 1 8 5 1 ． [ 3 ] 窦林名 ， 何学秋． 冲击矿压 防治理论 与技术E M] ． 徐州 中国矿业大学 出版社 ， 2 0 0 1 ． [ 4 3 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 ， 2 0 0 4 ， 2 3 1 5 2 6 1 5 - 2 6 2 1 ． [ 5 ] 杨 月 ， 潘一山 ， 罗浩 ， 等． 大直径煤层钻孑 L 注水压 裂防治 冲击地压数值模拟 E J ] ． 辽宁 工程技 术大 学学报 自然 科 学版 ， 2 0 1 4 4 4 5 1 4 5 5 ． [ 6 1 宋维源 ， 李大广 ， 章梦涛 ， 等． 煤层注水 的水气 驱替理论 研 究E J 3 ． 中国地 质灾 害与 防治学报 ， 2 0 0 6 ， 1 7 2 1 4 7 1 5 0． E 7 3 章梦涛， 宋维源， 潘一山． 煤层注水预防冲击地压的研 究E J 3 ． 中国安全科学学报 ， 2 0 0 3 ， 1 3 1 0 6 9 7 2 ． [ 8 ] MT ／ T 1 0 2 3 -- 2 0 0 6煤层 注水 可注性鉴定方 法E s 3 ．