煤层注水知识点

1、短孔注水（分段注水）知识点1、煤层注水力学特性（1）水力学特性分析对煤层的注水效应主要取决于煤体对水的渗透特性， 煤体对水所遵循的渗透系数规律为：K=a exp (-b E+cp)式中：K 渗透系数， m/d ；<9体积应力，® =（x+ a, Mpa；P孔隙压，Mpa；a、 b、 c 拟合常数。由上式可以看出， 煤体的渗透系数受孔隙压与体积应力影响十分显著， 说明煤层注水对煤体的渗透性影响及改性主要取决于注水压力与煤的实际赋存深度。（2）水对煤层力学特性的影响煤样在饱和含水以后， 其强度和弹性模量均有不同程度的降低， 下降幅度基 本符合以下关系式：式中：ac=a-bWcE=a

2、/W c-bE=a-bpa单轴抗压强度，Mpa；Wc煤体饱和含水率，% ；E弹性模量，Mpa；P孔隙水压，Mpa；a b拟合常数。由上式可以看出， 煤层注水可以软化煤体、 增加煤体塑性， 有效降低由于应变能突然释放导致的各类煤矿事故 2、煤层注水防治煤尘煤是孔隙裂隙双重介质， 当水通过裂隙进入孔隙并吸附在孔隙表面时， 表现 为三方面的降尘作用：（1）湿润了煤体内的原生煤尘。煤体内各类裂隙中都存在 着原生煤尘， 随煤体的破碎而飞扬于矿井空气中。 水进入裂隙后， 可使其中的原 生煤尘在煤体破碎前预先湿润， 使其失去飞扬的能力， 从而有效地消除了这一尘 源。（2）有效地包裹了煤体的每一个部分。水进入

3、煤体各类裂隙、孔隙之中，不 仅在较大的构造裂隙、 层理、 节理中有水存在， 而且在极细微的孔隙中都有水注 入，甚至在1 E以下的微孔隙中充满了毛细水，使整个煤体有效地被水所包裹 起来。当煤体在开采中受到破碎时， 因为水的存在消除了细粒煤尘的飞扬， 即使 煤体破碎得极细， 渗入细微孔隙的水也能使之都预先湿润， 达到预防浮游煤尘产 生的目的。（3）改变了煤体的物理力学性质。水进入煤体后，湿润的煤炭塑性增 强，脆性减弱。当煤炭受外力作用时，许多脆性破碎变为塑性形变，因而大量减 少了煤炭破碎为尘粒的可能性，降低了煤尘的产生量。3、尘流中尘粒间的作用力分析尘粒有黏附于其他粒子或其他物质表面的特性，附着力

4、有 3 种：范德华力、 静电力和液体桥联力。（ 1 ）范德华力 FM范德华力由原子核周围的电子云涨落引起， 是一种短程力， 但其作用范围大 于化学键，根据伦敦范德华微观理论，在两颗球粒之间，范德华力 FM 表达式 为：FM = - AR1R2/ 6h2（ R1+ R2） 式中，h为两尘粒间距;R1， R 2 为尘粒半径；A 为哈马克常数 ( Hamaker)。(2)静电力 Fe电位差引起的静电力 Fe1由于离子或电子吸附， 煤尘之间或尘粒与物体之间的摩擦， 使尘粒带有电荷。 其带电量和电荷极性与工艺过程环境条件及其接触物的电介常数有关。 两导电尘 粒相接近时， 由于彼此的功函不同而导致电子转移

5、， 平衡后产生接触电位差 ( U)， 其大小随煤尘的成分、粒度、表面状况变化，半径为 r 的导电球颗粒相互接近时 因电位差而相互吸引，其作用力 Fe1 为：Fe=锐 U2R) / a2式中，g为气体的介电常数；a 为两球形离子表面间距离;R为球形尘粒半径；U 为尘粒间接触电位差。尘粒间库仑力 Fe2当两尘粒带电量分别为qi和q2时，其库仑力为：2Fe>= qiq2 4 n。< Ri+ R2+ a)(3) 液体桥联力 FL 液体桥联力主要由液桥曲面产生的毛细压力和表面张力引起的附着力组成， 其表达式为：F l= 2 TR&sin( a 9 sino+ R / 2 ( 1/ r

6、 1) -( 1/ r 2) sin2式中，a为气体界面张力；其余符号如图1所示尘粒间的上述3种附着力都有促进尘粒相互吸引、吸附并凝聚成大颗粒的 作用，且这3种力都随尘粒半径的增大呈线形增大的关系，但在干燥尘流和湿 润尘流中起主导作用的作用力不同， 干燥情况下，尘粒间不存在液桥力，起主导 作用的是范德华力，而在湿润情况下，液桥力起主导作用，并且液桥力比其他作 用力大得多。表1为一定条件下，尘粒间作用力与自身质量的分析结果。表1 尘粒间作用力与自身质量的星级比较尘粒粒径/Um静电 力/N范德华力Q液桥 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，在一定条件下，可以加速尘粒间的相互凝聚，形成较大颗粒的尘粒, 随着尘粒颗粒的增大，其沉降速度加快，有利于煤尘灾害的治理。4、煤体湿润特性分析（1）煤尘湿润特性煤层注水过程中，水不断改变煤体自身的物理力学结构和性质， 从大裂隙通道中不断压裂贯通封闭状态的孔隙进入煤体，直至渗入细微孔隙中，这一过程大致分为进水过程、贮水过程和吸附水过程 3个阶段。根据 You ng 方

8、程Yg= y+ ycosB式中，Yg为气固界面能；Y为液体表面自由能；Y为固液界面自由能。B为液体对固体的接触角，是气、固、液3相交界点沿液滴表面引出的切线与固体表面的夹角，在水煤体系中常称为湿润边角，如图2所示。范德华力使煤尘表面有吸附气体、 蒸汽和液体的能力。尘粒颗粒越细，比表面积越大，单位质量煤尘表面吸附的气体和蒸气的量越多。 单位质量煤尘粒子表 面吸附水蒸汽量可衡量煤尘的吸湿性。 当液滴与尘粒表面接触，除存在液滴与尘 粒表面吸附力外，液滴尚存在自身的凝聚力，两种力量平衡时，液滴表面与煤尘 表面间形成湿润角，表征煤尘的湿润能力。如图 3所示。图2接触角示竟水对煤的湿润边角是反映水分子与煤

9、分子之间吸引力的大小。 根据湿润边角 可以确定煤体表面湿润的难易和毛细作用的大小。 煤层的湿润能力表现在煤体孔 隙对水的毛细作用大小和水对细粒煤尘的粘合能力强弱， 其决定于水对煤的湿润 边角和水的表面张力系数。在相同的表面张力系数条件下，湿润边角B < 900时， 水容易在煤体表面铺展，煤体易于湿润，属易湿润煤体，B越小，毛细作用力则 越大，增强了注水动力，煤体的湿润能力越强；反之900时，水难于在煤体 表面铺展，煤体不易湿润，B越大，煤体的湿润能力越差。当水进入煤体裂隙后， 在湿润边角较小的煤层中，水易于湿润裂隙中的原生煤尘；反之，则难于湿润。5、煤层注水降尘机理通过对尘流中单个尘粒的

10、运动特性和尘粒间作用力的分析， 煤层注水治理煤 尘灾害体现在 3 个方面：( 1) 湿润煤尘间主作用力是液体桥联力， 而液体桥联力促使湿润尘流中的尘 粒凝聚变大， 沉降速度加快， 并使开采过程中大量减少或基本消除浮游煤尘的产 生，且经过注水预先湿润的煤炭，在整个矿井生产流程中具有连续防尘作用。( 2) 煤体内部各类裂隙中存在原生煤尘，它们随煤体破碎而飞扬于空气中。 水进入煤体各类裂隙、 空隙和层理之中， 一方面可将其中的原生煤尘在煤体未破 碎前预先湿润 ,使其失去飞扬能力，从而有效消除尘源。另外，在极其微小的孔 隙内部也有水注入，甚至在1口以下的微孔隙中也充满了毛细水，这样就使整 个煤体有效地

11、被水包裹起来。 当煤体破碎时， 因绝大多数破碎面均有水存在， 从 而消除了细微煤尘的飞扬，渗入细微孔隙的水能够预防浮游煤尘的产生。( 3) 改变了煤体的物理力学性质。水进入煤体后，能使煤体塑性增强，脆性 减弱，降低了煤体的内聚力和内摩擦角， 减小了煤体的应力集中。 当煤体受到外 力作用时，许多脆性破碎变为塑性变形，大量减少了煤体破碎为尘粒的可能性。6、毛细管力毛细管力：在很窄的孔隙中或毛细管中， 气体很容易凝集， 此称毛细管现象。 对于两个很靠近的表面， 气体也会在其中凝聚， 如果凝聚的液体与表面有较好的 润湿性（接触角v 90°），两表面相距为某一临界距离时，会产生液相桥而将两表面

12、 沾在一起。 毛细管力是一种比较大的表面力，一些很细的粉体，在干燥环境中 能自由地相对滑动， 表现出很好的流动性， 一旦环境湿度较大， 粉体表面吸附水 气并产生毛细力，它们立即粘结成块。7、水在媒体中的运动过程（1）液态水在煤体中的运动过程液态水在外力作用下注入煤孔隙时， 水在煤层裂隙、 孔隙中运动的动力主要 有两种，一是孔口的注水压力，是外在动力；另一种是煤层中裂隙、孔隙对水的 毛细作用力， 是内在动力。 两种动力矢量和即为注水的动力。 煤层孔隙的毛细作 用力则取决于孔隙的直径、水的表面张力、水对煤的润湿边角。注水实验， 水从大孔裂隙通道中进入煤体， 直至渗入细微孔隙中， 大致分为 三个过程

13、。1）进水过程压力水初始沿煤体原生连通裂隙通道进入煤体， 是一个克服煤体内部阻力的 过程。处于原始状态的煤层， 原生裂隙通道只占全部裂隙的极少部分， 连通的通 道更少。因此初始注水时， 煤层出现明显的不进水现象， 注水存在一临界压力值 P。2）贮水过程进水的煤体随注水压力的增高， 煤体裂隙系统通道网在水的压力作用下， 逐 渐扩大丰富。 压力水不断进入煤体， 并在通道孔裂隙中滞留， 这是注水渗流润湿 的主要过程， 煤体最终达到均匀润湿所吸收的就是这部分水。 可以认为， 煤体大 孔隙通道中的贮水即为煤体最终润湿所需水分的主要部分。 随进水程度增大， 煤 层水分趋于饱和，进水程度大大减弱。据此，煤层

14、的贮水过程包括两个阶段，即为非弹性贮水和弹性贮水阶段。3）吸附水过程 在水沿渗流系统通道流动的同时，各类细微孔裂隙（孔隙直径小于10 nm）内表面被润湿或经扩散吸附渗流通道的水， 形成润湿吸附水过程， 润湿过程主要 受控于毛细作用力， 吸附过程与分子间作用力有关。 在细微孔隙中， 注水压力传 递到这些孔道时已基本消耗尽，而毛细作用力相对增大。（2）煤体润湿过程煤体润湿包括沾湿、浸湿和铺展过程。煤体沾湿是指液体与煤体从不接触到接触，变液-气界面和固 -气界面为固 -液界面的过程，见图 3-3。假设形成的接触面积为单位值，此过程中体系自由能 降低值（- G）应为：- G =sgY Y- Y=W a

15、式中：Yg为气-固界面自由能；Y为液体表面自由能；Y为固-液界面自由能。W a称为粘附功，是沾湿过程体系对外所能做的最大功，也是将接触的固体 和液体自交界处拉开，外界所需做的最小功。 W a越大，固-液结合越牢，越易润湿。这一过程主要发生在注水的进水过程中图3-3沾湿过程浸湿是指固体浸入液体的过程。此过程的实质是固 -气界面为固-液界面所代替，而液体表面在此过程中并无变化，见图 3-4。在浸湿面积为单位值时，此过 程的自由能降低值为：- G =sY Yi=Wi式中：W i为浸润功，它反映液体在固体表面上取代气体的能力；W i是浸润过程能否自动进行的判断依据。浸湿过程主要发生在贮水过程阶段。图3

16、-4浸湿过稈铺展过程的实质是以固-液界面代替气-固界面的同时还扩展了气-液界面，见 图3-5。当铺展面积为单位值时体系自由能降低为： G =sY Yi- Y =S式中：S为铺展系数图3-5铺展过程在恒温恒压下，S>0时液体可以在固体表面自动展开。 连续地从固体表面上 取代气体，只要用量足够，液体将会自行铺满固体表面。由式- G=yl Y=Wi和- G =sY Y1- Yg =S可得S=Wi- Yg,说明若要铺展系数S大于0,则Wi必须大 于Yg。Wi体现了固体与液体间粘附的能力，又称粘附张力，用A表示：A = Yg- Yi因上述各式中的Yg和冏尚难直接测算。所以根据液体润湿固体时力的平衡

17、关系（见图3-6）, 得到下式：Yg= y+ Y? COS 0此式即为著名的You ng方程。式中B称作液体对固体的接触角，是气、固、 液三相交界点沿液滴表面引出的切线与固体表面的夹角。图36接触角示意图根据上述各式可以得出:Wa= y? (cosG+1)A= Wi = Y? cos0S=Y? (COSB 水对煤的润湿边角反映水分子与煤大分子之间吸引力大小。水对煤的润湿边 角如图3-7所示。润湿边角9 <90°时，水容易在煤体表面铺展，煤体易于润湿， 属易润湿煤体，在相同的水表面张力系数条件下，B角愈小，毛细作用力则较大， 增强了注水动力，润湿能力愈大；反之，润湿边角990。时

18、，水难以在煤体表面铺展，煤体不易润湿，属于不易润湿煤体，9角愈大，润湿能力愈小。因此判别各种润湿过程的判据为：沾湿润湿 Wa> 0,即 90°<9<180°浸湿润湿 A>0,即990°铺展润湿S> 0,即9=0 °。综上所述，液体对固体润湿效果的好坏，可通过其润湿类型确定，而润湿类 型又可通过接触角9的大小直接测定。水对煤体的润湿过程是这三种润湿过程综 合作用的结果。&煤层次生裂隙注水煤体的次生裂隙就是煤体在采落之前，受本层或上邻近层开采的超前支承压 力的作用，或受邻近分层爆破作业的影响所形成的裂隙称为次生裂隙。由于

19、煤层 赋存条件复杂， 一般在自然条件下难以渗透， 故注水应施加一定压力， 才能将水 有效的渗透到煤体中。 煤层裂隙、孔隙的发育程度是影响煤层注水难易程度的首 要因素。9、注水可行性分析煤层注水的能力决定于煤层微观孔隙特征、 煤阶特性和宏观渗流能力， 其中 微观孔隙特征决定了煤层的毛细吸渗能力，而煤阶特性决定了煤对水的吸附能 力，煤中大裂隙分布和外部温压条件决定了煤层注水的宏观渗流能力。10、注水工艺过程(1) 工作面打钻孔，钻孔深多少，直径多少。(2) 将中间巷的注水管路和工作面的液压管路连接，并检查管路和封口器的 连接情况。(3) 将液压泵的吸水口与液压水箱联通，并将水箱注满水，确保水箱的水

20、量 满足注水量；对注水设备进行调试，开启液压泵，打开出水阀，调节封口器前端 的调压装置，使液压泵的压力表达到规定压力。(4) 将封孔器放入钻孔内，距眼底 0. 5m 为宜；关上卸压阀，开启截止阀， 向孔内注水，至相邻孔内有水渗出。(5) 关闭截止阀，打开卸压阀，卸压后取出封口器，再放入下一个注水孔中 进行注水，如此依次进行注水，直至完成整个面炮眼的注水工作。(6) 整个面注水完毕后，关掉液压泵，把封口器从高压水管接头上取下，冲 刷干净防止因锈蚀影响下次使用，将单体液压管路恢复。11、注水效果注水效果主要表现为注水煤层的水分增量和降尘率。 XX 工作面注水试验成功后，在工作面范围内每隔 XXm

21、一个采样点，在距注水孔不同距离的放煤口取 煤样进行全水分测定， 并与注水前煤的全水分进行对比。 结果表明， 煤层水分从 注水孔处开始在注水半径内递减， 最高含水量比原水分增加 6. 2% ，最低比原水 分增加 0. 8% 。为了考察煤层注水的降尘率， 在不采取任何降尘措施的情况下分 别测定注水前后综放工作面 3 个主要工序作业时的产尘量。测定结果如表 1。注水水分增量还可以通过一个圆形图来表示， 在一周内， 哪些位置水分增量 多少，全部用数字表示出来。形成一个直观的圆形或者拱形图。12、水力压裂机理分析水力压裂的基本原理是将高压水 （ 压裂液 ） 注入煤体中的裂缝内 （ 原有裂隙 和压裂后出现

22、的裂隙 ） ，克服最小主应力和煤体的抗裂压力，扩宽伸展并沟通这 些裂缝，增加煤层相互贯通裂隙的数量和增大单一裂隙面的张开程度， 进而在煤 体中产生更多的人造裂缝与裂隙，从而增加煤层的透气性。煤层水力压裂可使煤体的力学性质发生明显变化、煤体的弹性和强度减小、 塑性增大， 从而使工作面前方的应力分布发生变化， 而且能使工作面的应力集中 带向煤体深部推移， 因而能缓解由地应力参与作用的煤与瓦斯突出， 可以消除或 降低煤层和工作面的突出危险。 当压裂停止后，由于大量瓦斯被高压水挤排出去， 煤体瓦斯含量降低，瓦斯涌出量减少，以至减少了工作面和上隅角瓦斯超限次数。 同时水力压裂使煤体润湿，减少了采煤过程和

23、煤炭运输过程中产生的煤尘。13、水力压裂过程分析煤层水力压裂是一个逐渐湿润煤体、 压裂破碎煤体和挤排煤体中瓦斯的注水 过程。在注水的前期，注水压力和注水流量随注水时间呈线性升高；随后，注水 压力与流量反向变化， 并呈波浪状。 这直观反映出了在注水初期， 具有一定压力 和流速的压力水通过钻孔进入煤体裂隙， 克服裂隙阻力运动。 当注入的水充满现 有裂隙后，水流动受到阻碍，由于煤体渗透性较低，导致水流量降低，压力增高 而积蓄势能； 当积蓄的势能足以破裂煤体形成新的裂隙时， 压力水进入煤体新的 裂隙，势能转化为动能，导致压力降低，水流速增加；当注入的水 （ 压裂液 ） 携 带煤泥堵塞裂隙时，煤体渗透性

24、降低，水难以流动使流量下降，压力上升。14、水力压裂合理注水参数分析煤层水力压裂包括煤体裂缝起裂和煤体裂缝延伸 2 个方面，煤体的裂缝起 裂受许多因素的控制， 一般通过试验加以确定。 研究表明： 煤体的裂缝起裂和延 伸取决于注水速度 （ 时间效应 ） 、注水压力、煤体的非均质性 （ 规模效应 ） 和煤 层的应力状态等， 影响煤层水力压裂效果的压裂参数很多， 主要可分为外部工艺 因素和煤体内在本质因素 2 类。（1）外部工艺因素 外部工艺因素主要包括注水压力、注水孔间距、注水流、注水速度、钻孔长 度、封孔方法与封孔长度、注水时间等参数，它们互有联系和影响；同时还与地 质和采矿技术因素以及压裂设备

25、的性能有关。 注水压力在一般开采条件下， 煤体难以形成孔隙裂隙网， 以致煤层难以得到充分的卸 压增透，故在压裂时应施加一定的压力， 才能将水有效地压裂到煤体中并使煤体 产生裂隙起裂和延伸，形成孔隙裂隙网。试验结果表明， 在围压不变的条件下， 随着注水压力的增加， 导水系数呈非 线性增大， 当注水压力达到某一极限值时， 导水系数骤然增大， 此时煤体完全被 压裂，内部形成大的贯通裂缝网， 通常煤体裂隙起裂和延伸随注水压力的增加而增大因此，注水压力是衡量压裂效果的一个重要参数， 如果注水压力过大且封孔 深度与注水压力不匹配时，容易造成封孔段泄漏，影响压裂效果，甚至煤体在高 压水的作用下发生位移并诱发

26、突出； 如果注水压力过小，将起不到压裂效果，这 就相当于中高压煤层注水润湿。 注水孔间距回采工作面注水孔间距根据压裂钻孔的压裂半径而定。如果孔间距过小，则增加了钻孔和注水工作的施工量，同时在瓦斯抽放时容易抽出大量的水； 如果孔 间距过大，则可能存在注水空白带，即压裂孔的高压水不能有效地把瓦斯挤排到 抽放孔，影响压裂效果和瓦斯抽放效果。 注水量煤体润湿需要一定的水，如果单孔注水量过大，虽然容易把游离瓦斯挤排出 去，但增加了压裂工作的施工量和成本；如果注水量过小，可能影响压裂效果。 如果单位时间单孔注水量增大，则要求注水压力迅速增大，容易带来突出危险； 如果单位时间单孔注水量减小，贝U要求注水压力

27、降低，影响压裂效果。 注水速度注水速度是压裂工艺的一个重要参数， 如果注水速度太快，新裂隙还没有生 成，原有裂隙还没有扩宽并伸展，新老裂隙还没有沟通形成一个有效排泄瓦斯的 孔隙裂隙网，则影响挤排瓦斯效果；同时，注水速度过快，要求注水压力等相应 地增大。如果注水速度过低，要达到一定的注水量，则注水时间增长，这将影响 注水作业的进度，同时要求注水压力等相应地降低，可能起不到预期压裂效果。 钻孔长度钻孔长度取决于工作面长度、 煤层透水性、 钻孔方向以及钻孔施工技术与设 备等。钻孔长度应使工作面沿倾斜全长均得到压裂，没有注水空白带。 封孔深度与封孔方法封孔是实现孔口密封、 保证压力水不从孔口及附近煤壁

28、泄漏的重要环节， 是 决定煤层水力压裂效果好坏的关键。封孔深度也是水力压裂工艺的一个重要参 数，决定封孔深度的因素是注水压力、 煤层裂隙、沿巷道边缘煤体的破碎带深度、 煤的透水性及钻孔方向等， 一般封孔深度与注水压力成正比。 封孔深度应保证煤 层在未达到要求的注水压力和注水量前， 水不能由煤壁或钻孔向巷道渗漏。 如果 封孔深度过小， 封孔段的煤壁可能承受不了高压水的压力， 造成壁面外移， 可能 造成冒顶、 片帮等，增加了支护的难度， 甚至可能引发事故 ; 如果封孔深度过大， 则增加了封孔难度和封孔工作量， 同时压裂钻孔的长度也相应地增加， 这就增加 了钻孔的施工量和施工时间， 钻孔长度过长，

29、容易造成塌孔等现象， 影响钻孔的 施工成功率。 注水时间注水时间是影响压裂施工量和施工进度的一个参数， 煤体的润湿效果和裂缝 的扩宽伸展沟通特性是影响注水时间的重要因素。如果在相同注水压力情况下， 需要很长的注水时间才能达到效果， 则说明煤体的润湿效果和裂缝的扩宽伸展沟 通能力较差， 需要增加润湿剂和压裂剂等。 如果在相同注水压力情况下， 需要很 短的注水时间就能达到效果， 则说明煤体的润湿效果和裂缝的扩宽伸展沟通能力 较好，压裂半径可以增大，钻孔间距也可以相应地增大。（2）煤体内在因素煤体内在因素主要包括： 煤体内部的孔隙裂隙特征 （ 煤层孔隙裂隙的发育程 度 ） ，煤层的埋藏深度 （地压的

30、集中程度 ） ，煤的化学组份 （ 水与煤的湿润边角和 水的表面张力系数 ） ，瓦斯压力，煤层的顶底板状况。 煤体内部的孔隙裂隙特征 （ 煤层孔隙裂隙的发育程度 ） 。煤体是一种孔隙和裂隙都十分发育的双重介质。 二者共同构成了煤层水力压 裂时的渗透通道和瓦斯挤排通道。 在煤层注水压裂的过程中， 煤层孔隙裂隙发育 程度对煤体的均匀湿润、 物理力学特性的改变有重要影响。 压裂时， 水在压力作 用下以相当大的流速运动， 包围被裂切割的煤块， 同时缓慢地通过微小孔隙， 向 煤块内部渗透。 因此，煤体压裂效果不仅与煤的孔隙有关， 还直接受裂隙的影响， 裂隙不发育的煤体很难注水， 此时就需要较高的压力迫使煤

31、体产生新的裂隙和孔 隙。 瓦斯压力。煤层内的瓦斯压力是水力压裂时的附加阻力。 压裂时，水压克服煤体瓦斯压 力后所剩余的压力才是压裂时的有效压力， 因此，煤层内的瓦斯压力越大， 需要 的注水压力也越高，所以瓦斯压力的大小也影响煤体的渗透性能和注水压力。 煤的化学组份。煤的化学组份对煤层压裂效果的影响主要表现在： 不同化学组份的煤体被水 湿润的性质不同， 以致瓦斯被挤排的程度不同。 煤体的湿润能力取决于水与煤的 湿润边角和水的表面张力系数。 水与煤体的湿润边角大小反映了水分子与煤分子 的吸引力大小，吸引力越大湿润边角越小， 越易于注水，相反则难于注水。 因此， 降低水的表面张力可以提高煤体的湿润能

32、力， 提高注水速度。 如果在注水流程中 添加活性湿润剂 （ 压裂剂 ） ，降低水的表面张力， 能增强水在煤层中的渗透能力， 能解决水不能渗入煤体微裂隙等问题。 煤层的埋藏深度。随着埋藏深度的增加， 煤层承受地层压力也随之增加。 受压力影响， 裂隙被 压紧，裂隙容积降低，渗透系数也会随之降低。通常地应力大，注水压力必须克 服地应力，才能有效地使煤体扩宽伸展裂隙，形成有效的孔隙裂隙网。所以，煤 层压裂时注水压力必须大于地应力。 煤层的顶底板状况。 顶底板性质与水力压裂关系密切， 因此在水力压裂时， 还要考虑煤层顶底板是否允许注水及煤层能否注入水。 通常，顶底板岩石遇水若 严重膨胀、软化或脱层，危及

33、工作面支架稳定及安全，就不能进行水力压裂，甚 至不能采取水力化措施。15、煤层注水研究现状及影响因素分析水在不同孔隙中的运动形式也不相同，渗透运动是在大的裂隙和孔隙中发 生，毛细运动是在较小的孔隙中发生， 而分子扩散运动则是在煤的超微结构的孔 隙中发生。 其中每一种形式在空间和时间上都不是共存的。 其搬运水分的速度也 有很大的差别。 当向煤体注水时， 水首先是在裂隙和大孔中运动， 之后才在毛细 力的作用下进入较小的空隙中， 而在扩散作用下， 水才可能更深地进入煤的微孔 中。因此，煤层注水开始主要是在大的裂隙和孔隙中渗透， 而毛细运动和扩散运 动往往要在注水完毕后才继续完成，并且是在渗透运动已经

34、波及的容积中进行， 所以毛细运动和扩散运动不会扩大润湿区的范围， 而是水分的均匀分布。 只有当 能经常渗透裂隙和孔隙补给液体时，则可进一步增加煤的水分。16、静压和动压注水的区别由于煤物质具有可缩性和孔隙中气囊的可缩性的特性， 因此，采用不同的注 水方式和参数， 会导致不同的作用效果。 高压注水时， 可能使煤中裂隙和孔隙的容积以及煤的结构发生变化， 甚至造成煤的破裂和松动， 起到水力疏散煤体的作 用，使煤层近工作面部分的卸压和排放瓦斯。 低压注水时， 煤的结构不会发生明 显的变化，而煤体得到相当均匀的湿润。17、煤层润湿过程的实质 煤层的润湿过程实质上是水在煤层裂隙和孔隙中的运动过程， 是一个

35、复杂的 水动力学和物理化学过程的综合。 水在煤层中的运动可以分为压差所造成的运动 和它的自运动。压差所造成的运动是水在煤层中沿裂隙和大的孔隙按渗透规律流 动；自运动与注水压力无关， 它取决于水的重力和水与煤的化学的、 物理化学的 作用。自重使水在裂隙与孔隙内向下运动； 化学作用是水作用于煤层内的无机的 和有机的组分， 使之氧化或溶解； 物理化学作用包括毛细管凝聚、 表面吸着和湿 润等。压差和重力造成的水渗透流动，时间不长，范围不大，湿润效果不高，一 般只能达到10%40%。物理化学作用是煤层湿润的主导作用，可以持续很长时 间，并能使煤体均匀、充分地湿润，将湿润效果提高到 70%80%。此外，煤

36、层 注水破坏了煤体内原有的煤 -瓦斯体系的平衡， 形成了煤-瓦斯-水三相体系， 这个 体系内各个介质间发生着相互作用。水在煤层中的运动， 主要是注水压力、 毛细管力、和重力 3 种力综合作用克 服煤层裂隙面的阻力、孔隙通路阻力和煤层的瓦斯压力。注水后的煤层， 在回采及整个生产流程中都具有连续的防尘作用， 而其它防 尘措施则多为局部的。煤体注水湿润， 可使煤的力学性质发生明显变化， 煤的弹性和强度减少， 塑 性增大，从而使巷道前方的应力分布发生根本变化， 即高应力区向煤体深部转移， 应力集中系数减小。18、煤层注水的影响因素煤层注水技术是指用水预先润湿煤体减尘的方法， 即在煤层开采之前， 打若

37、干钻孔，通过钻孔向煤体注入水压，使其渗入煤体内部，增加煤尘水分，减少开 采时的产尘量； 或者将水灌入空采区及巷道内， 使水依靠自重及毛细管作用， 渗 入煤体减尘的方法。影响煤层注水的主要因素有以下几个方面：（1）煤层裂隙、孔隙的发育程度。煤层裂隙、孔隙的发育程度是影响煤层注水难易的首要因素。 在一般情况下， 裂隙发育、孔隙率高的煤层透水性强，水易于注入，注水压力较低。实践证明， 裂隙发育而质地疏松的煤层多采用低压注水就能取得良好的湿润效果。（2）上覆岩层压力及支撑压力。地压的集中程度与煤层的埋藏深度有关， 煤层埋藏越深则地层压力越大， 而 裂隙和孔隙变得更小， 导致透水性能降低。 因而随着矿井

38、开采深度的增加， 要取 得良好的煤体湿润效果，需要提高注水压力。（3）煤的坚固性。煤的坚固性系数 f 较大，煤的透气性好，易于注水；反之，则难以注水。但 对于那些有夹矸、极松软且遇水易膨胀的煤层，虽然 f 很大，却反而不易注水。（4）煤的湿润性。煤层的湿润能力是指煤体与水接触时是否容易被水所湿润。 它表现在煤体孔 隙对水的毛细作用力大小和水对细粒煤尘的粘合能力强弱， 这都决定于水与煤的 湿润边角和水的表面张力系数。 水与煤的湿润边角大小反映了水分子和煤炭分子 间的吸引力大小，吸引力愈大则湿润边角愈小，愈易于湿润。相反，如水分子之 间的吸引力增大，即水分子和煤炭分子间的吸引力减小， 水的表面张力

39、系数增大， 则湿润边角变大，使煤尘难于湿润。（5）煤层内的瓦斯压力。煤层内的瓦斯压力是注水的附加阻力， 水克服了瓦斯压力的阻力后所剩余的 压力才是注水的有效压力。 显然， 在瓦斯压力较大的煤层， 为了取得相同的注水 流量，需要提高注水压力，从而增加了注水的困难。在低瓦斯矿井，瓦斯含量和 瓦斯压力都很小， 瓦斯压力的影响可以不予考虑； 而在高瓦斯矿井， 瓦斯压力往 往高达数十个大气压，这就成为注水的主要影响因素之一。在我国许多矿井中 煤层透气性差， 瓦斯压力大， 在这些难以抽放瓦斯的煤层中进行注水时， 通常都 采用中、高压注水。19、高压预裂波动式注水高压预裂波动式注水就是在不压裂煤层的条件下，

40、 通过高压水在煤层内部形 成“水击”现象，迫使煤层内部原有的封闭裂隙相互沟通或直接在煤层内形成新 的裂隙网，即在煤层内部形成可使水渗透到煤体内部相互关联的孔隙裂隙网。 当注水压力有明显降低时， 可认为波动高压水己在相当程度上强制沟通了煤层原 有裂隙网或在一定范围的煤层内部形成新的裂隙网，此时，逐步降低注水压力， 直至静压注水压力； 当静压注水量明显降低或煤层注不进水时， 再将注水压力逐 步上调，注入煤层内部，在煤层内部形成新的“水击”现象，尔后再次逐步形成 静压水润湿煤体。如此反复，直至煤层注水工作结束。20、煤层注水润湿煤体的微观分析煤层可以被认为是孔隙介质组成的煤块群和裂隙系统组成的孔隙裂

41、隙结 构。从微观上看，水注入煤体后，在裂隙中，水为渗透层流运动，而在小煤块的微孔隙中，是毛细和扩散运动，并且两者之间有强烈的能量传递。(1) 水在互通裂隙中的渗透运动。从微观上讲，水在互通裂隙中的渗透可用单维渗透来描述， 根据质量守恒定 律和达西定律得：.一Ani d m ichvr; =" a? = "77 = d 一佝)v = - 5( ”) gradp式中：；为水在煤体中的渗流速度，m人；为渗透 时间”迅用为煤层中注水时的水量.kg; 川为煤 体中水分增量(与原始水分之差几 炖;P为裂隙 中液体的圧力，15；內为被包鬧煤块中水压.Pa;(为确定煤块边界渗透性条数；6

42、(“)为与孔裂隙 中水斥有关的渗透性系数。(2) 水在孔隙和微孔隙中的毛细运动。水的毛细运动是在孔隙直径从10一710一6 m到较小一些的孔隙中发生，在这些孔隙中，重力和水的性质(表面张力和湿润角)对在毛细管中的运动起很大作用。水在孔隙中的毛细运动，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|:可肓厂小昭 ” 一 Trr'pxsin d式中：x为水沿毛细管运动的距离，m；卩为液体的动力黏度，Pa - s； p为液体的密度，kg /m 3； g为

43、重力加速度，m/s2 ;8为煤体湿润角，(° ); r为 毛细管半径，m；n为水的表面张力系数（3）水在微孔隙中的扩散运动。当水由湿润性强的区域向湿润性较差而曲 率又较小的区域作扩散运动时，扩散运动是单维的，用下式描述：d飞叫.t；=（）（A ） /J ta i' r a 7其中：Amk为扩散后煤中水分的增量，kg; K为扩散系数。因此，煤层注水 湿润煤体，使水分增加，就由裂隙中渗透、压差、毛细和分子扩散运动几部分的 水分增量组成。21、煤层注水防尘理论技术研究的发展趋势煤层注水理论和技术在矿井防尘中得到了广泛的应用，对井下粉尘浓度的控 制起到了重要作用，但还是存在一些问题，今后应在以下4个方面加强研究。1）先进技术手段在煤层注水研究中的应用， 特别是超声测量技术、岩体CT、 地震波测定方法等先进手段应用到注水防尘研究和效果考察方面。2）对煤体中裂隙性质研究尚未充分分析地质构造、煤体应力状态、煤体损 伤破坏机制等因素的影响。3）进一步完善煤层注水双重孔隙介质理论及模型研究，特别是对裂隙中的 流体渗流进行了深入研究。4）加强理论研究与工程实践的