煤层超前注水湿润效果影响因素分析*

2014-11-18董宪伟张九零侯欣然

河北能源职业技术学院学报 2014年1期

董宪伟，张九零，侯欣然

(河北联合大学，河北唐山 063009)

煤层超前注水是我国目前广泛采用的防尘措施。煤层注水是在回采前预先在煤层打若干钻孔，通过钻孔注入压力水，使其渗入煤体内部，破坏煤体内原有的煤－瓦斯两相体系的平衡，形成煤－瓦斯－水三相体系，体系内各个介质相互作用，使煤的物理化学性质、力学性质及热力学性质发生变化。

1．煤层注水防尘机理

1．1 通过物理化学作用润湿煤层

煤层的湿润过程实质上是水在煤层裂隙和孔隙中的运动过程，是一个复杂的水动力学和物理化学过程的综合。水在煤层中的运动可以分为压差所造成的运动和它的自运动。压差所造成的运动是水在煤层中沿裂隙和大的孔隙按渗流规律流动。自运动与注水压力无关，它取决于水的重力和水与煤炭的化学、物理化学的作用。自重使水在裂隙与孔隙内向下运动;化学作用是水作用于煤层内的无机的和有机的组分，使之氧化或溶解;物理化学作用包括毛细管凝聚、表面吸着和湿润等。压差和重力造成的水渗透流动，时间不长，范围不大，湿润效果不高，一般只能达到10%～40%。物理化学作用是煤层湿润的主导作用，可以持续很长时间，并能使煤体均匀、充分地湿润，将湿润效果提高到70%～80%。此外，煤层注水破坏了煤体内原有的煤瓦斯体系的平衡，形成了煤—瓦斯—水三相体系，这个体系内各个介质间发生着相互作用。在煤体内部的各种裂隙中，或多或少存在着原生煤尘，水进入裂隙后，将其中的原生煤尘在煤体未破碎前预先润湿，使其失去飞扬性。

1．2 注入水可有效地包裹煤体内的每一细小部分

水进入煤体各种裂隙和层理后，在极其微小的孔隙内部，都有水的注入，这就使整个煤体有效地被水包裹起来。当煤体由于开采而受到破碎时，因绝大多数的破碎面中充满着水，可以达到减少煤尘飞扬的目的。

1．3 通过改变煤体的物理力学性质减尘

通过钻孔注入压力水，使其渗入煤体内部，增加煤的水分和尘粒间的黏着力，并降低煤的强度和脆性，增加塑性，减少采煤时煤尘的生成量;同时将煤体中原生细尘黏结为较大的尘粒，使之失去飞扬能力。

新坟孙村矿和本溪彩屯矿实施煤层注水后，除尘率分别达到73%和79%。表1是“三软”综放工作面通过实施煤层注水及其他防尘措施后的降尘率。

表1 综放工作面降尘率

2．煤层注水渗流机理

煤层注水属于三维线性渗流，要考虑源汇项、毛细管和分子扩散的综合作用，其控制方程如下:

式中H为位能与压能的和(动能很小，忽略不计);Kx，Ky，Kz分别为导水系数张量各分量;δ为裂隙与孔隙的贮水系数;Q为源汇项(注水对控制体内水量的影响);Γ为大裂隙与组合孔隙间的水量交换，即单位时间内从裂隙进入单位体积组合孔隙的水量，其大小取决于裂隙与组合孔隙间的压差，可表示为Γ=c(h－h')，其中h'为组合孔隙与裂隙接触处的水头，h为裂隙口处的水头，比例常数c决定于孔隙的渗流性和几何特性;Q1为由死端和微孔隙内水的毛细和扩散作用引起控制体内水量的变化，主要与液体及孔隙的性质有关，而与裂隙和孔隙的压差关系不大。

煤层注水三维渗流理论，从微观上对煤层注水湿润煤体的机理进行了深入研究，充分考虑了毛细运动、扩散运动对水分增量的影响。