深部低孔隙率煤层高压注水防冲技术研究与应用

任文涛

(山东能源淄矿集团 唐口煤业，山东 济宁 272055)

深部低孔隙率煤层高压注水防冲技术研究与应用

任文涛

(山东能源淄矿集团 唐口煤业，山东 济宁 272055)

针对唐口煤矿5304工作面煤层近千米埋深、孔隙率及渗透率低、强冲击倾向性的条件，研究了适合唐口煤矿的高压注水致裂煤体的防冲技术，并运用微震事件监测、应力在线预警等手段，对应用效果进行综合评价分析。结果表明：煤层高压注水后，微震活动能量和频次明显降低、预警次数显著减少，防冲效果良好。

深部；低孔隙率；高压注水；冲击地压

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

我国煤矿以每年8～12m的速度向深部延伸，深部矿井数量逐渐增多[1]。理论研究和现场实践表明，开采深度的增加使得矿井冲击地压发生的频度和强度显著增大，严重制约了矿井安全和持续生产[2-5]。因此，采取有效措施防治冲击地压灾害的发生显得尤为重要。水力压裂是防治冲击地压发生的一种有效方法[6-7]。高压注水致裂煤体能够改变煤体的物理结构和力学性质，促使煤体中应力集中能得到释放，起到卸压防冲的作用。同时，由于注水后煤体变得湿润，其中裂隙也增加、导通，因此还能起到预防粉尘、瓦斯突出和高温的作用。本文通过介绍煤层高压注水技术在唐口煤矿的研究和应用，为类似矿井高压煤层注水技术防治冲击地压提供参考。

1 唐口煤矿冲击地压特点

唐口煤矿5304工作面埋深963.1m，工作面宽230m，可采长度1565m，煤层厚度1.2～5.7m，平均4.3m。工作面内受断层及小褶曲影响，煤层略有起伏，煤层倾角在0～10°之间，平均5°，倾向120～320°。工作面轨道巷、胶带巷均为矩形断面，采用锚网索支护。

5304工作面所采3上煤层，埋深近1000m，为强冲击倾向性煤层。3上煤层顶板为弱冲击倾向性岩层。煤层赋存较深，原岩应力较大，采掘工作面冲击危险性将会随深度增加而加剧。经过煤炭科学研究总院开采研究分院对唐口煤矿3上煤层试样进行物理性质测定，3上煤层孔隙率4.85%，由于煤体具有孔隙率及渗透率低的特点，普通静压注水往往存在水流注不进去、煤壁到处漏水、注水防冲效果不好的问题，因此提出采用高压致裂煤体注水的方法，提高注水防冲效果。

2 煤层高压注水防冲机理

煤层水力压裂破坏是借助高压水使煤层中各种弱面扩展和延伸，并形成一个裂隙联通的网络，大大提高煤层的渗透率[8-12]。由于煤层中原始裂隙的大小、尺度、方位等差异，导致压力水侵入裂隙的顺序和运动状态不同。压力水首先以渗流的形式入侵张开度相对较大的一级弱面，以毛细浸润的形式在二级弱面运动，最后到水分子扩散微裂隙和空隙中，如图1所示。水力压裂过程中，高压水对煤体具有劈裂和贯通裂隙的作用，煤体裂隙变宽，空间容水量也在不断扩大，通过高压水在煤体中不断渗透，导致煤层的渗透系数不断增大，增加煤体透水性。通过煤层钻孔注水压裂改变煤体的裂隙结构，使煤体脆性减弱，塑性增强，促使煤层大范围卸压，使煤壁前方塑性变形区(卸压带)加宽，使应力集中区(弹塑性变形区)向煤体深部转移，减弱了应力集中程度，缓和了煤体压力潜能的积聚，显著地改善了能量释放过程中在时间上的稳定性和在空间上的均匀性，从而预防冲击地压的发生或使其强度减弱。

图1 压力水流动次序示意

3 5304工作面煤层高压注水设备及工艺

3.1 煤层高压注水设备

(1)高压注水泵 使用7BG-4.5/160型高压泵，其相关参数为：压力16MPa；流量4.5m3/h；柱塞直径25mm；吸水管直径38mm；排水管直径20mm；电动机型号YBK2-225M-6；额定流量125L/min；额定排出压力31.5MPa。

(2)钻具 煤层注水钻孔施工采用ZY-650型钻机，所用钻头为全液压滑台动力头，钻孔直径65mm，最大钻孔长度为150m。

(3)其他器材 SGS双功能高压水表(平均流量2.5m3/h，压力测量范围0～25MPa)、卡板、棉纱、固邦特及专用封孔泵、管材及阀门和连接件等。

3.2 煤层高压注水工艺

采用动静压相结合的方式对5304工作面煤层进行注水。在超前工作面80m位置施打钻孔进行高压注水，并沿工作面推进方向将钻孔编号，钻孔间距20m。随工作面推进，当注水孔位置进入超前支护范围及60m时，改动压注水为静压注水，待钻孔超前工作面10m时停止静压注水，钻孔注水系统如图2所示。注水时，依据注水泵上设有的压力表示数以及相应流量表显示注水流速情况来调节注水压力。每个钻孔配备相应的、独立的流量表，便于统计注水效果以及观测注水实时情况，以此来调节注水压力参数等。

1—钻孔；2—封孔器；3—注水管；4—压力表；5—阀门；6—分流器；7—钢丝编织高压胶管及接头；8—单向阀；9—注水表；10—注水泵；11—供水箱图2 注水系统示意

注水泵连接注水添加剂自动添加装置，参数如表1所示，具体操作可根据流量表流速变化情况进行适当调节。

表1 动静压注水钻孔参数

4 现场应用效果分析

2014年11月至2015年4月，5304工作面煤层月注水量基本呈逐月递增的趋势，各月煤层注水量统计如表2所示。

表2 5304工作面月度煤层注水量统计

4.1 煤层孔隙率对比分析

煤炭科学研究总院开采研究分院对唐口煤矿3上煤层采取动压注水前后分别取样，进行物理性质测定，根据实验唐口煤矿3上煤样自然状态强冲击倾向性煤样孔隙率为4.85%，采取动压注水20～30d后变为弱冲击倾向性，对应煤样孔隙率为8.59%，煤体孔隙率明显提高，动压注水前后孔隙率对比见表3。

表3 5304工作面动压注水前后孔隙率对比

4.2 应力在线预警分析

5304工作面两巷安装冲击地压应力在线监测系统，轨道巷与胶带巷各布置10个测组，每个测组2个测点，两组测点间距30m。分析5304工作面动压注水区域应力在线监测系统预警次数与煤层注水量变化，煤层注水量与预警次数曲线如图3所示。从图3中可知，随着5304工作面煤层注水量的增加，应力在线预警次数明显呈递减趋势，月度注水量达到4000m3以上时，不再出现红色预警，煤体应力整体下降。

图3 5304工作面煤层注水与预警次数曲线

4.3 微震事件分析

使用ARAMIS M/E微震监测系统对5304工作面微震活动进行监测，微震事件频次和能量变化如图4、图5所示。从图中可知，2015年1月中旬开始，微震事件频次和能量开始大幅减少，微震活动一直处于较低的水平。通过对比注水前和注水后的平均能量变化，可知注水后平均能量降低了86%，工作面每推采1m释放微震能量由403J降低到205J，表明煤层及底板软化明显，注水效果良好。

图4 5304工作面微震事件频次变化

图5 5304工作面微震事件能量变化

5 结 论

(1)工作面煤层高压注水使内部各级裂隙弱面在空间上进一步扩展、延伸，导致煤体脆性减弱，塑性增强，煤层大范围卸压，减弱了应力集中程度，从而有效防止冲击地压的发生。

(2)随着工作面煤层注水量的增加，应力在线预警次数明显减少，当月度注水量达到4000m3以上时，不再出现红色预警现象。

(3)煤层注水后，微震活动平均能量降低了86%，工作面每推采1m释放微震能量由403J降低到205J，煤层及底板软化显著，注水效果良好。

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[责任编辑：邹正立]

2016-06-02

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

任文涛(1985-)，男，山东烟台人，工程师，防冲办公室主任，从事冲击地压灾害治理工作。

任文涛.深部低孔隙率煤层高压注水防冲技术研究与应用[J].煤矿开采，2017，22(1)：91-93.

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1006-6225(2017)01-0091-03