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1、短孔注水(分段注水)知識(shí)點(diǎn)1、煤層注水力學(xué)特性(1) 水力學(xué)特性分析 對(duì)煤層的注水效應(yīng)主要取決于煤體對(duì)水的滲透特性, 煤體對(duì)水所 遵循的滲透系數(shù)規(guī)律為:(©)式中:K滲透系數(shù),;©體積應(yīng)力,®= (T; (T Z ,P 孔隙壓,;a、b、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(shuō)明煤層注水對(duì)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(duì)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, 下降幅度基本符合以下關(guān)系式:式中:T C 單軸抗壓強(qiáng)度;煤體飽和含水率, %;E 彈性模

2、量,;P 孔隙水壓,;a、b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)變能突然釋放導(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(guò)裂隙進(jìn)入孔隙并吸附在孔隙表 面時(shí),表現(xiàn)為三方面的降塵作用:(1)濕潤(rùn)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(rùn),使 其失去飛揚(yáng)的能力, 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)部分。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,而且在極細(xì)微的孔隙中都有水

3、注 入,甚至在1 m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(lái)。 當(dāng)煤體在開(kāi)采中受到破碎時(shí), 因?yàn)樗拇嬖谙?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(rùn), 達(dá)到預(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(rùn)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)樗苄孕巫儯?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)表面的特性, 附著力有 3 種: 范德華力、靜電力和液體橋聯(lián)力。( 1 )范德華力范德華力由原子核周?chē)碾娮釉?/p>

4、漲落引起, 是一種短程力, 但其作用范圍大于化學(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 表達(dá)式為:= - 1R2/ 6h2( R1+ R2) 式中, h 為兩塵粒間距;R1,R 2 為塵粒半徑;A 為哈馬克常數(shù) ( )。( 2 )靜電力電位差引起的靜電力 1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(guò)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、 表面狀況變化,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

5、 引,其作用力 1 為:1=£ 0 n ( U2R) / a2式中,£ 0為氣體的介電常數(shù);a 為兩球形離子表面間距離;R為球形塵粒半徑;U 為塵粒間接觸電位差。塵粒間庫(kù)侖力 2當(dāng)兩塵粒帶電量分別為 q1 和 q2 時(shí),其庫(kù)侖力為:2= q1q2/ 4n£ 0( R1+ R2+ a) 2(3) 液體橋聯(lián)力液體橋聯(lián)力主要由液橋曲面產(chǎn)生的毛細(xì)壓力和表面張力引起的 附著力組成,其表達(dá)式為:F 2 n Ro ( a + 0 ) a + R / 2 ( 1J(r11)r 2) 2式中,a為氣體界面張力;其余符號(hào)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

6、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,但在干燥塵流和濕潤(rùn)塵流中起主導(dǎo)作用的作用力不同,干燥情況 下,塵粒間不存在液橋力,起主導(dǎo)作用的是范德華力,而在濕潤(rùn)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(jí)比較塵粒粒徑/靜電范徳華液橋自身重Pm力/N力/N力/Nft/N0J6x 10'154x I O' 121. 7x IO'S5x ur 陽(yáng)16x 10 134x |0_ 11L7x 10 75x 10 15106x 10-114x 10_ 10L7x

7、 IO-65x 10- 121006x i(r94x IO ?1. 7x IO-55x i(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,其沉降速度加快,有利于煤塵災(zāi)害 的治理。4、煤體濕潤(rùn)特性分析( 1 )煤塵濕潤(rùn)特性 煤層注水過(guò)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通封閉狀態(tài)的孔隙進(jìn)入煤體, 直至滲入細(xì) 微孔隙中,這一過(guò)程大致分為進(jìn)水過(guò)程、 貯水過(guò)程和吸附水過(guò)程 3 個(gè) 階段。根據(jù)方程yyyB式中,丫一一為氣固界面能;丫 為液體表面自由能;丫為固液界面自由能。0為液體對(duì)固體的接觸角,是氣、固、液 3相交界點(diǎn)沿液

8、滴表 面引出的切線與固體表面的夾角, 在水煤體系中常稱為濕潤(rùn)邊角, 如 圖 2 所示。范德華力使煤塵表面有吸附氣體、 蒸汽和液體的能力。 塵粒顆粒 越細(xì),比表面積越大,單位質(zhì)量煤塵表面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性。 當(dāng)液滴與 塵粒表面接觸, 除存在液滴與塵粒表面吸附力外, 液滴尚存在自身的 凝聚力,兩種力量平衡時(shí), 液滴表面與煤塵表面間形成濕潤(rùn)角,表征 煤塵的濕潤(rùn)能力。如圖 3 所示。圖2接觸角示意水對(duì)煤的濕潤(rùn)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(rùn)邊角可以確定煤體表面濕潤(rùn)的難易和毛細(xì)作用的大小。煤層的濕潤(rùn)能力表現(xiàn)在煤體孔隙對(duì)水的毛細(xì)

9、作用大小和水對(duì)細(xì)粒煤塵的粘 合能力強(qiáng)弱,其決定于水對(duì)煤的濕潤(rùn)邊角和水的表面張力系數(shù)。在相同的表面張力系數(shù)條件下,濕潤(rùn)邊角 0 < 900時(shí),水容易在煤體表面 鋪展,煤體易于濕潤(rùn),屬易濕潤(rùn)煤體,B 越小,毛細(xì)作用力則越大, 增強(qiáng)了注水動(dòng)力,煤體的濕潤(rùn)能力越強(qiáng);反之,00時(shí),水難于在煤體表面鋪展,煤體不易濕潤(rùn),0越大,煤體的濕潤(rùn)能力越差。當(dāng) 水進(jìn)入煤體裂隙后,在濕潤(rùn)邊角較小的煤層中,水易于濕潤(rùn)裂隙中的 原生煤塵;反之,則難于濕潤(rùn)。5、煤層注水降塵機(jī)理通過(guò)對(duì)塵流中單個(gè)塵粒的運(yùn)動(dòng)特性和塵粒間作用力的分析,煤層注水治理煤塵災(zāi)害體現(xiàn)在3個(gè)方面:6 / 29( 1) 濕潤(rùn)煤塵間主作用力是液體橋聯(lián)力,

10、而液體橋聯(lián)力促使?jié)駶?rùn) 塵流中的塵粒凝聚變大, 沉降速度加快, 并使開(kāi)采過(guò)程中大量減少或 基本消除浮游煤塵的產(chǎn)生, 且經(jīng)過(guò)注水預(yù)先濕潤(rùn)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,一方面可將其中 的原生煤塵在煤體未破碎前預(yù)先濕潤(rùn) , 使其失去飛揚(yáng)能力,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1 (1 m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(lái)。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

11、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?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(duì)于兩個(gè)很靠近的表面,氣體也會(huì)在其中凝聚,如果凝 聚的液體與表面有較好的潤(rùn)濕性(接觸角V 900),兩表面相距為某一 臨界距離時(shí),會(huì)產(chǎn)生液相橋而將兩表面沾在一起。 毛細(xì)管力是一種 比較大的表面力, 一些很細(xì)的粉體, 在干燥環(huán)境中能自由地相對(duì)滑動(dòng), 表現(xiàn)出很好的流動(dòng)性,

12、 一旦環(huán)境濕度較大, 粉體表面吸附水氣并產(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(dòng)過(guò)程( 1 )液態(tài)水在煤體中的運(yùn)動(dòng)過(guò)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(dòng) 的動(dòng)力主要有兩種,一是孔口的注水壓力,是外在動(dòng)力;另一種是煤 層中裂隙、孔隙對(duì)水的毛細(xì)作用力,是內(nèi)在動(dòng)力。兩種動(dòng)力矢量和即 為注水的動(dòng)力。 煤層孔隙的毛細(xì)作用力則取決于孔隙的直徑、 水的表 面張力、水對(duì)煤的潤(rùn)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(guò)程。1 )進(jìn)水過(guò)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(guò)程。 處于原始狀態(tài)的煤層,

13、原生裂隙通道只占全部裂隙 的極少部分,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(guò)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(rùn)濕的主要過(guò)程, 煤體最終達(dá)到均勻潤(rùn)濕所吸收的 就是這部分水。 可以認(rèn)為, 煤體大孔隙通道中的貯水即為煤體最終潤(rùn) 濕所需水分的主要部分。隨進(jìn)水程度增大,煤層水分趨于飽和,進(jìn)水 程度大大減弱。據(jù)此, 煤層的貯水過(guò)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(guò)程在水沿滲流系統(tǒng)通道流動(dòng)的同時(shí), 各類細(xì)微孔裂隙

14、(孔隙直徑小于 10 )內(nèi)表面被潤(rùn)濕或經(jīng)擴(kuò)散吸附滲流通道的水,形成潤(rùn)濕吸附 水過(guò)程,潤(rùn)濕過(guò)程主要受控于毛細(xì)作用力, 吸附過(guò)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)已基本消耗盡,而 毛細(xì)作用力相對(duì)增大。(2)煤體潤(rùn)濕過(guò)程 煤體潤(rùn)濕包括沾濕、浸濕和鋪展過(guò)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(guò)程,見(jiàn)圖 3-3 。假設(shè)形成的接觸面積為單位值, 此過(guò)程中體系自由能降低值(- G)應(yīng)為:- G = 丫丫 - 丫式中:丫為氣-固界面自由能;丫為液體表面自由能;丫為固液界面自由能。W a 稱為粘附功,是沾濕過(guò)程體系對(duì)外所能做的最大功, 也

15、是將 接觸的固體和液體自交界處拉開(kāi),外界所需做的最小功。 W a 越大, 固-液結(jié)合越牢, 越易潤(rùn)濕。 這一過(guò)程主要發(fā)生在注水的進(jìn)水過(guò)程中。圖3-3沾濕過(guò)程浸濕是指固體浸入液體的過(guò)程。 此過(guò)程的實(shí)質(zhì)是固-氣界面為固-液界面所代替,而液體表面在此過(guò)程中并無(wú)變化, 見(jiàn)圖3-4。在浸濕面積為單位值時(shí),此過(guò)程的自由能降低值為:式中:W i為浸潤(rùn)功,它反映液體在固體表面上取代氣體的能力;W i是浸潤(rùn)過(guò)程能否自動(dòng)進(jìn)行的判斷依據(jù)。浸濕過(guò)程主要發(fā)生在貯水過(guò)程階段G圖3-4浸濕過(guò)程鋪展過(guò)程的實(shí)質(zhì)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(jiàn)圖3-5。當(dāng)鋪展面積為單位值時(shí)體系自由能降低為:式中:S為鋪展

16、系數(shù)。G在恒溫恒壓下,S>0時(shí)液體可以在固體表面自動(dòng)展開(kāi)。 連續(xù)地從 固體表面上取代氣體,只要用量足夠,液體將會(huì)自行鋪滿固體表面。 由式- G = 丫和f- G = 丫 - 丫可得-丫,說(shuō)明若要鋪展系數(shù)S大于 0,則必須大于丫。體現(xiàn)了固體與液體間粘附的能力,又稱粘附張力, 用A表示:A = 丫 - 丫因上述各式中的丫和丫尚難直接測(cè)算。所以根據(jù)液體潤(rùn)濕固體時(shí)力的平衡關(guān)系(見(jiàn) 圖3-6 ),得到下式:YY? Y 9此式即為著名的 方程。式中9稱作液體對(duì)固體的接觸角,是氣、 固、液三相交界點(diǎn)沿液滴表面引出的切線與固體表面的夾角。人 sf圖3-6接觸角示意圖根據(jù)上述各式可以得出:Y? ( 9 +

17、1)=Y? 0丫? ( 0 -1)水對(duì)煤的潤(rùn)濕邊角反映水分子與煤大分子之間吸引力大小。水對(duì)煤的潤(rùn)濕邊角如圖3-7所示。潤(rùn)濕邊角0 <90。時(shí),水容易在煤體表 面鋪展,煤體易于潤(rùn)濕,屬易潤(rùn)濕煤體,在相同的水表面張力系數(shù)條 件下,0角愈小,毛細(xì)作用力則較大,增強(qiáng)了注水動(dòng)力,潤(rùn)濕能力愈 大;反之,潤(rùn)濕邊角0> 90。時(shí),水難以在煤體表面鋪展,煤體不易 潤(rùn)濕,屬于不易潤(rùn)濕煤體,0角愈大,潤(rùn)濕能力愈小。圖3-7水對(duì)煤的潤(rùn)濕邊角根據(jù)以上討論,自發(fā)進(jìn)行的潤(rùn)濕過(guò)程的潤(rùn)濕功必須為正, 因此判 別各種潤(rùn)濕過(guò)程的判據(jù)為:沾濕潤(rùn)濕> 0,即90 ° <0<180 °

18、;浸濕潤(rùn)濕A> 0,即0W 90 ° ;鋪展?jié)櫇馭> 0,即0 =0 °。綜上所述,液體對(duì)固體潤(rùn)濕效果的好壞,可通過(guò)其潤(rùn)濕類型確定, 而潤(rùn)濕類型又可通過(guò)接觸角 0的大小直接測(cè)定。水對(duì)煤體的潤(rùn)濕過(guò)程 是這三種潤(rùn)濕過(guò)程綜合作用的結(jié)果。12 / 29煤體的次生裂隙就是煤體在采落之前, 受本層或上鄰近層開(kāi)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

19、的能力決定于煤層微觀孔隙特征、 煤階特性和宏觀滲流 能力,其中微觀孔隙特征決定了煤層的毛細(xì)吸滲能力, 而煤階特性決 定了煤對(duì)水的吸附能力, 煤中大裂隙分布和外部溫壓條件決定了煤層 注水的宏觀滲流能力。10 、注水工藝過(guò)程(1) 工作面打鉆孔,鉆孔深多少,直徑多少。(2) 將中間巷的注水管路和工作面的液壓管路連接,并檢查管路 和封口器的連接情況。(3) 將液壓泵的吸水口與液壓水箱聯(lián)通,并將水箱注滿水,確保 水箱的水量滿足注水量;對(duì)注水設(shè)備進(jìn)行調(diào)試,開(kāi)啟液壓泵,打開(kāi)出 水閥,調(diào)節(jié)封口器前端的調(diào)壓裝置, 使液壓泵的壓力表達(dá)到規(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,

20、 開(kāi)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,打開(kāi)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,沖刷干凈防止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。 工作面注水 試驗(yàn)成功后, 在工作面范圍內(nèi)每隔一個(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(cè)定,并與注水前煤的全水分進(jìn)行對(duì)比。 結(jié)果表明, 煤層水分從注水孔處開(kāi)始在注水半徑內(nèi)遞減, 最高含水量 比原水分增加 6. 2%

21、,最低比原水分增加 0. 8% 。為了考察煤層注 水的降塵率,在不采取任何降塵措施的情況下分別測(cè)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(cè)定結(jié)果如表 1 。注水水分增量還可以通過(guò)一個(gè)圓形圖來(lái)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(lái)。 形成一個(gè)直觀的圓形或者拱 形圖。12 、水力壓裂機(jī)理分析水力壓裂的基本原理是將高壓水 ( 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 ) ,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, 增加煤層相互貫通裂隙的數(shù)量和增大 單一裂隙面的張開(kāi)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

22、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隅角瓦斯超限次數(shù)。 同時(shí)水 力壓裂使煤體潤(rùn)濕,減少了采煤過(guò)程和煤炭運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生的煤塵。 13 、水力壓裂過(guò)程分析煤層水力壓裂是一個(gè)逐漸濕潤(rùn)煤體、 壓裂破碎煤體和擠排煤體中 瓦斯的注水過(guò)程。 在注水的前期, 注水壓力和注水流量隨注水時(shí)間呈

23、 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(guò)鉆孔進(jìn)入煤體 裂隙,克服裂隙阻力運(yùn)動(dòng)。 當(dāng)注入的水充滿現(xiàn)有裂隙后,水流動(dòng)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(shì)能; 當(dāng)積蓄的勢(shì)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(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)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(dòng)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控制, 一般通

24、過(guò)試驗(yàn)加以確定。 研究表明: 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(zhǎng)度、封孔方法與封孔長(zhǎng)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(kāi)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 壓裂到煤體中并使煤體

25、產(chǎn)生裂隙起裂和延伸,形成孔隙裂隙網(wǎng)。試驗(yàn)結(jié)果表明, 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)注水壓力達(dá)到某一極限值時(shí), 導(dǎo)水系數(shù)驟然 增大,此時(shí)煤體完全被壓裂,內(nèi)部形成大的貫通裂縫網(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(guò)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(guò)小,將起不到壓裂效果,這就相當(dāng)于中高壓煤層注水潤(rùn)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(guò)小,則增加了

26、鉆孔和注水工作的施工量, 同時(shí)在瓦斯抽放時(shí)容易 抽出大量的水;如果孔間距過(guò)大,則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(rùn)濕需要一定的水, 如果單孔注水量過(guò)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成本; 如果注水量過(guò)小, 可能影響壓裂效果。 如果單位時(shí)間單孔注水量增大, 則要求注水壓力 迅速增大,容易帶來(lái)突出危險(xiǎn); 如果單位時(shí)間單孔注水量減小,則 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(méi)有生成, 原有裂隙還沒(méi)有擴(kuò)寬并伸展, 新老裂隙

27、還沒(méi)有溝通形 成一個(gè)有效排泄瓦斯的孔隙裂隙網(wǎng),則影響擠排瓦斯效果;同時(shí),注 水速度過(guò)快,要求注水壓力等相應(yīng)地增大。如果注水速度過(guò)低,要達(dá) 到一定的注水量,則注水時(shí)間增長(zhǎng),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(zhǎng)度鉆孔長(zhǎng)度取決于工作面長(zhǎng)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(zhǎng)度應(yīng)使工作面沿傾斜全長(zhǎng)均得到壓裂, 沒(méi)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、

28、 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正比。 封孔深度應(yīng)保證煤層在未達(dá)到要求的注水壓 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(guò)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(guò)大,則增加了封孔難度和封孔工作量, 同時(shí)壓裂鉆孔的長(zhǎng)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(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng),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(rùn)濕 效果和裂縫的擴(kuò)寬伸展溝通

29、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(zhǎng)的注水時(shí)間才能達(dá)到效果, 則說(shuō)明煤 體的潤(rùn)濕效果和裂縫的擴(kuò)寬伸展溝通能力較差, 需要增加潤(rùn)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)間就能達(dá)到 效果,則說(shuō)明煤體的潤(rùn)濕效果和裂縫的擴(kuò)寬伸展溝通能力較好, 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(rùn)邊角和水的表面張力系數(shù) ) ,瓦斯壓力,煤層的頂?shù)?板狀況。 煤體內(nèi)部的孔隙裂隙特征

30、 ( 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(guò)程中,煤層孔隙裂隙發(fā)育程度對(duì)煤體的均勻濕潤(rùn)、 物理力學(xué)特性的改變 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(dòng),包圍被 裂切割的煤塊,同時(shí)緩慢地通過(guò)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

31、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(duì)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(rùn)的性質(zhì)不同, 以致瓦斯被擠排的程度不同。 煤體的濕 潤(rùn)能力取決于水與煤的濕潤(rùn)邊角和水的表面張力系數(shù)。 水與煤體的濕 潤(rùn)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(rùn)邊 角越小,越易于注水,相反則難于注水。因此,降低水的表面張力可 以提高煤體的濕潤(rùn)能力, 提高注水速度。 如果在注水流程中添加活性 濕潤(rùn)劑( 壓裂劑 ) ,降低水的表面張力,能增強(qiáng)水在煤層中的滲透能 力,能解決水不能滲入

32、煤體微裂隙等問(wèn)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(huì)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。 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石遇水若嚴(yán)重膨脹、軟化或脫層,危及工作面支架穩(wěn) 定及安全,就不能進(jìn)行水力壓裂,甚至不能采取水力化措施。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(dòng)形式也不相同,

33、滲透運(yùn)動(dòng)是在大的裂隙和 孔隙中發(fā)生, 毛細(xì)運(yùn)動(dòng)是在較小的孔隙中發(fā)生, 而分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)則是 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。其搬運(yùn)水分的速度也有很大的差別。當(dāng)向煤體注水時(shí),水 首先是在裂隙和大孔中運(yùn)動(dòng), 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。因此,煤 層注水開(kāi)始主要是在大的裂隙和孔隙中滲透, 而毛細(xì)運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 往往要在注水完畢后才繼續(xù)完成, 并且是在滲透運(yùn)動(dòng)已經(jīng)波及的容積 中進(jìn)行,所以毛細(xì)運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)不會(huì)擴(kuò)大潤(rùn)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), 則可進(jìn)一步

34、增加煤的水分。16 、靜壓和動(dòng)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(huì)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(dòng), 起到水力疏散煤體的作用, 使煤層近工作面部分的卸壓和 排放瓦斯。低壓注水時(shí),煤的結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生明顯的變化,而煤體得到 相當(dāng)均勻的濕潤(rùn)。17 、煤層潤(rùn)濕過(guò)程的實(shí)質(zhì) 煤層的潤(rùn)濕過(guò)程實(shí)質(zhì)上是水在煤層裂隙和孔隙中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程, 是 一個(gè)復(fù)雜的水動(dòng)力學(xué)和物理化學(xué)過(guò)程的綜合。 水在煤層中的運(yùn)動(dòng)可以 分為壓差所造成的運(yùn)動(dòng)和它的自運(yùn)動(dòng)。 壓差所造成的運(yùn)動(dòng)是水在煤層 中沿裂隙和大

35、的孔隙按滲透規(guī)律流動(dòng); 自運(yùn)動(dòng)與注水壓力無(wú)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(dòng); 化學(xué)作用是水作用于煤層內(nèi)的無(wú)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、表面吸著和濕 潤(rùn)等。壓差和重力造成的水滲透流動(dòng),時(shí)間不長(zhǎng),范圍不大,濕潤(rùn)效 果不高,一般只能達(dá)到10%40%。物理化學(xué)作用是煤層濕潤(rùn)的主 導(dǎo)作用,可以持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間,并能使煤體均勻、充分地濕潤(rùn),將濕潤(rùn) 效果提高到 70% 80% 。此外,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)

36、動(dòng), 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,而其它防塵措施則多為局部的。煤體注水濕潤(rùn), 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(rùn)濕煤體減塵的方法, 即在煤層開(kāi)采 之前,打若干鉆孔,通過(guò)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(kāi)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

37、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)踐證明, 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(rùn)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), 煤層埋藏越深則地層壓 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(kāi)采深度的增加,要取得良好的煤體濕潤(rùn)效果,需要提高注水壓力。(3)煤的堅(jiān)固性。煤的堅(jiān)固性系數(shù) f 較大,煤的透氣性好,易于注水;反之,則難

38、 以注水。 但對(duì)于那些有夾矸、 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(rùn)性。煤層的濕潤(rùn)能力是指煤體與水接觸時(shí)是否容易被水所濕潤(rùn)。 它表 現(xiàn)在煤體孔隙對(duì)水的毛細(xì)作用力大小和水對(duì)細(xì)粒煤塵的粘合能力強(qiáng) 弱,這都決定于水與煤的濕潤(rùn)邊角和水的表面張力系數(shù)。 水與煤的濕 潤(rùn)邊角大小反映了水分子和煤炭分子間的吸引力大小, 吸引力愈大則 濕潤(rùn)邊角愈小,愈易于濕潤(rùn)。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, 水的表面張力系數(shù)增大, 則濕潤(rùn) 邊角變大,使煤塵難于濕潤(rùn)。(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

39、 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, 需要提高注水壓力, 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(guó)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(dòng)式注水高壓預(yù)裂波動(dòng)式注水就是在不壓裂煤層的條件下, 通過(guò)高壓水在 煤層內(nèi)部形成“水擊”現(xiàn)象, 迫使煤層內(nèi)部原有的封閉裂隙相互溝通 或直接在煤層內(nèi)形成新的裂隙網(wǎng), 即在煤層內(nèi)

40、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(dòng)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,爾后 再次逐步形成靜壓水潤(rùn)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(rùn)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(dòng),而在小煤塊的微孔隙中,是毛細(xì)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),并且兩者之間

41、 有強(qiáng)烈的能量傳遞。(1 )水在互通裂隙中的滲透運(yùn)動(dòng)。從微觀上講,水在互通裂隙中的滲透可用單維滲透來(lái)描述, 根據(jù)Sfil質(zhì)量守恒定律和達(dá)西定律得:I) tn=-6( p) grad/i式中:廣為水在煤體中的滲流速度.m/s; t為滲透 時(shí)間*詈;加為煤層中注水時(shí)的水量.kg; 加為煤 體中水分增凰(與原始水分之差).kg; P為裂隙 中液體的壓力,Pa;加為被包鬧煤塊中水fk, Pa; (為確定煤塊邊界滲透性系數(shù)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(dòng)。水的毛細(xì)運(yùn)動(dòng)是在孔隙直徑從10 710 6 m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)(表面張力和

42、濕潤(rùn)角)對(duì)在毛細(xì)管中的運(yùn)動(dòng)起很 大作用。水在孔隙中的毛細(xì)運(yùn)動(dòng),由能量方程得:n r2 p w ( ) 2 +n r2 p ( d22 )+ 8卩兀 x2 nn r -0 n r2 p wg 07|咒22tl'A'<,¥"K ) + "pa T + g工石二lr)77rvo 0 7T/'_pwAgsiii 0式中:x為水沿毛細(xì)管運(yùn)動(dòng)的距離,m ;卩為液體的動(dòng)力黏度, s; p為液體的密度,3; g為重力加速度,2 ; 0為煤體 濕潤(rùn)角,(° )r;為毛細(xì)管半徑,m ;n為水的表面張力系數(shù)。(3)水在微孔隙中的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。當(dāng)水由濕

43、潤(rùn)性強(qiáng)的區(qū)域向濕潤(rùn)性較差而曲率又較小的區(qū)域作擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)時(shí),擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)是單維的,用下式描述:d 叫dm=Z) ( A) /c) I a iax其中:為擴(kuò)散后煤中水分的增量,;K為擴(kuò)散系數(shù)。因此,煤 層注水濕潤(rùn)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(dòng)幾部分的水分增量組成。21、煤層注水防塵理論技術(shù)研究的發(fā)展趨勢(shì)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(duì)井下粉塵濃度的控制起到了重要作用,但還是存在一些問(wèn)題,今后應(yīng)在以下4 個(gè)方面加強(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(cè)量技 術(shù)、巖體、地震波測(cè)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(duì)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(duì)裂隙中的流體滲流進(jìn)行了深入研究。

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