煤矿深井开采中冲击矿压的防治实践

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【摘 要】冲击矿压对于煤矿开采危害巨大。文章介绍了某煤矿在深井开采中，采用煤层注水法来防治冲击矿压，取得了良好的效果，具有一定的推广价值。

【关键词】冲击矿压；深井；注水

冲击矿压是矿山开采中发生的煤（岩）动力现象之一，这种动力灾害通常是在煤（岩）力学系统达到强度极限时，聚积在矿井巷道和采场周围煤（岩）体中的弹性能量以突然、急剧、猛烈的形式释放，在井巷发生爆炸性事故，产生的动力将煤（岩）体抛向巷道，同时发出强烈声响造成煤（岩）体振动和煤（岩）体破坏，支架与设备损坏，人员伤亡，部分巷道垮落等。冲击矿压具有如下明显的显现特征：（1）突发性。冲击矿压一般没有明显的宏观前兆而突然发生，难于事先准确确定发生的时间、地点和强度。（2）巨大破坏性。冲击矿压发生时，顶板可能有瞬间明显下沉，但一般并不冒落；有时底板突然开裂鼓起甚至接顶；常常有大量煤块甚至上百立方米的煤体突然破碎并从煤壁抛出，堵塞巷道，破坏支架，从后果来看冲击矿压常常造成惨重的人员伤亡和巨大的生产损失。

开采深度是影响冲击矿压的重要因素，煤层自重应力随开采深度的增加而增大，煤岩体中积聚的弹性能也随之增加。某煤矿一座现代化大型矿井，设计生产能力3Mt/a。矿井采用立井开拓，中央并列抽出式通风，设有主、副、风3个立井，布置在1个工业广场内。主、副、风井井深均超过1000m，目前矿井最深的巷道为430采区水仓泵房，垂深达1220m。通过矿压监测，已发现多个采煤及掘进工作面具有冲击危险性，已严重影响矿井的安全生产，当务之急是选择合理的卸压解危措施。

1 卸压方法的选择

该煤矿已尝试使用了卸压爆破、煤层注水、钻孔卸压等多种卸压方式进行冲击矿压解危处理，通过对解危效果、解危后现场状况、对生产的影响等综合对比，发现煤层注水法具有明显的优势。水对煤的冲击倾向性有着显著的降低作用，煤层注水防治冲击矿压的原理是：通过煤层注水，煤的强度下降、变形特性明显“塑化”，煤体中积聚弹性能的能力下降，以塑性变形方式消耗弹性能的能力增加，煤的冲击倾向性大为减弱，甚至完全失去冲击能力。

2 注水参数及方式

该矿主采的3上煤层孔隙率为2.84%～5.67%，属于难注水煤层；通过对不同表面活性剂不同浓度的表面张力实验、不同表面活性剂不同浓度接触角的实验以及不同表面活性剂不同浓度吸湿速度的实验，确定了适合该矿的表面活性剂的种类及浓度___主要成分为0.2%～0.3%的石油黄酸钠和一定量的工业NaCl，通过添加表面活性剂提高了注水效果；通过对多种煤层注水方式比较和现场试验，确定了该煤矿埋深千米的煤层采用高压、大流量、脉动注水方式，压力达12MPa，流量为2m3/min。

3 煤层注水防治冲击矿压实例

130采区是首采区，1302工作面采用综采，一次采全高，走向长壁后退式采煤法，全部垮落法处理顶板，工作面回采煤层为山西组3上煤。通过对工作面进行钻屑法、矿压观测法监测冲击矿压，发现该工作面具有冲击危险，按照有关措施实施了煤层注水进行卸压处理。

3.1 煤层注水方案

在1302胶带巷钻孔注水，钻孔间距15m，第1个钻孔与回采工作面煤壁之间的距离为81m。所注水中添加0.2%～0.3%的石油黄酸钠和一定量的工业NaCl，以提高注水效果。注水系统如图1。

图1 注水系统

3.2 煤层注水工艺及参数选择

（1）钻孔直径。采用SGZ-ⅢA（ZL300HA）型煤矿用钻机打钻孔，电机功率为18.5kW，最大钻深300m，钻杆直径为42mm，钻孔直径60mm。

（2）钻孔长度。L=LⅠ-a=160（m），式中，L为钻孔长度，m；

LⅠ为工作面长度，200m；a为与煤层渗透性和钻孔方向有关的系数，一般为20～40m，取40m。

（3）钻孔间距钻孔间距根据煤层润湿半径计算，即：B=2.5R=5h=16（m），式中，B为钻孔间距，m；R为润湿半径，m；h为巷道净高（注水工作面两巷），3.2m。考虑到该矿煤层埋藏深，地压大，为使煤体充分润湿，钻孔间距取15m。第1个钻孔与回采工作面煤壁之间的距离：L1= T1V1+15=81.22≈81（m），式中，L1为第1个钻孔与回采工作面煤壁之间的距离，m；T1为打钻孔和对其注水的时间，1+8.197=9.197（d）；V1为回采工作面的平均推进速度，7.2m/d。取第1个钻孔与回采工作面煤壁之间的距离为75m。

（4）钻孔角度注水钻孔方向与煤层倾斜方向一致，钻孔倾角3～6°。

（5）封孔本煤层注水采用水力膨胀式封孔器封孔。选用YPA-120水力膨胀式封孔器10只。封孔器封孔位置距钻孔孔口6m处，其直径比钻孔直径小6～12mm，长度为2500mm。

（6）注水方式脉动注水，采用3BZ-S煤层注水泵注水，单孔注水量为：Q=kMBLρδ≈393.47（m3）式中，k为钻孔前方煤体湿润系数，取k=1.2；L为钻孔长度，160m；M为煤层厚度，3.3m；ρ为煤的密度，1.38t/m3；δ为吨煤注水量，取0.03m3/t。

（7）注水压力注水压力为12MPa。

（8）注水时间单孔注水时间由下式确定：

T=Q/q=393.47/2.0=196.7（h），式中，Q为每孔注水量，m3；q为每小时注水量，m3。将上述各数值代入计算，得：T=196.7/24=8.197≈8（d）

（9）日注水量日注水量按下式确定：Q日=G·q=187.83（m3）式中，Q日为工作面日注水量，m3；G为工作面日产量，6261t；q为吨煤注水量，取0.03m3。

（10）同时注水钻孔数同时注水钻孔数量由工作面日推进速度、注水时间及钻孔间距确定，其公式为：n=TV/24B=196.7×7.2/24×15=3.934（个），式中，n为同时注水钻孔数量，个；V为工作面日推进度，7.2m/d；B为钻孔间距，15m。因此，同时注水钻孔数量取4个。

3.3 注水结束标准

当注水工作达到设计要求，或钻孔周围煤壁有水渗出时，或轨道巷、工作面出现均匀的“出汗”渗水时，作为煤体全面湿润的标志，结束或暂停对该钻孔或该组钻孔的注水。

3.4 卸压效果

煤层注水后，经检测煤层平均含水率达到了预注实施指标，利用钻屑法对卸压区域进行卸压效果检验，未发现煤粉量超标现象，卸压效果明显。

参考文献：

[1]齐庆新，窦林名.冲击地压理论与技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2008.

[2]刘建军，祝平，潘一山，等.Gutenberg-Richter在预防冲击地压中的应用[J].辽宁工程技术大学学报，1998（3）.

[3]李国营，刘虎.唐口矿井微震系统防治冲击地压应用研究[J].山东煤炭科技，2011（1）.

作者简介：

张晓仕，男，1980年7月出生，本科学历，采矿助理工程师，2006年8月参加工作，现任国投新集能源股份有限公司刘庄煤矿东风井主管工程师。