煤层注水防治冲击地压的应用

摘 要：通过研究煤层注水防治冲击地压的机理，提出了适合孙村煤矿煤层注水的参数，如注水压力在4.5～8.0 MPa，注水时间为8 d，通过对孙村煤矿十一层煤进行注水，使具有中等以上冲击倾向的十一层煤冲击倾向减弱，达到了防治冲击地压的作用，并为煤矿今后的防治冲击地压提供了新的途径和方法。

关键词：煤层注水 注水工艺 注水参数 冲击地压

中图分类号：TD32 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）12（a）-0084-01

近年来，随着煤矿开采深度的增加，冲击地压灾害的发生的频率越来越多，强度也越来越大。目前，冲击地压成为国内外阻碍煤矿安全生产的主要绊脚石之一，虽然采取了一些防治冲击地压的措施如：钻屑法、深孔爆破法、强制放顶、钻孔泄压等，但冲击地压问题却逐年增多。采用注水方法，湿润煤层，增加煤层的塑性可以预防冲击地压的发生，经过煤矿的实践检验，确实是预防冲击地压发生的有效措施之一。

1 煤层注水预防冲击地压的机理

冲击地压是压力超过煤岩体的强度极限，聚积在巷道周围的煤岩体的能量突然释放，由于煤岩体的变形局部变化而发生的失稳破坏现象，即：冲击地压与煤岩层的破坏方式有关。为防治冲击地压的发生，就要在达到煤岩层的破坏峰值强度之前，降低其应力集中，来达到防治冲击地压的目的。煤层中含有大量的裂隙和孔隙，当将高压水注入煤层孔隙、裂隙的同时，煤层注水的破坏机理表现在以下几个方面。

1.1 压裂

压力水进入煤层后，煤层内的水压会不断升高，当升高至煤层的垂直应力和水平应力时，就破坏了煤层的原始结构，从而达到破坏煤层的目的，预防了冲击地压的发生。

1.2 软化

压力水注入煤层后，与煤体接触，促进了煤体的软化，主要表现为吸附、水合和化合作用。

（1）吸附：煤体中的粘土矿物，粒径小，表面积大，故能吸收大量的水分子，提高煤层的含水率，煤体强度降低，弹性模量降低，泊松比增大，从而使煤层的粘结力减小。

（2）水合：煤体中含有大量的粘土微粒，其表面积都带有负电荷，经过水合作用，形成大量的正电荷，从而增加了煤体内部的分子斥力，破坏了煤的粘结力，因而煤层强度大大降低。

（3）化合：煤层中的黄铁矿和压力水发生反应产生硫酸，促进了钙和碳酸镁等的溶解作用，从而释放了部分原岩应力。

1.3 驱替

当将水注入煤层的孔隙、裂隙之间，水逐渐将孔隙、裂隙中的气体驱走，水就被煤层中的孔隙、裂隙的内外表面吸收，直至煤层全部为水所湿润。这样就在煤的表面形成一层水膜，经过复杂的物理化学反应，煤的性质发生了变化，煤体的塑性增强，冲击倾向减小，尤其在水中添加表面活性剂的时候，效果更好。所以，对煤层注水，可以防治冲击地压。

2 注水参数与工艺

孙村煤矿十一煤，平均厚度1.52 m，煤质较硬，性脆，倾角11度，下距13层没40 m左右；顶板为6～10 m的粉砂岩，浅灰色层理发育。41117与41118工作面长分别为128 m和135 m。

2.1 注水参数

（1）注水压力。

注水压力与煤层的埋深、上覆岩层的密度、煤层瓦斯压力和煤体结构等因素有关，通过煤层注水的机理可以看出，煤层注水分为两个阶段，初期和后期。初期主要以压裂和松动煤体为主，为后期湿润软化煤层提供更多的润湿面，其注水眼里大于上覆岩层的静水压力；后期则以浸润煤体为主，是煤体湿润均匀。因此，在注水初期，其注水压力为Pc，为：

Pc>Ph=γH （1）

式中：Pc为注水压力，MPa；Ph为上覆岩层静水压力，MPa；H为埋深，以十一层煤为基准，取平均值700 m；γ为岩层容重，2.5 t/m3。则

Pc>17.5 MPa

后期湿润煤体是，根据，孙村煤矿的实际情况，极限注水压力P’c为

1.5Pt≤P ’c

式中：Pt为煤层瓦斯压力，取该矿实测最大值；Pf为封孔器的工作压力；该矿封孔器的最大工作压力为8 MPa。则

4.5MPa≤P ’c

（2）钻孔布置。

根据煤层的渗透性，煤层的厚度，工作面长度及巷道布置等，最终确定煤层注水方式为双向注水，即在工作面的上下顺槽打致敬42 mm，的注水钻孔，相向注水。注水孔深50 m，间隔10 m，距工作面最近的注水孔离工作面5 m左右，距离顶板0.76 m平行于煤层打孔。

（3）注水量及注水时间。

为使煤体充分湿润，根据相关资料研究，注水后煤体水分质量分数应不低于5%，根据孙村煤矿煤体水分及煤层结构情况，每吨煤所需要注水量平均为0.03 m3左右。注水时间与注水速度成反比，与注水量成反比。根据张梦涛等研究，煤层注水的时间为：

（3）

通过式（3）计算，最终确定孙村煤矿的最少注水时间为8 d。

2.2 注水工艺

采用MT501-1996长钻孔煤层注水法；采用封孔器封孔；注水用2BZ-40/12型脉冲式煤层注水泵。

3 应用效果

将煤层注水应用于41117和41118工作面，并进行煤层的冲击倾向性实验。实验结果表明：注水后煤层的含水率明显升高，一般有注水前的2%升到5%左右。

4 结论

（1）煤层注水通过压裂、软化煤体、驱替煤体中的气体湿润煤体，改变煤体强度，使煤体塑性增强，冲击倾向减弱，从而可以防治冲击地压，改善回采工作面工作环境，是一项技术可行，经济合理的安全措施。

（2）煤层注水技术作为当今煤矿井下较为成熟的治灾技术，孙村煤矿对其运用，为该矿防治冲击地压探索出了新的途径和方法，并为孙村煤矿今后的防灾害工作提供了长远的指导，社会经济效益显著。

（3）与其他地质灾害防治技术相比，煤层注水技术工程量较小，施工工艺简单，工效高，是一种安全、高效、经济、适用的综合防灾措施，推广运用前景十分广阔。