煤层注水防治复合动力灾害机理概述

摘要：煤开采过程中，复合动力灾害的防治工作是必不可少的，煤层注水技术防治动力灾害是各煤矿开采普遍采用的技术手段，但注水效果的保证一直是个难题，本文通过对注水防治复合动力灾害机理的探究，为煤层开采工作提供理论基础。

关键词：煤层注水；冲击地压；瓦斯突出

1 绪论

许多年来，煤层注水技术一直普遍应用于开采防灾工作，研究发现，煤层水渗流作用下能够湿润煤体，增加其含水率，改变煤体的物理力学性质，从而可以改变煤层的应力场，煤层注水主要用于降尘，防治冲击地压、煤与瓦斯突出等灾害防治。一直以来，众多学者都对注水防治动力灾害做过大量研究，煤层注水防治动力灾害机理较为复杂，所以对机理的研究现在还不完善，本文对机理研究做了概述。[13]

2 注水防冲击地压机理研究

从宏观上讲，煤层注水是为了湿润煤体，使煤体的含水率增加，或者说使煤层中含水饱和度增加，从而可以使煤的物理力学性质发生改变，达到对冲击地压的防治。从微观角度看，煤是一种多孔隙裂隙介质，含有大量的裂缝和孔隙。在实验室实验中，如果把含水率小的较干煤样进行压缩实验，当煤样受到破坏时，煤样逐渐破碎并达到了强度极限时，煤样就会突然剧烈破坏，试验机就会完全卸压，这就是煤体不稳定失效，导致冲击地压发生的原因。这种现象是由于煤体含水率较低，媒体中一般含有两种状态的流体，液体和气体，两种流体存在比例关系，当水占比较小时，煤体含水率低，即饱和度比较低，水不能大面积的附著在煤层中，虽然水是湿润流体，但对于煤层的作用不大。以上描述是煤层中煤体普遍现象，改变其隐患必须加以措施。

当水注入煤层的孔隙和裂缝时，孔隙和裂缝中的气体逐渐被水驱走，水分逐渐增加，或者水饱和度逐渐增加。当水是煤的湿润流体时，它被孔的内外表面和煤的裂缝吸收，水的潮湿区域逐渐增加，直到被水完全润湿，在煤的孔隙和裂缝的表面上形成水膜。当水膜增加到一定厚度并保持一定时间后，在水对煤的复杂物理和化学作用的作用下，煤颗粒之间的结合力降低，煤颗粒接触表面上的摩擦力减小，煤性质改变，并且冲击倾向降低。如果在实验机器上测试用水注入的煤层样品，当含水率比较高的煤样进行压缩实验，煤样发生破坏失稳时，不会发生猛烈的破坏现象，而是以坚硬的状态继续使实验机工作，实验机不会完全卸压。这就是地下煤岩发生破坏而不发生冲击地压的原因。因此，通过向煤层注水，对冲击地压的防治与控制非常重要。

如果水不是煤的润湿液，而气体是煤的润湿液，则煤颗粒的表面会被气体润湿，即使含水量高甚至充满水，也会形成气膜。气膜将煤与水分离，使水与煤不能接触起作用，也不能改变煤层的性质，注水不能起到防治冲击地压的作用。在这种情况下，可以将润湿剂添加到水中以使煤对水的亲和力大于煤对气体的亲和力，并且水变成润湿液，其可以起到防止和控制冲击地压的作用。

3 注水防治瓦斯突出机理研究

3.1 注水对煤体力学性质的影响

当水进去煤层中时，水的状态分为两种。一种是以分子形式被煤的孔隙所吸附，与煤的内表面紧紧连接；另一种形式是以自由的状态存在于煤的裂缝和孔洞中。

煤层的不均匀结构常常导致突出的发生，不均匀结构是指煤层的各个分层具有不同的机械性能。一般来说，煤的强度比较大，内含的弹性势能也非常大。当煤开采时，煤层被破坏，弹性能就会瞬间释放，造成的破坏非常大。但如果煤的塑性比较大，当煤体受到破坏时，就会通过温和的变形来抵消能量的释放。

煤层注水后，煤的孔隙中的水分增加，煤体内的结构之间的联系减弱了，降低了煤的抗压强度，这是由于煤内部分子间的联系减弱，并且还因为煤颗粒发生位移导致颗粒间力学冲突减小，水其实在中起到润滑剂的作用。注水后，水能使煤体弹性降低，塑性增强，减少了应力过于集中。当采掘过程中，煤层被破坏，发生的是塑性形变，大大降低了发生突出的危险。

3.2 注水对煤体对瓦斯解吸与运移规律的影响

煤层中，存在着大量瓦斯，有的是游离态而有的是吸附状态。但无论哪种状态，都是发生突出的主要因素。煤层中水对于瓦斯存在两种矛盾的作用。一方面，水可以降低煤层中瓦斯的渗流和扩散速度，减少了瓦斯的排出量。另一方面，水可以进入微孔隙，占据了瓦斯的位置，使瓦斯被挤出，增加了瓦斯的排出量。其实，这两种作用都降低瓦斯突出风险。如果在大面积湿煤层中，水对瓦斯的加速排除作用较大；如果在湿润程度不大的煤层中，水对瓦斯的阻碍作用较大。在实际工作中，工作面一般区域很大，注水主要对瓦斯起到阻碍作用。

注水后，水在煤层中处渗流状态，渗流过程是依靠着煤的表面分子力、水的渗流压力和毛细管力进行的，从而使水能够进入煤孔隙中。这就是水驱气过程，液体占据了瓦斯的位置，降低了瓦斯的渗流速度，并且部分瓦斯会吸附在水中，进而消除或降低了煤与瓦斯突出的危险。

4 结论

煤层注水工作中，通过水的渗流来湿润煤体，使煤体的结构发生改变，并且使煤体的抗压强度与弹性势能降低，依据实验经验，注水能减弱冲击倾向性，有效防治了冲击地压、煤与瓦斯突出。并且煤层水渗流能吸附瓦斯、减小瓦斯的扩散和渗流速度，进一步降低了瓦斯突出危险。

参考文献：

[1]翟明华，姜福兴，齐庆新，郭信山，刘懿，朱斯陶.冲击地压分类防治体系研究与应用[J].煤炭学报，2017，42（12）：31163124.

[2]李忠华.高瓦斯煤层冲击地压发生理论研究及应用[D].辽宁工程技术大学，2007.

[3]张磊.长沟峪煤矿煤层注水技术及试验研究[D].辽宁工程技术大学，2009.

作者简介：谢宁（1993），男，辽宁抚顺人，在读硕士研究生，研究方向：环境地质学。