刘民东，严少洋



高应力节理化煤体高压注水防片帮技术研究*

刘民东1，严少洋2

(1.焦作煤业(集团)有限责任公司，河南 焦作市 454000；2.河南理工大学土木工程学院，河南 焦作市 454000)

煤性脆、裂隙发育的煤层在高地应力下极易产生煤壁片帮，运用FLAC3D数值模拟软件研究此类煤层在不同注水压力下煤层长孔注水湿润范围、湿润形态及塑性区范围，采用超长钻孔高压注水技术破碎煤层提高煤层塑性区范围及增强煤层的内聚力。在现场应用中，超长钻孔高压注水防片帮技术减缓了煤壁片帮，提高了采煤机开机率，平均日产量增加3400 t，技术经济效益显著。

煤壁片帮；坚硬煤层；超长钻孔；高压注水

0 前 言

煤岩层是由植物枝叶及根茎经过地壳不断的变动及一系列复杂的化学物理反应形成的，因此煤岩体在成千上万年的形成过程中会产生节理裂隙，使得煤层出现许多弱面[1−2]。国内外学者对高压水进入煤体内部进行了一系列研究，得出高压水进入煤体后沿煤体内部的弱面流入煤体，对煤体起冲刷和压裂作用，使煤体在原有裂隙的基础上扩张并产生新的裂隙。使用高压水技术使得煤体微观结构发生变化和改变了煤体的物理力学性质，煤体内部裂纹扩大和增多导致破裂段表面能下降；高压水与煤体颗粒相互作用增加了煤体的塑性[3]。

秦玉红，窦林名等[4]通过对不同含水率煤样进行室内试验并分析含水量对煤体强度及冲击性能的影响，结果表明：含水量大的煤样变形破坏明显、冲击性能指数小；沈荣喜，杨胜利等[5]为得到水对煤样力学性能的影响规律，通过干燥煤样和饱和煤样进行拉伸试验，结果表明：水对煤样起到增加塑性和降低强度的作用；闫立宏等[6−7]通过试验对浸水后的煤样进行力学性能研究，结果表明：浸水后的煤样抗压、抗拉强度以及弹性极限降低，但煤样的延性和韧性增大。杨磊[8]通过对煤尘中的尘粒之间的作用力进行分析并从粉体力学的角度解释了煤层注水降尘机理，即水分子能够促使煤尘凝结，使得凝聚力增大，起到降尘作用；王家臣教授[9]分析了极软煤层煤壁片帮因素，提出煤壁片帮的防治机理，表明煤体合理注水可以提高煤体自身剪切强度和黏聚力来防治煤壁片帮。

为了更好地解决坚硬煤层煤壁片帮，采用高压水破碎煤层使工作面煤壁塑性区范围增大，减缓煤壁片帮发生。通过FLAC3D数值模拟软件研究煤层在不同注水压力下煤层长孔注水湿润范围、湿润形态及塑性区范围，通过现场应用，效果显著。

1 工程概况

赵固二矿煤层赋存具有埋藏深度大(埋深在650 m以上)、基岩薄(最小厚度36.8 m)、底板高承压水(水压大于7 MPa)和顶板含水威胁、煤体节理发育等特点。赵固二矿11050工作面设计为走向长壁工作面，斜长172.2 m，煤厚6.2 m，采用一次采全高开采 方式。

工作面回采期间，极易产生煤层片帮。主要原因是煤性脆、节理裂隙发育、基岩薄、工作面压力大所致。工作面片帮多分布在工作面上下端头，形成煤壁上部片落，下部片帮形式呈斜切面。工作面多产生平行煤壁的垂向裂隙，煤体开裂，采煤机截割时多呈长块、大块片落。工作面周期来压时煤壁大面积片帮，长度5~15 m，深度1.0~2.0 m，高度1.5~2.5 m，片帮率达到50%，体积可达十几到几十立方米，棚架在刮板输送机上，严重影响工作面正常回采及安全。

2 高压水致裂作用

高压水致裂指的是在煤岩体中注入高压水使其通过高压水的作用产生裂缝，利用煤岩体内部的裂缝扩展达到降低煤岩体强度和增加渗透性的目的[10−11]。高压水对钻孔周围煤层起到高压致裂和切割的作用，使得煤岩体的强度降低，工作面煤壁塑性区范围增大，煤岩体整体性及延展性、韧性增强，工作面超前压力前移，降低片落煤体的大块率和减缓煤壁片帮。

水压裂缝前沿为长短轴之比一定椭圆形，该椭圆形以钻孔导致的断裂带为中心。研究发现，2(第二主应力)会影响孔底水压裂缝的扩展，并且在水压裂缝扩展的过程中会出现不同程度的分叉现象，水压裂缝破裂面的走向与3(第三主应力)、2均垂直。

以弹塑性理论为支撑，假设钻孔内水对周围岩层不具有渗透性，则钻孔孔壁破裂的临界失稳水压力c满足：

式中：max为垂直于钻孔平面内的第一主应力；min为垂直于钻孔平面内的第三主应力；0为初始孔隙压力；T为考虑了水压作用的钻孔抗拉强度。

3 注水效果数值模拟

基于FLAC3D渗流模型理论，建立煤体在不同注水压力下及不同孔密度条件下的数值计算模型，进行数值计算。模型长×宽为40 m×40 m，分别在4种注水压力(5 MPa，10 MPa，20 MPa，30 MPa)条件下，对煤层注水渗透湿润范围以及不同孔密度、塑性区的变化情况进行了模拟研究。实验模拟参数见表1。

3.1 不同影响因素对煤层渗透湿润范围的影响

由于煤层长孔注水湿润半径与注水时间和注水压力有关，因此，通过模拟相同时间不同压力下研究煤层注水湿润范围及不同时间相同压力下煤层注水湿润范围的影响。

注水时间8 h时不同注浆水压力湿润形态及塑性区范围如图1所示。在射孔压力作用下，当水平应力小于垂直应力时，塑性区沿垂直分布，只发生拉伸破坏，而且随着水平应力的增大，塑性区变化比较明显。当水平应力大于垂直应力时，塑性区沿水平分布，而且射孔周围会出现剪切破坏，但塑性区范围不大，出现在射孔周围约4 m处。

表1 实验模拟参数

(a) 注水压力5 MPa；(b) 注水压力10 MPa；(c) 注水压力20 MPa；(d) 注水压力30 MPa

不同因素下模拟超长注水煤层湿润半径结果如表2所示。

注水压力不同条件下注水湿润半径随注水时间的变化如图2所示，随着注水时间的增加，湿润半径成线性增加，最大为13.2 m；由图2可知，湿润半径随着注水压力的增加而增大。说明随着时间的增加，高压水渗流增加孔周围湿润半径。

表2 实验模拟结果

图2 注水压力不同条件下的湿润半径

注水时间相同条件下注水压力对煤体湿润半径的影响如图3所示，从图3可以看出，注水压力以10 MPa为分界线，当注水压力小于10 MPa时，注水压力对煤层湿润半径影响较小，随着注水压力增加，煤层湿润半径增大较平缓；当注水压力大于10 MPa时，注水压力对煤体湿润半径的影响程度增大，湿润半径随着注水时间的增加而增加，但影响效果显著。

3.2 不同孔密度对湿润半径的影响

采用单孔布置、二空和四孔布置，研究在相同注水压力下注水孔最大剪应力受力角度及塑性区破坏范围。图4和图5分别为不同孔布置水平应力分布及塑性区分布。

随着孔密度的增大，最大剪应力仍然出现在孔周的45°、135°、225°、215°的角上，剪应力影响范围分别是1孔时为6 m，2孔时为12 m，4孔时24 m。塑性区的长度分别是1孔时为6 m，2孔时为8 m，4孔时为36 m。塑性区长度会随着孔密度的增大而增加。

图3 注水时间相同条件下注水压力对湿润半径的影响

(a) 单孔布置；(b) 四孔布置

(a) 单孔布置；(b) 四孔布置

4 现场应用

煤层注水钻孔至少超前采面100 m；按照−6°±1°进行钻进施工，以防止钻孔进入煤层顶、底板；严格控制注水压力，压力控制在28~31 MPa，防止煤层片帮，并测定出钻孔注水量；孔内封孔器距孔口5 m以上；钻孔孔深要控制在80~120 m；注水钻孔间距为10 m(低水压)和20 m(高水压)两种；第一次注水完毕后，间隔3~4班，再进行第二次注水，以减少大块率和提高降尘效果。注水参数如表3所示。

表3 注水参数

未用高压注水之前的回采工作面日产量约为4800 t，注水回采从5月25日至8月5日，3个月内共计回采原煤737960 t，平均每天回采原煤8200 t，平均日产量增加3400 t。在注水区域平均日产量较好，采用高压注水防片帮技术大幅提高了日产量。

对于赵固二矿二1煤层节理裂隙发育硬煤大采高工作面进行长钻孔、高水压煤壁注水试验发现，煤壁片帮减缓，片落大块煤体显著减少，采煤机开机率提高，日产量增加。

5 结 论

(1) 采用超长钻孔高压注水技术破碎煤层提高煤层塑性区范围及增强煤层的内聚力，使得超前支承压力前移，降低片落煤体的大块率、减缓煤壁片帮；提高了工作面开采的进度和降尘效果，平均日产量增加3400 t，经济效果显著。

(2) 不同注水压力下随着注水时间的增加，湿润半径成线性增加，最大为13.2 m；湿润半径随着注水压力的增加而增大。相同注水时间下，当注水压力小于10 MPa时，注水压力对煤层湿润半径影响较小，随着注水压力增加，煤层湿润半径增大较平缓；当注水压力大于10 MPa时，注水压力对煤体湿润半径的影响程度增大，湿润半径随着注水时间的增加而增加，但影响效果显著。

(3) 随着孔密度的增大，最大剪应力出现在孔周围45°、135°、225°、215°处，剪应力影响范围增加，塑性区长度随着孔密度的增加而增加。

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河南省科技攻关项目(172102210286).

(2018−07−18)

严少洋(1994—)，男，河南长垣人，硕士研究生，主要从事矿山安全工程研究,Email：jmjhclmd@126.com。