第４２卷第２期煤 炭 科 技
Ｖｏｌ ４２ Ｎｏ ２ ２０２１年
４月
ＣＯＡＬＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＭＡＧＡＺＩＮＥ
Ａｐｒ． ２０２１
收稿日期：２０２０－１２－０２； ＤＯＩ：１０．１９８９６／ｊ．ｃｎｋｉ．ｍｔｋｊ．２０２１．０２．０２１作者简介：李 兵（１９８２—），男，江苏徐州人，工程师，２０１５年毕业于中国矿业大学，主要从事冲击地压防治方面的研究工作。引用格式：李兵，罗武贤，徐大连，等．煤层合并区工作面底煤深孔注水防冲技术研究［Ｊ］．煤炭科技，２０２１，４２（２）：１１８ １２１． ＬＩＢｉｎｇ，ＬＵＯＷｕ ｘｉａｎ，ＸＵＤａ ｌｉａｎ，ｅｔａｌ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｄｅｅｐ ｈｏｌｅｗａｔｅｒｉｎｊｅｃｔｉｏｎａｎｄａｎｔｉ ｓｃｏｕｒｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｂｏｔｔｏｍｃｏａｌｉｎｃｏａｌｓｅａｍｍｅｒｇｅａｒｅａ［Ｊ］．ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅ＆ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＭａｇａｚｉｎｅ，２０２１，４２（２）：１１８ １２１．
文章编号：１００８－３７３１（２０２１）０２－０１１８－０４
煤层合并区工作面底煤深孔注水防冲技术研究
李 兵１，２，罗武贤１，２，徐大连１，２，朱彦飞１，２，曹远威１，２，朱金标１
，２
（１．江苏省煤矿冲击地压防治工程技术研究中心，江苏徐州 ２２１０１８；２．江苏徐矿能源股份有限公司张双楼煤矿，江苏徐州 ２２１６００）
摘 要：张双楼煤矿７４１０２工作面东北部出现７煤、９煤煤层合并，造成底煤厚度增大，冲击危险性增加。针对工作面范围底煤卸压技术难题，提出了煤层合并区工作面底煤超深孔注水卸压耦合防冲技术，研究了张双楼煤矿煤层注水物理力学性质、破坏模式与含水率之间的关系，得到了最佳注水参数。现场微震监测表明，工作面底煤注水卸压后，小能量为主的矿震震动次数显著增多，大能量震动事件减少，验证了卸压参数的合理性，降低了冲击危险性，保证了工作面的安全回采。关键词：冲击地压；煤层合并区；底煤；深孔注水；卸压中图分类号：ＴＤ３２４ 文献标志码：Ａ Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｄｅｅｐ ｈｏｌｅｗａｔｅｒｉｎｊｅｃｔｉｏｎａｎｄａｎｔｉ ｓｃｏｕｒｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ｏｆｂｏｔｔｏｍｃｏａｌｉｎｃｏａｌｓｅａｍｍｅｒｇｅａｒｅａ
ＬＩＢｉｎｇ１，２，ＬＵＯＷｕ ｘｉａｎ１，２，ＸＵＤａ ｌｉａｎ１，２，ＺＨＵＹａｎ ｆｅｉ１，２，ＣＡＯＹｕａｎ ｗｅｉ１，２，ＺＨＵＪｉｎ ｂｉａｏ
１，２
（１．ＪｉａｎｇｓｕＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｆｏｒＣｏａｌＢｕｒｓｔＰｒｅｖｅｎｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，Ｘｕｚｈｏｕ ２２１０１８，Ｃｈｉｎａ；
２．ＺｈａｎｇｓｈｕａｎｇｌｏｕＣｏａｌＭｉｎｅ，ＪｉａｎｇｓｕＸｕｚｈｏｕＭｉｎｉｎｇＥｎｅｒｇｙＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｘｕｚｈｏｕ ２２１６００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｃｏａｌｓｅａｍｓｏｆｔｈｅＮｏ．７ａｎｄＮｏ．９ｃｏａｌｓｉｎｔｈｅｎｏｒｔｈｅａｓｔｏｆｔｈｅ７４１０２ｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅｏｆＺｈａｎｇｓｈｕａｎｇｌｏｕＣｏａｌＭｉｎｅｈａｖｅｍｅｒｇｅｄ，ｃａｕｓｉｎｇｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｔｈｅｂｏｔｔｏｍｃｏａｌｔｏｉｎｃｒｅａｓｅａｎｄｔｈｅｒｉｓｋｏｆｉｍｐａｃｔｓ．Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｔｅｃｈｎｉｃａｌｐｒｏｂｌｅｍｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅｒｅｌｉｅｆｏｆｂｏｔｔｏｍｃｏａｌｉｎｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅｒａｎｇｅ，ｔｈｅｃｏｕｐｌｉｎｇａｎｔｉ ｓｃｏｕｒｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｕｌｔｒａ ｄｅｅｐｈｏｌｅｗａｔｅｒｉ
ｎｊｅｃｔｉｏｎｐｒｅｓｓｕｒｅｒｅｌｉｅｆｆｏｒｂｏｔｔｏｍｃｏａｌｏｆｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅｉｎｃｏａｌｓｅａｍｃｏｍｂｉｎｅｄａｒｅａｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅｌａｂｏｒａｔｏｒｙｈａｄｓｔｕｄｉｅｄｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｐｈｙｓｉｃａｌａｎｄｍｅ ｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｃｏａｌｓｅａｍｗａｔｅｒｉｎｊｅｃｔｉｏｎｉｎＺｈａｎｇｓｈｕａｎｇｌｏｕＣｏａｌＭｉｎｅ，ｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅａｎｄｔｈｅｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔ，ａｎｄｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｗａｔｅｒｉｎｊｅｃｔｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓｈａｄｂｅｅｎｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｏｎ ｓｉｔｅｍｉｃｒｏｓｅｉｓｍｉｃｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｈｏｗｅｄｔｈａｔａｆｔｅｒｗａｔｅｒｉｎｊｅｃｔｉｏｎａｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅｒｅｌｉｅｆｏｆｃｏａｌａｔｔｈｅｂｏｔｔｏｍｏｆｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅ，ｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｓｍａｌｌｅｎｅｒｇｙ ｂａｓｅｄｍｉｎｅｓｈｏｃｋｓｉｎｃｒｅａｓｅｄｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ，ａｎｄｌａｒｇｅ ｅｎｅｒｇｙｖｉｂｒａｔｉｏｎｅｖｅｎｔｓｗｅｒｅｒｅｄｕｃｅｄ，ｗｈｉｃｈｖｅｒｉｆｉｅｄｔｈｅｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅｒｅｌｉｅｆｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｒｅｄｕｃｅｄｔｈｅｉｍｐａｃｔｒｉｓｋ，ａｎｄｅｎｓｕｒｅｄｗｏｒｋｓａｆｅｍｉｎｉｎｇｏｆｔｈｅｎｏｏｄｌｅｓ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｏｃｋｂｕｒｓｔ；ｃｏａｌｓｅａｍｍｅｒｇｉｎｇａｒｅａ；ｆｌｏｏｒ
ｃｏａｌ；ｄｅｅｐｈｏｌｅｗａｔｅｒｉｎｊｅｃｔｉｏｎ；ｐｒｅｓｓｕｒｅｒｅｌｉｅｆＣＬＣｎｕｍｂｅｒ：ＴＤ３２４ Ｄｏｃｕｍｅｎｔｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ：Ａ
煤层合并、分叉、尖灭等属于相变地质构造的形
式之一，导致煤层厚度的变化［１］
。研究表明，煤层
厚度局部变化的区域内，即使在远场均匀的地应力
场情况下也会产生明显的应力集中现象［２］
，而在采
动作用下，该区域支承压力集中程度更高，冲击危险
性也随之增大［３］。统计表明，由煤层厚度变化导致
底煤厚度变大造成的冲击地压事件占了较大比例，
也是目前冲击地压防治的重点［４ ５］
。目前国内对底
煤的卸压处理主要集中在两巷内，对采煤工作面范围内的底煤卸压处理则较少，形成了卸压防冲的盲区。基于“源头治理”的理念，结合张双楼煤矿７４１０２工作面工程地质条件，煤层合并区工作面底
烟盒工艺品２０２１年第２期李 兵，等：煤层合并区工作面底煤深孔注水防冲技术研究第４２卷
煤采取超深孔注水卸压耦合防冲技术，可为相似工作面条件下防冲工作进行指导。 １ 工程地质条件
１．１ 工作面概况
张双楼煤矿７４１０２工作面位于－１０００ｍ水平延伸采区，Ｆ
９
断层下盘，主采７煤层，南临７４２５、７４２６工作面采空区，北部为未采区。７４１０２工作面长１７１ｍ，刮板输送机运输巷总长１７２２ｍ，材料巷长１５１０ｍ，如图１所示。因７煤、９煤合并导致工作面厚度变化较大，未合并区最小厚度约１．０ｍ，合并区位于其东北部，最大厚度达到
１１．０ｍ，局部有夹矸发育，厚度０．１～０．５ｍ。工作面东部存在火成岩发育区，平均厚度１．５ｍ，平均带宽１５０ｍ，呈ＮＥ走向。
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虚拟影像重建技术97/610663
528
图１ 张双楼煤矿７４１０２工作面平面
Ｆｉｇ １ ７４１０２ｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅｐｌａｎｅｏｆＺｈａｎｇｓｈｕａｎｇｌｏｕＣｏａｌＭｉｎｅ
１．２ 冲击危险评价
利用综合指数法对７４１０２工作面进行冲击危险评价，冲击地压危险指数为０．６８，为中等冲击危险性。主要受断层，７煤、９煤煤层合并，火成岩等因素影响，经过多因素耦合分析，得出在７煤、９煤合并区为强冲击危险区域，需要在回采期间提前进行冲击危险监测与防治方案制定，并采取相应的冲击危险防治措施，满足防冲要求后，方可进行该区域的回采生产。
２ 底煤注水实验
２．１ 试验过程
单轴抗压强度的测定采用电液伺服万能试验机，具有精度高、调速范围宽、结构紧凑、操作方便、性能稳定等优点。在试验过程中对试样的载荷、位移、时间等参数进行监测采集。声发射装置可以监测煤样在破坏过程由于应变能释放产生的瞬态应力波，通过声发射特征，可分析煤样的破坏机理［６ ９］。对煤样进行应力应变的过程中，同步进行煤样声发射监测，利用声发射采集系统，进行ＡＥ信号采集。 此次试验煤样取自张双楼煤矿７４１０２工作面７煤层、９煤层合并区底煤，并将其加工成５０ｍｍ×５０ｍｍ×１００ｍｍ的标准方柱体。为研究煤样不同含水率对试样应力、应变及振铃计数之间的影响，此次试验共设置６组不同的煤样含水率，每组包含５个试样，其中４组是通过将煤样浸泡水中不同的时间完成，分别为８、１６、２４、３２ｈ；另外２组，１组为自然含水率状态，另一组利用ＺＫ ２７０真空饱和装置做强制饱水处理，试验时将传感器固定至煤样侧面（每个侧面２个、共８个），进行信号采集，对试样应力应变的测定采用位移加载，加载速率为０．０８ｍｍ／ｍｉｎ，试样完成后进行含水率测定。经测定，６组不同的煤样含水率分别为：第１组浸泡时间０ｈ（自然含水率０ ７６％）；第２组浸泡时间８ｈ（含水率１ ４８％）；第３组浸泡时间１６ｈ（含水率１ ５７
％）；第４组浸泡时间２４ｈ（含水率１ ６７％）；第５组浸泡时间３２ｈ（含水率１ ７１％）；第６组做强制饱水处理（含水率２ ０３％）。13262cm
２．２ 不同含水率煤样应力、应变之间的关系根据试验结果绘制不同含水率条件下煤样单轴抗压强度曲线，如图２所示。随着煤样含水率的增大，煤样单轴抗压强度呈现逐渐降低的趋势。含水率由０ ７６％增至１ ４８％，抗压强度由１６ ２１ＭＰａ降至１２ １６ＭＰａ，降低了２４ ９８％；含水率由１ ４８％增至１ ５７％，抗压强度由１２ １６ＭＰａ降至９ ０１ＭＰａ，降低了２５ ９％；含水率由１ ５７％增至１ ６７％，抗压强度由９ ０１ＭＰａ降至７ ９８ＭＰａ，降低了１１ ４３％；含水率由１ ６７％增至１ ７１％，抗压强度由７ ９８ＭＰａ降至７ ０４ＭＰａ，降低了１１ ７８％；含水率由１ ７１％增至２ ０３％，抗压强度由７ ０４ＭＰａ降至
２０２１年第２期煤 炭 科 技第４２卷
６ ２３ＭＰａ，降低了１１ ５１％；此外，当煤样含水率大于１ ４８％时，单轴抗压强度下降趋势明显加快。
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图２ 不同含水率煤样强度变化曲线Ｆｉｇ ２ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙｖａｒｉａｔｉｏｎｃｕｒｖｅｏｆｃｏａｌｓａｍｐｌｅｓ
ｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔ
２．３ 煤样含水率对振铃计数的影响钻夹头
对煤样单轴抗压强度测试中同时进行ＡＥ信号的采集，根据试验结果，绘制不同含水率条件下煤样受到应力发生破裂产生应力波，采集到的累计振铃计数的关系曲线，如图３所示。
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图３ 不同含水率下声发射振铃计数关系曲线Ｆｉｇ ３ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｃｕｒｖｅｏｆａｃｏｕｓｔｉｃｅｍｉｓｓｉｏｎｒｉｎｇｉｎｇｃｏｕｎｔｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔ
煤样的含水率增加时，声发射累计振铃计数不断减少，总体呈现负相关的关系。自然含水率煤样
破裂瞬间声发射振铃计数最多，约为１６．６×１０４
次，
强制饱水煤样破裂瞬间声发射振铃计数最少，约为
５．６×１０４次，约为自然含水率条件下的１／３。此次
试验使用的试样，在浸泡加水过程中，均在常温常压下进行，保持煤样的原始结构不发生改变。在浸泡过程中，由于煤样中存在空隙，水分子进入其中，减弱了煤岩粒间的联结，导致煤样在受压过程中破裂需要的能量减小，单轴抗压强度降低，煤样声发射累计振铃计数减小，煤样的含水率增加时，累计振铃计数持续减小。在试验过程中，由于煤样的破坏产生声响，根据观测，含水率较低的煤样声响更为剧烈，表明煤样破坏瞬间释放的能量多。
３ 底煤超深孔卸压注水联合防冲技术
３．１ 技术方案
根据工作面冲击危险评价可知，断层、７煤和９煤煤层合并、火成岩等因素共同影响着工作面的安全回采，其中７煤、９煤煤层合并导致煤层厚度增大，是影响工作面冲击危险的重要因素。而通过合
理的注水，增加煤体的含水率，可使底煤的物理力学性质与破坏模式发生改变，强度减弱，同时破坏过程中弹性能释放减弱。基于此，提出了工作面底煤超深孔卸压注水联合防冲技术，如图４所示。
D:RTH
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图４ 超深孔卸压注水联合防冲钻孔布置Ｆｉｇ ４ Ｕｌｔｒａ ｄｅｅｐｈｏｌｅｐｒｅｓｓｕｒｅｒｅｌｉｅｆａｎｄｗａｔｅｒｉｎｊｅｃｔｉｏｎｃｏｍｂｉｎｅｄａｎｔｉ ｓｃｏｕｒｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
在材料巷、运输巷进行防冲治理方案的施工。利用地质钻机在材料巷、运输巷回采侧煤帮进行平行于煤层的大直径钻孔卸压施工，钻孔直径为１２９ｍｍ，孔深３０～５０ｍ，相邻钻孔间距为１０ｍ左右，如图４（ａ）所示，并对钻孔进行封孔，封孔长度不小于５ｍ，采用高压、低压相结合的方式进行注水预卸压，各不少于５次注水，在卸压的同时可对煤体进行注水软化，达到一孔多用的目标，增
加防冲效果。对于底煤处理，进行底煤超深卸压注水联合孔的施工，钻孔直径与钻孔间距不发生改变，孔深为８０～１１０ｍ，
２０２１年第２期李 兵，等：煤层合并区工作面底煤深孔注水防冲技术研究第４２卷
封孔长度大于１０ｍ，剖面如图４（ｂ）所示。每次注
水孔数量为１个，注水时间大于４５ｍｉｎ。
３．２ 煤层合并区冲击地压防治效果
对７４１０２工作面进行防冲后，进行了工作面及
其附近区域微震频次和能量的监测统计，２０１８年１
毒草解毒剂
月１日—１２月１６日期间微震数据统计见表１。回
采期间共监测到小于１０３能量的矿震１５５７次，能量
位于１０３～１０４Ｊ的矿震２９２２次，大于１０４Ｊ能量的
矿震１３次，共监测到震动４４９２次。大于１０４Ｊ能
量的震动频次占比仅为０．３０％，震动能量占比不足
２．０％，回采期间矿震主要以小能量的矿震为主，说
明７４１０２工作面卸压防冲措施效果显著。
表１ ７４１０２工作面微震数据统计
Ｔａｂ １ Ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓｏｆｍｉｃｒｏｓｅｉｓｍｉｃｄａｔａ
ｏｎ７４１０２ｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅ
能量级别／Ｊ震动次
数／次
震动频次
占比／％
震动
能量／Ｊ
震动能量
占比／％
＜１０３１５５７３４．７０７１４８６７５．７
１０３～１０４２９２２６５．００１１５９３１７３９２．５
＞１０４１３０．３０２２７０６０１．８
４ 结论
（１）煤样单轴抗压强度与含水率呈负相关关系，随着煤样含水率的增加，单轴抗压强度降低。煤样含水率大于１．４８％后，单轴抗压强度显著下降。声发射累计振铃计数与煤样含水率同样呈负相关关系，含水率大于１．６７％后，声发射累计振铃计数下降趋势最大，煤样破坏过程中弹性能释放明显减弱。
（２）针对７４１０２工程地质条件，提出了对煤层合并区底煤进行超深孔卸压注水联合卸压耦合防冲技术，制定了合理的技术参数，使底煤含水率增加，可显著减弱冲击危险性。
（３）对合成区底煤进行深孔注水防冲技术后，合成区内以小能量为主的矿震震动次数显著增多，验证了卸压参数的合理性，保证了工作面安全生产。
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多媒体教学讲台
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ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＭａｇａｚｉｎｅ，２０２０，４１（４）：８９ ９３．
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