煤层注水知识点煤层注水很重要.docx

1、煤层注水知识点煤层注水很重要煤层注水知识点(煤层注水很重要)作者：日期：短孔注水（分段注水）知识点1、煤层注水力学特性()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 xp（-bcp)式中：K渗透系数,d；体积应力,=x+y+z,Mpa；孔隙压,a；a、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。（)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：=a-Wc E=/c-b E=a-

2、bp式中:c单轴抗压强度,pa；Wc煤体饱和含水率,%；E弹性模量,Mp;P孔隙水压,Mpa；、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

3、、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

4、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,范德华力表达式为:M = - AR1R2 62(R1+ 2) 式中，h为两尘粒间距;,R2为尘粒半径；A 为哈马克常数(make）。(2）静电力Fe电位差引起的静电力e1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( ),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e1为:Fe1= ( U2)

5、/ 2式中，0为气体的介电常数;a为两球形离子表面间距离; 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：e2= q1q2/ 40( R1+R2+a)2（）液体桥联力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= 2R in（+) sin+R/ 2 ( 1/1) ( 1/ r 2) si2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 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

6、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oun 方程sgsl+lgs式中，g为气固界面能；lg为液体表面自由能;s为固液界

7、面自由能。为液体对固体的接触角,是气、固、液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

8、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 90时，水容易在煤体表面铺展，煤体易于湿润,属易湿润煤体,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,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：( )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

9、，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m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

10、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 sl=Wi和 =gsllg=S可得SWg，说明若要铺展系数S大于 0，则必须大于lg。W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 =gs因上述各式中的sg和

11、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-),得到下式:sg=sl+lgcos此式即为著名的oung 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(s+1)= Wi =lgosS=l(cos1)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37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,

12、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 90180；浸湿润湿 A0,即0；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。、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

13、响煤层注水难易程度的首要因素。、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。1、注水工艺过程（) 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。() 将封孔器放入钻孔内,距眼底0.

14、m 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。X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

15、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

16、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

17、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。4、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

18、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

19、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

20、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,则要求注水压力降低,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

21、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，

22、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,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)

23、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

24、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

25、力可以提高煤体的湿润能力，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,危及工作面支架稳定及安全

26、,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