煤層注水知識點(diǎn)煤層注水很重要

1、短孔注水(分段注水)知識點(diǎn)1、煤層注水力學(xué)特性(1)水力學(xué)特性分析對煤層的注水效應(yīng)主要取決于煤體對水的滲透特性,煤體對水所遵循的滲透系數(shù)規(guī)律為：K=aexp(-bO+cp)式中：K滲透系數(shù),m/d;0體積應(yīng)力,0=(Tx+(Ty+(Tz,Mpa；P孔隙壓,Mpaab、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,下降幅度根本符合以下關(guān)系式：erc=a-bWcE=a/Wc-bE=a-bp式中：(rc單軸抗壓強(qiáng)度,

2、Mpa；Wc煤體飽和含水率,;E彈性模量,Mpa；P孔隙水壓,Mpa；ab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)變能忽然釋放導(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外表時(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)的水平,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)局部.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

3、極細(xì)微的孔隙中都有水注入,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.當(dāng)煤體在開采中受到破碎時(shí),由于水的存在消除了細(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,到達(dá)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?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)外表的特性,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

4、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=-AR1R2/6h2R1+R2式中,h為兩塵粒間距；R1,R2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、外表狀況變化,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Fa為：Fe1=0兀U2R/a2式中,0為氣體的介電常數(shù)；a為兩球

5、形離子外表間距離；R為球形塵粒半徑；U為塵粒間接觸電位差.塵粒間庫侖力Fe2當(dāng)兩塵粒帶電量分別為qi和q2時(shí),其庫侖力為：Fe2=qiq2/4兀0(Ri+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)壓力和外表張力引起的附著力組成,其表達(dá)式為：Fl=2兀R6sin(a+9)sina+R/2(1/r1)-(1/r2)sin2a式中,a為氣體界面張力；其余符號如圖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,但在枯燥塵流和濕潤塵流中起主導(dǎo)作用的作用力不同,枯燥情況下,塵粒間不存在液橋力,起主導(dǎo)作用的是

6、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)量的量級比擬塵粒粒徑/靜電范德華液橋自身重Pm力/N力/N力/N量/N0J6xIO-154x1Q-12L7xIO-s5xIO3516x10-134x|0-11L7xIO-75xIO-15106x10-114x10-0L7xIO-65x10-121006x4x|0一91.7xIO-55xi(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,具沉降速度加快,有利于煤塵災(zāi)害的治理.4、煤體濕潤特性分析(1)煤塵濕

7、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穿封閉狀態(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)Young方程丫sg=丫sl+丫IgCOS0式中,Tsg為氣固界面能；丫lg為液體外表自由能；丫sl為固液界面自由能.8為液體對固體的接觸角,是氣、固、液3相交界點(diǎn)沿液滴外表引出的切線與固體外表的夾角,在水煤體系中常稱為濕潤邊角,如圖2所示.范德華力使煤塵外表有吸附氣體、蒸汽和液體的水平.塵粒顆粒越細(xì),比外表積越大,單位質(zhì)量煤塵外表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

8、性.當(dāng)液滴與塵粒外表接觸,除存在液滴與塵粒外表吸附力外,液滴尚存在自身的凝聚力,兩種力量平衡時(shí),液滴外表與煤塵外表間形成濕潤角,表征煤塵的濕潤水平.如圖3所示.hS圖2接觸角示意圖3水對煤塵的濕潤邊角水對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外表濕潤的難易和毛細(xì)作用的大小.煤層的濕潤水平表現(xiàn)在煤體孔隙對水的毛細(xì)作用大小和水對細(xì)粒煤塵的粘合水平強(qiáng)弱,其決定于水對煤的濕潤邊角和水的外表張力系數(shù).在相同的外表張力系數(shù)條件下,濕潤邊角8V900時(shí),水容易在煤體外表鋪展,煤體易于濕潤,屬易濕潤煤體,8越小,毛細(xì)作用力那么越大,增強(qiáng)了注水動力,煤體的濕潤水平越強(qiáng)；反之,

9、9?900時(shí),水難于在煤體外表鋪展,煤體不易濕潤,8越大,煤體的濕潤水平越差.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,那么難于濕潤.5、煤層注水降塵機(jī)理通過對塵流中單個(gè)塵粒的運(yùn)動特性和塵粒間作用力的分析,煤層注水治理煤塵災(zāi)害表達(dá)在3個(gè)方面：(1)濕潤煤塵間主作用力是液體橋聯(lián)力,而液體橋聯(lián)力促使?jié)駶檳m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根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

10、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)水平,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.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.對于兩個(gè)很靠近的外

11、表,氣體也會在其中凝聚,如果凝聚的液體與外表有較好的潤濕性(接觸角900),兩外表相距為某一臨界距離時(shí),會產(chǎn)生液相橋而將兩外表沾在一起.毛細(xì)管力是一種比擬大的外表力,一些很細(xì)的粉體,在枯燥環(huán)境中能自由地相對滑動,表現(xiàn)出很好的流動性,一旦環(huán)境濕度較大,粉體外表吸附水氣并產(chǎn)生毛細(xì)力,它們立即粘結(jié)成塊.7、水在媒體中的運(yùn)動過程1液態(tài)水在煤體中的運(yùn)動過程液態(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)動的動力主要有兩種,一是孔口的注水壓力,是外在動力；另一種是煤層中裂隙、孔隙對水的毛細(xì)作用力,是內(nèi)在動力.兩種動力矢量和即為注水的動力.煤層孔隙的毛細(xì)作用力那么取決于孔隙的直徑、水的外表張力、水對煤

12、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,原生裂隙通道只占全部裂隙的極少局部,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,煤體最終到達(dá)均勻潤濕所吸收的就是這局部水.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局部.隨進(jìn)水程度增大,煤層水分

13、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)通道流動的同時(shí),各類細(xì)微孔裂隙孔隙直徑小于10nm內(nèi)外表被潤濕或經(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)已根本消耗盡,而毛細(xì)作用力相對增大.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(-AG)應(yīng)為：-AG=ysg+y1g-ysl=

14、Wa式中：Ysg為氣-固界面自由能；Y1g為液體外表自由能；Ysl為固-液界面自由能.Wa稱為粘附功,是沾濕過程體系對外所能做的最大功,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.Wa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,而液體外表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：Wi為浸潤功,它反映液體在固體外表上取代氣體的水平；Wi是浸潤過程能否自動進(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)

15、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：-AG=ysg-Ysl-Y1g=S式中：S為鋪展系數(shù).性I3-5鋪展過程在恒溫恒壓下,S0時(shí)液體可以在固體外表自動展開.連續(xù)地從固體外表上取代氣體,只要用量足夠,液體將會自行鋪滿固體外表.由式-AG=丫sg-Ys1=Wi和-AG=Ysg-Ysl-Ylg=S可得S=Wi-丫1g,說明假設(shè)要鋪展系數(shù)S大于0,那么Wi必須大于Ylg.Wi表達(dá)了固體與液體間粘附的水平,又稱粘附張力,用A表示：A=Ysg-ysl因上述各式中的Tsg和丫卬尚難直接測算.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

16、下式：ysg=ysl+ylg?COs0此式即為著名的Young方程.式中8稱作液體對固體的接觸角,是氣、固、液三相交界點(diǎn)沿液滴外表引出的切線與固體外表的夾角.九s七圖3-6接觸角示意圖根據(jù)上述各式可以得出:Wa=ylg?COs什1A=Wi=Ylg?COs0S=Ylg?(cos81)水對煤的潤濕邊角反映水分子與煤大分子之間吸引力大小.水對煤的潤濕邊角如圖3-7所示.潤濕邊角80,即900,即90,即8=0.綜上所述,液體對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9的大小直接測定.水對煤體的潤濕過程是這三種潤濕過程綜合作用的結(jié)果.8、煤層次生裂隙注水煤體的次生裂隙就是煤體

17、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的水平?jīng)Q定于煤層微觀孔隙特征、煤階特性和宏觀滲流水平,其中微觀孔隙特征決定了煤層的毛細(xì)吸滲水平,而煤階特性決定了煤對水的吸附水平,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水平.10、注水工藝過程(1)工作面打鉆孔,鉆孔深多少,直徑多少.(2)將中間卷的注水管路和工作面的液壓管路連接,并檢查管路和封口

18、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,保證水箱的水量滿足注水量；對注水設(shè)備進(jìn)行調(diào)試,開啟液壓泵,翻開出水閥,調(diào)節(jié)封口器前端的調(diào)壓裝置,使液壓泵的壓力表到達(dá)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,翻開卸壓閥,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,沖刷干凈預(yù)防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.

19、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)行全水分測定,并與注水前煤的全水分進(jìn)行比照.結(jié)果說明,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,在不采取任何降塵舉措的情況下分別測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)理分析水力壓裂的根本原理是將高壓水(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

20、),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,增加煤層相互貫穿裂隙的數(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隔角瓦斯超限次數(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

21、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.當(dāng)注入的水充滿現(xiàn)有裂隙后,水流動受到阻礙,由于煤體滲透性較低,導(dǎo)致水流量降低,壓力增高而積蓄勢能；當(dāng)積蓄的勢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,勢能轉(zhuǎn)化為動能,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

22、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限制,一般通過試驗(yàn)加以確定.研究說明：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、鉆孔長度、封孔方法與封孔長度、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

23、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)果說明,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)注水壓力到達(dá)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)部形成大的貫穿裂縫網(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,那么增加了鉆孔和注水工作的

24、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,那么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本錢；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,那么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,那么要求注水壓力降低,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,新老裂隙還沒有溝通形成一個(gè)有效排泄瓦斯的孔隙裂隙網(wǎng),那么影響擠

25、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,要到達(dá)一定的注水量,那么注水時(shí)間增長,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.鉆孔長度鉆孔長度取決于工作面長度、煤層透水性、鉆孔方向以及鉆孔施工技術(shù)與設(shè)備等.鉆孔長度應(yīng)使工作面沿傾斜全長均得到壓裂,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、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

26、正比.封孔深度應(yīng)保證煤層在未到達(dá)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,那么增加了封孔難度和封孔工作量,同時(shí)壓裂鉆孔的長度也相應(yīng)地增加,這就增加了鉆孔的施工量和施工時(shí)間,鉆孔長度過長,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,需要很長的注水時(shí)間才能到達(dá)效果,那么說明煤體的潤濕效果和裂縫的擴(kuò)寬伸

27、展溝通水平較差,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)間就能到達(dá)效果,那么說明煤體的潤濕效果和裂縫的擴(kuò)寬伸展溝通水平較好,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外表張力系數(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程中,煤層孔隙裂隙發(fā)育程度對煤體的均勻濕潤、物理力學(xué)特性

28、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,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.煤體的濕潤水平

29、取決于水與煤的濕潤邊角和水的外表張力系數(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,相反那么難于注水.因此,降低水的外表張力可以提升煤體的濕潤水平,提升注水速度.如果在注水流程中添加活性濕潤劑壓裂劑,降低水的外表張力,能增強(qiáng)水在煤層中的滲透水平,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

30、.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石遇水假設(shè)嚴(yán)重膨脹、軟化或脫層,危及工作面支架穩(wěn)定及平安,就不能進(jìn)行水力壓裂,甚至不能采取水力化舉措.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)動形式也不相同,滲透運(yùn)動是在大的裂隙和孔隙中發(fā)生,毛細(xì)運(yùn)動是在較小的孔隙中發(fā)生,而分子擴(kuò)散運(yùn)動那么是在煤的超微結(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.具搬運(yùn)水分的速度也有很大的差異.當(dāng)向煤體注水時(shí),水首先是在裂隙和大孔中運(yùn)動,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.

31、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)動和擴(kuò)散運(yùn)動往往要在注水完畢后才繼續(xù)完成,并且是在滲透運(yùn)動已經(jīng)涉及的容積中進(jìn)行,所以毛細(xì)運(yùn)動和擴(kuò)散運(yùn)動不會擴(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),那么可進(jìn)一步增加煤的水分.16、靜壓和動壓注水的區(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,起到水力疏散煤體的作用,使煤層近工作面局部的卸壓和排放瓦斯.低壓注水時(shí),煤的結(jié)構(gòu)不會發(fā)生明顯的變化,而煤體得到相當(dāng)均勻的濕潤

32、.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)動過程,是一個(gè)復(fù)雜的水動力學(xué)和物理化學(xué)過程的綜合.水在煤層中的運(yùn)動可以分為壓差所造成的運(yùn)動和它的自運(yùn)動.壓差所造成的運(yùn)動是水在煤層中沿裂隙和大的孔隙按滲透規(guī)律流動；自運(yùn)動與注水壓力無關(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；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、外表吸著和濕潤等.壓差和重力造成的水滲透流動,時(shí)間不長,范圍不大,濕潤效果不高,一般只能到達(dá)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)很長時(shí)間,并能使煤體均

33、勻、充分地濕潤,將濕潤效果提升到70%80%.止匕外,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,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,而其它防塵舉措那么多為局部的.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

34、開采之前,打假設(shè)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)踐證實(shí),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),煤層埋藏越深那么地層壓力越大,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

35、的增加,要取得良好的煤體濕潤效果,需要提升注水壓力.(3)煤的鞏固性.煤的鞏固性系數(shù)f較大,煤的透氣性好,易于注水；反之,那么難以注水.但對于那些有夾什、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.煤層的濕潤水平是指煤體與水接觸時(shí)是否容易被水所濕潤.它表現(xiàn)在煤體孔隙對水的毛細(xì)作用力大小和水對細(xì)粒煤塵的粘合水平強(qiáng)弱,這都決定于水與煤的濕潤邊角和水的外表張力系數(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,吸引力愈大那么濕潤邊角愈小,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,水的外表張力系數(shù)增大,那么濕潤邊角變大,使煤塵

36、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,需要提升注水壓力,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)裂波動式注水通過高壓水在煤層內(nèi)部形高壓預(yù)裂波動式注水就是在不壓裂煤層的條件下,成“水擊現(xiàn)象,迫使煤層內(nèi)部原有的封閉裂隙相

37、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)的孔隙一裂隙網(wǎng).當(dāng)注水壓力有明顯降低時(shí),可認(rèn)為波動高壓水己在相當(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,此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,而在小煤塊的微孔隙中,是

38、毛細(xì)和擴(kuò)散運(yùn)動,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.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)質(zhì)量守恒定律和達(dá)西定律得：式中：為水在煤體中的滲流速度,皿心；為滲透時(shí)間,k；為煤層中注水時(shí)的水量,kg;A/為煤體中水分增量(與原始水分之差),原；為裂隙中液體的壓力,Pa：外為被包圍煤塊中水壓,Pa;?為確定煤塊邊界滲透性系數(shù)；3()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.水的毛細(xì)運(yùn)動是在孔隙直徑從107106m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)(外表張力和濕潤角)對在毛細(xì)管中的運(yùn)動起很大作用.水在孔隙中的毛細(xì)

39、運(yùn)動,由能量方程得：九r2pw(dx/dt)2+兀r2pwx(d2x/dt2)+8以兀xdx/dt=24九rcos0一九r2pwxgsin02z22*1Vol.7TK-)+pXr+X/z77X-=H(1/山門*os0-0式中：x為水沿毛細(xì)管運(yùn)動的距離,m；11為液體的動力黏度,Pas；Pw為液體的密度,kg/m3;g為重力加速度,m/s2；9為煤體濕潤角,();r為毛細(xì)管半徑,m；刀為水的外表張力系數(shù).(3)水在微孔隙中的擴(kuò)散運(yùn)動.當(dāng)水由濕潤性強(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)動時(shí),擴(kuò)散運(yùn)動是單維的,用下式描述：d/4八=8(K)/()1a/ax其中：Amk為擴(kuò)散后煤中水分的增量,

40、kg;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)動幾局部的水分增量組成.21、煤層注水防塵理論技術(shù)研究的開展趨勢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,對井下粉塵濃度的限制起到了重要作用,但還是存在一些問題,今后應(yīng)在以下4個(gè)方面增強(qiáng)研究.1)先進(jìn)技術(shù)手段在煤層注水研究中的應(yīng)用,特別是超聲測量技術(shù)、巖體CT、地震波測定方法等先進(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,特別是對裂隙中的流體滲流進(jìn)行了深入研究.4)增強(qiáng)理論研究與工程實(shí)踐的結(jié)合.煤層注水