短孔注水（分段注水）知识点 1、煤层注水力学特性 （1）水力学特性分析 对煤层的注水效应主要取决于煤体对水的渗透特性，煤体对水所遵循的渗透系数规律为： K=a exp（-bΘ+cp） 式中：K——渗透系数，m/d； Θ——体积应力，Θ=σx+σy+σz，Mpa； P——孔隙压，Mpa； a、b、c——拟合常数。 由上式可以看出，煤体的渗透系数受孔隙压与体积应力影响十分显著，说明煤层注水对煤体的渗透性影响及改性主要取决于注水压力与煤的实际赋存深度。 （2）水对煤层力学特性的影响 煤样在饱和含水以后，其强度和弹性模量均有不同程度的降低，下降幅度基本符合以下关系式： σc=a-bWc E=a/Wc-b E=a-bp 式中：σc——单轴抗压强度，Mpa； Wc——煤体饱和含水率，%； E——弹性模量，Mpa； P——孔隙水压，Mpa； a、b——拟合常数。 由上式可以看出，煤层注水可以软化煤体、增加煤体塑性，有效降低由于应变能突然释放导致的各类煤矿事故。 2、煤层注水防治煤尘 煤是孔隙裂隙双重介质，当水通过裂隙进入孔隙并吸附在孔隙表面时，表现为三方面的降尘作用：（1）湿润了煤体内的原生煤尘。煤体内各类裂隙中都存在着原生煤尘，随煤体的破碎而飞扬于矿井空气中。水进入裂隙后，可使其中的原生煤尘在煤体破碎前预先湿润，使其失去飞扬的能力，从而有效地消除了这一尘源。（2）有效地包裹了煤体的每一个部分。水进入煤体各类裂隙、孔隙之中，不仅在较大的构造裂隙、层理、节理中有水存在，而且在极细微的孔隙中都有水注入，甚至在1μm以下的微孔隙中充满了毛细水，使整个煤体有效地被水所包裹起来。当煤体在开采中受到破碎时，因为水的存在消除了细粒煤尘的飞扬，即使煤体破碎得极细，渗入细微孔隙的水也能使之都预先湿润，达到预防浮游煤尘产生的目的。（3）改变了煤体的物理力学性质。水进入煤体后，湿润的煤炭塑性增强，脆性减弱。当煤炭受外力作用时，许多脆性破碎变为塑性形变，因而大量减少了煤炭破碎为尘粒的可能性，降低了煤尘的产生量。 3、尘流中尘粒间的作用力分析 尘粒有黏附于其他粒子或其他物质表面的特性，附着力有3 种：范德华力、静电力和液体桥联力。 （1）范德华力FM 范德华力由原子核周围的电子云涨落引起，是一种短程力，但其作用范围大于化学键，根据伦敦—范德华微观理论，在两颗球粒之间，范德华力FM 表达式为： FM = - [ AR1R2/ 6h2( R1+ R2) ] 式中，h——为两尘粒间距； R1，R 2 ——为尘粒半径； A—— 为哈马克常数( Hamaker)。 （2）静电力Fe ①电位差引起的静电力Fe1 由于离子或电子吸附，煤尘之间或尘粒与物体之间的摩擦，使尘粒带有电荷。其带电量和电荷极性与工艺过程环境条件及其接触物的电介常数有关。两导电尘粒相接近时，由于彼此的功函不同而导致电子转移，平衡后产生接触电位差( U)，其大小随煤尘的成分、粒度、表面状况变化，半径为r的导电球颗粒相互接近时因电位差而相互吸引，其作用力Fe1为： Fe1= ε0π( U2R) / a2 式中，ε0——为气体的介电常数； a ——为两球形离子表面间距离； R——为球形尘粒半径； U ——为尘粒间接触电位差。 ②尘粒间库仑力Fe2 当两尘粒带电量分别为q1 和q2 时，其库仑力为： Fe2= [ q1q2/ 4πε0 ( R1+ R2+ a) 2] （3）液体桥联力FL 液体桥联力主要由液桥曲面产生的毛细压力和表面张力引起的附着力组成，其表达式为： F L= 2πRσ{ sin(α+θ) sinα+ R / 2[ ( 1/ r 1) -( 1/ r 2) ] sin2α} 式中，α——为气体界面张力；其余符号如图1 所示。

尘粒间的上述3 种附着力都有促进尘粒相互吸引、吸附并凝聚成大颗粒的作用，且这3 种力都随尘粒半径的增大呈线形增大的关系，但在干燥尘流和湿润尘流中起主导作用的作用力不同，干燥情况下，尘粒间不存在液桥力，起主导作用的是范德华力，而在湿润情况下，液桥力起主导作用，并且液桥力比其他作用力大得多。表1为一定条件下，尘粒间作用力与自身质量的分析结果。

因此，在一定条件下，可以加速尘粒间的相互凝聚，形成较大颗粒的尘粒，随着尘粒颗粒的增大，其沉降速度加快，有利于煤尘灾害的治理。 4、煤体湿润特性分析 （1）煤尘湿润特性 煤层注水过程中，水不断改变煤体自身的物理力学结构和性质，从大裂隙通道中不断压裂贯通封闭状态的孔隙进入煤体，直至渗入细微孔隙中，这一过程大致分为进水过程、贮水过程和吸附水过程3 个阶段。 根据Young 方程γsg=γsl+γlgcosθ 式中，γsg——为气固界面能； γlg——为液体表面自由能； γsl——为固液界面自由能。 θ为液体对固体的接触角，是气、固、液3 相交界点沿液滴表面引出的切线与固体表面的夹角，在水煤体系中常称为湿润边角，如图2 所示。 范德华力使煤尘表面有吸附气体、蒸汽和液体的能力。尘粒颗粒越细，比表面积越大，单位质量煤尘表面吸附的气体和蒸气的量越多。单位质量煤尘粒子表面吸附水蒸汽量可衡量煤尘的吸湿性。当液滴与尘粒表面接触，除存在液滴与尘粒表面吸附力外，液滴尚存在自身的凝聚力，两种力量平衡时，液滴表面与煤尘表面间形成湿润角，表征煤尘的湿润能力。如图3 所示。 水对煤的湿润边角是反映水分子与煤分子之间吸引力的大小。根据湿润边角可以确定煤体表面湿润的难易和毛细作用的大小。煤层的湿润能力表现在煤体孔隙对水的毛细作用大小和水对细粒煤尘的粘合能力强弱，其决定于水对煤的湿润边角和水的表面张力系数。在相同的表面张力系数条件下，湿润边角θ< 900时，水容易在煤体表面铺展，煤体易于湿润，属易湿润煤体，θ越小，毛细作用力则越大，增强了注水动力，煤体的湿润能力越强；反之，θ≥900时，水难于在煤体表面铺展，煤体不易湿润，θ越大，煤体的湿润能力越差。当水进入煤体裂隙后，在湿润边角较小的煤层中，水易于湿润裂隙中的原生煤尘；反之，则难于湿润。 5、煤层注水降尘机理 通过对尘流中单个尘粒的运动特性和尘粒间作用力的分析，煤层注水治理煤尘灾害体现在3 个方面： ( 1) 湿润煤尘间主作用力是液体桥联力，而液体桥联力促使湿润尘流中的尘粒凝聚变大，沉降速度加快，并使开采过程中大量减少或基本消除浮游煤尘的产生，且经过注水预先湿润的煤炭，在整个矿井生产流程中具有连续防尘作用。 ( 2) 煤体内部各类裂隙中存在原生煤尘，它们随煤体破碎而飞扬于空气中。水进入煤体各类裂隙、空隙和层理之中，一方面可将其中的原生煤尘在煤体未破碎前预先湿润,使其失去飞扬能力，从而有效消除尘源。另外，在极其微小的孔隙内部也有水注入，甚至在1μm 以下的微孔隙中也充满了毛细水，这样就使整个煤体有效地被水包裹起来。当煤体破碎时，因绝大多数破碎面均有水存在，从而消除了细微煤尘的飞扬，渗入细微孔隙的水能够预防浮游煤尘的产生。 ( 3) 改变了煤体的物理力学性质。水进入煤体后，能使煤体塑性增强，脆性减弱，降低了煤体的内聚力和内摩擦角，减小了煤体的应力集中。当煤体受到外力作用时，许多脆性破碎变为塑性变形，大量减少了煤体破碎为尘粒的可能性。 6、毛细管力 毛细管力：在很窄的孔隙中或毛细管中，气体很容易凝集，此称毛细管现象。对于两个很靠近的表面，气体也会在其中凝聚，如果凝聚的液体与表面有较好的润湿性(接触角＜900)，两表面相距为某一临界距离时，会产生液相桥而将两表面沾在一起。 毛细管力是一种比较大的表面力，一些很细的粉体，在干燥环境中能自由地相对滑动，表现出很好的流动性，一旦环境湿度较大，粉体表面吸附水气并产生毛细力，它们立即粘结成块。 7、水在媒体中的运动过程 （1）液态水在煤体中的运动过程 液态水在外力作用下注入煤孔隙时，水在煤层裂隙、孔隙中运动的动力主要有两种，一是孔口的注水压力，是外在动力；另一种是煤层中裂隙、孔隙对水的毛细作用力，是内在动力。两种动力矢量和即为注水的动力。煤层孔隙的毛细作用力则取决于孔隙的直径、水的表面张力、水对煤的润湿边角。 注水实验，水从大孔裂隙通道中进入煤体，直至渗入细微孔隙中，大致分为三个过程。 1）进水过程 压力水初始沿煤体原生连通裂隙通道进入煤体，是一个克服煤体内部阻力的过程。处于原始状态的煤层，原生裂隙通道只占全部裂隙的极少部分，连通的通道更少。因此初始注水时，煤层出现明显的不进水现象，注水存在一临界压力值 P。 2）贮水过程 进水的煤体随注水压力的增高，煤体裂隙系统通道网在水的压力作用下，逐渐扩大丰富。压力水不断进入煤体，并在通道孔裂隙中滞留，这是注水渗流润湿的主要过程，煤体最终达到均匀润湿所吸收的就是这部分水。可以认为，煤体大孔隙通道中的贮水即为煤体最终润湿所需水分的主要部分。随进水程度增大，煤层水分趋于饱和，进水程度大大减弱。 据此，煤层的贮水过程包括两个阶段，即为非弹性贮水和弹性贮水阶段。 3）吸附水过程 在水沿渗流系统通道流动的同时，各类细微孔裂隙（孔隙直径小于 10 nm）内表面被润湿或经扩散吸附渗流通道的水，形成润湿吸附水过程，润湿过程主要受控于毛细作用力，吸附过程与分子间作用力有关。在细微孔隙中，注水压力传递到这些孔道时已基本消耗尽，而毛细作用力相对增大。 （2）煤体润湿过程 煤体润湿包括沾湿、浸湿和铺展过程。