煤层注水知识点(煤层注水很重要)

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+cp）式中： K渗透系数， m/d；体积应力， =x+y+z，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：c=a-bWcE=a/Wc-b E=a-bp 式中： c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 1m 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( R 1+ 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，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：Fe1= 0( U2R) / a2式中， 0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q1 和 q2 时，其库仑力为：Fe2= q1q2/ 40 ( R1+ R2+ a) 2 （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= 2R sin(+) sin+ R / 2 ( 1/ r 1) -( 1/ r 2) sin2 式中， 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。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 Young 方程sg=sl+lgcos式中， sg为气固界面能；lg为液体表面自由能；sl为固液界面自由能。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。水对煤的湿润边角是反映水分子与煤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 = sg- sl=Wi和-G =sg- sl- lg=S可得 S=Wi- lg，说明若要铺展系数S 大于 0，则 Wi必须大于 lg。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 =sg- sl因上述各式中的sg 和sl 尚难直接测算。所以根据液体润湿固体时力的平衡关系（见图3-6） ，得到下式：sg=sl+lg?cos此式即为著名的Young 方程。式中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。根据上述各式可以得出：Wa=lg?( cos +1) A= Wi =lg?cosS=lg?(cos- 1) 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 <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， 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90°时，水难以在煤体表面铺展，煤体不易润湿，属于不易润湿煤体，角愈大，润湿能力愈小。根据以上讨论， 自发进行的润湿过程的润湿功必须为正，因此判别各种润湿过程的判据为：沾湿润湿Wa0，即 90°180°；浸湿润湿A0，即90°；铺展润湿S0，即=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 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。8、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 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