山東科技大學(xué)碩士論文-深部開采煤層注水防塵卸壓工藝技術(shù)研究321

1、分類號：分類號：TD714 密密 級：級：公公 開開U D C ： 單位代碼：單位代碼：10424學(xué)位論文學(xué)位論文深部開采煤層注水防塵卸壓工藝深部開采煤層注水防塵卸壓工藝技術(shù)研究技術(shù)研究王王 緒緒 友友申申請請學(xué)學(xué)位位級級別別：碩士學(xué)位碩士學(xué)位 專專業(yè)業(yè)名名稱稱：礦礦 業(yè)業(yè) 工工 程程指指導(dǎo)導(dǎo)教教師師姓姓名名：程程 衛(wèi)衛(wèi) 民民 職職 稱稱： 教教 授授 山山 東東 科科 技技 大大 學(xué)學(xué)二二一四年六月一四年六月論文題目：論文題目：深部開采煤層注水防塵卸壓工藝技術(shù)研究深部開采煤層注水防塵卸壓工藝技術(shù)研究作作者者姓姓名名： 王王 緒緒 友友 入入學(xué)學(xué)時時間間： 2012 年年 9 月月 專專業(yè)業(yè)名

2、名稱稱： 礦業(yè)工程礦業(yè)工程 研研究究方方向向： 礦井通風(fēng)與安全礦井通風(fēng)與安全 指指導(dǎo)導(dǎo)教教師師： 程程 衛(wèi)衛(wèi) 民民 職職 稱稱： 教教 授授 論文提交日期：論文提交日期：2014 年年 5 月月論文答辯日期：論文答辯日期：2014 年年 6 月月授予學(xué)位日期：授予學(xué)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聲明聲明本人呈交給山東科技大學(xué)的這篇碩士學(xué)位論文，除了所列參考文獻(xiàn)和世所本人呈交給山東科技大學(xué)的這篇碩士學(xué)位論文，除了所列參考文獻(xiàn)和世所公認(rèn)的文獻(xiàn)外，全部是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下的研究成果。該論文資料尚沒有呈交公認(rèn)的文獻(xiàn)外，全部是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下的研究成果。該

4、論文資料尚沒有呈交于其它任何學(xué)術(shù)機關(guān)作鑒定。于其它任何學(xué)術(shù)機關(guān)作鑒定。碩士生簽名：碩士生簽名：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:山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要1摘摘 要要近年來，隨著煤炭開采深度的不斷延深， “三高一擾”問題突出，同時綜放、綜采技術(shù)也在迅猛發(fā)展，煤塵、瓦斯、沖擊地壓、煤與瓦斯突出、地溫等自然災(zāi)害危害程度也不斷升級。國內(nèi)外研究、實踐證明，煤層注水是從根本上綜合解決上述安全問題的有效辦法之一，然而深部高地應(yīng)力、低孔隙率、難滲透開采環(huán)境嚴(yán)重制約了傳統(tǒng)的煤層注水工藝應(yīng)用及其防災(zāi)效果。針對上述問題，本論文依托興隆莊煤礦現(xiàn)開采綜放工作面的實際

6、情況，運用系統(tǒng)工程的觀點，采用理論分析、實驗室測試、現(xiàn)場觀測等方法和手段，采用 MTS815.03 電液伺服巖石試驗系統(tǒng)以及壓汞孔隙分析實驗，對注水煤層的基本力學(xué)性質(zhì)、孔隙特征、煤巖滲透特性進(jìn)行分析，得出煤巖在水的潤滑、軟化、泥化、干濕、凍融等物理作用過程與溶解、水化、水解、酸化、氧化等化學(xué)作用過程以及孔隙水壓的力學(xué)作用下，其力學(xué)性能參數(shù)出現(xiàn)下降現(xiàn)象，有利于煤層所受應(yīng)力的卸載。在此基礎(chǔ)上，探討煤層注水潤濕防塵卸壓機理與采動裂隙網(wǎng)絡(luò)演化以及固液耦合滲流規(guī)律，研究注水滲透以及應(yīng)力裂隙孔隙滲流之間的內(nèi)在關(guān)系，分析煤層注水中的應(yīng)力分布與裂隙孔隙動態(tài)演化過程以及流體滲流、運移特征。論文根據(jù)理論分析和基本

7、力學(xué)實驗結(jié)果，結(jié)合興隆莊煤礦 B10302 綜放工作面注水現(xiàn)狀與采動裂隙流固耦合變化規(guī)律，優(yōu)化設(shè)計煤層注水防塵卸壓工藝技術(shù)參數(shù)，確定工作面采用高壓混合式煤層注水方式，即在相應(yīng)靜壓區(qū)采用高壓注水，在動壓區(qū)采用靜壓注水。通過對注水前后粉塵濃度的測定，注水后工作面落煤、移架、放煤等高濃度粉塵作業(yè)工序其粉塵濃度有了較大的降低。微地震系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，工作面存在的沖擊地壓危險得到了有效地遏制，煤層注水防塵卸壓工藝技術(shù)對工作面防災(zāi)減災(zāi)起到了顯著的積極作用，達(dá)到提高注水效果進(jìn)而防治粉塵、減少沖擊地壓的目的。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：深部開采，煤層注水，MTS，沖擊地壓，粉塵防治，高壓混合式注水山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文

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 山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 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 山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 目錄1目目 錄錄1 緒 論.11.1 問題的提出與意義 .11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .31.3 論文的研究內(nèi)容與方法 .82 注水煤巖基本物理性質(zhì)與孔隙特征試驗.112.1 MTS815.03 巖石伺服試驗系統(tǒng)簡介.112.2 自然狀態(tài)下煤巖單軸力學(xué)性能試驗 .142.3 注水煤巖孔隙

19、特征試驗 .172.4 注水煤巖基本物理性質(zhì)測定 .202.5 本章小結(jié) .233 煤層注水潤濕防塵卸壓機理研究.243.1 煤層注水潤濕過程與機理分析 .243.2 煤層注水防治粉塵作用機理分析 .303.3 注水煤巖基本力學(xué)性能對比試驗 .333.4 煤層注水潤濕卸壓機理分析 .373.5 本章小結(jié) .394 煤巖采動裂隙網(wǎng)絡(luò)演化與流固耦合分析.404.1 采動過程工作面前方應(yīng)力狀態(tài)演化規(guī)律 .404.2 采動煤巖裂隙場演化規(guī)律 .434.3 采動煤巖流固耦合滲流特性試驗 .454.4 采動煤巖破裂過程中的滲流應(yīng)力耦合分析 .484.5 本章小結(jié) .505 深部開采煤層注水防塵卸壓工藝技術(shù)

20、研究與應(yīng)用.515.1 工作面概況 .515.2 煤層注水防塵卸壓工藝技術(shù)設(shè)計 .515.3 煤層注水防塵卸壓效果分析 .56山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 目錄25.4 煤層注水對支架工作的影響分析 .655.5 本章小結(jié) .676 結(jié) 論.686.1 主要結(jié)論 .686.2 研究展望 .69致 謝.71參考文獻(xiàn).72攻讀碩士學(xué)位期間主要成果.77山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 目錄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山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 目錄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山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 緒論11 緒緒 論論1.1 問題的提出與意義問題的提出與意義綜采放頂煤采煤法在我國

27、已廣泛應(yīng)用，由于放頂煤開采的產(chǎn)塵量較高，又增加了放煤、放煤溜子轉(zhuǎn)載點等產(chǎn)塵源，致使綜放工作面粉塵污染問題相當(dāng)嚴(yán)重，據(jù)測定采煤機割煤時的原始總粉塵濃度最高可達(dá) 10003000 mg/m3。粉塵危害是眾所周知的，一方面粉塵濃度高，可使長期處于該工作環(huán)境下的工人患上職業(yè)塵(矽)肺病。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前我國煤礦約有塵肺病人 40 多萬人，每年死于塵肺病約 2500 人，每年不要花費大量的人力和物力來進(jìn)行治療，也給患者及家屬帶來了很大的痛苦；另一方面煤塵爆炸隱患嚴(yán)重威脅礦井的安全生產(chǎn)。我國 93%以上的粉塵具有爆炸危險性，粉塵一旦爆炸，會危及工人和礦井安全，造成重大損失。隨著對能源需求量的增加和開采強

28、度的不斷加大，淺部資源日益減少，國內(nèi)外礦山都相繼進(jìn)入深部資源開采階段1-4。與此同時，煤炭開采深度的不斷延深，帶來了較為突出的“三高一擾”問題，煤塵、瓦斯等自然災(zāi)害的危害程度不斷升級，災(zāi)害事故越來越嚴(yán)重，此外，沖擊地壓、高溫?zé)岷σ踩找嫱癸@，勢必將會嚴(yán)重影響生產(chǎn)安全及職工健康。兗州煤業(yè)有限公司興隆莊煤礦于 1975 年 2 月破土動工，1981 年 12 月 21 日建成投產(chǎn)。礦井設(shè)計能力為 300 萬 t/a；2003 年核定生產(chǎn)能力為 680 萬 t/a。興隆莊煤礦井田位于兗州煤田的東北隅，橫跨兗州、曲阜兩市，礦井北距兗州市 8 km，東距程家莊 2.5 km，東南距鄒城市 14 km。井田

29、內(nèi)地勢平坦、村莊密集，地勢自東北向西南緩慢傾斜。海拔標(biāo)高在5244 m 之間，工業(yè)廣場標(biāo)高49.20 m。礦井劃分為兩個水平：第一水平為-350 m，通過水平大巷開拓 3 層煤的全部上、下山采區(qū)，第二水平為-500 m。地應(yīng)力測試結(jié)果顯示，礦井地應(yīng)力環(huán)境為中等至高應(yīng)力區(qū)，最大主應(yīng)力為 16.5018.03 MPa，最大水平應(yīng)力方向大致為 120，垂直應(yīng)力為 12.1112.68 MPa，水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，最大水平主應(yīng)力為垂直應(yīng)力的 1.21.4 倍，對井下巖層的變形破壞方式及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律會有很大的影響。經(jīng)沖擊傾向性鑒定報告分析，興隆莊煤礦 3 煤的煤質(zhì)較硬，單軸抗壓度為 15.9339.0

30、7 MPa，且 3 煤基本呈脆性破壞，破壞后，殘余試件呈小圓錐山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 緒論2狀，說明此類煤在破壞時能以較高的比例將存儲的變形能釋放出來，因而煤樣測出的彈性能量指數(shù)都較高，其平均值都大于 5，按標(biāo)準(zhǔn)屬于強沖擊傾向范圍。歷年瓦斯鑒定結(jié)果均為低瓦斯礦井，礦井可采煤層均有煤塵爆炸危險，爆炸指數(shù)一般為 3742%。因此，興隆莊煤礦 3 煤綜采、綜放工作面安全高效開采面臨著高濃度煤塵爆炸、高地應(yīng)力破壞作用，強沖擊地壓危害等重大災(zāi)害的重重威脅。為此，要保障興隆莊煤礦長久安全高效生產(chǎn)，需要采取相關(guān)先進(jìn)技術(shù)措施進(jìn)行有關(guān)災(zāi)害的治理工作。國內(nèi)外研究、實踐證明，煤層注水是從根本上綜合解決上述安全問題

31、的有效辦法之一，它不僅能降低割煤粉塵，而且能降低放煤開采工藝中放煤及由于自移支架升、降、移過程中觸煤而產(chǎn)生的大量粉塵，同時能夠提高其他防、降塵措施的使用效率。煤層注水不僅是一種積極主動減少粉塵產(chǎn)生的有效方法，而且能預(yù)防煤與瓦斯突出、防治沖擊地壓，同時對預(yù)防自然發(fā)火、提高煤炭開采回收率等都起到一定的積極作用5-6。目前的注水系統(tǒng)一般采用井下靜壓注水或高壓水泵加壓注水。靜壓注水對于透氣性很好的煤層效果良好，但靜壓水的壓力有限，不適用于透氣性較差的煤層。采用高壓水泵加壓注水雖然拓寬了常壓注水的適用范圍，但水泵提供的壓力也是有限的，對于透氣性很差的煤層，也難以達(dá)到理想效果，同時注水泵的壓力越高，設(shè)備的

32、運行、維護和管理要求也越高7。目前，兗州煤業(yè)股份有限公司興隆莊煤礦隨著采煤方法的不斷改進(jìn)和創(chuàng)新，煤礦開采深度的加大和煤的變質(zhì)程度增加，其開采煤層所受原煤巖應(yīng)力越來越高、原始孔隙率較低、滲透性能差，同時煤塵爆炸、沖擊地壓危險等自然災(zāi)害的危害程度也不斷升級。據(jù)此，興隆莊煤礦乃至全國深部開采礦井迫切需要一種新型的注水方法和技術(shù)，能夠快速、有效地將水注入煤層，特別是透氣性較差的“難注水”煤層中。煤層注水主要通過向煤體預(yù)注壓力水，利用其對弱面的壓裂、沖刷以及楔入作用和水對煤體的物理、化學(xué)作用，使煤巖體擴大原有裂隙、產(chǎn)生新裂隙，破壞煤巖體整體性，降低其強度，釋放煤體壓力，以有效預(yù)防沖擊地壓事故的發(fā)生。注入

33、煤體的水，沿著煤的裂隙向被裂隙分割的煤塊滲透并儲存于裂隙和孔隙中，增加煤體水分，濕潤煤體內(nèi)原生煤塵，使其失去飛揚能力，減少采煤時產(chǎn)生浮游粉塵的能力8-10。目前，雖然煤層注水技術(shù)已較為成熟，但是長期以來人們對煤層注水的認(rèn)識一直停留在定性認(rèn)識階段，而傳統(tǒng)的注水方式是將注水壓力固定在某一定值進(jìn)行注水，此種注水方式雖然較為簡單，但單孔注水量較少，山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 緒論3水分在煤層中的滲透效果較差，影響煤層注水效果11。煤層孔隙率大小是表征注水難易程度的重要指標(biāo)，煤層裂隙、孔隙的發(fā)育程度是影響煤層注水難易的首要因素，但是由于興隆莊煤礦以及我國其他部分礦井相繼進(jìn)入深部開采，煤巖原應(yīng)力高、孔隙裂隙

34、不發(fā)育、滲透率低、瓦斯含量高且壓力大等突出問題影響著煤層注水技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。我國較多礦區(qū)的煤層為高地壓低孔隙率煤層，煤體節(jié)理裂隙不發(fā)育且較為堅硬，煤層注水困難，不能達(dá)到預(yù)期的災(zāi)害防治效果，并且隨著我國煤礦開采深度的增加，注水困難的問題更加突出，嚴(yán)重制約了煤層注水技術(shù)在我國深部高地壓煤層中的應(yīng)用，影響了其對沖擊地壓、高濃度粉塵危害的防治效果。因此，進(jìn)行“深部開采煤層注水防塵卸壓技術(shù)”研究，以高壓注水滲透與采動應(yīng)力分布的理論分析為基礎(chǔ)，使用動壓區(qū)注水與靜壓區(qū)注水、動壓注水與靜壓注水相結(jié)合的高壓混合式煤層注水工藝，利用高壓注水增透技術(shù)，協(xié)同采動應(yīng)力分布作用，達(dá)到增大煤層裂隙密度和注水潤濕范圍，從而

35、提高高地壓低孔隙率難注水煤層的注水效果，進(jìn)而有效防治沖擊地壓、高濃度粉塵等災(zāi)害論文以興隆莊煤礦深部開采條件下采煤工作面的注水難題為現(xiàn)場依托，結(jié)合礦井煤層原巖應(yīng)力情況以及礦壓分布規(guī)律，采用理論研究、實驗室測試和現(xiàn)場試驗相結(jié)合的方法，在對煤層注水防塵卸壓理論、采動裂隙網(wǎng)絡(luò)演化以及固液耦合滲流試驗研究的基礎(chǔ)上，分析高壓注水滲透以及應(yīng)力裂隙孔隙滲流之間的內(nèi)在規(guī)律，分析煤層注水中的應(yīng)力分布與裂隙孔隙動態(tài)演化過程以及流體滲流、運移特征，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計工作面煤層注水防塵卸壓技術(shù)應(yīng)用方案，并考察其應(yīng)用效果，進(jìn)而完善注水防塵卸壓方案，以達(dá)到提高煤層注水效果，更好的實現(xiàn)防治粉塵災(zāi)害、減少沖擊地壓危險性的目的，從

36、而能有效地保障礦井的安全生產(chǎn)、節(jié)約生產(chǎn)成本，保證礦井的安全、高效運轉(zhuǎn)。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀煤層注水技術(shù)作為防治沖擊地壓、防治粉塵、預(yù)防煤塵瓦斯爆炸等多種災(zāi)害的主要安全生產(chǎn)技術(shù)措施之一，一直被國內(nèi)外廣泛使用。煤層注水在防治礦井自然災(zāi)害、鞏固安全生產(chǎn)基礎(chǔ)、改善煤礦從業(yè)人員作業(yè)環(huán)境、降低礦工勞動強度、提高原煤生產(chǎn)效率等方面也同樣發(fā)揮著不可替代的巨大作用，是一項一舉多得的技術(shù)，我國已將其列入煤山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 緒論4礦安全規(guī)程第 154 條。1.2.1 煤層注水理論國內(nèi)外研究概況煤層注水理論國內(nèi)外研究概況煤層注水理論研究的主要目的是指導(dǎo)確定煤層注水現(xiàn)場實施工藝參數(shù)，避免煤層注水

37、工作的盲目性，提高煤層注水效率。注水過程中水在煤層中的運移問題，就是水在煤層孔隙裂隙連成的通道中的流動。煤層注水理論研究主要借鑒滲流力學(xué)理論，也可以說水在煤層中的運移問題就是水在煤層中的滲流問題，將煤層注水過程中水在煤體內(nèi)的流動視為水在煤體孔隙、裂隙通道內(nèi)的滲流問題12-13。一般認(rèn)為水進(jìn)入煤體后的運動分為壓力滲流和自然滲流兩部分，壓力滲流階段，壓力水沿阻力較低的大裂隙、孔隙以較快的速度流動，注水壓力越高，水在裂隙中的運動速度也越快，孔隙越小毛細(xì)作用力越大。自然滲流階段，注入水由大的孔、裂隙進(jìn)入微小孔隙時，外部注水壓力消失，這一階段毛細(xì)作用力及潤濕、鋪展等作用會起主導(dǎo)作用14-15。從 185

38、6 年達(dá)西提出了孔隙介質(zhì)線性滲流定律即達(dá)西定律以來，滲流力學(xué)已發(fā)展成為力學(xué)學(xué)科的一個分支16。對于單相不可壓縮和微可壓縮流體在均勻的單一介質(zhì)中的滲流問題已基本解決。如不考慮介質(zhì)變形的穩(wěn)定和非穩(wěn)定的不可壓縮和微可壓縮流體滲流流動，可以歸結(jié)為求解數(shù)學(xué)物理方程中研究得最多的拉普拉斯方程和 Founier 方程，基本上均可在定解條件下求得解析解或近似解析解。同時對單一孔隙介質(zhì)中單相氣體在多孔介質(zhì)中流動，建立了穩(wěn)定和非穩(wěn)定的氣體滲流方程，其穩(wěn)定滲流方程具有拉普拉斯方程性質(zhì)，而非穩(wěn)定氣體滲流方程則是具有二階的非線性拋物線型方程，難以求得解析解。但是經(jīng)過許多學(xué)者的研究，提出了不少線性化的方法來求解近似解，因

39、而可以說單純孔隙介質(zhì)中的不可壓縮、微可壓縮和可壓縮流體在介質(zhì)不變形情況下，單相滲流流體流動問題已經(jīng)基本得到解決，可以廣泛應(yīng)用于解決各個不同部門的這方面的滲流力學(xué)問題。直到上世紀(jì) 60 年代初，周世寧院士首先將單一的孔隙介質(zhì)、單相流體的滲流力學(xué)應(yīng)用于解決瓦斯在煤層中的運移問題，建立了瓦斯在煤層中運移的滲流理論線性瓦斯流動理論，這是我國首次見到的應(yīng)用達(dá)西定律分析煤層滲流問題，從此開始了煤層滲流問題的研究17。1985 年，趙陽升在碩士論文“防治煤礦沖擊地壓的壓力注水法的研究”中對注水煤層區(qū)域水運移視為滲流場進(jìn)行了分析，這是國內(nèi)首次見到的應(yīng)用滲流理論對煤層注水進(jìn)行的分析研究18。由于煤是典型的孔隙裂

40、隙雙重孔隙介質(zhì)，煤層高壓注水過程中，水在裂隙中屬于壓力水滲流運動，水在孔隙中主要靠毛細(xì)運動和擴散運動濕山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 緒論5潤煤體，因此煤層注水機理方面的研究需要研究水在煤中的濕潤過程，目前國內(nèi)外這方面研究，主要是細(xì)觀尺度上的理論探討和大量的實驗研究成果。但迄今為止絕大多數(shù)仍然是將煤層視為單一的孔隙介質(zhì)而流體視為不可壓縮的單相滲流來研究水在煤層中流動的壓力和滲流速度的分布。煤層注水參數(shù)主要包括：煤層注水時的水壓、流速、注水時間、鉆孔間距、鉆孔深度以及噸煤體注水量等參數(shù)。對煤層注水參數(shù)的研究是世界各國普遍關(guān)注的重點問題。目前較為統(tǒng)一的觀點是：設(shè)計的煤層注水參數(shù)須使被注水煤層得到較均勻潤

41、濕，這樣才會獲得較好的煤層注水效果。上世紀(jì)六七十年代德國、法國以及前蘇聯(lián)等國家分別進(jìn)行了相關(guān)方面的研究：煤層注水的速度與煤層吸水速度相等時，水可以滲透到占煤體總孔隙 90%的孔隙之中；過高的煤層注水壓力會造成煤體骨架破壞，導(dǎo)致煤體大裂隙跑水，注水效果反而不好，因此必須控制好煤層注水壓力19。法國采用低壓小流量長時間注水取得了較好的注水防塵效果。德國煤礦因其開采深度一般超過 1000 m，煤層瓦斯壓力較大，因此采用的注水壓力普遍較高，一般在 1020 MPa 之間20。我國煤礦煤層注水以中、低壓(小于 10 MPa)為主。關(guān)于噸煤注水量的研究，國內(nèi)外目前尚未達(dá)成統(tǒng)一觀點。一般均以宏觀表現(xiàn)(如煤壁

42、滲水、流量大小及生產(chǎn)要求的限制等)確定單位煤體的注水量，已有研究結(jié)果表明當(dāng)煤層全水分達(dá)到 5%以上能達(dá)到較好的防治煤與瓦斯突出和防治煤塵效果21-22。1.2.2 煤層注水防塵技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀煤層注水防塵技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀煤炭生產(chǎn)由于新技術(shù)、新措施的不斷出現(xiàn)，煤炭生產(chǎn)率日益提高，同時采煤工作面粉塵情況也日益嚴(yán)重，并對井下礦工身體健康造成嚴(yán)重威脅，導(dǎo)致礦工患有塵肺病。通過國內(nèi)外科研工作者對煤層注水技術(shù)的大量研究及總結(jié)，發(fā)現(xiàn)煤層注水技術(shù)不僅有效治理煤礦井下煤塵，而且可以治理瓦斯突出和瓦斯災(zāi)害以及沖擊地壓等災(zāi)害，因而開始大力發(fā)展煤層注水技術(shù)。在國際上，煤層注水技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展已有很長的歷史。1

43、890 年德國首次在薩爾煤田進(jìn)行實驗，隨后煤體預(yù)注水減塵方法逐步引起了各國的重視，尤其是 20 世紀(jì) 50 年代開始在世界各國推廣應(yīng)用后，得到了迅猛發(fā)展23。法國從 1943 年開始短孔煤層注水的試驗研究和應(yīng)用24。1960 年前后，德國、英國、前蘇聯(lián)、美國和比利時等幾個主要產(chǎn)煤國家對煤層注水做了大量的試驗研究，并將實驗結(jié)果在井下推廣應(yīng)用25。1943 年山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 緒論6德國魯爾煤田開始使用短鉆孔注水，發(fā)現(xiàn)降塵效果顯著，1948 年在該煤田所有礦井推廣使用26。但由于短鉆孔存在一些難以克服的困難，后又改用長鉆孔注水。二次世界大戰(zhàn)期間的前蘇聯(lián)，由于開始實現(xiàn)采煤機械化，工作面煤塵很

44、大，很可能是受到掃地時灑水可以降塵的啟發(fā)，開始向煤層灑水，以后改成向煤層注水，以增加煤的含水率、減小揚塵，防止工作面作業(yè)人員中矽肺病的發(fā)生27-28。開始時采用的方法是從地面接管線，依靠靜壓進(jìn)行注水。在二次世界大戰(zhàn)后，就將此方法列入了前蘇聯(lián)煤礦安全作業(yè)規(guī)程。波蘭從 1950 年開始試用煤層注水，到 1963 年已有 75%的工作面采用了煤層注水29。目前，幾乎所有的礦井都采用了煤層注水。注水壓力為 1.63.0 MPa，水中加入硫酸銅溶液，孔深 24 m，封孔深 1 m，注水時間 215 min。這種方法不僅能降塵，而且還能有效的防治瓦斯突出等問題。為了使煤層注水狀況適應(yīng)于被濕潤煤體的滲透特點

45、，前蘇聯(lián)烏克蘭科學(xué)院礦山力學(xué)研究所等研制出能自動調(diào)節(jié)注水參數(shù)的注水泵30-33，它能根據(jù)煤層的滲透性和注水壓力自動調(diào)整注水量，實現(xiàn)最佳的煤層注水參數(shù)，提高了液體在煤體中分布的均勻性。法國煤炭中心研制了流量控制器和連續(xù)注水裝置，使煤層注水實現(xiàn)了自動化。煤層注水技術(shù)的廣泛使用，有效的控制了井下粉塵濃度，根據(jù)日內(nèi)瓦國際防塵會議的資料，在條件合適的煤層里，正確使用煤層注水會使空氣中的含塵量比綜合使用所有其它防塵措施(不包括煤層注水)時要低 34 倍，而且利用煤層注水時，落煤的生產(chǎn)效率還可以提高 25%。我國雖然從很早就開始煤炭開采，但由于煤炭開采量小，產(chǎn)生的粉塵量也較小，沒有引起足夠的重視。隨著煤炭需

46、求量急劇增加，逐漸實現(xiàn)采掘機械化，工作面粉塵大量增加，逐漸引起工程技術(shù)人員的關(guān)注。因此一些大的礦務(wù)局就用煤層注水的方法來降低工作面粉塵濃度。我國于 1956 年在本溪彩屯煤礦首次試驗煤體預(yù)注水防塵技術(shù)，到 1990 年已有 40%的采煤工作面實施煤層注水防塵技術(shù)34。1965 年撫順煤炭科學(xué)研究院、北票礦務(wù)局采用煤層注水防治瓦斯突出，先后進(jìn)行了石門煤層注水、巷道煤層注水、區(qū)域煤層注水的試驗研究，歷時十年，于 1976 年進(jìn)行了全面總結(jié)，并自行研制了膠塞封孔器進(jìn)行封孔和用水泥封孔方法進(jìn)行封孔，至今仍在我國煤層注水中應(yīng)用35-37。通過試驗，研究了注水山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 緒論7時的注水壓力、

47、注水流量、單孔注水時間及總流量對瓦斯突出、煤體變形的影響，并得出了注水后如不能達(dá)到使煤層均勻濕潤反而更有利于發(fā)生突出的結(jié)論，經(jīng)鑒定認(rèn)為研究是成功的。但以后并未在我國煤礦中推廣用煤層注水方法防治煤和瓦斯的突出。北京煤科院在 20 世紀(jì) 80 年代后期通過煤炭部立項將注水技術(shù)應(yīng)用于堅硬頂板下煤層的開采，解決了由于頂板堅硬不易冒落、形成大面積塌頂而產(chǎn)生的大面頂板垮落的問題38。20 世紀(jì) 90 年代，山西礦業(yè)學(xué)院在晉城礦務(wù)局采用注水技術(shù)軟化煤層，解決了放頂煤開采中，煤層大塊冒落、影響生產(chǎn)甚至大塊煤壓死支架的問題，因而得以實現(xiàn)放頂煤的高產(chǎn)高效開采。煤層注水的防塵實質(zhì)是用水預(yù)先濕潤尚未采落的煤體，使其在

48、開采過程中大量減少或基本消除浮游煤塵的發(fā)生，在進(jìn)行煤層注水降塵的工作面一般都取得較好的降塵效果，降塵率在 6090%之間。如撫順龍鳳礦與北京門頭溝礦在注水后的 27 組浮游煤塵濃度測定數(shù)據(jù)中，前者有 12 組達(dá)到了 10 mg/m3以下，后者則有近 24 組達(dá)到了 10 mg/m3以下39。粉塵濃度大幅度降低，改善了工人的勞動條件。在煤與瓦斯突出防治方面，經(jīng)實驗證明，對于透氣性小、瓦斯壓力大的煤層，經(jīng)過注水的煤炭瓦斯放散速度降低了90%，降低了瓦斯破碎煤體的可能性，因此對突出煤層進(jìn)行注水，煤壁瓦斯涌出量減少，瓦斯壓力顯著降低，當(dāng)煤體瓦斯壓力下降至安全值時，有效地預(yù)防了煤與瓦斯的突出。在瓦斯排放

49、方面，對于透氣性較好而瓦斯壓力不大的煤層，由于游離瓦斯占主體，使得注水過程中加快了瓦斯向排放鉆孔的泄出速度，如山西陽泉二礦注水 4 h 后，與注水孔相鄰的瓦斯排放鉆孔的自然瓦斯涌出量從原來的 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來的數(shù)值。注水結(jié)束后，潤濕面的瓦斯涌出量都會顯著降低。在防治沖擊地壓方面，煤層經(jīng)高壓注水改變了煤體的裂隙結(jié)構(gòu)，使煤體脆性減弱，增強了塑性變形的性質(zhì)，促使前方塑性變形區(qū)(卸壓帶)加寬，使集中壓力區(qū)(彈塑性變形區(qū))向煤壁深處移動并加寬，這樣減弱了煤體壓力集中程度，緩和了煤體壓力潛能的積聚，從而預(yù)防沖擊地壓的發(fā)生或使其強度

50、減弱。例如撫順勝利煤礦采用610 MPa 進(jìn)行煤體注水預(yù)防沖擊地壓，收到較好效果，注水后的應(yīng)力集中系數(shù)大大降低。1.2.3 煤層注水預(yù)防沖擊地壓的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀煤層注水預(yù)防沖擊地壓的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀大量沖擊地壓發(fā)生的實例證實，沖擊地壓都發(fā)生在干燥或含水率低的煤層中。即使山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 緒論8是同一沖擊地壓煤層，含水率不同，發(fā)生沖擊地壓的情況也不相同。因此，人們得到啟發(fā)，采用注水方法，濕潤煤層、增加煤層的含水率可以預(yù)防沖擊地壓的發(fā)生。經(jīng)過實踐的檢驗，確實是預(yù)防沖擊地壓發(fā)生的有效措施之一。國內(nèi)許多學(xué)者通過大量試驗研究，發(fā)現(xiàn)注水改變了煤層的物理力學(xué)性質(zhì)，使煤層的抗壓強度降低、彈性模量降低、塑

51、性增加，但由于煤自身的特殊性質(zhì)，目前關(guān)于水分對其力學(xué)性質(zhì)影響的研究還較少40。前蘇聯(lián)學(xué)者曾采用取自沃爾科夫斯基煤層的煤芯(直徑 30 mm)，在壓力機上進(jìn)行測試，得出如下結(jié)論41-44：原煤的平均抗壓強度為 14.2 MPa；被水浸潤 3 天和 10 天后，平均強度降分別為 10.0 MPa 和 9.3 MPa，分別降低了29.6%和 34.5%；在 1.0 MPa、3.0 MPa 和 6.0 MPa 壓力下注水 1 小時后，平均強度分別降低為 11.3 MPa、9.8 MPa 和 7.3 MPa，分別降低了 20.4%、31.0%和 48.6%；另外，還通過改變加載條件，確定了水分與粘結(jié)系數(shù)

52、和內(nèi)摩擦角的關(guān)系，隨著水分的增加，抗壓強度 、粘結(jié)系數(shù) 及內(nèi)摩擦角都將顯著降低。現(xiàn)場測試結(jié)果表明高壓注水對離注水孔較遠(yuǎn)距離處煤體內(nèi)的應(yīng)力影響不大，前蘇聯(lián)學(xué)者的現(xiàn)場試驗顯示：注水時，距注水孔 6.5 m、7.1 m 和 12.5 m 處，煤體應(yīng)力分別增加了 0.213、0.173 和 0.047 倍，且注水后，煤體應(yīng)力都可以逐步回到煤體的原始應(yīng)力值附近45-46。因此，高壓注水對煤體應(yīng)力的影響主要體現(xiàn)在對采場應(yīng)力分布的改變上。前蘇聯(lián)學(xué)者曾在凱梅羅夫斯基煤層、沃爾科夫斯基煤層及紅山礦四內(nèi)副層進(jìn)行了注水前、后巷道變形的觀察工作，研究表明47-48：在注水區(qū)煤層的變形量顯著增大，由于巷道前方煤體應(yīng)力狀

53、態(tài)和巷道變形是相關(guān)的，側(cè)面說明了煤層注水會對工作面前方的應(yīng)力分布產(chǎn)生較大影響。為了研究注水后回采工作面前方的應(yīng)力分布，前蘇聯(lián)學(xué)者對北方礦的凱梅羅夫斯基層、沃爾科夫斯基層和符拉季米羅夫斯基層進(jìn)行了詳細(xì)的測試工作。實驗表明：各煤層注水后應(yīng)力峰值都出現(xiàn)了后移，且集中應(yīng)力值有所降低。1.3 論文的研究內(nèi)容與方法論文的研究內(nèi)容與方法1.3.1 研究內(nèi)容研究內(nèi)容針對兗州礦區(qū)深部開采煤層孔隙率較低、礦壓顯現(xiàn)明顯和產(chǎn)塵量較大的生產(chǎn)實際情況，依托興隆莊煤礦開采綜采(放)工作面的具體現(xiàn)場條件，運用系統(tǒng)工程的觀點，采用山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 緒論9理論分析、實驗室測試、現(xiàn)場應(yīng)用等方法和手段，設(shè)計興隆莊煤礦綜放工作

54、面煤層注水防塵卸壓方案，并在興隆莊煤礦 B10302 綜放工作面進(jìn)行現(xiàn)場驗證與完善，以達(dá)到防治工作面沖擊地壓、降低工作面粉塵濃度的效果。項目的具體研究內(nèi)容如下：(1) 注水煤層的基本力學(xué)與孔隙特性實驗研究煤層注水濕潤煤體，使水分增加，就由裂隙中滲透、壓差、毛細(xì)和分子擴散運動幾部分的水分增加量組成，而以上幾部分的水分增加量主要是由煤的滲透性能、力學(xué)參數(shù)、孔隙率、注水壓力及水對煤體的潤濕性系數(shù)決定的，為此利用山東科技大學(xué)礦山災(zāi)害預(yù)防控制國家重點實驗室的先進(jìn)儀器測定注水煤層的基本實驗參數(shù)，其中包括：基本的力學(xué)性質(zhì)分析、孔隙特征和可注性分析等。(2) 煤層采動裂隙網(wǎng)絡(luò)演化及其應(yīng)力滲流耦合分析原巖應(yīng)力是

55、地下煤巖體變形破壞的根本作用力，而采動應(yīng)力場的演化導(dǎo)致裂隙場的變化，進(jìn)而影響煤層注水過程中壓力水在煤層中的滲流過程。為了摸清煤層開采對煤巖滲透性能的影響關(guān)系，運用礦山壓力與滲流理論分析煤層采動過程中的裂隙演化以及煤巖滲透特性變化規(guī)律，為充分利用采動應(yīng)力場、裂隙場與滲流場之間的變化關(guān)系，更好地達(dá)到深部煤礦開采煤層的注水防災(zāi)效果提供理論依據(jù)。與此同時，利用 MTS815.03巖石伺服試驗系統(tǒng)等設(shè)備對煤巖全應(yīng)力應(yīng)變過程中流固耦合滲透特性進(jìn)行實驗研究，得出試樣的強度、應(yīng)變與滲透率變化規(guī)律，考察興隆莊煤礦注水煤層在采動應(yīng)力作用下煤巖滲透率分布規(guī)律，為深井綜放面煤層注水防塵卸壓技術(shù)工藝參數(shù)設(shè)計與現(xiàn)場應(yīng)用提

56、供實驗依據(jù)。(3) 煤層注水防塵卸壓技術(shù)工藝與現(xiàn)場應(yīng)用分析依據(jù)煤層不同應(yīng)力分布區(qū)域?qū)⒐ぷ髅婷后w沿走向方向劃分為靜壓區(qū)動壓注水區(qū)域與動壓區(qū)靜壓注水區(qū)域兩個不同類型的注水區(qū)域，根據(jù)煤巖基本力學(xué)實驗以及煤層注水應(yīng)力滲流耦合試驗結(jié)果，設(shè)計煤層注水防塵卸壓工藝技術(shù)參數(shù)。并對注水方案實施后注水流量及水分的增加量、工作面各生產(chǎn)工序煤粉塵濃度降低情況、沖擊地壓防治情況、液壓支架工作阻力變化情況等方面進(jìn)行現(xiàn)場測定分析，以考察注水效果。1.3.2 研究方法研究方法本次論文研究依托興隆莊煤礦現(xiàn)開采綜放工作面的實際情況，運用系統(tǒng)工程的觀點，采用理論分析、實驗室測試、現(xiàn)場觀測等方法和手段，探討煤層高壓注水與采動裂隙網(wǎng)山

57、東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 緒論10絡(luò)演化理論，采用 MTS815.03 電液伺服巖石試驗系統(tǒng)等對注水煤層的基本力學(xué)性質(zhì)、孔隙特征、煤巖滲透特性進(jìn)行實驗，根據(jù)煤巖應(yīng)力損傷機理和煤樣基本力學(xué)實驗結(jié)果，對注水方案進(jìn)行設(shè)計。最終根據(jù)理論分析和基本力學(xué)實驗結(jié)果，結(jié)合興隆莊煤礦綜放工作面注水現(xiàn)狀與采動裂隙流固耦合變化規(guī)律，優(yōu)化設(shè)計煤層注水防塵卸壓工藝技術(shù)參數(shù)，形成煤層注水防塵卸壓工藝技術(shù)體系，并通過在綜放工作面的應(yīng)用進(jìn)行該工藝技術(shù)的現(xiàn)場驗證與完善，以達(dá)到防治工作面沖擊地壓、降低工作面粉塵濃度的效果，技術(shù)路線圖如圖 1.1 所示。國內(nèi)外調(diào)研注水煤巖基本物理性質(zhì)與孔隙特征實驗煤層注水理論研究自然與飽水煤巖力學(xué)性

58、能實驗注水煤巖孔隙特征實驗注水煤巖基本物理性質(zhì)測定煤層注水潤濕煤體的過程與機理分析煤層注水防治粉塵作用機理分析煤層注水潤濕卸壓機理分析煤層注水防塵卸壓工藝技術(shù)設(shè)計煤層注水防塵卸壓效果分析煤層注水對支架工作的影響分析深部開采煤層注水防塵卸壓工藝技術(shù)研究采動煤巖流固耦合滲流特性試驗煤巖采動裂隙網(wǎng)絡(luò)演化與流固耦合分析采動過程工作面前方應(yīng)力狀態(tài)演化規(guī)律采動煤巖破裂過程中的滲流應(yīng)力耦合分析圖 1.1 技術(shù)路線圖Fig 1.1 Technical route山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 注水煤巖基本物理性質(zhì)與孔隙特征試驗112 注水煤巖基本物理性質(zhì)與孔隙特征試驗注水煤巖基本物理性質(zhì)與孔隙特征試驗2.1 MTS

59、815.03 巖石伺服試驗系統(tǒng)簡介巖石伺服試驗系統(tǒng)簡介煤層注水濕潤煤體，其煤體水份增加量由裂隙中滲透、壓差、毛細(xì)和分子擴散運動幾部分的水份增加量組成，而水份增加與否主要是由煤的滲透性能、力學(xué)參數(shù)、孔隙率、注水壓力及水對煤體的潤濕性系數(shù)決定的。因此，利用 MTS 巖石伺服試驗系統(tǒng)以及壓汞孔隙測定設(shè)備對工作面煤巖基本力學(xué)性能以及孔隙分布進(jìn)行了測定，通過試驗，得出自然條件下單軸壓縮強度、彈性模量、泊松比以及相應(yīng)的全應(yīng)力應(yīng)變曲線。MTS815.03 電液伺服巖石試驗系統(tǒng)(MTS815.03 Electro-hydraulic Servo-controlled Rock Mechanics Testin

60、g System)是山東科技大學(xué)重點試驗室強化建設(shè)從美國購置的大型成套試驗設(shè)備，該系統(tǒng)是目前國內(nèi)配置高、性能先進(jìn)、在國際上極受認(rèn)可的巖石力學(xué)試驗裝備。2.1.1 基本配置及技術(shù)指標(biāo)基本配置及技術(shù)指標(biāo)2.1.1.1 基本配置(1) 315.04 型加載框架(Loading System)；(2) 656.06 型三軸室(Triaxial Cell)；(3) 286.20-09 型圍壓增壓系統(tǒng)(Confining Pressure Intensifier)；(4) 286.31-01 型孔隙增壓系統(tǒng)(Pore Pressure Intensifier)；(5) Test Starm 控制系統(tǒng)(Co