低滲透性硬煤層注水方法探討

閆建浩

(保利能源控股有限公司山西保利平山煤業(yè)股份有限公司,山西晉城 048205)

低滲透性硬煤層注水方法探討

閆建浩

(保利能源控股有限公司山西保利平山煤業(yè)股份有限公司,山西晉城 048205)

礦井粉塵能夠引起瓦斯粉塵爆炸以及礦山工作人員的塵肺、矽肺職業(yè)病,嚴(yán)重影響煤礦的安全生產(chǎn)和工人的健康。經(jīng)實(shí)踐證明煤層注水是降低粉塵的最根本、最有效的方法。針對(duì)我國(guó)存在的大量低滲透性硬煤層注水效果差這一事實(shí),本文以提高低滲透性硬煤層注水效果為目的對(duì)低滲透性硬煤層注水方法進(jìn)行總結(jié)。

低滲透性硬煤層 注水方法 煤層注水 探討

1 引言

我國(guó)煤礦由粉塵引起的災(zāi)害主要有瓦斯煤塵爆炸和由煤塵引起礦工的塵肺、矽肺職業(yè)病。近年來(lái),瓦斯爆炸發(fā)生較為頻繁,而且一旦在爆炸事故中有煤塵參與,煤塵將使得爆炸的沖擊波增大,對(duì)煤壁和周圍設(shè)備的破壞力增加,使損失增大。從煤層注水預(yù)防粉塵的角度來(lái)講,實(shí)踐表明,煤層注水預(yù)濕煤體是降低煤層開采時(shí)煤塵產(chǎn)生量的最根本、最有效的防塵手段[1]。然而我國(guó)存在很多低滲透性硬煤層,這些煤層的注水效果很差。因此開展低滲透性硬煤層注水方法探討對(duì)提高我國(guó)煤層整體注水技術(shù)水平,從根本上提高防塵效果預(yù)防塵肺病具有十分重要的意義。

2 低滲透性硬煤層的特點(diǎn)

①煤層試樣的強(qiáng)度值較高,其單向抗壓強(qiáng)度一般在25 MPa以上,并且通常具脆性。②煤層潤(rùn)濕性差,親水性差,不容易濕潤(rùn)。③結(jié)構(gòu)致密,分層厚度較大,裂隙密度較小,層、節(jié)理通常不發(fā)育,并且貫通的程度也較差。④煤層(或試樣)在破壞之前變形量較小,即具有突然破壞的特征,因此在堅(jiān)硬頂、底板條件下易產(chǎn)生沖擊載荷。

圖1 表示采場(chǎng)n個(gè)不同的壓力區(qū)域所采用的注水方法

圖2 水力割縫示意圖

3 煤層注水方法概述

按水進(jìn)入煤體的形式,即注水方式分為短孔注水、深孔注水和長(zhǎng)孔注水等三種[2]。見(jiàn)圖1。

按注水方式,分為靜壓注水和動(dòng)壓注水兩種。動(dòng)壓注水又分為固定泵注水、移動(dòng)泵注水、注水器注水[2]。

按注水壓力的高低又分為低壓注水、中壓注水和高壓注水[2]。

4 煤層注水機(jī)理分析

對(duì)煤層注水機(jī)理分析主要是對(duì)水在煤層孔隙、裂隙中運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力的分析：

(1)水在煤體孔隙、裂隙中運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力主要有兩種,一種是外在動(dòng)力,即注水壓力;另一種是內(nèi)在動(dòng)力,是由煤體內(nèi)孔隙、裂隙對(duì)水的毛細(xì)作用力造成的,注水動(dòng)力=外在動(dòng)力+內(nèi)在動(dòng)力[3]。在含瓦斯煤層中,瓦斯壓力是水運(yùn)動(dòng)的阻力之一。因此,煤層注水動(dòng)力=注水壓力+孔隙、裂隙毛細(xì)作用力—瓦斯壓力。

式中：h注—注水;

(2)煤層注水過(guò)程的實(shí)際上是煤體由非飽狀態(tài)到飽和狀態(tài)的滲流過(guò)程,主要的過(guò)程為非飽和狀態(tài),時(shí)間較久,是壓力滲流、毛細(xì)作用和擴(kuò)散三種運(yùn)動(dòng)共同作用的結(jié)果。

可將注水過(guò)程中煤體由水濕潤(rùn)的過(guò)程分為三個(gè)階段：

(1)進(jìn)水階段：初始?jí)毫朔后w內(nèi)部阻力緩慢向煤體內(nèi)原有的孔隙、裂隙通道內(nèi)進(jìn)水。在原始狀態(tài)下,煤層內(nèi)原有孔隙、裂隙通道只占煤體極小的一部分。因此,剛開始注水時(shí),煤層出現(xiàn)難以進(jìn)水的現(xiàn)象,注水速度極慢。

(2)貯水階段：隨著注水壓力的增高,煤體內(nèi)孔、裂隙系統(tǒng)通道網(wǎng)逐漸變的更為豐富,水在壓力作用下不斷進(jìn)入煤體,并在通道孔、裂隙中形成明顯的滯留過(guò)程,這就形成了貯水階段。

(3)吸附階段：水沿裂隙通道流動(dòng)時(shí),各種細(xì)微孔、裂隙吸附滲流過(guò)程中少量的水,這便是吸附水過(guò)程,發(fā)生這一過(guò)程的作用力主要為毛細(xì)作用力。在細(xì)微裂隙中,注水壓力在裂隙通道中消耗盡,毛細(xì)作用力相對(duì)應(yīng)增大。隨著時(shí)間的增長(zhǎng),吸附的水量也逐步增大。吸附階段是煤層注水過(guò)程中進(jìn)一步改變煤體物理力學(xué)性質(zhì)的一個(gè)重要階段,并且對(duì)煤體注水效果影響較大。

煤層注水的全部過(guò)程一方面是原有裂隙變大、變多,從而使注水的空間、廣度增大,把水最大程度的輸送到煤體各處;另一方面便是煤體細(xì)微的毛細(xì)作用力逐漸吸附水分。由此可看出,壓力注水的主要物理過(guò)程便是貯水過(guò)程。

5 低滲透性硬煤層注水方法

根據(jù)低滲透性硬煤層的特性,探討改變其性質(zhì)可用的方法有：脈沖注水、水力割縫、水力壓裂、添加表面活性劑、預(yù)爆破和水爆致裂。

(1)脈沖注水。煤層脈沖式注水,就是利用脈沖式高壓注水過(guò)程中水的壓力波動(dòng)性對(duì)煤體表面產(chǎn)生的水擊或者水劈作用,致使煤層內(nèi)部孔隙張開,裂隙增多,并且使煤層內(nèi)部產(chǎn)生新的、相互關(guān)聯(lián)的裂隙網(wǎng),為水在煤層內(nèi)部的滲透提供通道,有效改善煤層對(duì)水的滲透性,提供水進(jìn)入煤體內(nèi)部微細(xì)孔裂隙的通道,從而提高低滲透性硬煤層注水效果。

(2)水力割縫。水力割縫原應(yīng)用于低透氣性,高瓦斯的煤層進(jìn)行抽放時(shí)在鉆孔內(nèi)主動(dòng)割縫,將其擴(kuò)展應(yīng)用于低滲透性硬煤層的注水。在煤層內(nèi)先施工鉆孔,然后在鉆孔內(nèi)采用高壓水射流煤壁,對(duì)煤壁形成切割作用,在鉆孔兩側(cè)形成一條扁平縫槽,利用水流將切割下來(lái)的煤體沖出鉆孔外,煤層在地層壓力重新分配的情況下產(chǎn)生不均勻的變形和破壞,從而提高煤層的滲透性,為水流壓入煤體提供更多的通道(如圖2)。

(3)水力壓裂。水力壓裂是利用特殊的開槽鉆頭人為在煤層表面進(jìn)行切槽,從切槽向煤體內(nèi)注入高壓水,從而高壓水產(chǎn)生拉應(yīng)力使煤層定向分層[4],從而降低煤層的強(qiáng)度,使煤體內(nèi)裂隙的數(shù)量增多或增大,進(jìn)一步提高低滲透性硬煤層注水效果。

(4)添加表面活性劑。煤體是成分復(fù)雜、非均質(zhì)、具有不同孔隙的多孔介質(zhì),煤層內(nèi)具有的孔隙和裂隙,形成了煤體內(nèi)既有連通網(wǎng)絡(luò)又有孤立空間的獨(dú)特系統(tǒng),它們有巨大的表面積。從滲流理論和表面物理化學(xué)理論可知,液體要真正的潤(rùn)濕煤體主要取決于液體和煤體本身的性質(zhì)。在煤層注水過(guò)程中,煤體的性質(zhì)是不可改變的。眾多事實(shí)證明在注入的水中加入表面活性劑,水的表面張力下降,因而使液體易于在煤體表面鋪展。在水中加入表面活性劑后,其水溶液的表面張力和與煤體的接觸角都迅速變小。因此加入表面活性劑能夠提高低滲透性硬煤層的注水效果。

(5)預(yù)爆破。預(yù)爆破即是在注水前注水孔內(nèi)進(jìn)行震動(dòng)爆破,這樣可以使煤體內(nèi)的孔隙、裂隙增大、增多,從而降低注水壓力。在爆破過(guò)程中,孔內(nèi)的水起到了緩沖的作用,炸藥釋放的壓力作用在水體上,通過(guò)水體均勻的傳遞到煤體上,使煤體表面發(fā)生均勻變化。增加了煤體的透水性。因此,預(yù)爆破也是提高低滲透性硬煤層注水效果的一種重要方法。

(6)水爆致裂。水爆致裂技術(shù)又稱水耦合預(yù)裂爆破,是一種特殊的預(yù)裂爆破技術(shù),它是指在采用不耦合裝藥的情況下,處于藥卷和炮孔之間的不耦合介質(zhì)為水而不是空氣或者其他固體。水爆致裂主要是應(yīng)用水是一種難以壓縮的介質(zhì),變形能損失較少,傳遞能量效率高;水具有緩沖并均勻傳遞壓力的作用,能使周圍介質(zhì)受到均勻壓力;由于水是炸藥和煤巖之間的緩沖層,可以延長(zhǎng)爆炸沖擊波對(duì)煤體的作用時(shí)間,提高炸藥的能量利用率。這種水爆致裂是預(yù)爆破技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的,因此,對(duì)煤體同樣產(chǎn)生破壞,增加煤體裂隙,從而提高其注水效果。

6 結(jié)語(yǔ)

利用各種方法改變低滲透性硬煤層煤體特性,提高其注水效果,降低煤層開采時(shí)煤塵產(chǎn)生量,從根本上提高了防塵效果,對(duì)提高我國(guó)礦山整體的安全生產(chǎn)水平以及預(yù)防塵肺病具有十分重要的意義。

[1]葉宗元.礦井防塵[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,1991.

[2]張永吉.煤層注水技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,2001.

[3]郭東屏,張石峰.滲流理論基礎(chǔ)[M].陜西科學(xué)技術(shù)出版社,1994.4.

[4]李杭州.堅(jiān)硬煤層放頂煤注水弱化研究：[碩士學(xué)位論文].西安：西安科技大學(xué)采礦工程系,2003.5.

[5]趙益芳.國(guó)外煤層注水技術(shù)概況[J].煤礦技術(shù),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

閆建浩(1986—),男,山東省菏澤市人,2012年畢業(yè)于北京科技大學(xué)礦業(yè)工程專業(yè),碩士研究生,礦井通風(fēng)及防突工作?，F(xiàn)任保利能源控股有限公司山西保利平山煤業(yè)股份有限公司通防科主任工程師。