煤層注水知識(shí)點(diǎn)煤層注水很重要

1、短孔注水（分段注水）知識(shí)點(diǎn)1、煤層注水力學(xué)特性（1）水力學(xué)特性分析對(duì)煤層的注水效應(yīng)主要取決于煤體對(duì)水的滲透特性，煤體對(duì)水所遵循的滲透系數(shù)規(guī)律為：K=a exp（-b+cp）式中：K滲透系數(shù)，m/d；體積應(yīng)力，=x+y+z，Mpa；P孔隙壓，Mpa；a、b、c擬合常數(shù)。由上式可以看出，煤體的滲透系數(shù)受孔隙壓與體積應(yīng)力影響十分顯著，說(shuō)明煤層注水對(duì)煤體的滲透性影響及改性主要取決于注水壓力與煤的實(shí)際賦存深度。（2）水對(duì)煤層力學(xué)特性的影響煤樣在飽和含水以后，其強(qiáng)度和彈性模量均有不同程度的降低，下降幅度基本符合以下關(guān)系式：c=a-bWc E=a/Wc-b E=a-bp式中：c單軸抗壓強(qiáng)度，Mpa；Wc煤體

2、飽和含水率，%；E彈性模量，Mpa；P孔隙水壓，Mpa；a、b擬合常數(shù)。由上式可以看出，煤層注水可以軟化煤體、增加煤體塑性，有效降低由于應(yīng)變能突然釋放導(dǎo)致的各類煤礦事故。2、煤層注水防治煤塵煤是孔隙裂隙雙重介質(zhì)，當(dāng)水通過(guò)裂隙進(jìn)入孔隙并吸附在孔隙表面時(shí)，表現(xiàn)為三方面的降塵作用：（1）濕潤(rùn)了煤體內(nèi)的原生煤塵。煤體內(nèi)各類裂隙中都存在著原生煤塵，隨煤體的破碎而飛揚(yáng)于礦井空氣中。水進(jìn)入裂隙后，可使其中的原生煤塵在煤體破碎前預(yù)先濕潤(rùn)，使其失去飛揚(yáng)的能力，從而有效地消除了這一塵源。（2）有效地包裹了煤體的每一個(gè)部分。水進(jìn)入煤體各類裂隙、孔隙之中，不僅在較大的構(gòu)造裂隙、層理、節(jié)理中有水存在，而且在極細(xì)微的孔隙

3、中都有水注入，甚至在1m以下的微孔隙中充滿了毛細(xì)水，使整個(gè)煤體有效地被水所包裹起來(lái)。當(dāng)煤體在開(kāi)采中受到破碎時(shí)，因?yàn)樗拇嬖谙思?xì)粒煤塵的飛揚(yáng)，即使煤體破碎得極細(xì)，滲入細(xì)微孔隙的水也能使之都預(yù)先濕潤(rùn)，達(dá)到預(yù)防浮游煤塵產(chǎn)生的目的。（3）改變了煤體的物理力學(xué)性質(zhì)。水進(jìn)入煤體后，濕潤(rùn)的煤炭塑性增強(qiáng)，脆性減弱。當(dāng)煤炭受外力作用時(shí)，許多脆性破碎變?yōu)樗苄孕巫?，因而大量減少了煤炭破碎為塵粒的可能性，降低了煤塵的產(chǎn)生量。3、塵流中塵粒間的作用力分析塵粒有黏附于其他粒子或其他物質(zhì)表面的特性，附著力有3 種：范德華力、靜電力和液體橋聯(lián)力。（1）范德華力FM范德華力由原子核周圍的電子云漲落引起，是一種短程力，但其作

4、用范圍大于化學(xué)鍵，根據(jù)倫敦范德華微觀理論，在兩顆球粒之間，范德華力FM 表達(dá)式為：FM = - AR1R2/ 6h2( R1+ R2) 式中，h為兩塵粒間距；R1，R 2為塵粒半徑；A為哈馬克常數(shù)( Hamaker)。（2）靜電力Fe電位差引起的靜電力Fe1由于離子或電子吸附，煤塵之間或塵粒與物體之間的摩擦，使塵粒帶有電荷。其帶電量和電荷極性與工藝過(guò)程環(huán)境條件及其接觸物的電介常數(shù)有關(guān)。兩導(dǎo)電塵粒相接近時(shí)，由于彼此的功函不同而導(dǎo)致電子轉(zhuǎn)移，平衡后產(chǎn)生接觸電位差( U)，其大小隨煤塵的成分、粒度、表面狀況變化，半徑為r的導(dǎo)電球顆粒相互接近時(shí)因電位差而相互吸引，其作用力Fe1為：Fe1= 0( U2

5、R) / a2式中，0為氣體的介電常數(shù)；a 為兩球形離子表面間距離； R為球形塵粒半徑；U 為塵粒間接觸電位差。塵粒間庫(kù)侖力Fe2當(dāng)兩塵粒帶電量分別為q1 和q2 時(shí)，其庫(kù)侖力為：Fe2= q1q2/ 40 ( R1+ R2+ a) 2（3）液體橋聯(lián)力FL液體橋聯(lián)力主要由液橋曲面產(chǎn)生的毛細(xì)壓力和表面張力引起的附著力組成，其表達(dá)式為：F L= 2R sin(+) sin+ R / 2 ( 1/ r 1) -( 1/ r 2) sin2式中，為氣體界面張力；其余符號(hào)如圖1 所示。塵粒間的上述3 種附著力都有促進(jìn)塵粒相互吸引、吸附并凝聚成大顆粒的作用，且這3 種力都隨塵粒半徑的增大呈線形增大的關(guān)系，

6、但在干燥塵流和濕潤(rùn)塵流中起主導(dǎo)作用的作用力不同，干燥情況下，塵粒間不存在液橋力，起主導(dǎo)作用的是范德華力，而在濕潤(rùn)情況下，液橋力起主導(dǎo)作用，并且液橋力比其他作用力大得多。表1為一定條件下，塵粒間作用力與自身質(zhì)量的分析結(jié)果。因此，在一定條件下，可以加速塵粒間的相互凝聚，形成較大顆粒的塵粒，隨著塵粒顆粒的增大，其沉降速度加快，有利于煤塵災(zāi)害的治理。4、煤體濕潤(rùn)特性分析（1）煤塵濕潤(rùn)特性煤層注水過(guò)程中，水不斷改變煤體自身的物理力學(xué)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，從大裂隙通道中不斷壓裂貫通封閉狀態(tài)的孔隙進(jìn)入煤體，直至滲入細(xì)微孔隙中，這一過(guò)程大致分為進(jìn)水過(guò)程、貯水過(guò)程和吸附水過(guò)程3 個(gè)階段。根據(jù)Young 方程sg=sl+l

7、gcos式中，sg為氣固界面能；lg為液體表面自由能；sl為固液界面自由能。為液體對(duì)固體的接觸角，是氣、固、液3 相交界點(diǎn)沿液滴表面引出的切線與固體表面的夾角，在水煤體系中常稱為濕潤(rùn)邊角，如圖2 所示。范德華力使煤塵表面有吸附氣體、蒸汽和液體的能力。塵粒顆粒越細(xì)，比表面積越大，單位質(zhì)量煤塵表面吸附的氣體和蒸氣的量越多。單位質(zhì)量煤塵粒子表面吸附水蒸汽量可衡量煤塵的吸濕性。當(dāng)液滴與塵粒表面接觸，除存在液滴與塵粒表面吸附力外，液滴尚存在自身的凝聚力，兩種力量平衡時(shí)，液滴表面與煤塵表面間形成濕潤(rùn)角，表征煤塵的濕潤(rùn)能力。如圖3 所示。水對(duì)煤的濕潤(rùn)邊角是反映水分子與煤分子之間吸引力的大小。根據(jù)濕潤(rùn)邊角可以

8、確定煤體表面濕潤(rùn)的難易和毛細(xì)作用的大小。煤層的濕潤(rùn)能力表現(xiàn)在煤體孔隙對(duì)水的毛細(xì)作用大小和水對(duì)細(xì)粒煤塵的粘合能力強(qiáng)弱，其決定于水對(duì)煤的濕潤(rùn)邊角和水的表面張力系數(shù)。在相同的表面張力系數(shù)條件下，濕潤(rùn)邊角< 900時(shí)，水容易在煤體表面鋪展，煤體易于濕潤(rùn)，屬易濕潤(rùn)煤體，越小，毛細(xì)作用力則越大，增強(qiáng)了注水動(dòng)力，煤體的濕潤(rùn)能力越強(qiáng)；反之，900時(shí)，水難于在煤體表面鋪展，煤體不易濕潤(rùn)，越大，煤體的濕潤(rùn)能力越差。當(dāng)水進(jìn)入煤體裂隙后，在濕潤(rùn)邊角較小的煤層中，水易于濕潤(rùn)裂隙中的原生煤塵；反之，則難于濕潤(rùn)。5、煤層注水降塵機(jī)理通過(guò)對(duì)塵流中單個(gè)塵粒的運(yùn)動(dòng)特性和塵粒間作用力的分析，煤層注水治理煤塵災(zāi)害體現(xiàn)在3 個(gè)方

9、面：( 1) 濕潤(rùn)煤塵間主作用力是液體橋聯(lián)力，而液體橋聯(lián)力促使?jié)駶?rùn)塵流中的塵粒凝聚變大，沉降速度加快，并使開(kāi)采過(guò)程中大量減少或基本消除浮游煤塵的產(chǎn)生，且經(jīng)過(guò)注水預(yù)先濕潤(rùn)的煤炭，在整個(gè)礦井生產(chǎn)流程中具有連續(xù)防塵作用。( 2) 煤體內(nèi)部各類裂隙中存在原生煤塵，它們隨煤體破碎而飛揚(yáng)于空氣中。水進(jìn)入煤體各類裂隙、空隙和層理之中，一方面可將其中的原生煤塵在煤體未破碎前預(yù)先濕潤(rùn),使其失去飛揚(yáng)能力，從而有效消除塵源。另外，在極其微小的孔隙內(nèi)部也有水注入，甚至在1m 以下的微孔隙中也充滿了毛細(xì)水，這樣就使整個(gè)煤體有效地被水包裹起來(lái)。當(dāng)煤體破碎時(shí)，因絕大多數(shù)破碎面均有水存在，從而消除了細(xì)微煤塵的飛揚(yáng)，滲入細(xì)微孔

10、隙的水能夠預(yù)防浮游煤塵的產(chǎn)生。( 3) 改變了煤體的物理力學(xué)性質(zhì)。水進(jìn)入煤體后，能使煤體塑性增強(qiáng)，脆性減弱，降低了煤體的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角，減小了煤體的應(yīng)力集中。當(dāng)煤體受到外力作用時(shí)，許多脆性破碎變?yōu)樗苄宰冃危罅繙p少了煤體破碎為塵粒的可能性。6、毛細(xì)管力毛細(xì)管力：在很窄的孔隙中或毛細(xì)管中，氣體很容易凝集，此稱毛細(xì)管現(xiàn)象。對(duì)于兩個(gè)很靠近的表面，氣體也會(huì)在其中凝聚，如果凝聚的液體與表面有較好的潤(rùn)濕性(接觸角900)，兩表面相距為某一臨界距離時(shí)，會(huì)產(chǎn)生液相橋而將兩表面沾在一起。 毛細(xì)管力是一種比較大的表面力，一些很細(xì)的粉體，在干燥環(huán)境中能自由地相對(duì)滑動(dòng)，表現(xiàn)出很好的流動(dòng)性，一旦環(huán)境濕度較大，粉體表面

11、吸附水氣并產(chǎn)生毛細(xì)力，它們立即粘結(jié)成塊。7、水在媒體中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程（1）液態(tài)水在煤體中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程液態(tài)水在外力作用下注入煤孔隙時(shí)，水在煤層裂隙、孔隙中運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力主要有兩種，一是孔口的注水壓力，是外在動(dòng)力；另一種是煤層中裂隙、孔隙對(duì)水的毛細(xì)作用力，是內(nèi)在動(dòng)力。兩種動(dòng)力矢量和即為注水的動(dòng)力。煤層孔隙的毛細(xì)作用力則取決于孔隙的直徑、水的表面張力、水對(duì)煤的潤(rùn)濕邊角。注水實(shí)驗(yàn)，水從大孔裂隙通道中進(jìn)入煤體，直至滲入細(xì)微孔隙中，大致分為三個(gè)過(guò)程。1）進(jìn)水過(guò)程壓力水初始沿煤體原生連通裂隙通道進(jìn)入煤體，是一個(gè)克服煤體內(nèi)部阻力的過(guò)程。處于原始狀態(tài)的煤層，原生裂隙通道只占全部裂隙的極少部分，連通的通道更少。因此初始注水

12、時(shí)，煤層出現(xiàn)明顯的不進(jìn)水現(xiàn)象，注水存在一臨界壓力值 P。2）貯水過(guò)程進(jìn)水的煤體隨注水壓力的增高，煤體裂隙系統(tǒng)通道網(wǎng)在水的壓力作用下，逐漸擴(kuò)大豐富。壓力水不斷進(jìn)入煤體，并在通道孔裂隙中滯留，這是注水滲流潤(rùn)濕的主要過(guò)程，煤體最終達(dá)到均勻潤(rùn)濕所吸收的就是這部分水?？梢哉J(rèn)為，煤體大孔隙通道中的貯水即為煤體最終潤(rùn)濕所需水分的主要部分。隨進(jìn)水程度增大，煤層水分趨于飽和，進(jìn)水程度大大減弱。據(jù)此，煤層的貯水過(guò)程包括兩個(gè)階段，即為非彈性貯水和彈性貯水階段。3）吸附水過(guò)程在水沿滲流系統(tǒng)通道流動(dòng)的同時(shí)，各類細(xì)微孔裂隙（孔隙直徑小于 10 nm）內(nèi)表面被潤(rùn)濕或經(jīng)擴(kuò)散吸附滲流通道的水，形成潤(rùn)濕吸附水過(guò)程，潤(rùn)濕過(guò)程主要受

13、控于毛細(xì)作用力，吸附過(guò)程與分子間作用力有關(guān)。在細(xì)微孔隙中，注水壓力傳遞到這些孔道時(shí)已基本消耗盡，而毛細(xì)作用力相對(duì)增大。（2）煤體潤(rùn)濕過(guò)程煤體潤(rùn)濕包括沾濕、浸濕和鋪展過(guò)程。煤體沾濕是指液體與煤體從不接觸到接觸，變液-氣界面和固-氣界面為固-液界面的過(guò)程，見(jiàn)圖3-3。假設(shè)形成的接觸面積為單位值，此過(guò)程中體系自由能降低值（G）應(yīng)為： G =sg+lgsl=Wa式中：sg為氣-固界面自由能；lg為液體表面自由能；sl為固-液界面自由能。W a稱為粘附功，是沾濕過(guò)程體系對(duì)外所能做的最大功，也是將接觸的固體和液體自交界處拉開(kāi)，外界所需做的最小功。W a越大，固-液結(jié)合越牢，越易潤(rùn)濕。這一過(guò)程主要發(fā)生在注水

14、的進(jìn)水過(guò)程中。浸濕是指固體浸入液體的過(guò)程。此過(guò)程的實(shí)質(zhì)是固-氣界面為固-液界面所代替，而液體表面在此過(guò)程中并無(wú)變化，見(jiàn)圖 3-4。在浸濕面積為單位值時(shí)，此過(guò)程的自由能降低值為： G =sgsl=Wi式中：W i為浸潤(rùn)功，它反映液體在固體表面上取代氣體的能力；W i是浸潤(rùn)過(guò)程能否自動(dòng)進(jìn)行的判斷依據(jù)。浸濕過(guò)程主要發(fā)生在貯水過(guò)程階段。鋪展過(guò)程的實(shí)質(zhì)是以固-液界面代替氣-固界面的同時(shí)還擴(kuò)展了氣-液界面，見(jiàn)圖 3-5。當(dāng)鋪展面積為單位值時(shí)體系自由能降低為： G =sgsllg =S式中：S為鋪展系數(shù)。在恒溫恒壓下，S>0時(shí)液體可以在固體表面自動(dòng)展開(kāi)。連續(xù)地從固體表面上取代氣體，只要用量足夠，液體將

15、會(huì)自行鋪滿固體表面。由式 G =sgsl=Wi和G =sgsllg =S可得S=Wilg，說(shuō)明若要鋪展系數(shù)S大于 0，則Wi必須大于lg。Wi體現(xiàn)了固體與液體間粘附的能力，又稱粘附張力，用 A 表示：A =sgsl因上述各式中的sg和sl尚難直接測(cè)算。所以根據(jù)液體潤(rùn)濕固體時(shí)力的平衡關(guān)系（見(jiàn)圖 3-6），得到下式：sg=sl+lgcos此式即為著名的 Young 方程。式中稱作液體對(duì)固體的接觸角，是氣、固、液三相交界點(diǎn)沿液滴表面引出的切線與固體表面的夾角。根據(jù)上述各式可以得出：Wa=lg(cos+1)A=Wi =lgcosS=lg(cos1)水對(duì)煤的潤(rùn)濕邊角反映水分子與煤大分子之間吸引力大小。水

16、對(duì)煤的潤(rùn)濕邊角如圖3-7所示。潤(rùn)濕邊角<90°時(shí)，水容易在煤體表面鋪展，煤體易于潤(rùn)濕，屬易潤(rùn)濕煤體，在相同的水表面張力系數(shù)條件下，角愈小，毛細(xì)作用力則較大，增強(qiáng)了注水動(dòng)力，潤(rùn)濕能力愈大；反之，潤(rùn)濕邊角90°時(shí)，水難以在煤體表面鋪展，煤體不易潤(rùn)濕，屬于不易潤(rùn)濕煤體，角愈大，潤(rùn)濕能力愈小。根據(jù)以上討論，自發(fā)進(jìn)行的潤(rùn)濕過(guò)程的潤(rùn)濕功必須為正，因此判別各種潤(rùn)濕過(guò)程的判據(jù)為：沾濕潤(rùn)濕 Wa0，即 90°180°；浸濕潤(rùn)濕 A0，即90°；鋪展?jié)櫇?S0，即=0°。綜上所述，液體對(duì)固體潤(rùn)濕效果的好壞，可通過(guò)其潤(rùn)濕類型確定，而潤(rùn)濕類型又可通過(guò)接

17、觸角的大小直接測(cè)定。水對(duì)煤體的潤(rùn)濕過(guò)程是這三種潤(rùn)濕過(guò)程綜合作用的結(jié)果。8、煤層次生裂隙注水煤體的次生裂隙就是煤體在采落之前，受本層或上鄰近層開(kāi)采的超前支承壓力的作用，或受鄰近分層爆破作業(yè)的影響所形成的裂隙稱為次生裂隙。由于煤層賦存條件復(fù)雜，一般在自然條件下難以滲透，故注水應(yīng)施加一定壓力，才能將水有效的滲透到煤體中。煤層裂隙、孔隙的發(fā)育程度是影響煤層注水難易程度的首要因素。9、注水可行性分析煤層注水的能力決定于煤層微觀孔隙特征、煤階特性和宏觀滲流能力，其中微觀孔隙特征決定了煤層的毛細(xì)吸滲能力，而煤階特性決定了煤對(duì)水的吸附能力，煤中大裂隙分布和外部溫壓條件決定了煤層注水的宏觀滲流能力。10、注水工

18、藝過(guò)程(1) 工作面打鉆孔，鉆孔深多少，直徑多少。(2) 將中間巷的注水管路和工作面的液壓管路連接，并檢查管路和封口器的連接情況。(3) 將液壓泵的吸水口與液壓水箱聯(lián)通，并將水箱注滿水，確保水箱的水量滿足注水量；對(duì)注水設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，開(kāi)啟液壓泵，打開(kāi)出水閥，調(diào)節(jié)封口器前端的調(diào)壓裝置，使液壓泵的壓力表達(dá)到規(guī)定壓力。(4) 將封孔器放入鉆孔內(nèi)，距眼底0. 5m 為宜；關(guān)上卸壓閥，開(kāi)啟截止閥，向孔內(nèi)注水，至相鄰孔內(nèi)有水滲出。(5) 關(guān)閉截止閥，打開(kāi)卸壓閥，卸壓后取出封口器，再放入下一個(gè)注水孔中進(jìn)行注水，如此依次進(jìn)行注水，直至完成整個(gè)面炮眼的注水工作。(6) 整個(gè)面注水完畢后，關(guān)掉液壓泵，把封口器從高壓

19、水管接頭上取下，沖刷干凈防止因銹蝕影響下次使用，將單體液壓管路恢復(fù)。11、注水效果注水效果主要表現(xiàn)為注水煤層的水分增量和降塵率。XX工作面注水試驗(yàn)成功后，在工作面范圍內(nèi)每隔XXm一個(gè)采樣點(diǎn)，在距注水孔不同距離的放煤口取煤樣進(jìn)行全水分測(cè)定，并與注水前煤的全水分進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，煤層水分從注水孔處開(kāi)始在注水半徑內(nèi)遞減，最高含水量比原水分增加6. 2% ，最低比原水分增加0. 8% 。為了考察煤層注水的降塵率，在不采取任何降塵措施的情況下分別測(cè)定注水前后綜放工作面3 個(gè)主要工序作業(yè)時(shí)的產(chǎn)塵量。測(cè)定結(jié)果如表1。注水水分增量還可以通過(guò)一個(gè)圓形圖來(lái)表示，在一周內(nèi)，哪些位置水分增量多少，全部用數(shù)字表示出來(lái)

20、。形成一個(gè)直觀的圓形或者拱形圖。12、水力壓裂機(jī)理分析水力壓裂的基本原理是將高壓水( 壓裂液) 注入煤體中的裂縫內(nèi)( 原有裂隙和壓裂后出現(xiàn)的裂隙) ，克服最小主應(yīng)力和煤體的抗裂壓力，擴(kuò)寬伸展并溝通這些裂縫，增加煤層相互貫通裂隙的數(shù)量和增大單一裂隙面的張開(kāi)程度，進(jìn)而在煤體中產(chǎn)生更多的人造裂縫與裂隙，從而增加煤層的透氣性。煤層水力壓裂可使煤體的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生明顯變化、煤體的彈性和強(qiáng)度減小、塑性增大，從而使工作面前方的應(yīng)力分布發(fā)生變化，而且能使工作面的應(yīng)力集中帶向煤體深部推移，因而能緩解由地應(yīng)力參與作用的煤與瓦斯突出，可以消除或降低煤層和工作面的突出危險(xiǎn)。當(dāng)壓裂停止后，由于大量瓦斯被高壓水?dāng)D排出去，煤

21、體瓦斯含量降低，瓦斯涌出量減少，以至減少了工作面和上隅角瓦斯超限次數(shù)。同時(shí)水力壓裂使煤體潤(rùn)濕，減少了采煤過(guò)程和煤炭運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生的煤塵。13、水力壓裂過(guò)程分析煤層水力壓裂是一個(gè)逐漸濕潤(rùn)煤體、壓裂破碎煤體和擠排煤體中瓦斯的注水過(guò)程。在注水的前期，注水壓力和注水流量隨注水時(shí)間呈線性升高；隨后，注水壓力與流量反向變化，并呈波浪狀。這直觀反映出了在注水初期，具有一定壓力和流速的壓力水通過(guò)鉆孔進(jìn)入煤體裂隙，克服裂隙阻力運(yùn)動(dòng)。當(dāng)注入的水充滿現(xiàn)有裂隙后，水流動(dòng)受到阻礙，由于煤體滲透性較低，導(dǎo)致水流量降低，壓力增高而積蓄勢(shì)能；當(dāng)積蓄的勢(shì)能足以破裂煤體形成新的裂隙時(shí)，壓力水進(jìn)入煤體新的裂隙，勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，導(dǎo)致

22、壓力降低，水流速增加；當(dāng)注入的水( 壓裂液) 攜帶煤泥堵塞裂隙時(shí)，煤體滲透性降低，水難以流動(dòng)使流量下降，壓力上升。14、水力壓裂合理注水參數(shù)分析煤層水力壓裂包括煤體裂縫起裂和煤體裂縫延伸2 個(gè)方面，煤體的裂縫起裂受許多因素的控制，一般通過(guò)試驗(yàn)加以確定。研究表明：煤體的裂縫起裂和延伸取決于注水速度( 時(shí)間效應(yīng)) 、注水壓力、煤體的非均質(zhì)性( 規(guī)模效應(yīng)) 和煤層的應(yīng)力狀態(tài)等，影響煤層水力壓裂效果的壓裂參數(shù)很多，主要可分為外部工藝因素和煤體內(nèi)在本質(zhì)因素2 類。（1）外部工藝因素外部工藝因素主要包括注水壓力、注水孔間距、注水流、注水速度、鉆孔長(zhǎng)度、封孔方法與封孔長(zhǎng)度、注水時(shí)間等參數(shù)，它們互有聯(lián)系和影響

23、；同時(shí)還與地質(zhì)和采礦技術(shù)因素以及壓裂設(shè)備的性能有關(guān)。注水壓力在一般開(kāi)采條件下，煤體難以形成孔隙裂隙網(wǎng)，以致煤層難以得到充分的卸壓增透，故在壓裂時(shí)應(yīng)施加一定的壓力，才能將水有效地壓裂到煤體中并使煤體產(chǎn)生裂隙起裂和延伸，形成孔隙裂隙網(wǎng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在圍壓不變的條件下，隨著注水壓力的增加，導(dǎo)水系數(shù)呈非線性增大，當(dāng)注水壓力達(dá)到某一極限值時(shí)，導(dǎo)水系數(shù)驟然增大，此時(shí)煤體完全被壓裂，內(nèi)部形成大的貫通裂縫網(wǎng)，通常煤體裂隙起裂和延伸隨注水壓力的增加而增大。因此，注水壓力是衡量壓裂效果的一個(gè)重要參數(shù)，如果注水壓力過(guò)大且封孔深度與注水壓力不匹配時(shí)，容易造成封孔段泄漏，影響壓裂效果，甚至煤體在高壓水的作用下發(fā)生位移

24、并誘發(fā)突出；如果注水壓力過(guò)小，將起不到壓裂效果，這就相當(dāng)于中高壓煤層注水潤(rùn)濕。注水孔間距回采工作面注水孔間距根據(jù)壓裂鉆孔的壓裂半徑而定。如果孔間距過(guò)小，則增加了鉆孔和注水工作的施工量，同時(shí)在瓦斯抽放時(shí)容易抽出大量的水；如果孔間距過(guò)大，則可能存在注水空白帶，即壓裂孔的高壓水不能有效地把瓦斯擠排到抽放孔，影響壓裂效果和瓦斯抽放效果。注水量煤體潤(rùn)濕需要一定的水，如果單孔注水量過(guò)大，雖然容易把游離瓦斯擠排出去，但增加了壓裂工作的施工量和成本；如果注水量過(guò)小，可能影響壓裂效果。如果單位時(shí)間單孔注水量增大，則要求注水壓力迅速增大，容易帶來(lái)突出危險(xiǎn)；如果單位時(shí)間單孔注水量減小，則要求注水壓力降低，影響壓裂效

25、果。注水速度注水速度是壓裂工藝的一個(gè)重要參數(shù)，如果注水速度太快，新裂隙還沒(méi)有生成，原有裂隙還沒(méi)有擴(kuò)寬并伸展，新老裂隙還沒(méi)有溝通形成一個(gè)有效排泄瓦斯的孔隙裂隙網(wǎng)，則影響擠排瓦斯效果；同時(shí)，注水速度過(guò)快，要求注水壓力等相應(yīng)地增大。如果注水速度過(guò)低，要達(dá)到一定的注水量，則注水時(shí)間增長(zhǎng)，這將影響注水作業(yè)的進(jìn)度，同時(shí)要求注水壓力等相應(yīng)地降低，可能起不到預(yù)期壓裂效果。鉆孔長(zhǎng)度鉆孔長(zhǎng)度取決于工作面長(zhǎng)度、煤層透水性、鉆孔方向以及鉆孔施工技術(shù)與設(shè)備等。鉆孔長(zhǎng)度應(yīng)使工作面沿傾斜全長(zhǎng)均得到壓裂，沒(méi)有注水空白帶。封孔深度與封孔方法封孔是實(shí)現(xiàn)孔口密封、保證壓力水不從孔口及附近煤壁泄漏的重要環(huán)節(jié)，是決定煤層水力壓裂效果好

26、壞的關(guān)鍵。封孔深度也是水力壓裂工藝的一個(gè)重要參數(shù)，決定封孔深度的因素是注水壓力、煤層裂隙、沿巷道邊緣煤體的破碎帶深度、煤的透水性及鉆孔方向等，一般封孔深度與注水壓力成正比。封孔深度應(yīng)保證煤層在未達(dá)到要求的注水壓力和注水量前，水不能由煤壁或鉆孔向巷道滲漏。如果封孔深度過(guò)小，封孔段的煤壁可能承受不了高壓水的壓力，造成壁面外移，可能造成冒頂、片幫等，增加了支護(hù)的難度，甚至可能引發(fā)事故; 如果封孔深度過(guò)大，則增加了封孔難度和封孔工作量，同時(shí)壓裂鉆孔的長(zhǎng)度也相應(yīng)地增加，這就增加了鉆孔的施工量和施工時(shí)間，鉆孔長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，容易造成塌孔等現(xiàn)象，影響鉆孔的施工成功率。注水時(shí)間注水時(shí)間是影響壓裂施工量和施工進(jìn)度的一

27、個(gè)參數(shù)，煤體的潤(rùn)濕效果和裂縫的擴(kuò)寬伸展溝通特性是影響注水時(shí)間的重要因素。如果在相同注水壓力情況下，需要很長(zhǎng)的注水時(shí)間才能達(dá)到效果，則說(shuō)明煤體的潤(rùn)濕效果和裂縫的擴(kuò)寬伸展溝通能力較差，需要增加潤(rùn)濕劑和壓裂劑等。如果在相同注水壓力情況下，需要很短的注水時(shí)間就能達(dá)到效果，則說(shuō)明煤體的潤(rùn)濕效果和裂縫的擴(kuò)寬伸展溝通能力較好，壓裂半徑可以增大，鉆孔間距也可以相應(yīng)地增大。（2）煤體內(nèi)在因素煤體內(nèi)在因素主要包括：煤體內(nèi)部的孔隙裂隙特征( 煤層孔隙裂隙的發(fā)育程度) ，煤層的埋藏深度(地壓的集中程度) ，煤的化學(xué)組份( 水與煤的濕潤(rùn)邊角和水的表面張力系數(shù)) ，瓦斯壓力，煤層的頂?shù)装鍫顩r。煤體內(nèi)部的孔隙裂隙特征( 煤

28、層孔隙裂隙的發(fā)育程度) 。煤體是一種孔隙和裂隙都十分發(fā)育的雙重介質(zhì)。二者共同構(gòu)成了煤層水力壓裂時(shí)的滲透通道和瓦斯擠排通道。在煤層注水壓裂的過(guò)程中，煤層孔隙裂隙發(fā)育程度對(duì)煤體的均勻濕潤(rùn)、物理力學(xué)特性的改變有重要影響。壓裂時(shí)，水在壓力作用下以相當(dāng)大的流速運(yùn)動(dòng)，包圍被裂切割的煤塊，同時(shí)緩慢地通過(guò)微小孔隙，向煤塊內(nèi)部滲透。因此，煤體壓裂效果不僅與煤的孔隙有關(guān)，還直接受裂隙的影響，裂隙不發(fā)育的煤體很難注水，此時(shí)就需要較高的壓力迫使煤體產(chǎn)生新的裂隙和孔隙。瓦斯壓力。煤層內(nèi)的瓦斯壓力是水力壓裂時(shí)的附加阻力。壓裂時(shí)，水壓克服煤體瓦斯壓力后所剩余的壓力才是壓裂時(shí)的有效壓力，因此，煤層內(nèi)的瓦斯壓力越大，需要的注水

29、壓力也越高，所以瓦斯壓力的大小也影響煤體的滲透性能和注水壓力。煤的化學(xué)組份。煤的化學(xué)組份對(duì)煤層壓裂效果的影響主要表現(xiàn)在：不同化學(xué)組份的煤體被水濕潤(rùn)的性質(zhì)不同，以致瓦斯被擠排的程度不同。煤體的濕潤(rùn)能力取決于水與煤的濕潤(rùn)邊角和水的表面張力系數(shù)。水與煤體的濕潤(rùn)邊角大小反映了水分子與煤分子的吸引力大小，吸引力越大濕潤(rùn)邊角越小，越易于注水，相反則難于注水。因此，降低水的表面張力可以提高煤體的濕潤(rùn)能力，提高注水速度。如果在注水流程中添加活性濕潤(rùn)劑( 壓裂劑) ，降低水的表面張力，能增強(qiáng)水在煤層中的滲透能力，能解決水不能滲入煤體微裂隙等問(wèn)題。煤層的埋藏深度。隨著埋藏深度的增加，煤層承受地層壓力也隨之增加。受

30、壓力影響，裂隙被壓緊，裂隙容積降低，滲透系數(shù)也會(huì)隨之降低。通常地應(yīng)力大，注水壓力必須克服地應(yīng)力，才能有效地使煤體擴(kuò)寬伸展裂隙，形成有效的孔隙裂隙網(wǎng)。所以，煤層壓裂時(shí)注水壓力必須大于地應(yīng)力。煤層的頂?shù)装鍫顩r。頂?shù)装逍再|(zhì)與水力壓裂關(guān)系密切，因此在水力壓裂時(shí)，還要考慮煤層頂?shù)装迨欠裨试S注水及煤層能否注入水。通常，頂?shù)装鍘r石遇水若嚴(yán)重膨脹、軟化或脫層，危及工作面支架穩(wěn)定及安全，就不能進(jìn)行水力壓裂，甚至不能采取水力化措施。15、煤層注水研究現(xiàn)狀及影響因素分析水在不同孔隙中的運(yùn)動(dòng)形式也不相同，滲透運(yùn)動(dòng)是在大的裂隙和孔隙中發(fā)生，毛細(xì)運(yùn)動(dòng)是在較小的孔隙中發(fā)生，而分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)則是在煤的超微結(jié)構(gòu)的孔隙中發(fā)生。其中

31、每一種形式在空間和時(shí)間上都不是共存的。其搬運(yùn)水分的速度也有很大的差別。當(dāng)向煤體注水時(shí)，水首先是在裂隙和大孔中運(yùn)動(dòng)，之后才在毛細(xì)力的作用下進(jìn)入較小的空隙中，而在擴(kuò)散作用下，水才可能更深地進(jìn)入煤的微孔中。因此，煤層注水開(kāi)始主要是在大的裂隙和孔隙中滲透，而毛細(xì)運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)往往要在注水完畢后才繼續(xù)完成，并且是在滲透運(yùn)動(dòng)已經(jīng)波及的容積中進(jìn)行，所以毛細(xì)運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)不會(huì)擴(kuò)大潤(rùn)濕區(qū)的范圍，而是水分的均勻分布。只有當(dāng)能經(jīng)常滲透裂隙和孔隙補(bǔ)給液體時(shí)，則可進(jìn)一步增加煤的水分。16、靜壓和動(dòng)壓注水的區(qū)別由于煤物質(zhì)具有可縮性和孔隙中氣囊的可縮性的特性，因此，采用不同的注水方式和參數(shù)，會(huì)導(dǎo)致不同的作用效果。高壓注水時(shí)

32、，可能使煤中裂隙和孔隙的容積以及煤的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，甚至造成煤的破裂和松動(dòng)，起到水力疏散煤體的作用，使煤層近工作面部分的卸壓和排放瓦斯。低壓注水時(shí)，煤的結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生明顯的變化，而煤體得到相當(dāng)均勻的濕潤(rùn)。17、煤層潤(rùn)濕過(guò)程的實(shí)質(zhì)煤層的潤(rùn)濕過(guò)程實(shí)質(zhì)上是水在煤層裂隙和孔隙中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，是一個(gè)復(fù)雜的水動(dòng)力學(xué)和物理化學(xué)過(guò)程的綜合。水在煤層中的運(yùn)動(dòng)可以分為壓差所造成的運(yùn)動(dòng)和它的自運(yùn)動(dòng)。壓差所造成的運(yùn)動(dòng)是水在煤層中沿裂隙和大的孔隙按滲透規(guī)律流動(dòng)；自運(yùn)動(dòng)與注水壓力無(wú)關(guān)，它取決于水的重力和水與煤的化學(xué)的、物理化學(xué)的作用。自重使水在裂隙與孔隙內(nèi)向下運(yùn)動(dòng)；化學(xué)作用是水作用于煤層內(nèi)的無(wú)機(jī)的和有機(jī)的組分，使之氧化或溶解；

33、物理化學(xué)作用包括毛細(xì)管凝聚、表面吸著和濕潤(rùn)等。壓差和重力造成的水滲透流動(dòng)，時(shí)間不長(zhǎng)，范圍不大，濕潤(rùn)效果不高，一般只能達(dá)到10%40%。物理化學(xué)作用是煤層濕潤(rùn)的主導(dǎo)作用，可以持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，并能使煤體均勻、充分地濕潤(rùn)，將濕潤(rùn)效果提高到70%80%。此外，煤層注水破壞了煤體內(nèi)原有的煤-瓦斯體系的平衡，形成了煤-瓦斯-水三相體系，這個(gè)體系內(nèi)各個(gè)介質(zhì)間發(fā)生著相互作用。水在煤層中的運(yùn)動(dòng)，主要是注水壓力、毛細(xì)管力、和重力3種力綜合作用克服煤層裂隙面的阻力、孔隙通路阻力和煤層的瓦斯壓力。注水后的煤層，在回采及整個(gè)生產(chǎn)流程中都具有連續(xù)的防塵作用，而其它防塵措施則多為局部的。煤體注水濕潤(rùn)，可使煤的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生明顯

34、變化，煤的彈性和強(qiáng)度減少，塑性增大，從而使巷道前方的應(yīng)力分布發(fā)生根本變化，即高應(yīng)力區(qū)向煤體深部轉(zhuǎn)移，應(yīng)力集中系數(shù)減小。18、煤層注水的影響因素煤層注水技術(shù)是指用水預(yù)先潤(rùn)濕煤體減塵的方法，即在煤層開(kāi)采之前，打若干鉆孔，通過(guò)鉆孔向煤體注入水壓，使其滲入煤體內(nèi)部，增加煤塵水分，減少開(kāi)采時(shí)的產(chǎn)塵量；或者將水灌入空采區(qū)及巷道內(nèi)，使水依靠自重及毛細(xì)管作用，滲入煤體減塵的方法。影響煤層注水的主要因素有以下幾個(gè)方面：（1）煤層裂隙、孔隙的發(fā)育程度。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。在一般情況下，裂隙發(fā)育、孔隙率高的煤層透水性強(qiáng)，水易于注入，注水壓力較低。實(shí)踐證明，裂隙發(fā)育而質(zhì)地疏松的煤層多

35、采用低壓注水就能取得良好的濕潤(rùn)效果。（2）上覆巖層壓力及支撐壓力。地壓的集中程度與煤層的埋藏深度有關(guān)，煤層埋藏越深則地層壓力越大，而裂隙和孔隙變得更小，導(dǎo)致透水性能降低。因而隨著礦井開(kāi)采深度的增加，要取得良好的煤體濕潤(rùn)效果，需要提高注水壓力。（3）煤的堅(jiān)固性。煤的堅(jiān)固性系數(shù)f 較大，煤的透氣性好，易于注水；反之，則難以注水。但對(duì)于那些有夾矸、極松軟且遇水易膨脹的煤層，雖然f 很大，卻反而不易注水。（4）煤的濕潤(rùn)性。煤層的濕潤(rùn)能力是指煤體與水接觸時(shí)是否容易被水所濕潤(rùn)。它表現(xiàn)在煤體孔隙對(duì)水的毛細(xì)作用力大小和水對(duì)細(xì)粒煤塵的粘合能力強(qiáng)弱，這都決定于水與煤的濕潤(rùn)邊角和水的表面張力系數(shù)。水與煤的濕潤(rùn)邊角大

36、小反映了水分子和煤炭分子間的吸引力大小，吸引力愈大則濕潤(rùn)邊角愈小，愈易于濕潤(rùn)。相反，如水分子之間的吸引力增大，即水分子和煤炭分子間的吸引力減小，水的表面張力系數(shù)增大，則濕潤(rùn)邊角變大，使煤塵難于濕潤(rùn)。（5）煤層內(nèi)的瓦斯壓力。煤層內(nèi)的瓦斯壓力是注水的附加阻力，水克服了瓦斯壓力的阻力后所剩余的壓力才是注水的有效壓力。顯然，在瓦斯壓力較大的煤層，為了取得相同的注水流量，需要提高注水壓力，從而增加了注水的困難。在低瓦斯礦井，瓦斯含量和瓦斯壓力都很小，瓦斯壓力的影響可以不予考慮；而在高瓦斯礦井，瓦斯壓力往往高達(dá)數(shù)十個(gè)大氣壓，這就成為注水的主要影響因素之一。在我國(guó)許多礦井中,煤層透氣性差，瓦斯壓力大，在這些

37、難以抽放瓦斯的煤層中進(jìn)行注水時(shí)，通常都采用中、高壓注水。19、高壓預(yù)裂波動(dòng)式注水高壓預(yù)裂波動(dòng)式注水就是在不壓裂煤層的條件下，通過(guò)高壓水在煤層內(nèi)部形成“水擊”現(xiàn)象，迫使煤層內(nèi)部原有的封閉裂隙相互溝通或直接在煤層內(nèi)形成新的裂隙網(wǎng)，即在煤層內(nèi)部形成可使水滲透到煤體內(nèi)部相互關(guān)聯(lián)的孔隙裂隙網(wǎng)。當(dāng)注水壓力有明顯降低時(shí)，可認(rèn)為波動(dòng)高壓水己在相當(dāng)程度上強(qiáng)制溝通了煤層原有裂隙網(wǎng)或在一定范圍的煤層內(nèi)部形成新的裂隙網(wǎng)，此時(shí)，逐步降低注水壓力，直至靜壓注水壓力；當(dāng)靜壓注水量明顯降低或煤層注不進(jìn)水時(shí)，再將注水壓力逐步上調(diào)，注入煤層內(nèi)部，在煤層內(nèi)部形成新的“水擊”現(xiàn)象，爾后再次逐步形成靜壓水潤(rùn)濕煤體。如此反復(fù)，直至煤層注

38、水工作結(jié)束。20、煤層注水潤(rùn)濕煤體的微觀分析煤層可以被認(rèn)為是孔隙介質(zhì)組成的煤塊群和裂隙系統(tǒng)組成的孔隙裂隙結(jié)構(gòu)。從微觀上看，水注入煤體后，在裂隙中，水為滲透層流運(yùn)動(dòng)，而在小煤塊的微孔隙中，是毛細(xì)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，并且兩者之間有強(qiáng)烈的能量傳遞。（1）水在互通裂隙中的滲透運(yùn)動(dòng)。從微觀上講，水在互通裂隙中的滲透可用單維滲透來(lái)描述，根據(jù)質(zhì)量守恒定律和達(dá)西定律得：（2）水在孔隙和微孔隙中的毛細(xì)運(yùn)動(dòng)。水的毛細(xì)運(yùn)動(dòng)是在孔隙直徑從107 106 m 到較小一些的孔隙中發(fā)生，在這些孔隙中，重力和水的性質(zhì)( 表面張力和濕潤(rùn)角) 對(duì)在毛細(xì)管中的運(yùn)動(dòng)起很大作用。水在孔隙中的毛細(xì)運(yùn)動(dòng)，由能量方程得：r2w ( dx/dt) 2

39、 + r2wx( d2x/dt2)+ 8x dx/dt =2rcosr2wxgsin式中：x 為水沿毛細(xì)管運(yùn)動(dòng)的距離，m；為液體的動(dòng)力黏度，Pa·s；w為液體的密度，kg /m3；g為重力加速度，m/s2；為煤體濕潤(rùn)角，( °)； r 為毛細(xì)管半徑，m；為水的表面張力系數(shù)。（3）水在微孔隙中的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。當(dāng)水由濕潤(rùn)性強(qiáng)的區(qū)域向濕潤(rùn)性較差而曲率又較小的區(qū)域作擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)時(shí)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)是單維的，用下式描述：其中：mk為擴(kuò)散后煤中水分的增量，kg; K為擴(kuò)散系數(shù)。因此，煤層注水濕潤(rùn)煤體，使水分增加，就由裂隙中滲透、壓差、毛細(xì)和分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)幾部分的水分增量組成。21、煤層注水防塵理論技術(shù)研究的發(fā)展趨勢(shì)煤層注水理論和技術(shù)在礦井防塵中得到了廣泛的應(yīng)用，對(duì)井下粉塵濃度的控制起到了重要作用，但還是存在一些問(wèn)題，今后應(yīng)在以下4 個(gè)方面加強(qiáng)研究。1) 先進(jìn)技術(shù)手段在煤層注水研究中的應(yīng)用，特別是超聲測(cè)量技術(shù)、巖體CT、地震波測(cè)定方法等先進(jìn)手段應(yīng)用到注水防塵研究和效果考察方面。2) 對(duì)煤體中裂隙性質(zhì)研究尚未充分分析地質(zhì)構(gòu)造、煤體應(yīng)力狀態(tài)、煤體損傷破壞機(jī)制等因素的影響。3) 進(jìn)一步完善煤層注水雙重孔隙介質(zhì)理論及模型研究，特別是對(duì)裂隙中的流體滲流進(jìn)行了深入研究。4) 加強(qiáng)理論研究與工程實(shí)踐的結(jié)合。煤層注水時(shí)的工藝參數(shù)選擇依