煤層注水知識(shí)點(diǎn)

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：(©)式中：K滲透系數(shù)，；©體積應(yīng)力，®= (T； (T Z ,P 孔隙壓，；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：式中：T C 單軸抗壓強(qiáng)度；煤體飽和含水率， %；E 彈性模

2、量，；P 孔隙水壓，；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，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)微的孔隙中都有水

3、注 入，甚至在1 m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。 當(dāng)煤體在開采中受到破碎時(shí)， 因?yàn)樗拇嬖谙?細(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， 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)樗苄孕巫儯?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 ）范德華力范德華力由原子核周圍的電子云

4、漲落引起， 是一種短程力， 但其作用范圍大于化學(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 表達(dá)式為：= - 1R2/ 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) ( )。( 2 )靜電力電位差引起的靜電力 1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

5、 引，其作用力 1 為：1=£ 0 n ( U2R) / 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。塵粒間庫侖力 2當(dāng)兩塵粒帶電量分別為 q1 和 q2 時(shí)，其庫侖力為：2= q1q2/ 4n£ 0( R1+ R2+ a) 2(3) 液體橋聯(lián)力液體橋聯(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 2 n Ro ( a + 0 ) a + R / 2 ( 1J(r11)r 2) 2式中，a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

6、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，但在干燥塵流和濕潤塵流中起主導(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。表1 塵粒間作用力與自身質(zhì)量的量級(jí)比較塵粒粒徑/靜電范徳華液橋自身重Pm力/N力/N力/Nft/N0J6x 10'154x I O' 121. 7x IO'S5x ur 陽16x 10 134x |0_ 11L7x 10 75x 10 15106x 10-114x 10_ 10L7x

7、 IO-65x 10- 121006x i(r94x IO ?1. 7x IO-55x i(rQ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、煤體濕潤特性分析（ 1 ）煤塵濕潤特性 煤層注水過程中，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，這一過程大致分為進(jìn)水過程、 貯水過程和吸附水過程 3 個(gè) 階段。根據(jù)方程yyyB式中，丫一一為氣固界面能；丫 為液體表面自由能；丫為固液界面自由能。0為液體對(duì)固體的接觸角，是氣、固、液 3相交界點(diǎn)沿液

8、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角，表征 煤塵的濕潤能力。如圖 3 所示。圖2接觸角示意水對(duì)煤的濕潤邊角是反映水分子與煤分子之間吸引力的大小。根據(jù)濕潤邊角可以確定煤體表面濕潤的難易和毛細(xì)作用的大小。煤層的濕潤能力表現(xiàn)在煤體孔隙對(duì)水的毛細(xì)

9、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，濕潤邊角 0 < 900時(shí)，水容易在煤體表面 鋪展，煤體易于濕潤，屬易濕潤煤體，B 越小，毛細(xì)作用力則越大， 增強(qiáng)了注水動(dòng)力，煤體的濕潤能力越強(qiáng)；反之，00時(shí)，水難于在煤體表面鋪展，煤體不易濕潤，0越大，煤體的濕潤能力越差。當(dāng) 水進(jìn)入煤體裂隙后，在濕潤邊角較小的煤層中，水易于濕潤裂隙中的 原生煤塵；反之，則難于濕潤。5、煤層注水降塵機(jī)理通過對(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)方面：6 / 29( 1) 濕潤煤塵間主作用力是液體橋聯(lián)力，

10、而液體橋聯(lián)力促使?jié)駶?塵流中的塵粒凝聚變大， 沉降速度加快， 并使開采過程中大量減少或 基本消除浮游煤塵的產(chǎn)生， 且經(jīng)過注水預(yù)先濕潤的煤炭， 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 , 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1 (1 m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。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)微孔隙的水

11、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?，大?減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濕性(接觸角V 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，

12、 一旦環(huán)境濕度較大， 粉體表面吸附水氣并產(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)過程（ 1 ）液態(tài)水在煤體中的運(yùn)動(dòng)過程 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)過程。1 ）進(jìn)水過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)部阻力的過程。 處于原始狀態(tài)的煤層，

13、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，這是注水滲流潤濕的主要過程， 煤體最終達(dá)到均勻潤濕所吸收的 就是這部分水。 可以認(rèn)為， 煤體大孔隙通道中的貯水即為煤體最終潤 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

14、（孔隙直徑小于 10 ）內(nèi)表面被潤濕或經(jīng)擴(kuò)散吸附滲流通道的水，形成潤濕吸附 水過程，潤濕過程主要受控于毛細(xì)作用力， 吸附過程與分子間作用力 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）煤體潤濕過程 煤體潤濕包括沾濕、浸濕和鋪展過程。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-液界面的過程，見圖 3-3 。假設(shè)形成的接觸面積為單位值， 此過程中體系自由能降低值（- G）應(yīng)為：- G = 丫丫 - 丫式中：丫為氣-固界面自由能；丫為液體表面自由能；丫為固液界面自由能。W a 稱為粘附功，是沾濕過程體系對(duì)外所能做的最大功， 也

15、是將 接觸的固體和液體自交界處拉開，外界所需做的最小功。 W a 越大， 固-液結(jié)合越牢， 越易潤濕。 這一過程主要發(fā)生在注水的進(jìn)水過程中。圖3-3沾濕過程浸濕是指固體浸入液體的過程。 此過程的實(shí)質(zhì)是固-氣界面為固-液界面所代替，而液體表面在此過程中并無變化， 見圖3-4。在浸濕面積為單位值時(shí)，此過程的自由能降低值為：式中：W i為浸潤功，它反映液體在固體表面上取代氣體的能力;W i是浸潤過程能否自動(dòng)進(jìn)行的判斷依據(jù)。浸濕過程主要發(fā)生在貯水過程階段G圖3-4浸濕過程鋪展過程的實(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，見圖3-5。當(dāng)鋪展面積為單位值時(shí)體系自由能降低為：式中：S為鋪展

16、系數(shù)。G在恒溫恒壓下，S>0時(shí)液體可以在固體表面自動(dòng)展開。 連續(xù)地從 固體表面上取代氣體，只要用量足夠，液體將會(huì)自行鋪滿固體表面。 由式- G = 丫和f- G = 丫 - 丫可得-丫，說明若要鋪展系數(shù)S大于 0，則必須大于丫。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 = 丫 - 丫因上述各式中的丫和丫尚難直接測(cè)算。所以根據(jù)液體潤濕固體時(shí)力的平衡關(guān)系(見 圖3-6 ),得到下式：YY? Y 9此式即為著名的 方程。式中9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。人 sf圖3-6接觸角示意圖根據(jù)上述各式可以得出：Y? ( 9 +

17、1)=Y? 0丫？ ( 0 -1)水對(duì)煤的潤濕邊角反映水分子與煤大分子之間吸引力大小。水對(duì)煤的潤濕邊角如圖3-7所示。潤濕邊角0 <90。時(shí)，水容易在煤體表 面鋪展，煤體易于潤濕，屬易潤濕煤體，在相同的水表面張力系數(shù)條 件下，0角愈小，毛細(xì)作用力則較大，增強(qiáng)了注水動(dòng)力，潤濕能力愈 大；反之，潤濕邊角0> 90。時(shí)，水難以在煤體表面鋪展，煤體不易 潤濕，屬于不易潤濕煤體，0角愈大，潤濕能力愈小。圖3-7水對(duì)煤的潤濕邊角根據(jù)以上討論，自發(fā)進(jìn)行的潤濕過程的潤濕功必須為正， 因此判 別各種潤濕過程的判據(jù)為：沾濕潤濕> 0,即90 ° <0<180 °

18、;浸濕潤濕A> 0,即0W 90 ° ;鋪展?jié)櫇馭> 0,即0 =0 °。綜上所述，液體對(duì)固體潤濕效果的好壞，可通過其潤濕類型確定， 而潤濕類型又可通過接觸角 0的大小直接測(cè)定。水對(duì)煤體的潤濕過程 是這三種潤濕過程綜合作用的結(jié)果。12 / 29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

19、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 、注水工藝過程(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，開啟液壓泵，打開出 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，

20、 開啟截止閥，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。 工作面注水 試驗(yàn)成功后， 在工作面范圍內(nèi)每隔一個(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始在注水半徑內(nèi)遞減， 最高含水量 比原水分增加 6. 2%

21、，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一個(gè)圓形圖來表示， 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。 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

22、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 力壓裂使煤體潤濕，減少了采煤過程和煤炭運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的煤塵。 13 、水力壓裂過程分析煤層水力壓裂是一個(gè)逐漸濕潤煤體、 壓裂破碎煤體和擠排煤體中 瓦斯的注水過程。 在注水的前期， 注水壓力和注水流量隨注水時(shí)間呈

23、 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

24、過試驗(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；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

25、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)生位移并誘發(fā)突出； 如果注水 壓力過小，將起不到壓裂效果，這就相當(dāng)于中高壓煤層注水潤濕。 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 距過小，則增加了

26、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。 注水量煤體潤濕需要一定的水， 如果單孔注水量過大， 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 隙還沒有生成， 原有裂隙還沒有擴(kuò)寬并伸展， 新老裂隙

27、還沒有溝通形 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 水速度過快，要求注水壓力等相應(yīng)地增大。如果注水速度過低，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、

28、 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)度的一個(gè)參數(shù)， 煤體的潤濕 效果和裂縫的擴(kuò)寬伸展溝通

29、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， 則說明煤 體的潤濕效果和裂縫的擴(kuò)寬伸展溝通能力較差， 需要增加潤濕劑和壓 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，則說明煤體的潤濕效果和裂縫的擴(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 （ 水與煤的濕潤邊角和水的表面張力系數(shù) ） ，瓦斯壓力，煤層的頂?shù)?板狀況。 煤體內(nèi)部的孔隙裂隙特征

30、 （ 煤層孔隙裂隙的發(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程中，煤層孔隙裂隙發(fā)育程度對(duì)煤體的均勻濕潤、 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

31、力， 因此，煤層內(nèi) 的瓦斯壓力越大， 需要的注水壓力也越高， 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 的煤體被水濕潤的性質(zhì)不同， 以致瓦斯被擠排的程度不同。 煤體的濕 潤能力取決于水與煤的濕潤邊角和水的表面張力系數(shù)。 水與煤體的濕 潤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 以提高煤體的濕潤能力， 提高注水速度。 如果在注水流程中添加活性 濕潤劑（ 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

32、煤體微裂隙等問題。 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，

33、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

34、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)，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。17 、煤層潤濕過程的實(shí)質(zhì) 煤層的潤濕過程實(shí)質(zhì)上是水在煤層裂隙和孔隙中的運(yùn)動(dòng)過程， 是 一個(gè)復(fù)雜的水動(dòng)力學(xué)和物理化學(xué)過程的綜合。 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

35、的孔隙按滲透規(guī)律流動(dòng)； 自運(yùn)動(dòng)與注水壓力無關(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)的無機(jī)的和有機(jī)的組 分，使之氧化或溶解；物理化學(xué)作用包括毛細(xì)管凝聚、表面吸著和濕 潤等。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，將濕潤 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)

36、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， 可使煤的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生明顯變化， 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)先潤濕煤體減塵的方法， 即在煤層開采 之前，打若干鉆孔，通過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

37、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)地疏松的煤層多采用低壓注水 就能取得良好的濕潤效果。（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 開采深度的增加，要取得良好的煤體濕潤效果，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

38、 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 ）煤的濕潤性。煤層的濕潤能力是指煤體與水接觸時(shí)是否容易被水所濕潤。 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邊角和水的表面張力系數(shù)。 水與煤的濕 潤邊角大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 濕潤邊角愈小，愈易于濕潤。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 邊角變大，使煤塵難于濕潤。（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

39、 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。 在我國許多礦井中 , 煤層透氣性差， 瓦斯壓力大， 在這些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)

40、部形成可使水滲透到煤體內(nèi)部相互關(guān)聯(lián)的孔隙一裂隙網(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濕煤體。如此反復(fù)，直至煤層注水工作結(jié)束。20、煤層注水潤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

41、 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描述， 根據(jù)Sfil質(zhì)量守恒定律和達(dá)西定律得:I) tn=-6( p) grad/i式中：廣為水在煤體中的滲流速度.m/s; t為滲透 時(shí)間*詈；加為煤層中注水時(shí)的水量.kg； 加為煤 體中水分增凰（與原始水分之差）.kg; P為裂隙 中液體的壓力,Pa;加為被包鬧煤塊中水fk, Pa; （為確定煤塊邊界滲透性系數(shù)為與孔裂隙 中水壓有關(guān)的滲透性系數(shù)。(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10 710 6 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

42、濕潤角)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：n r2 p w ( ) 2 +n r2 p ( d22 )+ 8卩兀 x2 nn r -0 n r2 p wg 07|咒22tl'A'<,¥"K ) + "pa T + g工石二lr)77rvo 0 7T/'_pwAgsiii 0式中：x為水沿毛細(xì)管運(yùn)動(dòng)的距離，m ;卩為液體的動(dòng)力黏度， s; p為液體的密度，3; g為重力加速度，2 ; 0為煤體 濕潤角，(° )r;為毛細(xì)管半徑，m ；n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

43、潤性強(qiáng)的區(qū)域向濕潤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：d 叫dm=Z) ( A) /c) I a iax其中：為擴(kuò)散后煤中水分的增量，；K為擴(kuò)散系數(shù)。因此，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(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、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。