山东科技大学硕士论文-深部开采煤层注水防尘卸压工艺技术研究321

1、分类号：分类号：TD714 密密 级：级：公公 开开U D C ： 单位代码：单位代码：10424学位论文学位论文深部开采煤层注水防尘卸压工艺深部开采煤层注水防尘卸压工艺技术研究技术研究王王 绪绪 友友申申请请学学位位级级别别：硕士学位硕士学位 专专业业名名称称：矿矿 业业 工工 程程指指导导教教师师姓姓名名：程程 卫卫 民民 职职 称称： 教教 授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学二二一四年六月一四年六月论文题目：论文题目：深部开采煤层注水防尘卸压工艺技术研究深部开采煤层注水防尘卸压工艺技术研究作作者者姓姓名名： 王王 绪绪 友友 入入学学时时间间： 2012 年年 9 月月 专专业业名

2、名称称： 矿业工程矿业工程 研研究究方方向向： 矿井通风与安全矿井通风与安全 指指导导教教师师： 程程 卫卫 民民 职职 称称： 教教 授授 论文提交日期：论文提交日期：2014 年年 5 月月论文答辩日期：论文答辩日期：2014 年年 6 月月授予学位日期：授予学位日期： STUDY ON TECHNOLOGY OF WATER INJECTION FOR DUSTPROOF AND DEPRESSURIZATION IN DEEP COAL MINE A Dissertation submitted in fulfillment of the requirements of the deg

3、ree of MASTER OF PHILOSOPHYfromShandong University of Science and TechnologybyWang Xuyou Supervisor: Professor Cheng WeiminCollege of Mining and Safety Engineering June 2014声明声明本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该

4、论文资料尚没有呈交于其它任何学术机关作鉴定。于其它任何学术机关作鉴定。硕士生签名：硕士生签名：日期：日期：AFFIRMATIONI declare that this dissertation, submitted in fulfillment of the requirements for the award of Master of Philosophy in Shandong University of Science and Technology, is wholly my own work unless referenced of acknowledge. The document

5、has not been submitted for qualification at any other academic institute.Signature:Date:山东科技大学硕士学位论文 摘要1摘摘 要要近年来，随着煤炭开采深度的不断延深， “三高一扰”问题突出，同时综放、综采技术也在迅猛发展，煤尘、瓦斯、冲击地压、煤与瓦斯突出、地温等自然灾害危害程度也不断升级。国内外研究、实践证明，煤层注水是从根本上综合解决上述安全问题的有效办法之一，然而深部高地应力、低孔隙率、难渗透开采环境严重制约了传统的煤层注水工艺应用及其防灾效果。针对上述问题，本论文依托兴隆庄煤矿现开采综放工作面的实际

6、情况，运用系统工程的观点，采用理论分析、实验室测试、现场观测等方法和手段，采用 MTS815.03 电液伺服岩石试验系统以及压汞孔隙分析实验，对注水煤层的基本力学性质、孔隙特征、煤岩渗透特性进行分析，得出煤岩在水的润滑、软化、泥化、干湿、冻融等物理作用过程与溶解、水化、水解、酸化、氧化等化学作用过程以及孔隙水压的力学作用下，其力学性能参数出现下降现象，有利于煤层所受应力的卸载。在此基础上，探讨煤层注水润湿防尘卸压机理与采动裂隙网络演化以及固液耦合渗流规律，研究注水渗透以及应力裂隙孔隙渗流之间的内在关系，分析煤层注水中的应力分布与裂隙孔隙动态演化过程以及流体渗流、运移特征。论文根据理论分析和基本

7、力学实验结果，结合兴隆庄煤矿 B10302 综放工作面注水现状与采动裂隙流固耦合变化规律，优化设计煤层注水防尘卸压工艺技术参数，确定工作面采用高压混合式煤层注水方式，即在相应静压区采用高压注水，在动压区采用静压注水。通过对注水前后粉尘浓度的测定，注水后工作面落煤、移架、放煤等高浓度粉尘作业工序其粉尘浓度有了较大的降低。微地震系统监测数据显示，工作面存在的冲击地压危险得到了有效地遏制，煤层注水防尘卸压工艺技术对工作面防灾减灾起到了显著的积极作用，达到提高注水效果进而防治粉尘、减少冲击地压的目的。关键词：关键词：深部开采，煤层注水，MTS，冲击地压，粉尘防治，高压混合式注水山东科技大学硕士学位论文

8、 摘要2AbstractIn recent years, with the mining depth continuous deepening, “three high and one interference” issues is outstanding, and at the same time, mechanized caving and mining technology is in rapid development, the damage extent including dust, gas, rockbrust, coal and gas outburst, geothermal

9、 and other natural disasters is also escalating. Domestic and foreign research has proved that water injection is one of the effective ways to solve the security problem. But deep high stress, low porosity, difficult permeability mining environment severely restricted the application of traditional

10、water injection technology and disaster prevention effect. For the above problem, paper based on the actual situation of Xing Longzhuang caving mining working face, used the view of system engineering, adopted methods of theoretical analysis, laboratory testing, field observations, used MTS815.03 el

11、ectro-hydraulic servo-controlled rock mechanics testing system and mercury intrusion pore analysis experiment to analyze the basic mechanical properties of coal seam water injection and pore characteristics, coal permeability characteristics, and concluded that in physical process of water lubricati

12、on, softening, mudding, wet, freezing and thawing, in chemical reaction process of dissolution, hydration, hydrolysis, acidification, oxidation and under the mechanical effect of pore water pressure, its mechanical performance parameters came decline phenomenon and was conducive to unload the stress

13、. On this basis, the paper investigate water injection for dustproof and depressurization mechanism and mining-induced fracture network evolution and solid-liquid coupling seepage rule, research on water infiltration and the intrinsic relationship of stress, fracture porosity and seepage, analysis w

14、ater injection stress distribution, fracture pore dynamic evolution process and fluid seepage, migration characteristics.Papers based on theoretical analysis and basic mechanics experimental results, combined with the water injection status quo of Xing Longzhuang B10302 mechanized caving face and mi

15、ning fissure fluid-structure interaction changing rule, optimization design water injection for dustproof and depressurization parameters, determine using high-pressure water injection hybrid mode which using high pressure water injection in the corresponding static pressure area and using static pr

16、essure water injection in the dynamic pressure area. By measuring dust concentration before and after injection, dust concentration is greatly reduced after injection in the high concentration operation process such as coal drop, shifting planes. Micro-seismic 山东科技大学硕士学位论文 摘要3system monitoring data

17、shows that the danger of rock burst exists in working face has been curbed effectively, water injection for dustproof and depressurization technology plays a significant positive role for face of disaster prevention and mitigation and achieves a goal of improving the effect of water injection thus p

18、reventing dust, reducing rock burst.Keywords: deep coal mine, water injection, MTS, rock burst, dustproof, high-pressure hybrid water injection 山东科技大学硕士学位论文 目录1目目 录录1 绪 论.11.1 问题的提出与意义 .11.2 国内外研究现状 .31.3 论文的研究内容与方法 .82 注水煤岩基本物理性质与孔隙特征试验.112.1 MTS815.03 岩石伺服试验系统简介.112.2 自然状态下煤岩单轴力学性能试验 .142.3 注水煤岩孔隙

19、特征试验 .172.4 注水煤岩基本物理性质测定 .202.5 本章小结 .233 煤层注水润湿防尘卸压机理研究.243.1 煤层注水润湿过程与机理分析 .243.2 煤层注水防治粉尘作用机理分析 .303.3 注水煤岩基本力学性能对比试验 .333.4 煤层注水润湿卸压机理分析 .373.5 本章小结 .394 煤岩采动裂隙网络演化与流固耦合分析.404.1 采动过程工作面前方应力状态演化规律 .404.2 采动煤岩裂隙场演化规律 .434.3 采动煤岩流固耦合渗流特性试验 .454.4 采动煤岩破裂过程中的渗流应力耦合分析 .484.5 本章小结 .505 深部开采煤层注水防尘卸压工艺技术

20、研究与应用.515.1 工作面概况 .515.2 煤层注水防尘卸压工艺技术设计 .515.3 煤层注水防尘卸压效果分析 .56山东科技大学硕士学位论文 目录25.4 煤层注水对支架工作的影响分析 .655.5 本章小结 .676 结 论.686.1 主要结论 .686.2 研究展望 .69致 谢.71参考文献.72攻读硕士学位期间主要成果.77山东科技大学硕士学位论文 目录1Contents1 Introduction.11.1 Presentation and significance of questions.11.2 Research status at home and abroad.

21、31.3 Research contents and method .82 Basic physical properties and pore characteristics test of coal rock water injection.112.1 Introduction to MTS815.03 rock servo test system.112.2 Coal and rock uniaxial mechanical properties test under the natural state.142.3 Pore characteristics test of coal an

22、d rock water injection.172.4 Basic physical properties determination of coal and rock water injection.202.5 Chapter summary.233 Wetting dustproof pressure relief mechanism of coal and rock water injection.243.1 The wetting process and mechanism analysis of coal seam water injection.243.2 The dust pr

23、evention mechanism analysis of coal seam water injection.303.3 Basic mechanical performance comparison test of coal and rock water injection.333.4 Wetting relief mechanism analysis of coal seam water injection.373.5 Chapter summary.394 Mining fracture network evolution and fluid-structure interactio

24、n analysis of coal and rock.404.1 The stress state evolution in mining process before the face .404.2 Crack field evolution of mining coal and rock.434.3 Fluid-solid coupling seepage characteristic test of mining coal and rock.454.4 Seepage - stress coupling analysis in the process of fracture.484.5

25、 Chapter summary.505 Water injection and dust-proof pressure relief technology research and application of deep mining coal seam.515.1 Working situation.515.2 Dust-proof pressure relief technology design of coal seam water injection.515.3 Dust-proof pressure relief effect analysis of coal seam water

26、 injection.56山东科技大学硕士学位论文 目录25.4 The influence to support analysis of coal seam water injection.655.5 Chapter summary.676 Conclusions.686.1 Chapter summary.686.2 Research prospect.69Acknowledgement.71References.72Scientific Research and Papers.77山东科技大学硕士学位论文 绪论11 绪绪 论论1.1 问题的提出与意义问题的提出与意义综采放顶煤采煤法在我国

27、已广泛应用，由于放顶煤开采的产尘量较高，又增加了放煤、放煤溜子转载点等产尘源，致使综放工作面粉尘污染问题相当严重，据测定采煤机割煤时的原始总粉尘浓度最高可达 10003000 mg/m3。粉尘危害是众所周知的，一方面粉尘浓度高，可使长期处于该工作环境下的工人患上职业尘(矽)肺病。据不完全统计，目前我国煤矿约有尘肺病人 40 多万人，每年死于尘肺病约 2500 人，每年不要花费大量的人力和物力来进行治疗，也给患者及家属带来了很大的痛苦；另一方面煤尘爆炸隐患严重威胁矿井的安全生产。我国 93%以上的粉尘具有爆炸危险性，粉尘一旦爆炸，会危及工人和矿井安全，造成重大损失。随着对能源需求量的增加和开采强

28、度的不断加大，浅部资源日益减少，国内外矿山都相继进入深部资源开采阶段1-4。与此同时，煤炭开采深度的不断延深，带来了较为突出的“三高一扰”问题，煤尘、瓦斯等自然灾害的危害程度不断升级，灾害事故越来越严重，此外，冲击地压、高温热害也日益凸显，势必将会严重影响生产安全及职工健康。兖州煤业有限公司兴隆庄煤矿于 1975 年 2 月破土动工，1981 年 12 月 21 日建成投产。矿井设计能力为 300 万 t/a；2003 年核定生产能力为 680 万 t/a。兴隆庄煤矿井田位于兖州煤田的东北隅，横跨兖州、曲阜两市，矿井北距兖州市 8 km，东距程家庄 2.5 km，东南距邹城市 14 km。井田

29、内地势平坦、村庄密集，地势自东北向西南缓慢倾斜。海拔标高在5244 m 之间，工业广场标高49.20 m。矿井划分为两个水平：第一水平为-350 m，通过水平大巷开拓 3 层煤的全部上、下山采区，第二水平为-500 m。地应力测试结果显示，矿井地应力环境为中等至高应力区，最大主应力为 16.5018.03 MPa，最大水平应力方向大致为 120，垂直应力为 12.1112.68 MPa，水平应力大于垂直应力，最大水平主应力为垂直应力的 1.21.4 倍，对井下岩层的变形破坏方式及矿压显现规律会有很大的影响。经冲击倾向性鉴定报告分析，兴隆庄煤矿 3 煤的煤质较硬，单轴抗压度为 15.9339.0

30、7 MPa，且 3 煤基本呈脆性破坏，破坏后，残余试件呈小圆锥山东科技大学硕士学位论文 绪论2状，说明此类煤在破坏时能以较高的比例将存储的变形能释放出来，因而煤样测出的弹性能量指数都较高，其平均值都大于 5，按标准属于强冲击倾向范围。历年瓦斯鉴定结果均为低瓦斯矿井，矿井可采煤层均有煤尘爆炸危险，爆炸指数一般为 3742%。因此，兴隆庄煤矿 3 煤综采、综放工作面安全高效开采面临着高浓度煤尘爆炸、高地应力破坏作用，强冲击地压危害等重大灾害的重重威胁。为此，要保障兴隆庄煤矿长久安全高效生产，需要采取相关先进技术措施进行有关灾害的治理工作。国内外研究、实践证明，煤层注水是从根本上综合解决上述安全问题

31、的有效办法之一，它不仅能降低割煤粉尘，而且能降低放煤开采工艺中放煤及由于自移支架升、降、移过程中触煤而产生的大量粉尘，同时能够提高其他防、降尘措施的使用效率。煤层注水不仅是一种积极主动减少粉尘产生的有效方法，而且能预防煤与瓦斯突出、防治冲击地压，同时对预防自然发火、提高煤炭开采回收率等都起到一定的积极作用5-6。目前的注水系统一般采用井下静压注水或高压水泵加压注水。静压注水对于透气性很好的煤层效果良好，但静压水的压力有限，不适用于透气性较差的煤层。采用高压水泵加压注水虽然拓宽了常压注水的适用范围，但水泵提供的压力也是有限的，对于透气性很差的煤层，也难以达到理想效果，同时注水泵的压力越高，设备的

32、运行、维护和管理要求也越高7。目前，兖州煤业股份有限公司兴隆庄煤矿随着采煤方法的不断改进和创新，煤矿开采深度的加大和煤的变质程度增加，其开采煤层所受原煤岩应力越来越高、原始孔隙率较低、渗透性能差，同时煤尘爆炸、冲击地压危险等自然灾害的危害程度也不断升级。据此，兴隆庄煤矿乃至全国深部开采矿井迫切需要一种新型的注水方法和技术，能够快速、有效地将水注入煤层，特别是透气性较差的“难注水”煤层中。煤层注水主要通过向煤体预注压力水，利用其对弱面的压裂、冲刷以及楔入作用和水对煤体的物理、化学作用，使煤岩体扩大原有裂隙、产生新裂隙，破坏煤岩体整体性，降低其强度，释放煤体压力，以有效预防冲击地压事故的发生。注入

33、煤体的水，沿着煤的裂隙向被裂隙分割的煤块渗透并储存于裂隙和孔隙中，增加煤体水分，湿润煤体内原生煤尘，使其失去飞扬能力，减少采煤时产生浮游粉尘的能力8-10。目前，虽然煤层注水技术已较为成熟，但是长期以来人们对煤层注水的认识一直停留在定性认识阶段，而传统的注水方式是将注水压力固定在某一定值进行注水，此种注水方式虽然较为简单，但单孔注水量较少，山东科技大学硕士学位论文 绪论3水分在煤层中的渗透效果较差，影响煤层注水效果11。煤层孔隙率大小是表征注水难易程度的重要指标，煤层裂隙、孔隙的发育程度是影响煤层注水难易的首要因素，但是由于兴隆庄煤矿以及我国其他部分矿井相继进入深部开采，煤岩原应力高、孔隙裂隙

34、不发育、渗透率低、瓦斯含量高且压力大等突出问题影响着煤层注水技术的应用与发展。我国较多矿区的煤层为高地压低孔隙率煤层，煤体节理裂隙不发育且较为坚硬，煤层注水困难，不能达到预期的灾害防治效果，并且随着我国煤矿开采深度的增加，注水困难的问题更加突出，严重制约了煤层注水技术在我国深部高地压煤层中的应用，影响了其对冲击地压、高浓度粉尘危害的防治效果。因此，进行“深部开采煤层注水防尘卸压技术”研究，以高压注水渗透与采动应力分布的理论分析为基础，使用动压区注水与静压区注水、动压注水与静压注水相结合的高压混合式煤层注水工艺，利用高压注水增透技术，协同采动应力分布作用，达到增大煤层裂隙密度和注水润湿范围，从而

35、提高高地压低孔隙率难注水煤层的注水效果，进而有效防治冲击地压、高浓度粉尘等灾害论文以兴隆庄煤矿深部开采条件下采煤工作面的注水难题为现场依托，结合矿井煤层原岩应力情况以及矿压分布规律，采用理论研究、实验室测试和现场试验相结合的方法，在对煤层注水防尘卸压理论、采动裂隙网络演化以及固液耦合渗流试验研究的基础上，分析高压注水渗透以及应力裂隙孔隙渗流之间的内在规律，分析煤层注水中的应力分布与裂隙孔隙动态演化过程以及流体渗流、运移特征，并在此基础上设计工作面煤层注水防尘卸压技术应用方案，并考察其应用效果，进而完善注水防尘卸压方案，以达到提高煤层注水效果，更好的实现防治粉尘灾害、减少冲击地压危险性的目的，从

36、而能有效地保障矿井的安全生产、节约生产成本，保证矿井的安全、高效运转。1.2 国内外研究现状国内外研究现状煤层注水技术作为防治冲击地压、防治粉尘、预防煤尘瓦斯爆炸等多种灾害的主要安全生产技术措施之一，一直被国内外广泛使用。煤层注水在防治矿井自然灾害、巩固安全生产基础、改善煤矿从业人员作业环境、降低矿工劳动强度、提高原煤生产效率等方面也同样发挥着不可替代的巨大作用，是一项一举多得的技术，我国已将其列入煤山东科技大学硕士学位论文 绪论4矿安全规程第 154 条。1.2.1 煤层注水理论国内外研究概况煤层注水理论国内外研究概况煤层注水理论研究的主要目的是指导确定煤层注水现场实施工艺参数，避免煤层注水

37、工作的盲目性，提高煤层注水效率。注水过程中水在煤层中的运移问题，就是水在煤层孔隙裂隙连成的通道中的流动。煤层注水理论研究主要借鉴渗流力学理论，也可以说水在煤层中的运移问题就是水在煤层中的渗流问题，将煤层注水过程中水在煤体内的流动视为水在煤体孔隙、裂隙通道内的渗流问题12-13。一般认为水进入煤体后的运动分为压力渗流和自然渗流两部分，压力渗流阶段，压力水沿阻力较低的大裂隙、孔隙以较快的速度流动，注水压力越高，水在裂隙中的运动速度也越快，孔隙越小毛细作用力越大。自然渗流阶段，注入水由大的孔、裂隙进入微小孔隙时，外部注水压力消失，这一阶段毛细作用力及润湿、铺展等作用会起主导作用14-15。从 185

38、6 年达西提出了孔隙介质线性渗流定律即达西定律以来，渗流力学已发展成为力学学科的一个分支16。对于单相不可压缩和微可压缩流体在均匀的单一介质中的渗流问题已基本解决。如不考虑介质变形的稳定和非稳定的不可压缩和微可压缩流体渗流流动，可以归结为求解数学物理方程中研究得最多的拉普拉斯方程和 Founier 方程，基本上均可在定解条件下求得解析解或近似解析解。同时对单一孔隙介质中单相气体在多孔介质中流动，建立了稳定和非稳定的气体渗流方程，其稳定渗流方程具有拉普拉斯方程性质，而非稳定气体渗流方程则是具有二阶的非线性抛物线型方程，难以求得解析解。但是经过许多学者的研究，提出了不少线性化的方法来求解近似解，因

39、而可以说单纯孔隙介质中的不可压缩、微可压缩和可压缩流体在介质不变形情况下，单相渗流流体流动问题已经基本得到解决，可以广泛应用于解决各个不同部门的这方面的渗流力学问题。直到上世纪 60 年代初，周世宁院士首先将单一的孔隙介质、单相流体的渗流力学应用于解决瓦斯在煤层中的运移问题，建立了瓦斯在煤层中运移的渗流理论线性瓦斯流动理论，这是我国首次见到的应用达西定律分析煤层渗流问题，从此开始了煤层渗流问题的研究17。1985 年，赵阳升在硕士论文“防治煤矿冲击地压的压力注水法的研究”中对注水煤层区域水运移视为渗流场进行了分析，这是国内首次见到的应用渗流理论对煤层注水进行的分析研究18。由于煤是典型的孔隙裂

40、隙双重孔隙介质，煤层高压注水过程中，水在裂隙中属于压力水渗流运动，水在孔隙中主要靠毛细运动和扩散运动湿山东科技大学硕士学位论文 绪论5润煤体，因此煤层注水机理方面的研究需要研究水在煤中的湿润过程，目前国内外这方面研究，主要是细观尺度上的理论探讨和大量的实验研究成果。但迄今为止绝大多数仍然是将煤层视为单一的孔隙介质而流体视为不可压缩的单相渗流来研究水在煤层中流动的压力和渗流速度的分布。煤层注水参数主要包括：煤层注水时的水压、流速、注水时间、钻孔间距、钻孔深度以及吨煤体注水量等参数。对煤层注水参数的研究是世界各国普遍关注的重点问题。目前较为统一的观点是：设计的煤层注水参数须使被注水煤层得到较均匀润

41、湿，这样才会获得较好的煤层注水效果。上世纪六七十年代德国、法国以及前苏联等国家分别进行了相关方面的研究：煤层注水的速度与煤层吸水速度相等时，水可以渗透到占煤体总孔隙 90%的孔隙之中；过高的煤层注水压力会造成煤体骨架破坏，导致煤体大裂隙跑水，注水效果反而不好，因此必须控制好煤层注水压力19。法国采用低压小流量长时间注水取得了较好的注水防尘效果。德国煤矿因其开采深度一般超过 1000 m，煤层瓦斯压力较大，因此采用的注水压力普遍较高，一般在 1020 MPa 之间20。我国煤矿煤层注水以中、低压(小于 10 MPa)为主。关于吨煤注水量的研究，国内外目前尚未达成统一观点。一般均以宏观表现(如煤壁

42、渗水、流量大小及生产要求的限制等)确定单位煤体的注水量，已有研究结果表明当煤层全水分达到 5%以上能达到较好的防治煤与瓦斯突出和防治煤尘效果21-22。1.2.2 煤层注水防尘技术的国内外研究现状煤层注水防尘技术的国内外研究现状煤炭生产由于新技术、新措施的不断出现，煤炭生产率日益提高，同时采煤工作面粉尘情况也日益严重，并对井下矿工身体健康造成严重威胁，导致矿工患有尘肺病。通过国内外科研工作者对煤层注水技术的大量研究及总结，发现煤层注水技术不仅有效治理煤矿井下煤尘，而且可以治理瓦斯突出和瓦斯灾害以及冲击地压等灾害，因而开始大力发展煤层注水技术。在国际上，煤层注水技术的产生与发展已有很长的历史。1

43、890 年德国首次在萨尔煤田进行实验，随后煤体预注水减尘方法逐步引起了各国的重视，尤其是 20 世纪 50 年代开始在世界各国推广应用后，得到了迅猛发展23。法国从 1943 年开始短孔煤层注水的试验研究和应用24。1960 年前后，德国、英国、前苏联、美国和比利时等几个主要产煤国家对煤层注水做了大量的试验研究，并将实验结果在井下推广应用25。1943 年山东科技大学硕士学位论文 绪论6德国鲁尔煤田开始使用短钻孔注水，发现降尘效果显著，1948 年在该煤田所有矿井推广使用26。但由于短钻孔存在一些难以克服的困难，后又改用长钻孔注水。二次世界大战期间的前苏联，由于开始实现采煤机械化，工作面煤尘很

44、大，很可能是受到扫地时洒水可以降尘的启发，开始向煤层洒水，以后改成向煤层注水，以增加煤的含水率、减小扬尘，防止工作面作业人员中矽肺病的发生27-28。开始时采用的方法是从地面接管线，依靠静压进行注水。在二次世界大战后，就将此方法列入了前苏联煤矿安全作业规程。波兰从 1950 年开始试用煤层注水，到 1963 年已有 75%的工作面采用了煤层注水29。目前，几乎所有的矿井都采用了煤层注水。注水压力为 1.63.0 MPa，水中加入硫酸铜溶液，孔深 24 m，封孔深 1 m，注水时间 215 min。这种方法不仅能降尘，而且还能有效的防治瓦斯突出等问题。为了使煤层注水状况适应于被湿润煤体的渗透特点

45、，前苏联乌克兰科学院矿山力学研究所等研制出能自动调节注水参数的注水泵30-33，它能根据煤层的渗透性和注水压力自动调整注水量，实现最佳的煤层注水参数，提高了液体在煤体中分布的均匀性。法国煤炭中心研制了流量控制器和连续注水装置，使煤层注水实现了自动化。煤层注水技术的广泛使用，有效的控制了井下粉尘浓度，根据日内瓦国际防尘会议的资料，在条件合适的煤层里，正确使用煤层注水会使空气中的含尘量比综合使用所有其它防尘措施(不包括煤层注水)时要低 34 倍，而且利用煤层注水时，落煤的生产效率还可以提高 25%。我国虽然从很早就开始煤炭开采，但由于煤炭开采量小，产生的粉尘量也较小，没有引起足够的重视。随着煤炭需

46、求量急剧增加，逐渐实现采掘机械化，工作面粉尘大量增加，逐渐引起工程技术人员的关注。因此一些大的矿务局就用煤层注水的方法来降低工作面粉尘浓度。我国于 1956 年在本溪彩屯煤矿首次试验煤体预注水防尘技术，到 1990 年已有 40%的采煤工作面实施煤层注水防尘技术34。1965 年抚顺煤炭科学研究院、北票矿务局采用煤层注水防治瓦斯突出，先后进行了石门煤层注水、巷道煤层注水、区域煤层注水的试验研究，历时十年，于 1976 年进行了全面总结，并自行研制了胶塞封孔器进行封孔和用水泥封孔方法进行封孔，至今仍在我国煤层注水中应用35-37。通过试验，研究了注水山东科技大学硕士学位论文 绪论7时的注水压力、

47、注水流量、单孔注水时间及总流量对瓦斯突出、煤体变形的影响，并得出了注水后如不能达到使煤层均匀湿润反而更有利于发生突出的结论，经鉴定认为研究是成功的。但以后并未在我国煤矿中推广用煤层注水方法防治煤和瓦斯的突出。北京煤科院在 20 世纪 80 年代后期通过煤炭部立项将注水技术应用于坚硬顶板下煤层的开采，解决了由于顶板坚硬不易冒落、形成大面积塌顶而产生的大面顶板垮落的问题38。20 世纪 90 年代，山西矿业学院在晋城矿务局采用注水技术软化煤层，解决了放顶煤开采中，煤层大块冒落、影响生产甚至大块煤压死支架的问题，因而得以实现放顶煤的高产高效开采。煤层注水的防尘实质是用水预先湿润尚未采落的煤体，使其在

48、开采过程中大量减少或基本消除浮游煤尘的发生，在进行煤层注水降尘的工作面一般都取得较好的降尘效果，降尘率在 6090%之间。如抚顺龙凤矿与北京门头沟矿在注水后的 27 组浮游煤尘浓度测定数据中，前者有 12 组达到了 10 mg/m3以下，后者则有近 24 组达到了 10 mg/m3以下39。粉尘浓度大幅度降低，改善了工人的劳动条件。在煤与瓦斯突出防治方面，经实验证明，对于透气性小、瓦斯压力大的煤层，经过注水的煤炭瓦斯放散速度降低了90%，降低了瓦斯破碎煤体的可能性，因此对突出煤层进行注水，煤壁瓦斯涌出量减少，瓦斯压力显著降低，当煤体瓦斯压力下降至安全值时，有效地预防了煤与瓦斯的突出。在瓦斯排放

49、方面，对于透气性较好而瓦斯压力不大的煤层，由于游离瓦斯占主体，使得注水过程中加快了瓦斯向排放钻孔的泄出速度，如山西阳泉二矿注水 4 h 后，与注水孔相邻的瓦斯排放钻孔的自然瓦斯涌出量从原来的 624 L/min 增加到 1045 L/min。注水停止后，瓦斯的涌出量又回到或稍低于原来的数值。注水结束后，润湿面的瓦斯涌出量都会显著降低。在防治冲击地压方面，煤层经高压注水改变了煤体的裂隙结构，使煤体脆性减弱，增强了塑性变形的性质，促使前方塑性变形区(卸压带)加宽，使集中压力区(弹塑性变形区)向煤壁深处移动并加宽，这样减弱了煤体压力集中程度，缓和了煤体压力潜能的积聚，从而预防冲击地压的发生或使其强度

50、减弱。例如抚顺胜利煤矿采用610 MPa 进行煤体注水预防冲击地压，收到较好效果，注水后的应力集中系数大大降低。1.2.3 煤层注水预防冲击地压的国内外研究现状煤层注水预防冲击地压的国内外研究现状大量冲击地压发生的实例证实，冲击地压都发生在干燥或含水率低的煤层中。即使山东科技大学硕士学位论文 绪论8是同一冲击地压煤层，含水率不同，发生冲击地压的情况也不相同。因此，人们得到启发，采用注水方法，湿润煤层、增加煤层的含水率可以预防冲击地压的发生。经过实践的检验，确实是预防冲击地压发生的有效措施之一。国内许多学者通过大量试验研究，发现注水改变了煤层的物理力学性质，使煤层的抗压强度降低、弹性模量降低、塑

51、性增加，但由于煤自身的特殊性质，目前关于水分对其力学性质影响的研究还较少40。前苏联学者曾采用取自沃尔科夫斯基煤层的煤芯(直径 30 mm)，在压力机上进行测试，得出如下结论41-44：原煤的平均抗压强度为 14.2 MPa；被水浸润 3 天和 10 天后，平均强度降分别为 10.0 MPa 和 9.3 MPa，分别降低了29.6%和 34.5%；在 1.0 MPa、3.0 MPa 和 6.0 MPa 压力下注水 1 小时后，平均强度分别降低为 11.3 MPa、9.8 MPa 和 7.3 MPa，分别降低了 20.4%、31.0%和 48.6%；另外，还通过改变加载条件，确定了水分与粘结系数

52、和内摩擦角的关系，随着水分的增加，抗压强度 、粘结系数 及内摩擦角都将显著降低。现场测试结果表明高压注水对离注水孔较远距离处煤体内的应力影响不大，前苏联学者的现场试验显示：注水时，距注水孔 6.5 m、7.1 m 和 12.5 m 处，煤体应力分别增加了 0.213、0.173 和 0.047 倍，且注水后，煤体应力都可以逐步回到煤体的原始应力值附近45-46。因此，高压注水对煤体应力的影响主要体现在对采场应力分布的改变上。前苏联学者曾在凯梅罗夫斯基煤层、沃尔科夫斯基煤层及红山矿四内副层进行了注水前、后巷道变形的观察工作，研究表明47-48：在注水区煤层的变形量显著增大，由于巷道前方煤体应力状

53、态和巷道变形是相关的，侧面说明了煤层注水会对工作面前方的应力分布产生较大影响。为了研究注水后回采工作面前方的应力分布，前苏联学者对北方矿的凯梅罗夫斯基层、沃尔科夫斯基层和符拉季米罗夫斯基层进行了详细的测试工作。实验表明：各煤层注水后应力峰值都出现了后移，且集中应力值有所降低。1.3 论文的研究内容与方法论文的研究内容与方法1.3.1 研究内容研究内容针对兖州矿区深部开采煤层孔隙率较低、矿压显现明显和产尘量较大的生产实际情况，依托兴隆庄煤矿开采综采(放)工作面的具体现场条件，运用系统工程的观点，采用山东科技大学硕士学位论文 绪论9理论分析、实验室测试、现场应用等方法和手段，设计兴隆庄煤矿综放工作

54、面煤层注水防尘卸压方案，并在兴隆庄煤矿 B10302 综放工作面进行现场验证与完善，以达到防治工作面冲击地压、降低工作面粉尘浓度的效果。项目的具体研究内容如下：(1) 注水煤层的基本力学与孔隙特性实验研究煤层注水湿润煤体，使水分增加，就由裂隙中渗透、压差、毛细和分子扩散运动几部分的水分增加量组成，而以上几部分的水分增加量主要是由煤的渗透性能、力学参数、孔隙率、注水压力及水对煤体的润湿性系数决定的，为此利用山东科技大学矿山灾害预防控制国家重点实验室的先进仪器测定注水煤层的基本实验参数，其中包括：基本的力学性质分析、孔隙特征和可注性分析等。(2) 煤层采动裂隙网络演化及其应力渗流耦合分析原岩应力是

55、地下煤岩体变形破坏的根本作用力，而采动应力场的演化导致裂隙场的变化，进而影响煤层注水过程中压力水在煤层中的渗流过程。为了摸清煤层开采对煤岩渗透性能的影响关系，运用矿山压力与渗流理论分析煤层采动过程中的裂隙演化以及煤岩渗透特性变化规律，为充分利用采动应力场、裂隙场与渗流场之间的变化关系，更好地达到深部煤矿开采煤层的注水防灾效果提供理论依据。与此同时，利用 MTS815.03岩石伺服试验系统等设备对煤岩全应力应变过程中流固耦合渗透特性进行实验研究，得出试样的强度、应变与渗透率变化规律，考察兴隆庄煤矿注水煤层在采动应力作用下煤岩渗透率分布规律，为深井综放面煤层注水防尘卸压技术工艺参数设计与现场应用提

56、供实验依据。(3) 煤层注水防尘卸压技术工艺与现场应用分析依据煤层不同应力分布区域将工作面煤体沿走向方向划分为静压区动压注水区域与动压区静压注水区域两个不同类型的注水区域，根据煤岩基本力学实验以及煤层注水应力渗流耦合试验结果，设计煤层注水防尘卸压工艺技术参数。并对注水方案实施后注水流量及水分的增加量、工作面各生产工序煤粉尘浓度降低情况、冲击地压防治情况、液压支架工作阻力变化情况等方面进行现场测定分析，以考察注水效果。1.3.2 研究方法研究方法本次论文研究依托兴隆庄煤矿现开采综放工作面的实际情况，运用系统工程的观点，采用理论分析、实验室测试、现场观测等方法和手段，探讨煤层高压注水与采动裂隙网山

57、东科技大学硕士学位论文 绪论10络演化理论，采用 MTS815.03 电液伺服岩石试验系统等对注水煤层的基本力学性质、孔隙特征、煤岩渗透特性进行实验，根据煤岩应力损伤机理和煤样基本力学实验结果，对注水方案进行设计。最终根据理论分析和基本力学实验结果，结合兴隆庄煤矿综放工作面注水现状与采动裂隙流固耦合变化规律，优化设计煤层注水防尘卸压工艺技术参数，形成煤层注水防尘卸压工艺技术体系，并通过在综放工作面的应用进行该工艺技术的现场验证与完善，以达到防治工作面冲击地压、降低工作面粉尘浓度的效果，技术路线图如图 1.1 所示。国内外调研注水煤岩基本物理性质与孔隙特征实验煤层注水理论研究自然与饱水煤岩力学性

58、能实验注水煤岩孔隙特征实验注水煤岩基本物理性质测定煤层注水润湿煤体的过程与机理分析煤层注水防治粉尘作用机理分析煤层注水润湿卸压机理分析煤层注水防尘卸压工艺技术设计煤层注水防尘卸压效果分析煤层注水对支架工作的影响分析深部开采煤层注水防尘卸压工艺技术研究采动煤岩流固耦合渗流特性试验煤岩采动裂隙网络演化与流固耦合分析采动过程工作面前方应力状态演化规律采动煤岩破裂过程中的渗流应力耦合分析图 1.1 技术路线图Fig 1.1 Technical route山东科技大学硕士学位论文 注水煤岩基本物理性质与孔隙特征试验112 注水煤岩基本物理性质与孔隙特征试验注水煤岩基本物理性质与孔隙特征试验2.1 MTS

59、815.03 岩石伺服试验系统简介岩石伺服试验系统简介煤层注水湿润煤体，其煤体水份增加量由裂隙中渗透、压差、毛细和分子扩散运动几部分的水份增加量组成，而水份增加与否主要是由煤的渗透性能、力学参数、孔隙率、注水压力及水对煤体的润湿性系数决定的。因此，利用 MTS 岩石伺服试验系统以及压汞孔隙测定设备对工作面煤岩基本力学性能以及孔隙分布进行了测定，通过试验，得出自然条件下单轴压缩强度、弹性模量、泊松比以及相应的全应力应变曲线。MTS815.03 电液伺服岩石试验系统(MTS815.03 Electro-hydraulic Servo-controlled Rock Mechanics Testin

60、g System)是山东科技大学重点试验室强化建设从美国购置的大型成套试验设备，该系统是目前国内配置高、性能先进、在国际上极受认可的岩石力学试验装备。2.1.1 基本配置及技术指标基本配置及技术指标2.1.1.1 基本配置(1) 315.04 型加载框架(Loading System)；(2) 656.06 型三轴室(Triaxial Cell)；(3) 286.20-09 型围压增压系统(Confining Pressure Intensifier)；(4) 286.31-01 型孔隙增压系统(Pore Pressure Intensifier)；(5) Test Starm 控制系统(Co