唐口煤矿三阶段动压注水技术及工程应用

李鹏宇 崔保阁

（山东唐口煤业有限公司，山东 济宁 272055）

唐口煤业公司位于山东济北矿区，工作面开采普遍处于千米以下。受地质条件影响，唐口矿存在较大的冲击地压灾害隐患[1-2]。为了防治冲击地压，唐口矿采用了煤层注水措施[3-5]。为了提高煤层注水的效率及效果，本文基于唐口煤层注水数据分析，提出合理的工艺优化方案及监控方案。

1.1 矿井概况

矿井共设计10 个采区，目前生产采区分别为430、530、630、930 采区，开拓采区为730、1030采区。安排4 个采煤工作面生产，分别为5306 综采工作面、6304 综放工作面、4307 综采工作面及9308 充填工作面，1 个回撤工作面为3313 工作面，1 个安装工作面为5307 工作面。安排12 个掘进工作面生产，其中4 个煤巷掘进工作面，分别为6308轨道顺槽、6308 皮顺2#探巷、4303 轨道顺槽、4303 皮带顺槽；
7 个岩巷掘进工作面，分别为5307回风道、1030 轨道集中巷、1030 回风集中巷、南部集中回风巷、南部集中回风巷里段反掘、南部集中回风巷外段反掘、730 采区水仓；
1 个工程头为南北翼大煤仓。

根据2018 年采掘接续情况，工作面埋深在643～1130 m 之间，530 采区、630 采区的煤层平均埋深均在950 m 左右，730 采区埋深达到1130 m。煤层埋深较大，受垂直应力影响，具有发生冲击地压的可能性。

1.2 煤层注水卸压原理

煤层预注水主要的施工地点是已经开挖完成的回采巷道内或者与其相邻的巷道内，一般是在对煤层进行开采工作之前，对煤层进行全方位、长时压力注水。煤层注水分为静压注水和高压注水压裂两种技术。

煤层静压注水的主要作用是改变煤的物理力学性质，以此减弱或者消除煤层的冲击危险性，这是利用压力水的物理化学作用来实现的。试验结果证明，当煤系地层岩层含水量提高时，其单轴抗压强度相应地会有所降低，并且当煤的含水率增加时，煤的强度与冲击倾向指数WET 也会有所降低，可用关系式表达如公式（1）：

式中：WET为注水后煤层的冲击倾向性指数；
WET0为自然状态下煤层的冲击倾向性指数；
ΔW为含水率。

当煤体硬度较大，通过实施大直径钻孔不足以削弱煤体积聚冲击应力和能量的能力时，可对钻孔高压注水，以压裂煤体，人为降低煤体结构的完整性。

在高压水的作用下，钻孔周围的煤体会发生劈裂从而产生弱面和裂隙，然后在水的持续切割作用下，煤体内部弱面和裂隙会逐步扩展和延伸，当它们扩展到一定程度就会形成多裂缝网络，如图1 所示。单个钻孔的裂隙网络和相邻钻孔的裂隙网络彼此贯通，煤体被分割成众多块体，当应力超过煤块之间的滑动摩擦力后，煤块之间彼此发生滑动，消耗积聚的应力和能量。因此，应力和能量很难在经过水力压裂后的煤体中积聚起来，从而起到防治巷道大变形和冲击地压的作用。

图1 高压注水下钻孔裂隙发展示意图

高压水的注入会改变压裂区域地应力的分布状态，打破原岩地应力的平衡。煤岩体的破裂会使压裂区域产生应力均化的效果，使得支承压力峰值向深部转移，从而降低被压裂区域煤层的冲击危险性。

1.3 注水防冲效果

为对注水后煤层的冲击倾向性进行分析研究，在唐口煤矿进行了煤层浸水性试验。试验结果表明，在对煤层进行注水后，多数煤体的冲击倾向性有了明显的降低。对于煤层动态破坏时间，当煤层浸水10 d 后，相较原来，煤体的动态破坏时间下降了67%，但之后随着煤层浸水时间的增长，动态破坏时间又呈现增大的趋势，并且煤层冲击能量指数也呈现出先增大后减小的变化趋势，两者随浸水时间的变化规律有着明显的关联性。同样是在第10天时，煤层冲击能量指数会有一个明显的增大，但之后又逐渐减小，并最终在较低的状态保持稳定。随着煤岩体浸水时间的增长，煤岩体的单轴抗压强度、冲击能量指数和弹性能量指数逐渐减小，如图2。

图2 浸水时间与冲击倾向性指标的关系曲线

对于降低煤层冲击倾向性这一方面，煤层注水可以有一个比较好的效果，但在前期开展煤层注水工作过程中，存在注水量少、封孔效果差、堵孔、漏水等多个问题，为此提出了“两堵一注分段封孔技术”和“三堵一注分段高压注浆技术”，如图3。

图3 三堵一注分段封孔技术

在注水工艺方面，与常规的动压与静压二阶段注水不同，实施了“静-动-静”三阶段注水方式，即第一阶段静压注水湿润，第二阶段动压压裂扩展裂隙，第三阶段静压浸泡饱和。此三阶段注水工艺能够有效提高煤层含水率，同时更有效地破坏煤体的整体性，使其脆性减弱、塑性增强，从而降低煤层的冲击倾向性。根据现场两个相似工作面的监测数据对比，三阶段注水使煤层含水率提高了2.5%，微震总能量降低820 kJ，微震频次降低232 次。

在注水设备及监测方面，采用目前的机械设备和方法进行煤层注水需要耗费相当长的时间，过程中使用的人工多，管理的难度也大，并且往往无法达到注水过程中精确掌控注水压力和注水量的效果。由此，开发了一种煤层注水自动监控设备及方法，实现了注水过程的集中监控，从而大大减少了煤层注水所需要的人工，并且大大提高了装备的工作效能。

该高压水力致裂煤层注水系统包括多个注水单元，可以同时实现对煤层多处位置进行注水。在加压泵的进水处连接的管路为静压注水管道，在其出水处连接的管路为动压注水管路。两种类型的注水管路都与注水单元的管路部分相连，控制箱连接并控制着每个注水单元开关以及加压泵。对煤层注水的监控方法主要是利用各种传感器来监测，首先在注水钻孔的周围钻出用于数据监测的钻孔，然后在其中放入传感器来实现对煤层注水过程的监测。传感器主要监测的是煤层的实时状态。

在高压水力致裂煤层注水系统及注水自动化监控方法中，系统中存在静压、动压两种类型的注水管路，因此系统可以同时采用动压和静压两种注水方式，实现组合水压的方式对煤层进行注水。设备中的传感器可以监测注水的压力和注水量，实现对整个注水过程的精准掌控，从而提高煤层注水的防冲效果。系统每个注水单元均安装流量计，可以精确监测煤层注水各单元的注水量。注水煤层中的湿度传感器可以反馈注水过程中煤层的湿度，通过其得到煤层具体数据来分析煤层注水的现场情况。同时，每个注水单元安装了压力传感器，加压泵加压单元的进水和出水管路上也分别设置了压力传感器，从而可以分析整个注水过程是否发生故障，例如加压泵缺水和漏水情况。

（1）多数煤层的冲击倾向性在注水后会明显降低，并且随着煤层注水时间的延长，冲击能量指数呈先增大后减小的趋势，并最终在较低的状态保持稳定。

（2）相比常规的二阶段注水，“静-动-静”三阶段注水方式更有效地降低了煤层的冲击倾向性。本文所提出的煤层注水自动化监控装置及方法，在注水压力和注水量方面能实现精确掌控，并且可以更方便地监测煤层数据，实现了注水过程的集中监控，减少了施工人员，提高了设备工作效能。

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