煤层注水知识点（煤层注水很重要）

煤层注⽔知识点（煤层注⽔很重要）
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-bW c E=a/W c-b E=a-bp
式中：σc——单轴抗压强度，Mpa；
W c——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F M
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F M 表达式为：
F M = - [ 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F L
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+γlg cosθ
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。

煤体沾湿是指液体与煤体从不接触到接触，变液-⽓界⾯和固-⽓界⾯为固-液界⾯的过程，见图3-3。

假设形成的接触⾯积为单位值，此过程中体系⾃由能降低值（?ΔG）应为：
ΔG =γsg+γlg?γsl=W a
式中：γsg——为⽓-固界⾯⾃由能；
γlg——为液体表⾯⾃由能；
γsl——为固-液界⾯⾃由能。

W a称为粘附功，是沾湿过程体系对外所能做的最⼤功，也是将接触的固体和液体⾃交界处拉开，外界所需做的最⼩功。

W a 越⼤，固-液结合越牢，越易润湿。

这⼀过程主要发⽣在注⽔的进⽔过程中。

浸湿是指固体浸⼊液体的过程。

此过程的实质是固-⽓界⾯为固-液界⾯所代替，⽽液体表⾯在此过程中并⽆变化，见图3-4。

在浸湿⾯积为单位值时，此过程的⾃由能降低值为：
ΔG =γsg?γsl=W i
式中：W i为浸润功，它反映液体在固体表⾯上取代⽓体的能⼒；W i是浸润过程能否⾃动进⾏的判断依据。

浸湿过程主要发⽣在贮⽔过程阶段。

铺展过程的实质是以固-液界⾯代替⽓-固界⾯的同时还扩展了⽓-液界⾯，见图3-5。

当铺展⾯积为单位值时体系⾃由能降低为：
ΔG =γsg?γsl?γlg =S
式中：S——为铺展系数。

在恒温恒压下，S>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?ΔG =γsg?γsl=W i 和?ΔG =γsg?γsl?γlg=S可得S=Wi?γlg，说明若要铺展系数S⼤于0，则Wi 必须⼤于γlg。

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 =γsg?γsl
因上述各式中的
γsg和γsl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：
γsg=γsl+γlg?cosθ
此式即为著名的Young ⽅程。

式中θ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：
W a=γlg?(cosθ+1)
A= W i =γlg?cosθ
S=γlg?(cosθ?1)
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θ<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，θ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θ≥90°时，⽔难以在煤体表⾯铺展，煤体不易润湿，属于不易润湿煤体，θ⾓愈⼤，润湿能⼒愈⼩。

根据以上讨论，⾃发进⾏的润湿过程的润湿功必须为正，因此判别各种润湿过程的判据为：
沾湿润湿Wa≥0，即90°＜θ≤180°；
浸湿润湿A≥0，即θ≤90°；
铺展润湿S≥0，即θ=0°。

综上所述，液体对固体润湿效果的好坏，可通过其润湿类型确定，⽽润湿类型⼜可通过接触⾓θ的⼤⼩直接测定。

⽔对煤体的润湿过程是这三种润湿过程综合作⽤的结果。

8、煤层次⽣裂隙注⽔
煤体的次⽣裂隙就是煤体在采落之前，受本层或上邻近层开采的超前⽀承压⼒的作⽤，或受邻近分层爆破作业的影响所形成的裂隙称为次⽣裂隙。

由于煤层赋存条件复杂，⼀般在⾃然条件下难以渗透，故注⽔应施加⼀定压⼒，才能将⽔有效的渗透到煤体中。

煤层裂隙、孔隙的发育程度是影响煤层注⽔难易程度的⾸要因素。

9、注⽔可⾏性分析
煤层注⽔的能⼒决定于煤层微观孔隙特征、煤阶特性和宏观渗流能⼒，其中
微观孔隙特征决定了煤层的⽑细吸渗能⼒，⽽煤阶特性决定了煤对⽔的吸附能⼒，煤中⼤裂隙分布和外部温压条件决定了煤层注⽔的宏观渗流能⼒。

10、注⽔⼯艺过程
(1) ⼯作⾯打钻孔，钻孔深多少，直径多少。

(2) 将中间巷的注⽔管路和⼯作⾯的液压管路连接，并检查管路和封⼝器的连接情况。

(3) 将液压泵的吸⽔⼝与液压⽔箱联通，并将⽔箱注满⽔，确保⽔箱的⽔量满⾜注⽔量；对注⽔设备进⾏调试，开启液压泵，打开出⽔阀，调节封⼝器前端的调压装置，使液压泵的压⼒表达到规定压⼒。

(4) 将封孔器放⼊钻孔内，距眼底0. 5m 为宜；关上卸压阀，开启截⽌阀，向孔内注⽔，⾄相邻孔内有⽔渗出。

(5) 关闭截⽌阀，打开卸压阀，卸压后取出封⼝器，再放⼊下⼀个注⽔孔中进⾏注⽔，如此依次进⾏注⽔，直⾄完成整个⾯炮眼的注⽔⼯作。

(6) 整个⾯注⽔完毕后，关掉液压泵，把封⼝器从⾼压⽔管接头上取下，冲刷⼲净防⽌因锈蚀影响下次使⽤，将单体液压管路恢复。

11、注⽔效果
注⽔效果主要表现为注⽔煤层的⽔分增量和降尘率。

XX⼯作⾯注⽔试验成功后，在⼯作⾯范围内每隔XXm⼀个采样点，在距注⽔孔不同距离的放煤⼝取煤样进⾏全⽔分测定，并与注⽔前煤的全⽔分进⾏对⽐。

结果表明，煤层⽔分从注⽔孔处开始在注⽔半径内递减，最⾼含⽔量⽐原⽔分增加6. 2% ，最低⽐原⽔分增加0. 8% 。

为了考察煤层注⽔的降尘率，在不采取任何降尘措施的情况下分别测定注⽔前后综放⼯作⾯3 个主要⼯序作业时的产尘量。

测定结果如表1。

注⽔⽔分增量还可以通过⼀个圆形图来表⽰，在⼀周内，哪些位置⽔分增量多少，全部⽤数字表⽰出来。

形成⼀个直观的圆形或者拱形图。

12、⽔⼒压裂机理分析
⽔⼒压裂的基本原理是将⾼压⽔( 压裂液) 注⼊煤体中的裂缝内( 原有裂隙和压裂后出现的裂隙) ，克服最⼩主应⼒和煤体的抗裂压⼒，扩宽伸展并沟通这些裂缝，增加煤层相互贯通裂隙的数量和增⼤单⼀裂隙⾯的张开程度，进⽽在煤体中产⽣更多的⼈造裂缝与裂隙，从⽽增加煤层的透⽓性。

煤层⽔⼒压裂可使煤体的⼒学性质发⽣明显变化、煤体的弹性和强度减⼩、塑性增⼤，从⽽使⼯作⾯前⽅的应⼒分布发⽣变化，⽽且能使⼯作⾯的应⼒集中带向煤体深部推移，因⽽能缓解由地应⼒参与作⽤的煤与⽡斯突出，可以消除或降低煤层和⼯作⾯的突出危险。

当压裂停⽌后，由于⼤量⽡斯被⾼压⽔挤排出去，煤体⽡斯含量降低，⽡斯涌出量减少，以⾄减少了⼯作⾯和上隅⾓⽡斯超限次数。

同时⽔⼒压裂使煤体润湿，减少了采煤过程和煤炭运输过程中产⽣的煤尘。

13、⽔⼒压裂过程分析
煤层⽔⼒压裂是⼀个逐渐湿润煤体、压裂破碎煤体和挤排煤体中⽡斯的注⽔过程。

在注⽔的前期，注⽔压⼒和注⽔流量随注⽔时间呈线性升⾼；随后，注⽔压⼒与流量反向变化，并呈波浪状。

这直观反映出了在注⽔初期，具有⼀定压⼒和流速的压⼒⽔通过钻孔进⼊煤体裂隙，克服裂隙阻⼒运动。

当注⼊的⽔充满现有裂隙后，⽔流动受到阻碍，由于煤体渗透性较低，导致⽔流量降低，压⼒增⾼⽽积蓄势能；当积蓄的势能⾜以破裂煤体形成新的裂隙时，压⼒⽔进⼊煤体新的裂隙，势能转化为动能，导致压⼒降低，⽔流速增加；当注⼊的⽔( 压裂液) 携带煤泥堵塞裂隙时，煤体渗透性降低，⽔难以流动使流量下降，压⼒上升。

14、⽔⼒压裂合理注⽔参数分析
煤层⽔⼒压裂包括煤体裂缝起裂和煤体裂缝延伸 2 个⽅⾯，煤体的裂缝起裂受许多因素的控制，⼀般通过试验加以确定。

研究表明：煤体的裂缝起裂和延伸取决于注⽔速度( 时间效应) 、注⽔压⼒、煤体的⾮均质性( 规模效应) 和煤层的应⼒状态等，影响煤层⽔⼒压裂效果的压裂参数很多，主要可分为外部⼯艺因素和煤体内在本质因素2 类。

（1）外部⼯艺因素
外部⼯艺因素主要包括注⽔压⼒、注⽔孔间距、注⽔流、注⽔速度、钻孔长度、封孔⽅法与封孔长度、注⽔时间等参数，它们互有联系和影响；同时还与地质和采矿技术因素以及压裂设备的性能有关。

①注⽔压⼒
在⼀般开采条件下，煤体难以形成孔隙裂隙⽹，以致煤层难以得到充分的卸压增透，故在压裂时应施加⼀定的压⼒，才能将⽔有效地压裂到煤体中并使煤体产⽣裂隙起裂和延伸，形成孔隙裂隙⽹。

试验结果表明，在围压不变的条件下，随着注⽔压⼒的增加，导⽔系数呈⾮线性增⼤，当注⽔压⼒达到某⼀极限值时，导⽔系数骤然增⼤，此时煤体完全被压裂，内部形成⼤的贯通裂缝⽹，通常煤体裂隙起裂和延伸随注⽔压⼒的增加⽽增⼤。

因此，注⽔压⼒是衡量压裂效果的⼀个重要参数，如果注⽔压⼒过⼤且封孔深度与注⽔压⼒不匹配时，容易造成封孔段泄漏，影响压裂效果，甚⾄煤体在⾼压⽔的作⽤下发⽣位移并诱发突出；如果注⽔压⼒过⼩，将起不到压裂效果，这就相当于中⾼压煤层注⽔润湿。

②注⽔孔间距
回采⼯作⾯注⽔孔间距根据压裂钻孔的压裂半径⽽定。

如果孔间距过⼩，则增加了钻孔和注⽔⼯作的施⼯量，同时在⽡斯抽放时容易抽出⼤量的⽔；如果孔间距过⼤，则可能存在注⽔空⽩带，即压裂孔的⾼压⽔不能有效地把⽡斯挤排到抽放孔，影响压裂效果和⽡斯抽放效果。

③注⽔量
煤体润湿需要⼀定的⽔，如果单孔注⽔量过⼤，虽然容易把游离⽡斯挤排出去，但增加了压裂⼯作的施⼯量和成本；如果注⽔量过⼩，可能影响压裂效果。

如果单位时间单孔注⽔量增⼤，则要求注⽔压⼒迅速增⼤，容易带来突出危险；如果单位时间单
孔注⽔量减⼩，则要求注⽔压⼒降低，影响压裂效果。

④注⽔速度
注⽔速度是压裂⼯艺的⼀个重要参数，如果注⽔速度太快，新裂隙还没有⽣成，原有裂隙还没有扩宽并伸展，新⽼裂隙还没有沟通形成⼀个有效排泄⽡斯的孔隙裂隙⽹，则影响挤排⽡斯效果；同时，注⽔速度过快，要求注⽔压⼒等相应地增⼤。

如果注⽔速度过低，要达到⼀定的注⽔量，则注⽔时间增长，这将影响注⽔作业的进度，同时要求注⽔压⼒等相应地降低，可能起不到预期压裂效果。

⑤钻孔长度
钻孔长度取决于⼯作⾯长度、煤层透⽔性、钻孔⽅向以及钻孔施⼯技术与设备等。

钻孔长度应使⼯作⾯沿倾斜全长均得到压裂，没有注⽔空⽩带。

⑥封孔深度与封孔⽅法
封孔是实现孔⼝密封、保证压⼒⽔不从孔⼝及附近煤壁泄漏的重要环节，是
决定煤层⽔⼒压裂效果好坏的关键。

封孔深度也是⽔⼒压裂⼯艺的⼀个重要参数，决定封孔深度的因素是注⽔压⼒、煤层裂隙、沿巷道边缘煤体的破碎带深度、煤的透⽔性及钻孔⽅向等，⼀般封孔深度与注⽔压⼒成正⽐。

封孔深度应保证煤层在未达到要求的注⽔压⼒和注⽔量前，⽔不能由煤壁或钻孔向巷道渗漏。

如果封孔深度过⼩，封孔段的煤壁可能承受不了⾼压⽔的压⼒，造成壁⾯外移，可能造成冒顶、⽚帮等，增加了⽀护的难度，甚⾄可能引发事故; 如果封孔深度过⼤，则增加了封孔难度和封孔⼯作量，同时压裂钻孔的长度也相应地增加，这就增加了钻孔的施⼯量和施⼯时间，钻孔长度过长，容易造成塌孔等现象，影响钻孔的施⼯成功率。

⑦注⽔时间
注⽔时间是影响压裂施⼯量和施⼯进度的⼀个参数，煤体的润湿效果和裂缝的扩宽伸展沟通特性是影响注⽔时间的重要因素。

如果在相同注⽔压⼒情况下，需要很长的注⽔时间才能达到效果，则说明煤体的润湿效果和裂缝的扩宽伸展沟通能⼒较差，需要增加润湿剂和压裂剂等。

如果在相同注⽔压⼒情况下，需要很短的注⽔时间就能达到效果，则说明煤体的润湿效果和裂缝的扩宽伸展沟通能⼒较好，压裂半径可以增⼤，钻孔间距也可以相应地增⼤。

（2）煤体内在因素
煤体内在因素主要包括：煤体内部的孔隙裂隙特征( 煤层孔隙裂隙的发育程度) ，煤层的埋藏深度(地压的集中程度) ，煤的化学组份( ⽔与煤的湿润边⾓和⽔的表⾯张⼒系数) ，⽡斯压⼒，煤层的顶底板状况。

①煤体内部的孔隙裂隙特征( 煤层孔隙裂隙的发育程度) 。

煤体是⼀种孔隙和裂隙都⼗分发育的双重介质。

⼆者共同构成了煤层⽔⼒压裂时的渗透通道和⽡斯挤排通道。

在煤层注⽔压裂的过程中，煤层孔隙裂隙发育程度对煤体的均匀湿润、物理⼒学特性的改变有重要影响。

压裂时，⽔在压⼒作⽤下以相当⼤的流速运动，包围被裂切割的煤块，同时缓慢地通过微⼩孔隙，向煤块内部渗透。

因此，煤体压裂效果不仅与煤的孔隙有关，还直接受裂隙的影响，裂隙不发育的煤体很难注⽔，此时就需要较⾼的压⼒迫使煤体产⽣新的裂隙和孔隙。

②⽡斯压⼒。

煤层内的⽡斯压⼒是⽔⼒压裂时的附加阻⼒。

压裂时，⽔压克服煤体⽡斯压⼒后所剩余的压⼒才是压裂时的有效压⼒，因此，煤层内的⽡斯压⼒越⼤，需要的注⽔压⼒也越⾼，所以⽡斯压⼒的⼤⼩也影响煤体的渗透性能和注⽔压⼒。

③煤的化学组份。

煤的化学组份对煤层压裂效果的影响主要表现在：不同化学组份的煤体被⽔湿润的性质不同，以致⽡斯被挤排的程度不同。

煤体的湿润能⼒取决于⽔与煤的湿润边⾓和⽔的表⾯张⼒系数。

⽔与煤体的湿润边⾓⼤⼩反映了⽔分⼦与煤分⼦的吸引⼒⼤⼩，吸引⼒越⼤湿润边⾓越⼩，越易于注⽔，相反则难于注⽔。

因此，降低⽔的表⾯张⼒可以提⾼煤体的湿润能⼒，提⾼注⽔速度。

如果在注⽔流程中添加活性湿润剂( 压裂剂) ，降低⽔的表⾯张⼒，能增强⽔在煤层中的渗透能⼒，能解决⽔不能渗⼊煤体微裂隙等问题。

④煤层的埋藏深度。

随着埋藏深度的增加，煤层承受地层压⼒也随之增加。

受压⼒影响，裂隙被压紧，裂隙容积降低，渗透系数也会随之降低。

通常地应⼒⼤，注⽔压⼒必须克服地应⼒，才能有效地使煤体扩宽伸展裂隙，形成有效的孔隙裂隙⽹。

所以，煤层压裂时注⽔压⼒必须⼤于地应⼒。

⑤煤层的顶底板状况。

顶底板性质与⽔⼒压裂关系密切，因此在⽔⼒压裂时，还要考虑煤层顶底板是否允许注⽔及煤层能否注⼊⽔。

通常，顶底板岩⽯遇⽔若严重膨胀、软化或脱层，危及⼯作⾯⽀架稳定及安全，就不能进⾏⽔⼒压裂，甚⾄不能采取⽔⼒化措施。

15、煤层注⽔研究现状及影响因素分析
⽔在不同孔隙中的运动形式也不相同，渗透运动是在⼤的裂隙和孔隙中发⽣，⽑细运动是在较⼩的孔隙中发⽣，⽽分⼦扩散运动则是在煤的超微结构的孔隙中发⽣。

其中每⼀种形式在空间和时间上都不是共存的。

其搬运⽔分的速度也有很⼤的差别。

当向煤体注⽔时，⽔⾸先是在裂隙和⼤孔中运动，之后才在⽑细⼒的作⽤下进⼊较⼩的空隙中，⽽在扩散作⽤下，⽔才可能更深地进⼊煤的微孔中。

因此，煤层注⽔开始主要是在⼤的裂隙和孔隙中渗透，⽽⽑细运动和扩散运动往往要在注⽔完毕后才继续完成，并且是在渗透运动已经波及的容积中进⾏，所以⽑细运动和扩散运动不会扩⼤润湿区的范围，⽽是⽔分的均匀分布。

只有当
能经常渗透裂隙和孔隙补给液体时，则可进⼀步增加煤的⽔分。

16、静压和动压注⽔的区别
由于煤物质具有可缩性和孔隙中⽓囊的可缩性的特性，因此，采⽤不同的注⽔⽅式和参数，会导致不同的作⽤效果。

⾼压注⽔时，可能使煤中裂隙和孔隙的容积以及煤的结构发⽣变化，甚⾄造成煤的破裂和松动，起到⽔⼒疏散煤体的作⽤，使煤层近⼯作⾯部分的卸压和排放⽡斯。

低压注⽔时，煤的结构不会发⽣明显的变化，⽽煤体得到相当均匀的湿润。

17、煤层润湿过程的实质
煤层的润湿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透规律流动；⾃运动与注⽔压⼒⽆关，它取决于⽔的重⼒和⽔与煤的化学的、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。

⽔在煤层中的运动，主要是注⽔压⼒、⽑细管⼒、和重⼒3种⼒综合作⽤克服煤层裂隙⾯的阻⼒、孔隙通路阻⼒和煤层的⽡斯压⼒。

注⽔后的煤层，在回采及整个⽣产流程中都具有连续的防尘作⽤，⽽其它防尘措施则多为局部的。

煤体注⽔湿润，可使煤的⼒学性质发⽣明显变化，煤的弹性和强度减少，塑性增⼤，从⽽使巷道前⽅的应⼒分布发⽣根本变化，即⾼应⼒区向煤体深部转移，应⼒集中系数减⼩。

18、煤层注⽔的影响因素
煤层注⽔技术是指⽤⽔预先润湿煤体减尘的⽅法，即在煤层开采之前，打若⼲钻孔，通过钻孔向煤体注⼊⽔压，使其渗⼊煤体内部，增加煤尘⽔分，减少开
采时的产尘量；或者将⽔灌⼊空采区及巷道内，使⽔依靠⾃重及⽑细管作⽤，渗⼊煤体减尘的⽅法。

影响煤层注⽔的主要因素有以下⼏个⽅⾯：
（1）煤层裂隙、孔隙的发育程度。

煤层裂隙、孔隙的发育程度是影响煤层注⽔难易的⾸要因素。

在⼀般情况下，裂隙发育、孔隙率⾼的煤层透⽔性强，⽔易于注⼊，注⽔压⼒较低。

实践证明，裂隙发育⽽质地疏松的煤层多采⽤低压注⽔就能取得良好的湿润效果。

（2）上覆岩层压⼒及⽀撑压⼒。

地压的集中程度与煤层的埋藏深度有关，煤层埋藏越深则地层压⼒越⼤，⽽裂隙和孔隙变得更⼩，导致透⽔性能降低。

因⽽随着矿井开采深度的增加，要取得良好的煤体湿润效果，需要提⾼注⽔压⼒。

（3）煤的坚固性。

煤的坚固性系数f 较⼤，煤的透⽓性好，易于注⽔；反之，则难以注⽔。

但对于那些有夹矸、极松软且遇⽔易膨胀的煤层，虽然f 很⼤，却反⽽不易注⽔。

（4）煤的湿润性。

煤层的湿润能⼒是指煤体与⽔接触时是否容易被⽔所湿润。

它表现在煤体孔隙对⽔的⽑细作⽤⼒⼤⼩和⽔对细粒煤尘的粘合能⼒强弱，这都决定于⽔与煤的湿润边⾓和⽔的表⾯张⼒系数。

⽔与煤的湿润边⾓⼤⼩反映了⽔分⼦和煤炭分⼦间的吸引⼒⼤⼩，吸引⼒愈⼤则湿润边⾓愈⼩，愈易于湿润。

相反，如⽔分⼦之间的吸引⼒增⼤，即⽔分⼦和煤炭分⼦间的吸引⼒减⼩，⽔的表⾯张⼒系数增⼤，则湿润边⾓变⼤，使煤尘难于湿润。

（5）煤层内的⽡斯压⼒。