煤层注水相关知识
煤层注水相关知识1、高压预裂波动式注水就是在不压裂煤层的条件下，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，然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。2、注水压力。由于 XX 煤矿煤层赋存条件复杂， 一般在自然条件下难以渗透，故注水时应施加一定压力，才能将水有效的渗透到煤体中。煤层的渗透性一般随注水压力的增加而增加，但随围压压力水平的升高，渗透系数的增长越来越慢。3、注液的表面张力。湿润是一种界面现象，即由湿润界面能的存在而产生。固体的界面能越小，则表示其越容易被液体所湿润，水的表面张力与煤的湿润界面能的关系可用下式表示：W =1(1+cos)式中：W 煤体湿润单位面积界面能；1为湿润液的表面张力；为煤和湿润液体的接触角。由上式可见， 注入液的表面张力越小， 则越容易湿润煤体。 （加入添加剂或者湿润剂目的是改变水的表面张力，减少水的表面张力，增加煤体的湿润性能） 。4、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体注水难易的首要因素。XX 煤矿 X#煤可注水孔隙率仅为 XX%，裂隙发育较差，煤层透水性低，水不易于注入， 因此注水压力较高。5、煤层的埋藏深度与地压的集中程度。煤层由于埋藏深度不同所承受的地层压力也不同，从而使煤层内各裂隙的严密程度及微孔隙容积的压缩程度有很大的差异。因此，埋藏深度或在开采时地压的集中程度成为影响煤层注水难易的主要因素之一。煤层承受的地层压力一般用上覆岩层的静水压力计算，它和埋藏深度成正比，煤层埋藏越深，工作面地应力越大，煤层注水难度越高。6、煤层的物理力学性质。煤的硬度、强度、韧性和脆性等物理力学性质对注水均有影响。XX 煤矿煤炭普氏硬度系数 f =XX， 属于较硬煤质，且煤质呈现弱油性，不易与纯水接触渗透。7、水进入煤体后，被湿润的煤体降低了产生浮游煤尘的能力。水的降尘作用分以下 3 个方面：湿润了煤体内的原生煤尘；有效地包裹了煤体的每一个细小部分；改变了煤体的物理力学性质。8、湿润剂的作用：湿润剂是由亲水基和疏水基 2 种不同性质基团组成的化合物，湿润剂溶于水中时，其分子完全被水分子包围，并在水溶液表面形成紧密的定向排列层，即界面吸附层，由于存在界面吸附层，导致水的表面张力降低，同时朝向空气的疏水基与粉尘粒子之间有吸附作用，而把尘粒带入水中，得到充分湿润。9、选择使用定量泵来进行表面活性剂的添加工作，通过 1 台定量泵将湿润剂原液或稀释后的水溶液压入到防尘供水管路中的 1 个暂时的储水箱中进行混合，通过调节定量泵与供水管路中的流量使混合后的湿润剂溶液满足既定的浓度需求。10、注水钻孔超前工作面 10 m 时，停止注水，此时距离工作面最近的静压区注水孔转为动压区注水方式注水，依次接替。当注水流量较小甚至为 0 或者出现漏水、出汗等情况，可暂停注水，待煤体被水充分润湿后再行注水。11、煤层注水效果考察：煤层注水量、降尘效果（测尘说明） 、煤层含水量、防治冲击地压效果（SOS 微震监测系统对煤层注水以来工作面的矿震次数及释放能量进行监测） 、降温效果（为了检验煤层注水的降温效果，测定了煤层注水前后工作面中部、回风隅角和回风流 3 个地点的温度） 。12、高压脉动水力锤击煤层注水技术煤层注水具有显著的“三防”效果，但诸多注水方式并不是对所有煤层都适用，特别是对低透气性煤层。目前的煤层注水系统一般采用井下静压注水或高压水泵加压注水。静压注水对于透气性较好的煤层效果良好，但静压水的压力有限，不适用于透气性较差的煤层。采用高压水泵加压注水虽然拓宽了常压注水的适用范围，但水泵提供的压力也是有限的，对于透气性很差的煤层，也难以达到理想的效果。同时注水泵的压力越高，设备的运行、维护和管理要求也越高。无论采用何种注水方式，如何快速、有效地将水注入煤体中是“煤层注水”成败的关键。高压脉动水力锤击煤层注水技术，是针对低透气性煤层注水难的现状而出现的一种新型煤层注水技术，具有压力高、脉动特性、实施简单等特点，经试验验证，对低透气性煤层具有显著的湿润降尘效果。具体的实施过程如下：将1 套可以产生高压脉动水力锤击的装置通过水管接到静压注水管路上，同时也利用此静压水作为动力驱动高压脉动水锤装置工作。该装置激发“水锤” ，即水的瞬时高压波以“不可压缩”的水为“导体”快速传播到煤层中，煤层裂隙通道内水压瞬时升高产生应力冲击波，对煤层裂隙产生振动和冲击，煤体在这种冲击压力的作用下会加速裂隙的扩展，同时增加裂隙之间的连通，形成一个相互交织的多裂隙连通网络，使煤层的湿润效果得到改善。高压脉动水产生装置是一种新型的脉动水锤发生器，正常工作时可以产生具有一定周期的高压脉动波。通过实验室测定，其在供水压力 4 MPa 下，最高可以产生峰值压力为 15 MPa 的水力脉动波。通过对该装置的调节，可以实现不同的峰值压力和不同的脉动周期，以更好地满足不同透气性煤层的注水要求。将高压脉动水力锤击注水过程分解为静压注水和脉动注水 2 个过程：首先，水在静压力的作用下充满煤体原有裂隙通道，并使煤体初步膨胀变形，水在煤体内形成连续相，随着煤体内注水阻力的增加使静压力不足以克服时，形成注水压力与注水阻力的动态平衡。此时通过高压脉动注水对煤体产生应力冲击波，对原有的力学平衡产生扰动，微观上煤体裂隙进一步扩展延伸，使注水得以继续，这一过程很短；宏观上则表现为连续的高压脉动作用。脉动水力锤击作用煤体的实质在于瞬时的高压应力冲击波在煤体各种弱面内对其壁面的冲击作用，使弱面发生张开、扩展和延伸，在弱面张开度增大的过程中，其张开壁面的切向拉应力增加。当水压力大于与此相连的次级弱面的壁面之间的黏聚力和相应切线方向的原始应力之和时，在该位置处发生次级弱面起裂，具有高压脉动特点的压力水以脉冲的形式不断冲击煤体的次级裂隙，使其发生上一级弱面所经历的扩展延伸过程。依此规律反复发展下去，直至达到煤分层中的微小裂隙。这种分割过程一方面通过弱面的张开和扩展增加了裂隙等弱面的空间体积，另一方面通过裂隙等弱面的延伸增加了裂隙之间的连通，从而形成一个相互交织的多裂隙连通网络。正是由于这种裂隙连通网络的形成，提高了煤层的渗透率，使煤层的湿润效果得到了改善。参考：高压脉动水力锤击煤层注水技术研究“矿业安全与环保”13、平均吨煤注水量大于 20L，或者注水后煤体水分平均增加 2%以上时，可以获得较好的注水效果。理想增量为 5%，不宜>6%，含水分过高对煤质和运输有影响。14、低压为小于 2.5 MPa；中压为 2.58.0 MPa；高压为大于 8.0 MPa。我国目前煤层注水实际使用的水压最高不超过 15.0 MPa，其中大多属于中、低压注水。15、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。在瓦斯较大的煤层中，瓦斯压力阻止水的运动， 是不可忽略的注水阻力，因此煤层注水时水的运动动力是这三种力的合力。16、水在煤体中的运动过程。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。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。随进水程度增大，煤层水分趋于饱和，进水程度大大减弱。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 10-8 m) 以较低的流速吸附渗流通道的水，形成吸附水过程，这一过程主要是毛细孔隙起的作用。在细微孔隙中，注水压力在这些孔道中已消耗尽，而毛细作用力增大。吸附过程以时间影响为主要因素，时间越长，吸附作用的影响越突出，吸附的水量越大。17、煤层注水润湿过程是典型的非饱和到饱和的渗透过程，以非饱和状态为主，是压力渗流、毛细和扩散三种运动共同作用的结果，但起的作用不同，其作用结果都有利于渗透。18、煤体润湿包括沾湿、浸湿和铺展过程：煤体沾湿过程。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。浸湿过程。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。铺展过程。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。19、润湿边角： 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，在水煤体系中常称为湿润边角。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。参考：煤层注水过程分析和煤体润湿机理研究“安全与环境学报”20、水在煤层中的渗透是非线性的，具有跳跃式变化的特性。当注水压力提高到一定数值时，水量就很快增加，其原因在于压力水使煤层裂隙通道打开、煤层离层，或基于封孔质量的原因，结果都可能使其渗透性能跳跃式地增加。21、动压注水过程（压力、流量等随时间的变化）：注水开始时（t1） ，注水压力较小，一般为 02Mpa，注水流量为1518L/min。钻孔充满水之后（t2，视钻孔长度、直径确定， XX 工作面需XXmin） ，注水流量迅速下降至 35L/min，说明煤层钻孔孔壁密实，导水裂隙没有打开，此时注水压力开始上升，一般可达 5Mpa 左右。t3 时，煤体裂隙逐渐打开，注水压力缓慢下降至 3.54Mpa，流量上升至 78L/min。这一阶段可称为注水初始阶段，注水压力、流量变化较大，反映了试验煤层难注水的特点和裂隙导水的过程。从 t3 到 t4，压力、流量逐渐稳定，压力保持在 3.54Mpa，波动不大，流量保持在 10L/min 左右。这一阶段称为注水高峰期，注水压力不高，波动较小，注水流量较高，但持续时间较短，XX 工作面一般为 23h 左右。这说明试验煤层可以实现注水，但高峰注水时间较短，其原因在于大的导水裂隙不发育，渗透距离较近，渗透半径小，孔隙充水后，因湿润性差，孔隙水压衰减快，孔隙水打开新裂隙能力受到限制。从 t4 到 t5，随高峰注水期的结束，水在煤体内运动阻力增大，压力自动上升，流量变小，注水进入试验煤层的难注水阶段。该阶段，压力持续升高，可达 67Mpa，流量变化不大，一直维持在 45L/min。该阶段最容易发生跑水现象。从 t5 到 t6，注水压力持续升高，至 78Mpa 时，煤层出现水力离层现象或基于封孔质量的原因，注水进入异常期，注水压力急剧下降，流量迅速升高，出现孔口跑水或沿大裂隙通道跑水现象。参考：煤层注水试验及效果分析“矿业安全与环保”22、湿润剂的特点：凡在低浓度范围内，能使溶液的表面张力显著降低，并使溶质在表面上浓度较内部浓度大的物质，称为表面活性物质。湿润剂是表面活性物质的一类。表面活性物质有两个共同的特点， 一是化学结构上的两亲分子， 即分子的一端亲水，称为亲水极性基，另一端亲油或亲气，称为憎水的非极性； 二是溶液表面层状态上分子的定向排列，即亲水的一端插
