詹召偉 沈建波 蔡可強(qiáng)

(1.山東濟(jì)寧運(yùn)河煤礦有限責(zé)任公司；2.山東濟(jì)礦魯能煤電股份有限公司陽(yáng)城煤礦；3.濟(jì)寧市金橋煤礦)

中國(guó)是世界產(chǎn)煤大國(guó)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年在同比減產(chǎn)3.3%的情況下中國(guó)原煤產(chǎn)量依然達(dá)到了37.5億t。但與國(guó)際上其他產(chǎn)煤大國(guó)如美國(guó)、澳大利亞等相比，中國(guó)煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜，沖擊地壓災(zāi)害嚴(yán)重。尤其是近年來(lái)，隨著深部開(kāi)采的進(jìn)展，中國(guó)煤礦沖擊地壓的發(fā)生強(qiáng)度和頻度都在增加。國(guó)內(nèi)外研究、實(shí)踐證明[1]，煤層注水可以從根本上改變煤體物理力學(xué)性質(zhì)，降低煤體沖擊傾向性，是一種積極防治沖擊地壓的有效方法，而且能預(yù)防煤與瓦斯突出，減小工作面回風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛?，降低空氣中粉塵含量。目前的注水系統(tǒng)一般采用靜壓注水或高壓注水。靜壓注水對(duì)于透氣性很好的煤層效果良好。高壓注水是通過(guò)煤層鉆孔注水壓裂改變煤體的裂隙結(jié)構(gòu)，使煤體脆性減弱，塑性增強(qiáng)，促使煤層大范圍卸壓，從而預(yù)防沖擊地壓的發(fā)生或使其強(qiáng)度減弱。國(guó)內(nèi)外不少專(zhuān)家和學(xué)者對(duì)煤層注水技術(shù)進(jìn)行了廣泛的研究，并取得了許多成果，使得煤層注水技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，但目前煤層注水技術(shù)依然存在許多不足，尤其是對(duì)注水效果的驗(yàn)證方面還無(wú)有效方法。

本文在前人研究基礎(chǔ)上，選定深部強(qiáng)沖擊傾向性煤層工作面開(kāi)展可注性實(shí)驗(yàn)，對(duì)煤層沖擊傾向性、可注性、不同注水條件效果模擬等方面進(jìn)行研究，為深部煤層注水參數(shù)設(shè)計(jì)提供理論參考。

1 煤層概況

本次實(shí)驗(yàn)煤層為3煤,埋深約963 m，煤層厚1.2～5.7 m，平均為4.3 m，采用《煤層沖擊傾向性分類(lèi)及指數(shù)的測(cè)定方法》(MT/T 174—2000)取煤樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)定，得出該煤層具有強(qiáng)沖擊傾向性，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 煤樣沖擊傾向性各項(xiàng)指數(shù)測(cè)定結(jié)果

2 煤層可注性測(cè)定

煤層孔隙率測(cè)定方法主要有密度法、等溫吸附法、壓汞法及NMR旋轉(zhuǎn)-松弛法。本實(shí)驗(yàn)測(cè)試依據(jù)《煤層注水可注性鑒定方法》 (MT/T 1023—2006)，采用密度法，通過(guò)測(cè)定煤的真、視密度計(jì)算煤的孔隙率，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

結(jié)合表2測(cè)定結(jié)果，依據(jù)《煤層注水可注性鑒定方法》(MT/T 1023—2006)所述判定規(guī)則，模擬煤層所取煤樣同時(shí)滿(mǎn)足W≤4%，n≥4%，δ≥1%和f≥0.4，判定模擬煤層具有可注性。

3 煤層注水效果模擬分析

運(yùn)用FLAC3D軟件[2-4]模擬計(jì)算不同條件下煤層注水在煤層中的傳播情況。

3.1 模型的建立

采用流-固耦合滲透分析，主要涉及的參數(shù)包括滲透系數(shù)、密度、流體體積模量和孔隙率[5-6]，見(jiàn)表3。

表2 煤樣可注性測(cè)定結(jié)果

表3 流-固耦合滲透分析參數(shù)

煤層厚4 m，寬20 m，主要考慮鉆孔周?chē)乃w滲透情況，建立二維模型，見(jiàn)圖1。根據(jù)模型內(nèi)注水孔隙壓力變化范圍可以判斷出注水滲透半徑。

圖1 計(jì)算模型

3.2 不同孔徑下的滲透半徑

模擬注水壓力為15 MPa，埋深為900 m，孔徑分別為50,75和108 mm下煤體鉆孔周?chē)譂B透情況[7]，模擬結(jié)果見(jiàn)圖2。可以看出,當(dāng)孔徑為50 mm時(shí)，其滲透半徑為245 mm；當(dāng)孔徑為75 mm時(shí)，其滲透半徑為357.8 mm；當(dāng)孔徑為108 mm時(shí)，其滲透半徑為487.4 mm。由此可知，當(dāng)孔徑增大時(shí)，其滲透半徑也隨之增大。

圖2 滲透半徑隨孔徑變化曲線(xiàn)

3.3 不同埋深下的滲透半徑

模擬注水壓力為15 MPa，孔徑為75 mm，埋深分別為700，900和1 100 m下煤體鉆孔周?chē)譂B透情況，模擬結(jié)果見(jiàn)圖3。可以看出，當(dāng)埋深為700 mm時(shí)，其滲透半徑為357.8 mm；當(dāng)埋深為900 mm時(shí)，其滲透半徑為355.6 mm；當(dāng)埋深為1 100 mm時(shí)，其滲透半徑為355.5 mm。由此可知，當(dāng)埋深增大，其滲透半徑相應(yīng)減小，但變化幅度不大，說(shuō)明埋深對(duì)注水滲透半徑影響不大。

圖3 不同埋深下滲透范圍云圖

3.4 不同時(shí)間下的滲透半徑

模擬注水壓力為15 MPa，孔徑為75 mm，埋深為900 m，不同時(shí)步的煤體鉆孔周?chē)譂B透情況，模擬結(jié)果見(jiàn)圖4?？梢钥闯?時(shí)步為3 000 step時(shí)，其滲透半徑為254 mm；時(shí)步為5 000 step時(shí)，其滲透半徑為332.4 mm；時(shí)步為10 000 step時(shí)，其滲透半徑為444.6 mm。由此可知，當(dāng)滲透時(shí)間增加時(shí)，其滲透半徑也隨之增大，說(shuō)明增加鉆孔注水時(shí)間可增大其滲透范圍。

圖4 不同時(shí)步滲透范圍變化云圖

4 結(jié) 論

(1)強(qiáng)沖擊傾向性煤層注水技術(shù)是較為有效的一種卸壓解危方法，并可以降低工作面粉塵濃度，對(duì)于工作面安全及職工健康防護(hù)均具有重要意義。

(2)通過(guò)數(shù)值分析可知，鉆孔在一定注水壓力條件下，水體滲透范圍隨孔徑、注水時(shí)間的增加而增大，隨埋深增大而略有減小。

(3)任何技術(shù)都有適用性，煤層注水技術(shù)在強(qiáng)沖擊傾向性煤層中實(shí)際應(yīng)用的效果評(píng)判將是下一步研究重點(diǎn)。

[1] 張永吉.煤層注水技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,2001.

[2] 劉志剛,李錦秀,張貴銀.深部沖擊危險(xiǎn)性特厚煤層開(kāi)采技術(shù)研究[J].煤炭技術(shù),2015,34(10):26-28.

[3] 黨紅蔻,劉志剛.深部?jī)绍浢簩优R空工作面沖擊地壓防治技術(shù)[J].煤炭技術(shù),2017,36(4):107-109.

[4] 章夢(mèng)濤,宋維源,潘一山.煤層注水預(yù)防沖擊地壓的研究[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào),2003(10):73-76.

[5] 秦文貴,張延松.煤孔隙分布與煤層注水增量的關(guān)系[J].煤炭學(xué)報(bào),2000(5):514-517.

[6] 肖知國(guó),王兆豐.煤層注水防治煤與瓦斯突出機(jī)理的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào),2009(10):150-158，179.

[7] 郭紅玉,蘇現(xiàn)波.煤層注水抑制瓦斯涌出機(jī)理研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2010(6):928-931.