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1、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（-b+cp）式中：K渗透系数，m/d；体积应力，=x+y+z，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：c=a-bWc E=a/Wc-b E=a-bp式中：c单轴抗压强度，Mpa；Wc煤体
2、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
3、中都有水注入，甚至在1m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
4、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= 0(
5、U2R) / a2式中，0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。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/ 40 ( 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= 2R sin(+) sin+ R / 2 ( 1/ r 1) -( 1/ r 2) sin2式中，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
6、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sg=sl
7、+lgcos式中，sg为气固界面能；lg为液体表面自由能；sl为固液界面自由能。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
8、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0时液体可以在固体表面自动展开。连续地从固体表面上取代气体，只要用量足够，液体将会自行铺满固体表面。由式 G =sgsl=Wi和G =sgsllg =S可得S=Wilg，说明若要铺展系数S大于 0，则Wi必须大于lg。Wi体现了固体与液体间粘附的能力，又称粘附张力，用 A 表示：A =sgsl因上述各式中的sg和sl尚难直接测算。所以根据液体润湿固体时力的平衡关系（见图 3-6），得到下式：sg=sl+lgcos此式即为著名的 Young 方程。式中称作液体对固体的接触角，是气、固、液三相交界点沿液滴表面引出的切线与固体表面的夹角。根据上述各式可以得出：Wa=lg(cos+1)A= Wi =lgcosS=lg(cos1)水对煤的润湿边角反映水分子与煤大分子之间吸引力大小。水对煤的润湿边角如图3-7所示。润湿边角90时，水容易在煤体表面铺展，煤体易于润湿，属易润湿煤体，在相同的水表面张力系数条件下，角愈小，毛细作用力则较大，增强了注水动力，润湿能力愈大；反之，润湿边角90时，水难以在煤体表面铺展，煤体不易润湿，属于
