煤层注水对冲击矿压的影响分析

摘 要：煤层注水压简单易行，是一种防治冲击矿的有效方法，实验室和现场研究结果表明：煤层注水影响煤的结构和强度，使煤体的物理力学性质发生了变化，使煤体的塑性变形增加，在有瓦斯的矿井，注水过程中能贯通煤体裂隙，挤出煤层中的瓦斯，降低了瓦斯和煤层突出的危险性，削弱了煤层发生冲击矿压的可能性。通过煤层注水前后冲击倾向、支承压力、钻屑量和能量分布变化的分析，并通过现场实际应用，进一步阐述了煤层注水防治冲击矿压的作用机理。

关键词：煤层注水；冲击矿压；冲击倾向

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.24.059

随着开采深度的增加，煤层压力的增高，作为煤矿五大自然灾害之一的冲击矿井越来越突出。冲击矿压是煤岩体受载后发生变形，积蓄了大量的弹性能，当达到临界状态后，受外力干扰而发生的局部失稳破坏现象。这种破坏现象形成机理复杂，小到煤炮、煤层突出，大到剧烈的矿震，长期困扰着煤矿开采工作者，先后有不少学者提出了预防冲击矿压的理论方法，但冲击矿压时有发生，笔者主要从煤层注水前后影响冲击矿压各方面因素进行对比，得出了煤层注水预防冲击矿压的有效性，为煤层注水防治冲击矿压提供了一些理论依据。

1 煤层注水对煤的冲击倾向的影响

煤层注水是将水通过钻孔注入煤体内，水进入煤体的裂隙和孔隙中，煤体浸水后的软化作用和损伤破坏，使煤体的强度减小，塑性增大，煤层整体软化，形成较长的破裂带，破坏煤体的整体性，改变了煤体的应力状态。在实验室，对浸水煤样和未浸水煤样进行了压力机试验，得出了煤的应力-应变曲线如下图1。

试验结果表明，注水后煤体软化，结构发生改变，强度明显下降。在最大屈服强度时，煤体积蓄弹性能下降，破坏时释放的能量就减小，大多以塑性变形方式来消耗自身积蓄的弹性能，产生的冲击能力明显减弱。

2 煤体注水后支承压力分布变化

煤体注水后，煤体的支承能力下降，塑性区应力降低，弹性区应力增加，工作面前方破裂带和卸压带增加，支承压力向煤壁前方转移，支承压力峰值降低。对煤层注水进行的Flac模拟分析，注水前的最大支承压力为30 MPa，距煤壁6.8 m处，注水后支承压力分布比较平緩，最大支承压力为20MPa，距煤壁10.2m处。Flac分析结果见图2。

3 煤体注水后钻屑量的变化

钻屑法是根据排出的煤粉量及其变化规律和有关动力效应，鉴别冲击矿压的一种方法，在其他条件相同的情况下，其钻屑量不同，当单位长度排粉量超过标定值时，冲击危险性提高。注水前对煤体进行钻孔试验，当钻至5.4m时，孔内有煤炮声，同时在钻进的过程中出现了明显的卡钻动力现象，每米钻屑量为33 L，注水后钻孔钻屑量约为注水前的2/5，进钻过程中很少出现动力现象，说明煤体内应力状态得到改善，冲击危险性很小。对煤层注水前后进行钻屑法检测的结果见图3。

4 煤体注水后能量的分布状况

煤体注水后，煤体积蓄弹性能下降，大多以塑性变形的方式消耗弹性能，使煤层中可恢复弹性能减少，通过有限元分析，煤体注水能改变煤体内能量积聚和释放在时间上的稳定性和空间上的均衡性，注水后煤壁前方的能量明显减小，呈现出较均匀的分布，其分布情况见图4。

5 实例分析

抚顺龙风矿冲击矿压由来已久，在有严重冲击危险的情况下对601东下段四煤门北翼东工作面进行煤体注水，注水后用钻屑法检测，结果表明钻屑量显著下降，基本上消除了冲击矿压的危险，使回采能够顺利进行。

6 结论

通过以上分析，煤体注水后可得出如下结论：

（1）煤的力学性质发生变化，不仅强度降低，而且塑性增加，即峰值降低，曲线变得平缓，从根本上降低了煤层的冲击倾向性，因而可以有效的防治冲击矿压的发生。（2）降低应力集中程度，削弱冲击矿压发生的应力条件。数值分析显示煤体注水前后支承压力的变化，发现注水后支承压力向煤壁深部转移，从根本上消除了冲击倾向性。（3）煤层含水率增加，煤体塑化，煤粉量明显减少，钻孔过程中动力现象减少，根据排出的煤粉量及其变化规律，远低于可能发生冲击矿压的最大钻屑量。（4）工作面煤壁松动，矿压显现程度降低，煤体能量得到释放，降低煤层本身所聚集的弹性能，有效地降低了由于应变能突然释放而导致的冲击矿压。

参考文献：

[1]钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2010（09）.

[2]窦林名，何学秋.冲击地压防治理论与技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2002.

[3]章梦涛.煤层注水预防冲击地压的研究[J].中国安全科学学报，2003（10）.

作者简介：夏孝够（1973-），男，江苏无锡人，硕士研究生，主要从事矿压方面的科研工作。