煤层超前注水湿润效果影响因素分析*

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。

3．煤层湿润效果影响因素

(1)煤层裂隙、孔隙程度影响煤层注水，煤体的裂隙越发育则越容易注水湿润煤层。

(2)地压集中程度影响煤层注水，有冲击地压倾向性的煤层，裂隙不发育，原生裂隙和孔隙被压紧，导致透水性能差而使注水困难。

(3)超前距离过大过小均影响注水湿润效果，根据矿山压力可以判断最佳的注水超前距离。

(4)煤体的湿润能力影响注水，降低水的表面张力，可以提高煤体的湿润能力。

(5)煤层内的瓦斯压力影响注水，为此需增大注水压力克服瓦斯压力，提高注水湿润效果。

(6)煤层含水率、含水饱和度、渗水性、失水性等煤层特征影响工作面的注水量、注水时间、孔口间距等注水参数。

4．结语

为提高注水湿润效果，可采取如下措施:

(1)在注水时添加湿润剂，降低水的表面张力，使煤体的湿润角减少提高煤的湿润效果。

(2)选择合适的超前注水距离，利于煤层注水和提高煤层湿润效果。

(3)对瓦斯煤层先实行抽放，释放煤体内的瓦斯，使煤体有效孔、裂隙率增加，增强其渗透性，从而增强煤层注水湿润效果。

(4)采取脉冲动压注水使煤层内部形成较大孔和裂隙渗流通道，采用间断注水方式给自然渗流(毛细运动、吸附及扩散)一定的作用时间。

(5)根据各个工作面煤层特征，结合所测定的煤层含水率、含水饱和度、渗水性、失水性等系列参数不断优化各个工作面的注水量、注水时间、孔口间距等注水参数。

(6)通过电磁辐射监测、微震系统监测、钻屑法煤粉监测及煤粉含水率测定等多种方法对各个区域的注水效果进行综合评价，从而为下一步的注水工作提供可靠的参数依据。

[1]Beer J，多孔介质流体动力学[M]．易硕龙译，北京:中国建筑工业出版社，1993．

[2]姚金林，彭担任等．综采工作面注水防尘研究[J]．湖南科技大学学报，2004，19(4):10－11．

[3]张延松．综放工作面煤层注水技术的研究[J]．煤炭科学技术，2001，29(1):34．

[4]张峰，张和生．综放工作面煤层注水及效果分析[J]．煤矿安全，2006(4):25．

[5]艾德春，韩可琦．综放面粉尘综合防治技术[J]．煤炭工程，2006(9):58．

[6]孙文标，刘辉等．煤层注水在煤矿安全中的应用及效果浅析[J]．煤矿安全，2004，35(12):24．

[7]张设计，李德文等．特殊煤层的注水工艺技术试验研究[J]．矿业安全与环保，2006，33(2):2．