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：K=a exp (-b E+cp)式中：K 滲透系數(shù)， m/d ；<9體積應(yīng)力，® =（x+ a, 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：式中：ac=a-bWcE=a

2、/W c-bE=a-bpa單軸抗壓強(qiáng)度，Mpa；Wc煤體飽和含水率，% ；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

3、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)微的孔隙中都有水注 入，甚至在1 E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)樗苄孕巫儯蚨罅繙p 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

4、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

5、， 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：Fe=銳 U2R) / a2式中，g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qi和q2時(shí)，其庫(kù)侖力為：2Fe>= qiq2 4 n。< Ri+ R2+ a)(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= 2 TR&sin( a 9 sino+ R / 2 ( 1/ r

6、 1) -( 1/ r 2) sin2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(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。表1 塵粒間作用力與自身質(zhì)量的星級(jí)比較塵粒粒徑/Um靜電 力/N范德華力Q液橋 力小自身重量/ N0J6x 10- 154x l(r 121, 7x l(r s5x KT 站

7、16x 10" 134x W 11L 7x l(r75x IO"106x 10'u10'101. 7x KF65x KT °ia)6x 1(T94x i(r#h 7x KP31(T9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) You ng 方

8、程Yg= y+ ycosB式中，Yg為氣固界面能；Y為液體表面自由能；Y為固液界面自由能。B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。圖2接觸角示竟水對(duì)煤的濕潤(rùn)邊角是反映水分子與煤

9、分子之間吸引力的大小。 根據(jù)濕潤(rùn)邊角 可以確定煤體表面濕潤(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B < 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，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(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)，B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

10、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：( 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1口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

11、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?，大量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(rùn)濕性（接觸角v 90°），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

12、 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

13、。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。 可以認(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

14、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 =sgY Y- Y=W a

15、式中：Yg為氣-固界面自由能；Y為液體表面自由能；Y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，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)生在注水的進(jìn)水過(guò)程中圖3-3沾濕過(guò)程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 =sY Yi=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。圖3

16、-4浸濕過(guò)稈鋪展過(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 圖3-5。當(dāng)鋪展面積為單位值時(shí)體系自由能降低為： G =sY Yi- Y =S式中：S為鋪展系數(shù)圖3-5鋪展過(guò)程在恒溫恒壓下，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=yl Y=Wi和- G =sY Y1- Yg =S可得S=Wi- Yg,說(shuō)明若要鋪展系數(shù)S大于0,則Wi必須大 于Yg。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 = Yg- Yi因上述各式中的Yg和冏尚難直接測(cè)算。所以根據(jù)液體潤(rùn)濕固體時(shí)力的平衡

17、關(guān)系（見圖3-6）, 得到下式：Yg= y+ Y? COS 0此式即為著名的You ng方程。式中B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。圖36接觸角示意圖根據(jù)上述各式可以得出:Wa= y? (cosG+1)A= Wi = Y? cos0S=Y? (COSB 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。水對(duì)煤的潤(rùn)濕邊 角如圖3-7所示。潤(rùn)濕邊角9 <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，B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990。時(shí)

18、，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，9角愈大，潤(rùn)濕能力愈小。因此判別各種潤(rùn)濕過(guò)程的判據(jù)為：沾濕潤(rùn)濕 Wa> 0,即 90°<9<180°浸濕潤(rùn)濕 A>0,即990°鋪展?jié)櫇馭> 0,即9=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)接觸角9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。&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

19、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

20、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，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。 XX 工作面注水試驗(yàn)成功后，在工作面范圍內(nèi)每隔 XXm

21、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% ，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)。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)

22、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(rùn)濕，減少了采煤過(guò)程和

23、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

24、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；同時(shí)還與地 質(zhì)和采礦技術(shù)因素以及壓裂設(shè)備

25、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 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)生位移并誘發(fā)

26、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，貝U要求注水壓力

27、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(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

28、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、 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)，

29、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(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

30、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

31、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

32、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

33、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)

34、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)， 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)

35、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； 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

36、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， 即在煤層開采之前， 打若

37、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 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

38、開采深度的增加， 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

39、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，

40、 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

41、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：.一Ani d m ichvr; =" a? = "77 = d 一佝)v = - 5( ”) gradp式中：；為水在煤體中的滲流速度，m人；為滲透 時(shí)間”迅用為煤層中注水時(shí)的水量.kg; 川為煤 體中水分增量(與原始水分之差幾 燉;P為裂隙 中液體的圧力，15；內(nèi)為被包鬧煤塊中水壓.Pa;(為確定煤塊邊界滲透性條數(shù)；6

42、(“)為與孔裂隙 中水斥有關(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10一710一6 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：n p ( dx/dt) 2 + n2 px( d2x/dt2 )+ 8 ndx/dt =22nncosB n r p x g sinB2 (l.r 22o<Ia少|(zhì):可肓廠小昭 ” 一 Trr'pxsin d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，Pa - s； p為液體的密度，kg /m 3； g為

43、重力加速度，m/s2 ;8為煤體濕潤(rùn)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：d飛叫.t；=（）（A ） /J ta i' r a 7其中：Amk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