綜放開(kāi)采預(yù)注水弱化頂煤的理論研究及其工程應(yīng)用.pdf

第 23卷 第 15 期 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) 23 15 26152621 2004 年8 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Aug 2004 2002 年 12 月 9 日收到初稿2003 年 3 月 6 日收到修改稿 教育部高等學(xué)校骨干教師資助計(jì)劃 J20046 和山西省青年科學(xué)基金 961027 資助項(xiàng)目 作者 康天合 簡(jiǎn)介 男45 歲 博士 1982年畢業(yè)于山西礦業(yè)學(xué)院采礦工程系 現(xiàn)任教授 主要從事采礦與巖石力學(xué)方面的科研和教學(xué)工作 E mail kangtianhe 綜放開(kāi)采預(yù)注水弱化頂煤的理論研究 及其工程應(yīng)用 康天合 1 2 張建平1 白世偉2 1太原理工大學(xué)采礦工藝研究所 太原 030024 2中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 武漢 430071 摘要 提高頂煤放出率是綜放開(kāi)采的一個(gè)重大課題預(yù)注水弱化頂煤是解決這一問(wèn)題的有效方法之一從理論上 研究了超前開(kāi)采工作面注入煤體的水在裂隙和孔隙中的滲透運(yùn)動(dòng)和水對(duì)煤體的弱化機(jī)理從試驗(yàn)上得出了注水壓 力對(duì)煤體變形模量的弱化規(guī)律和注水含水率對(duì)煤的抗壓強(qiáng)度的弱化規(guī)律提出了預(yù)注水超前工作面的位置 時(shí)間 注水含水率注水量注水潤(rùn)濕半徑注水孔間距注水持續(xù)時(shí)間注水壓力和注水孔布置等工程參數(shù)的確定方 法將理論研究結(jié)果應(yīng)用于潞安王莊礦 4309 綜放開(kāi)采工作面取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益 關(guān)鍵詞 采礦工程綜放開(kāi)采預(yù)注水弱化頂煤應(yīng)用 分類號(hào) TD 82 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1000 6915 2004 15 2615 07 THEORETICAL STUDY AND APPLICATION OF WEAKENING TOP COAL USING WATER PRE INFUSION IN FULLY MECHANIZED SUBLEVEL CAVING MINING Kang Tianhe1 2Zhang Jianping1Bai Shiwei2 1Taiyuan University of TechnologyTaiyuan 030024 China 2Institute of Rock and Soil MechanicsThe Chinese Academy of SciencesWuhan 430071 China Abstract It is key problem to raise the top coal recovery rate of the fully mechanized sublevel caving mining Weakening top coal by using water pre infusion is one effective method to solve this problem The mechanism of permeation movement in cracks and porosity of water infused into the coal mass ahead of the working face and the weakening of the coal mass is theoretically studied By laboratory testthe law of weakening of the coal mass deformation modulus from the water pressure are obtained and the law of weakening of the coal mass compression strength from the water bearing ratio are obtained The method to determine the water infusion engineering parameterssuch as relative position of water infusion to the working facethe start and stop times of infusion water bearing ratio of water infusioninfusion volumewetting radiusinterval of infusion holesinfusion durationinfusion pressure and the hole layoutis proposed The remarkable technical and economical effects and social benefit have been achieved by application of the study results to the working face 4309 of fully mechanized sublevel caving mining in Lu an Wangzhuang Mine 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 2616 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) 2004年 Key words mining engineeringfully mechanized sublevel caving miningwater pre infusionweakening top coalapplication 1 引 言 綜放開(kāi)采已在我國(guó)顯示出其巨大的優(yōu)越性 1 3 但也還存在著人們普遍關(guān)注的一些重大問(wèn)題如提 高煤炭采出率防滅火治理瓦斯和控制粉塵等 綜放面的煤炭損失由 3 部分組成頂煤冒放性造成 的損失占 1 2 或稍多設(shè)備條件限制 工作面兩端不 放煤 引起的損失占 1 4設(shè)計(jì)參數(shù)受限或不合理引 起的損失占 1 4 因此 必須加強(qiáng)提高頂煤冒放性的 理論與技術(shù)研究 文 46 詳細(xì)研究了影響頂煤冒放性的地質(zhì)和 技術(shù)因素并提出了各類頂煤的優(yōu)化開(kāi)采工藝和對(duì) 難冒放頂煤建議的預(yù)處理方法有效的頂煤預(yù)處理 方法主要有爆破預(yù)裂頂煤優(yōu)化工作面推進(jìn)方向 與頂煤裂隙方位的合理匹配和預(yù)注水弱化頂煤等 爆破預(yù)裂頂煤技術(shù)已在大同忻州窯礦堅(jiān)硬煤層和堅(jiān) 硬頂板下的 891689188911 工作面 6 7 和寧夏白 芨溝煤礦特厚煤層分層假頂下 8 獲得成功應(yīng)用優(yōu) 化工作面推進(jìn)方向與頂煤裂隙方位的合理匹配技術(shù) 已在晉城古書(shū)院礦獲得成功應(yīng)用 9 煤層注水是降低粉塵防治沖擊地壓和煤與瓦 斯突出等的主要工業(yè)性措施已在生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用 最新的研究成果有煤對(duì)純水吸收速度的第 1 影響 因素是煤的平均毛細(xì)管力第 2 影響因素是煤中過(guò) 渡孔與半大孔的孔隙體積之和 10 煤的層理方向?qū)?自然滲流潤(rùn)濕煤體的效果影響很大在層理方向上 水滲流速度明顯高于垂直層理方向上的滲流速度 完全依靠毛細(xì)作用力潤(rùn)濕煤體遠(yuǎn)不能達(dá)到煤礦安 全規(guī)程規(guī)定的至少提高煤體水分 1 的要求 必須進(jìn)行壓力注水 11 在中低壓力 1MPa 下 純水的壓力滲流潤(rùn)濕煤體的效果遠(yuǎn)不能滿足煤層注 水的要求 12 應(yīng)用電測(cè)法可以測(cè)定煤層注水浸潤(rùn)半 徑 13 本文主要研究預(yù)注水在煤層中的滲透運(yùn)動(dòng)和 對(duì)煤體的弱化機(jī)理與弱化效果注水工程參數(shù)的確 定方法及其應(yīng)用效果為綜放開(kāi)采實(shí)施預(yù)注水提高 頂煤冒放性提供理論與技術(shù)依據(jù) 2 煤層預(yù)注水機(jī)理 2 1 水在煤層中的滲透運(yùn)動(dòng)機(jī)理 煤體的裂隙系統(tǒng)對(duì)水起著一種通道的作用孔 隙系統(tǒng)不易導(dǎo)水在注水壓力和毛細(xì)管力的共同作 用下吸附水分水在貫通裂隙中的滲流取決于注水 壓力 P時(shí)間和滲透系數(shù) k 14 15 而水在微孔隙中 的毛細(xì)運(yùn)動(dòng)則取決于毛細(xì)管的半徑和潤(rùn)濕角 據(jù)圓 管層流公式可得到孔隙水的水平滲透毛細(xì)上升和 向下滲透的時(shí)間距離與毛細(xì)管半徑的關(guān)系為 水平滲透 cos 2 2 a cL t 1 毛細(xì)上升 22 8 ga c t Lgaa a agLa cos2 cos2 lncos2 2 2 2 向下滲透 22 8 ga c t Lgaa a agLa cos2 cos2 lncos2 2 2 3 式中t 為滲透時(shí)間 d L 為被潤(rùn)濕的毛細(xì)管長(zhǎng)度 m a 為毛細(xì)管半徑 m 為水或水溶液的表面 張力 Nm 1 c為水或水溶液的粘性系數(shù) Pa s 為煤的潤(rùn)濕角 為水的密度g 為重力加速度 令毛細(xì)上升時(shí)的速度 v 0可得水在毛細(xì)管中 上升的最大高度為 ga L cos2 max 4 對(duì)于特定煤層注入清水或含表面活性劑的水溶 液時(shí)c cos都是一定的據(jù)此可以計(jì)算出 任一時(shí)間內(nèi)不同孔徑中水的毛細(xì)滲透距離和上升的 最大高度由水在煤層中的滲透運(yùn)動(dòng)機(jī)理可以得 出以下幾點(diǎn)結(jié)論 1 注水壓力 P 是驅(qū)動(dòng)水在裂隙系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)的 動(dòng)力到達(dá)細(xì)小孔隙處P 已經(jīng)很小但毛細(xì)作用力 Pm卻隨孔徑的變小而增大孔徑減速小 10 倍Pm 就增大 10 倍當(dāng) 65 時(shí)微孔及過(guò)渡孔的 Pm可 達(dá)數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)大氣壓力 2 當(dāng) a10 5 m時(shí) 注水泵停止后 注水孔上 方的大孔隙中將不再有水滲入向下則可以靠重力 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 第 23卷 第 15期 康天合等 綜放開(kāi)采預(yù)注水弱化頂煤的理論研究及其工程應(yīng)用 2617 繼續(xù)流動(dòng)鉆孔應(yīng)盡量布置在頂煤的上部 3 當(dāng) a 為 10 6 10 7 m時(shí) Pm比 P 要高因 為 Pm不隨路程的增長(zhǎng)而衰減滲入到微孔隙中的水 分雖然不如大裂隙中的水分能明顯提高煤的含水 量但在改變煤的物理力學(xué)性能方面起著重要的作 用 4 理論上當(dāng)煤的潤(rùn)濕角 90 時(shí)Pm將成 為注水的阻力只有添加潤(rùn)濕劑降低 方能變阻 力為動(dòng)力但絕大多數(shù)煤的潤(rùn)濕角 為 4085 平均為 67 7 16 2 2 預(yù)注水對(duì)煤體的弱化作用 煤的孔隙吸附水分后顆粒間的粘聚力 c 和內(nèi) 摩擦角 降低裂隙面吸附水分后其 也會(huì)減小 另外由于孔隙水壓 w 使有效應(yīng)力改變?yōu)?n wn 而剪應(yīng)力不變則其抗剪強(qiáng)度降為 wwnww tan c 5 式中 w c 為注水后的粘聚力 w 為注水后的內(nèi)摩 擦角 w 為孔隙水壓力因此注水煤塊較干煤塊 抗剪強(qiáng)度的降低值為 tan tan wwnwnw cc wwwnw tan tan tan cc 6 式中 w cc 為吸水使煤塊粘聚力產(chǎn)生的降低量 w tantan 為吸水使煤塊摩擦系數(shù)產(chǎn)生的降低 量而 wwtan 為孔隙水壓使煤塊抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生的 降低量式 6 為水對(duì)煤塊強(qiáng)度弱化的綜合效應(yīng) 表 1 為 5 個(gè)煤礦的大煤樣 100 mm 100 mm 200 mm 在室內(nèi)注水后所得P與煤樣彈性模量E的 關(guān)系將試驗(yàn)結(jié)果寫(xiě)成線性通式為 bPEE 0 7 式中 0 E 為煤樣初始彈性模量 MPa b 為煤樣彈 性模量隨 P 的變化率式 7 說(shuō)明 P 的提高使煤中的 裂隙增多彈性模量降低 表1 注水煤樣的變形特性 Table 1 Deformation property of water infused samples 煤樣 彈性模量 MPa 孔隙率 大同 11 煤 晉城 3 煤 汾西 10 煤 陽(yáng)泉 3 煤 王莊 3 煤 E 3 654161P E 2 39571P E 2 368117P E 2 24843P E 3 999210P 8 11 4 10 7 35 6 07 11 60 表 2 為幾種煤樣的物理力學(xué)性質(zhì)隨浸水軟化系 數(shù)變化的試驗(yàn)結(jié)果將試驗(yàn)中不同浸水時(shí)間 t 的煤 樣含水率 與其單軸抗壓強(qiáng)度 c的關(guān)系寫(xiě)成通式為 c0c 8 式中 c0 為煤樣自然含水率時(shí)的單軸抗壓強(qiáng)度 MPa 為煤樣單軸抗壓強(qiáng)度隨含水率的變化率 式 8 說(shuō)明隨 的增高煤的單軸抗壓強(qiáng)度 c 降低 表2 幾種煤樣軟化系數(shù) Table 2 Softening coefficients of some coal samples 煤層 煤種 孔隙率 c MPa 軟化系數(shù) 古書(shū)院 3 蔭營(yíng)礦 15 陽(yáng)泉一礦 15 忻州窯礦 11 水峪礦 10 王莊礦 3 烏達(dá) 12 無(wú)煙煤 無(wú)煙煤 無(wú)煙煤 弱粘煤 焦煤 貧煤 肥煤 4 10 3 22 6 07 8 11 7 35 11 60 5 91 25 31 12 73 14 09 20 58 6 36 16 09 7 87 0 88 0 83 0 78 0 67 0 74 0 61 0 78 3 預(yù)注水參數(shù)的確定方法 3 1 預(yù)注水超前工作面位置的確定 工作面前方頂煤裂隙的發(fā)育可劃分為 4 個(gè)分 區(qū) 17 18 原生裂隙閉合區(qū)原生裂隙張開(kāi)區(qū)次生 裂隙發(fā)育區(qū)和大變形區(qū)在裂隙比較發(fā)育而張開(kāi)量 又不大的區(qū)域進(jìn)行注水既能保證注水范圍擴(kuò)大 又能充分利用毛細(xì)現(xiàn)象潤(rùn)濕煤體防止水沿大裂縫 泄漏根據(jù) 10 余個(gè)放頂煤工作面前方支承壓力的實(shí) 測(cè)結(jié)果 2 確定出軟煤中硬煤和硬煤工作面預(yù)注 水的最佳區(qū)域見(jiàn)表 3 表3 不同煤層的最佳注水區(qū)域 Table 3 Optimum infused districts of different coal seams 注水超前工作面位置 m 煤層類別 普氏系數(shù) f 開(kāi)始位置 停止位置 軟煤 1 7035 2010 中硬煤 12 5 6030 158 硬煤 2 5 4525 103 3 2 預(yù)注水含水率的確定 由 5 個(gè)煤層 33 塊大煤樣 300 mm 300 mm 300 mm 的壓碎試驗(yàn)得到煤的單軸抗壓強(qiáng)度與大塊率的 關(guān)系為 233 4649 3 cd K 9 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 2618 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) 2004年 式中 d K 為大塊率即試驗(yàn)中大于 800 mm 實(shí)際工 作面大于 1 m的塊徑 所占的比率 這種塊徑的 煤一般均丟失在采空區(qū)是工作面的主要放煤損失 使大塊率降至 10 以下頂煤放出率就可提高到 90 以上 將式 8 代入式 9 得預(yù)注水軟化頂煤并提高頂 煤放出率的通式為 233 4 649 3 649 3 0cd K 10 試驗(yàn)測(cè)得煤樣的 0c 和 后令 d K10 可 得預(yù)注水所要求的頂煤含水率 3 3 潤(rùn)濕半徑 注水潤(rùn)濕半徑有 2 種確定方法 1 經(jīng)驗(yàn)估計(jì) 法大量的注水實(shí)測(cè)資料表明一般煤層的潤(rùn)濕半 徑為 715 m根據(jù)煤層的裂隙與孔隙發(fā)育程度選 定 2 試注測(cè)定法先試注 13 個(gè)孔采用電測(cè) 法 13 測(cè)定合理注水壓力下的有效潤(rùn)濕半徑或用超 過(guò)封孔深度的鉆孔探測(cè)不同注水壓力下的潤(rùn)濕半 徑 3 4 單孔注水量 據(jù)式 10 計(jì)算滿足頂煤放出率必須的注水含水 率 YS Y 為原煤含水率以此確定單孔 注水量為 S1d1 SlLMKQ 11 式中 1 K 為注水漏失系數(shù) 不重復(fù)浸濕時(shí) 1 K 3 4重復(fù)浸濕時(shí) 1 K23 d M 為頂煤厚度 m L1為注水孔長(zhǎng)度 l為封孔長(zhǎng)度 一般不少于 45 m S 為注水孔間距 3 5 注水孔間距 圖 1 為 2 種浸濕方式的鉆孔間距圖不重復(fù)浸 濕時(shí)RS2 重復(fù)浸濕時(shí)aRS 2根據(jù)注 水壓力 P 隨遠(yuǎn)離鉆孔呈非線性衰減的規(guī)律每孔充 分浸濕范圍約3 R 圖 1 a 的陰影部分 其余3 2R 的范圍需要重復(fù)浸濕故3 2Ra 圖 1 2 種浸濕方式 Fig 1 Two forms of soak 3 6 每孔注水時(shí)間 選定注水泵確定每孔的注水時(shí)間 t 為 q Q t 12 式中q為注水泵流量 3 7 注水壓力的確定與預(yù)測(cè) 在克服氣體 瓦斯等 壓力滲流阻力和不致裂 煤層的條件下確定合理注水壓力的范圍應(yīng)為 1 52 0 PgP 0 80 95 Pv 13 式中 Pv 0 01 H 為上覆巖層壓力 MPa P 為注水 壓力 MPa Pg為煤層中的氣體壓力 MPa 煤體的滲透系數(shù) exp 111 PcbaT 14 在采 深一定時(shí) 為定值故可表達(dá)為 exp 1P cAT 14 式中 exp 11 baA 煤層注水可歸結(jié)為靜壓注水 給定壓力 與動(dòng)壓 注水 給定流量 給定壓力的數(shù)學(xué)模型為 2 2 01 0 Lx x PP PP x P PT x 15 其解為 exp exp exp ln 1 11 2 1121 1 Pc L PcPcx c P 給定流量的數(shù)學(xué)模型為 22 0 0 Lx x PP x PPT q x P PT x 16 其解為 A xLqb cP c P exp ln 1 2 2 1 17 式中P 為孔隙水壓力 MPa 1 P 為孔口注水壓力 MPa 2 P 為注水區(qū)域邊界壓力 MPa c1為滲透系 數(shù)隨孔隙壓力變化系數(shù) MPa 1 為水的密度取 0 001 kg cm3q 為單位時(shí)間單位注水孔長(zhǎng)度和單位 煤層厚度的注水量 cm3 h A 為給定深度下的滲透 系數(shù)初值 cm h L2為注水半徑 3 8 注水孔布置 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 第 23卷 第 15期 康天合等 綜放開(kāi)采預(yù)注水弱化頂煤的理論研究及其工程應(yīng)用 2619 依據(jù)工作面長(zhǎng)度 有單側(cè)和雙側(cè) 2 種布孔方式 工作面長(zhǎng)為 100 m左右時(shí)可單側(cè)布孔即從回風(fēng) 巷向運(yùn)輸巷鉆深孔布置孔的水平轉(zhuǎn)角一般為 70 左右 孔底距運(yùn)輸巷約為工作面長(zhǎng)度的 1 3 工作面 長(zhǎng)為 200 m左右時(shí)可雙側(cè)布孔即從上下平巷向 中部鉆深孔布置根據(jù)注水巷位置的不同分為底層 巷布孔和頂層巷布孔底層巷布孔鉆孔有相應(yīng)的 仰角 頂層巷布孔一般為水平鉆孔 4 工程應(yīng)用 4 1 基本條件 工業(yè)試驗(yàn)在潞安王莊礦 3 煤 4309 工作面進(jìn)行 該面東為 4311 工作面西為 4307 工作面均為已 采區(qū)如圖 2 所示采深為 150250 m煤厚為 7 02 m傾角為 57f 平均值為 1 52 5中 層3 f工作面長(zhǎng)為 120 m推進(jìn)長(zhǎng)為 614 m頂 煤中有修復(fù)的原 4311 集中風(fēng)巷和 4307 集中運(yùn)巷 可用于注水圖 2 中給出了 28 個(gè)注水孔的編號(hào)及位 置 4 2 主要注水參數(shù)的試驗(yàn)與選擇 預(yù)注水相關(guān)參數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表 4由表 4 可 知王莊礦 3 煤注水效果最好注水可使強(qiáng)度降低 50 左右古書(shū)院礦 3 煤注水效果最差幾乎沒(méi)有 弱化效果忻州窯礦 11 12 注水效果較好為便于 對(duì)比將晉城古書(shū)院礦 3 煤和大同忻州窯礦 11 12 煤的試驗(yàn)結(jié)果也列入表 4 中試驗(yàn)表明王莊礦 3 煤層的單軸抗壓強(qiáng)度 c 隨含水率 的變化規(guī)律為 96 6 34 28 c 含水率 含水量 隨浸泡時(shí)間 t和注水壓力P以及圍壓 32 的變化如圖3所示 由圖 3 a 可知浸泡 10 d后含水率有明顯增高趨 勢(shì)由圖 3 b 可知增加 P 可增加含水量但 P 圖 2 4309 工作面及注水鉆孔布置 Fig 2 Layout of 4309 working face and drill holes 表4 煤層的主要參數(shù) Table 4 Main parameter of coal seam 參數(shù) 普氏 系數(shù) f 孔隙 率 裂隙 間距 mm 裂隙 分維 D 裂隙條數(shù) N1m 導(dǎo)水系數(shù) md 原煤 含水率 浸泡 含水率 注水 含水率 軟化 系數(shù) 注水 壓力 MPa 最佳 注水區(qū) m 注水孔 間距 m 注水后 強(qiáng)度 MPa 王莊礦 3 煤 1 52 5 11 60 134 1 1 692 0 3 72 0 130 0 1 76 3 46 2 96 0 61 35 煤壁前 840 1520 10 50 古書(shū)院礦 3 煤 2 53 5 4 10 170 0 1 417 9 11 20 0 070 7 2 63 3 01 2 80 0 85 23 煤壁前 630 15 26 00 忻州窯礦 11 12 煤 3 0 8 11 150 6 1 450 2 7 40 0 427 9 4 82 8 08 7 13 0 67 3 0 煤壁前 635 17 14 94 圖 3 煤樣 t P 2關(guān)系曲線 Fig 3 Curves of t P 2 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 2620 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) 2004年 若過(guò)大會(huì)破壞貯水空間又使含水量降低由圖 3 c 可知在 P 不變的情況下含水量隨 2 的增大 而減小當(dāng)H 2 時(shí)即注水在工作面前方 40 m 以外時(shí)選擇 P2 0 MPa當(dāng) 2 1 52 0 H 時(shí) 即注水在工作面前方 2030 m時(shí) 選擇 P3 0 MPa當(dāng) 2 2 53 0 H 時(shí)即注水在工作面 前方 1015 m時(shí)選擇 P5 0 MPa 4 3 預(yù)注水鉆孔的布置與注水實(shí)施 采用頂層巷單側(cè)布孔局部斷層處底層巷雙側(cè) 交替布孔 見(jiàn)圖 2 孔長(zhǎng) 7075 m 水平轉(zhuǎn)角 70 75 以使鉆孔與煤層中 2 組呈 X 形分布的主裂隙斜 交并使工作面在推進(jìn)過(guò)程中逐漸接觸每孔的注水 區(qū)為探索最佳注水孔間距采用 1520 m兩種間 距并在斷層區(qū)適當(dāng)調(diào)整注水孔徑為 42 mm 水泥砂漿封孔長(zhǎng)度為 68 m 斷層區(qū)封孔長(zhǎng)度加長(zhǎng) 至 25 m選用 2 臺(tái) 5D 2150 型注水泵采用平行 復(fù)注水方式即一臺(tái)注水泵超前工作面 40 m以外注 水另一臺(tái)注水泵在 40 m內(nèi)最佳區(qū)域復(fù)注水 4 4 預(yù)注水效果及其分析 4 4 1 注水量與注水壓力 試驗(yàn)段內(nèi)共 11 個(gè)注水孔其注水參數(shù)見(jiàn)表 5 當(dāng)注水終壓小于 6 MPa 時(shí)注水量很少當(dāng)注水終 壓接近平均壓力時(shí)實(shí)際注水量為理論注水量的 22 5 倍其原因是理論注水量是根據(jù)室內(nèi)煤樣 注水后的含水率計(jì)算的而現(xiàn)場(chǎng)煤體的裂隙和孔隙 要比煤樣中的裂隙和孔隙發(fā)育得多加上構(gòu)造及開(kāi) 采壓力的影響致使實(shí)際需水量要大得多 表5 試驗(yàn)段注水參數(shù) Table 5 Water infusion parameters in tested districts 注水孔號(hào) 設(shè)計(jì)注水量 t 實(shí)際注水量 t 注水終壓 MPa 1 100 0 0 2 202 260 7 2 3 202 203 6 3 4 202 223 6 0 5 214 213 6 2 6 214 62 3 2 7 214 216 6 0 8 214 325 7 5 9 214 530 8 4 10 214 509 8 0 11 214 366 7 3 6 11 孔 2 個(gè)試驗(yàn)段注水區(qū)域的頂煤測(cè)定結(jié)果 表 6 表明注水壓力大注水量多含水率高頂 煤放出率也高但注水壓力太大水會(huì)沿煤層裂隙 流失注水效果反而差因此注水終壓只要達(dá)到 理論計(jì)算的平均壓力便會(huì)取得好的注水效果 表6 試驗(yàn)段注水效果參數(shù) Table 6 Effect parameters from water infusion 試驗(yàn)段 平均 注水量 tm 1 原煤 含水率 注水后 實(shí)測(cè) 含水率 含水率 比原煤 提高 注水后 抗壓強(qiáng)度 MPa 頂煤 放出率 放煤 工藝 6 8 孔 9 11 孔 9 1 16 8 1 53 1 53 2 35 2 71 0 82 1 18 11 98 9 50 75 20 78 97 三刀間隔 三刀間隔 4 4 2 頂煤放出效果 對(duì) 2 個(gè)注水段和未注水段的頂煤含水率和放出 率的分析表明 第 1 試驗(yàn)段 6 8 孔 6 8 孔實(shí)際注水量分 別為 62216 和 325 t平均注水量為 9 1 t m頂煤 注水后實(shí)測(cè)含水率為 2 35 比注水前提高了 0 82 強(qiáng)度降低為 11 98 MPa采用 3 刀間隔分段 放煤時(shí)放出率為 75 2 第 2 試驗(yàn)段 9 11 孔 9 11 孔實(shí)際注水量 分別為 530509 和 366 t平均注水量為 16 8 t m 頂煤注水后實(shí)測(cè)含水率為 2 71 比注水前提高了 1 18 強(qiáng)度降低為 9 5 MPa采用 3 刀間隔分段放 煤時(shí) 放出率為 78 97 采用 2 刀間隔分段放煤時(shí) 放出率為 84 2 放煤時(shí)粉塵濃度平均為 370 5 mg m3平均日推進(jìn)為 3 13 m 日產(chǎn)量為 2 829 67 t 比較 2 個(gè)試驗(yàn)段 由于平均注水量由 9 1 t m提 高到 16 8 t m因此實(shí)測(cè)含水率由 2 35 提高到 2 71 強(qiáng)度由 11 98 MPa 下降為 9 5 MPa放出率 由 75 2 提高到 78 97 未實(shí)施預(yù)注水段的測(cè)試結(jié)果表明頂煤含水率 為 1 53 放煤時(shí)粉塵濃度為 839 6 mg m3平均日 產(chǎn)量為 1 948 1 t放出率為 61 6 4 4 3 經(jīng)濟(jì)效益分析 試驗(yàn)工作面實(shí)施注水的工程費(fèi)用包括鉆孔費(fèi) 1 680 元水費(fèi) 2 912 元封孔費(fèi) 560 元注水泵折 舊費(fèi) 487 5元和電費(fèi) 5 096 元 共計(jì) 10 735 5元 實(shí) 施預(yù)注水弱化頂煤后使頂煤放出率提高了 17 37 多采出煤炭 69 110 36 t按 120 元 t 計(jì) 則多出煤炭產(chǎn)生的效益為 8 293 243 2元凈收入為 8 282 507 7元即 828 25 萬(wàn)元 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 第 23卷 第 15期 康天合等 綜放開(kāi)采預(yù)注水弱化頂煤的理論研究及其工程應(yīng)用 2621 5 結(jié) 論 通過(guò)對(duì)預(yù)注水弱化頂煤的理論研究及其工程應(yīng) 用可以得出以下結(jié)論 1 水在貫通裂隙中的流動(dòng)和滲透取決于注水 泵的壓力和注水時(shí)間停泵后已注入煤體中的水 在重力作用下下滲注水孔應(yīng)置于頂煤上部水在 微裂隙與孔隙中的滲透主要取決于微裂隙和孔隙 的分布特征和滲透時(shí)間滲透 35 m 的距離需要 10 余天時(shí)間結(jié)合對(duì)工作面前方煤體裂隙發(fā)展變化 規(guī)律的研究確定了軟煤中硬煤和硬煤綜放開(kāi)采 工作面超前預(yù)注水的合理位置與超前時(shí)間 2 水對(duì)煤體的弱化機(jī)理可綜合表達(dá)為式 6 注水壓力 P 對(duì)煤的彈性模量 E 的影響可寫(xiě)為式 7 含水率 對(duì)煤的單軸抗壓強(qiáng)度 c 的影響可以寫(xiě)為 式 8 預(yù)注水軟化頂煤提高頂煤放出率的通式可 寫(xiě)為式 10 試驗(yàn)測(cè)定具體煤層的軟化常數(shù) a b 后 可得預(yù)注水所要求的頂煤含水率此乃確定注水量 的基礎(chǔ) 3 提出了預(yù)注水弱化頂煤的潤(rùn)濕半徑注水 量注水孔間距注水時(shí)間注水壓力和注水孔布 置等參數(shù)的確定方法 4