低渗透性硬煤层注水方法探讨

闫建浩

(保利能源控股有限公司山西保利平山煤业股份有限公司,山西晋城 048205)

低渗透性硬煤层注水方法探讨

闫建浩

(保利能源控股有限公司山西保利平山煤业股份有限公司,山西晋城 048205)

矿井粉尘能够引起瓦斯粉尘爆炸以及矿山工作人员的尘肺、矽肺职业病,严重影响煤矿的安全生产和工人的健康。经实践证明煤层注水是降低粉尘的最根本、最有效的方法。针对我国存在的大量低渗透性硬煤层注水效果差这一事实,本文以提高低渗透性硬煤层注水效果为目的对低渗透性硬煤层注水方法进行总结。

低渗透性硬煤层 注水方法 煤层注水 探讨

1 引言

我国煤矿由粉尘引起的灾害主要有瓦斯煤尘爆炸和由煤尘引起矿工的尘肺、矽肺职业病。近年来,瓦斯爆炸发生较为频繁,而且一旦在爆炸事故中有煤尘参与,煤尘将使得爆炸的冲击波增大,对煤壁和周围设备的破坏力增加,使损失增大。从煤层注水预防粉尘的角度来讲,实践表明,煤层注水预湿煤体是降低煤层开采时煤尘产生量的最根本、最有效的防尘手段[1]。然而我国存在很多低渗透性硬煤层,这些煤层的注水效果很差。因此开展低渗透性硬煤层注水方法探讨对提高我国煤层整体注水技术水平,从根本上提高防尘效果预防尘肺病具有十分重要的意义。

2 低渗透性硬煤层的特点

①煤层试样的强度值较高,其单向抗压强度一般在25 MPa以上,并且通常具脆性。②煤层润湿性差,亲水性差,不容易湿润。③结构致密,分层厚度较大,裂隙密度较小,层、节理通常不发育,并且贯通的程度也较差。④煤层(或试样)在破坏之前变形量较小,即具有突然破坏的特征,因此在坚硬顶、底板条件下易产生冲击载荷。

图1 表示采场n个不同的压力区域所采用的注水方法

图2 水力割缝示意图

3 煤层注水方法概述

按水进入煤体的形式,即注水方式分为短孔注水、深孔注水和长孔注水等三种[2]。见图1。

按注水方式,分为静压注水和动压注水两种。动压注水又分为固定泵注水、移动泵注水、注水器注水[2]。

按注水压力的高低又分为低压注水、中压注水和高压注水[2]。

4 煤层注水机理分析

对煤层注水机理分析主要是对水在煤层孔隙、裂隙中运动的动力的分析：

(1)水在煤体孔隙、裂隙中运动的动力主要有两种,一种是外在动力,即注水压力;另一种是内在动力,是由煤体内孔隙、裂隙对水的毛细作用力造成的,注水动力=外在动力+内在动力[3]。在含瓦斯煤层中,瓦斯压力是水运动的阻力之一。因此,煤层注水动力=注水压力+孔隙、裂隙毛细作用力—瓦斯压力。

式中：h注—注水;

(2)煤层注水过程的实际上是煤体由非饱状态到饱和状态的渗流过程,主要的过程为非饱和状态,时间较久,是压力渗流、毛细作用和扩散三种运动共同作用的结果。

可将注水过程中煤体由水湿润的过程分为三个阶段：

(1)进水阶段：初始压力克服煤体内部阻力缓慢向煤体内原有的孔隙、裂隙通道内进水。在原始状态下,煤层内原有孔隙、裂隙通道只占煤体极小的一部分。因此,刚开始注水时,煤层出现难以进水的现象,注水速度极慢。

(2)贮水阶段：随着注水压力的增高,煤体内孔、裂隙系统通道网逐渐变的更为丰富,水在压力作用下不断进入煤体,并在通道孔、裂隙中形成明显的滞留过程,这就形成了贮水阶段。

(3)吸附阶段：水沿裂隙通道流动时,各种细微孔、裂隙吸附渗流过程中少量的水,这便是吸附水过程,发生这一过程的作用力主要为毛细作用力。在细微裂隙中,注水压力在裂隙通道中消耗尽,毛细作用力相对应增大。随着时间的增长,吸附的水量也逐步增大。吸附阶段是煤层注水过程中进一步改变煤体物理力学性质的一个重要阶段,并且对煤体注水效果影响较大。

煤层注水的全部过程一方面是原有裂隙变大、变多,从而使注水的空间、广度增大,把水最大程度的输送到煤体各处;另一方面便是煤体细微的毛细作用力逐渐吸附水分。由此可看出,压力注水的主要物理过程便是贮水过程。

5 低渗透性硬煤层注水方法

根据低渗透性硬煤层的特性,探讨改变其性质可用的方法有：脉冲注水、水力割缝、水力压裂、添加表面活性剂、预爆破和水爆致裂。

(1)脉冲注水。煤层脉冲式注水,就是利用脉冲式高压注水过程中水的压力波动性对煤体表面产生的水击或者水劈作用,致使煤层内部孔隙张开,裂隙增多,并且使煤层内部产生新的、相互关联的裂隙网,为水在煤层内部的渗透提供通道,有效改善煤层对水的渗透性,提供水进入煤体内部微细孔裂隙的通道,从而提高低渗透性硬煤层注水效果。

(2)水力割缝。水力割缝原应用于低透气性,高瓦斯的煤层进行抽放时在钻孔内主动割缝,将其扩展应用于低渗透性硬煤层的注水。在煤层内先施工钻孔,然后在钻孔内采用高压水射流煤壁,对煤壁形成切割作用,在钻孔两侧形成一条扁平缝槽,利用水流将切割下来的煤体冲出钻孔外,煤层在地层压力重新分配的情况下产生不均匀的变形和破坏,从而提高煤层的渗透性,为水流压入煤体提供更多的通道(如图2)。

(3)水力压裂。水力压裂是利用特殊的开槽钻头人为在煤层表面进行切槽,从切槽向煤体内注入高压水,从而高压水产生拉应力使煤层定向分层[4],从而降低煤层的强度,使煤体内裂隙的数量增多或增大,进一步提高低渗透性硬煤层注水效果。

(4)添加表面活性剂。煤体是成分复杂、非均质、具有不同孔隙的多孔介质,煤层内具有的孔隙和裂隙,形成了煤体内既有连通网络又有孤立空间的独特系统,它们有巨大的表面积。从渗流理论和表面物理化学理论可知,液体要真正的润湿煤体主要取决于液体和煤体本身的性质。在煤层注水过程中,煤体的性质是不可改变的。众多事实证明在注入的水中加入表面活性剂,水的表面张力下降,因而使液体易于在煤体表面铺展。在水中加入表面活性剂后,其水溶液的表面张力和与煤体的接触角都迅速变小。因此加入表面活性剂能够提高低渗透性硬煤层的注水效果。

(5)预爆破。预爆破即是在注水前注水孔内进行震动爆破,这样可以使煤体内的孔隙、裂隙增大、增多,从而降低注水压力。在爆破过程中,孔内的水起到了缓冲的作用,炸药释放的压力作用在水体上,通过水体均匀的传递到煤体上,使煤体表面发生均匀变化。增加了煤体的透水性。因此,预爆破也是提高低渗透性硬煤层注水效果的一种重要方法。

(6)水爆致裂。水爆致裂技术又称水耦合预裂爆破,是一种特殊的预裂爆破技术,它是指在采用不耦合装药的情况下,处于药卷和炮孔之间的不耦合介质为水而不是空气或者其他固体。水爆致裂主要是应用水是一种难以压缩的介质,变形能损失较少,传递能量效率高;水具有缓冲并均匀传递压力的作用,能使周围介质受到均匀压力;由于水是炸药和煤岩之间的缓冲层,可以延长爆炸冲击波对煤体的作用时间,提高炸药的能量利用率。这种水爆致裂是预爆破技术的基础上发展而来的,因此,对煤体同样产生破坏,增加煤体裂隙,从而提高其注水效果。

6 结语

利用各种方法改变低渗透性硬煤层煤体特性,提高其注水效果,降低煤层开采时煤尘产生量,从根本上提高了防尘效果,对提高我国矿山整体的安全生产水平以及预防尘肺病具有十分重要的意义。

[1]叶宗元.矿井防尘[M].北京：煤炭工业出版社,1991.

[2]张永吉.煤层注水技术[M].北京：煤炭工业出版社,2001.

[3]郭东屏,张石峰.渗流理论基础[M].陕西科学技术出版社,1994.4.

[4]李杭州.坚硬煤层放顶煤注水弱化研究：[硕士学位论文].西安：西安科技大学采矿工程系,2003.5.

[5]赵益芳.国外煤层注水技术概况[J].煤矿技术,1991.

Dust can cause mine gas dust explosions,penumoconiosis and silicosis occupational disease of working staff,seriously affect mine safety and workers’health.The practice has proofed that coal seam water injection is the most fundamental and most effective method in reducing dust.Facing the fact of water injection efficiency are poor,this paper summarized the injection method of low permeation feature hard coal seam in order to improve water injection efficiency of low permeation feature hard coal seam.

low permeation feature hard coal seam injection method coal seam water injection study

闫建浩(1986—),男,山东省菏泽市人,2012年毕业于北京科技大学矿业工程专业,硕士研究生,矿井通风及防突工作。现任保利能源控股有限公司山西保利平山煤业股份有限公司通防科主任工程师。