煤層注水防治復合動力災害機理概述

摘要：煤開采過程中，復合動力災害的防治工作是必不可少的，煤層注水技術防治動力災害是各煤礦開采普遍采用的技術手段，但注水效果的保證一直是個難題，本文通過對注水防治復合動力災害機理的探究，為煤層開采工作提供理論基礎。

關鍵詞：煤層注水；沖擊地壓；瓦斯突出

1 緒論

許多年來，煤層注水技術一直普遍應用于開采防災工作，研究發現，煤層水滲流作用下能夠濕潤煤體，增加其含水率，改變煤體的物理力學性質，從而可以改變煤層的應力場，煤層注水主要用于降塵，防治沖擊地壓、煤與瓦斯突出等災害防治。一直以來，眾多學者都對注水防治動力災害做過大量研究，煤層注水防治動力災害機理較為復雜，所以對機理的研究現在還不完善，本文對機理研究做了概述。[13]

2 注水防沖擊地壓機理研究

從宏觀上講，煤層注水是為了濕潤煤體，使煤體的含水率增加，或者說使煤層中含水飽和度增加，從而可以使煤的物理力學性質發生改變，達到對沖擊地壓的防治。從微觀角度看，煤是一種多孔隙裂隙介質，含有大量的裂縫和孔隙。在實驗室實驗中，如果把含水率小的較干煤樣進行壓縮實驗，當煤樣受到破壞時，煤樣逐漸破碎并達到了強度極限時，煤樣就會突然劇烈破壞，試驗機就會完全卸壓，這就是煤體不穩定失效，導致沖擊地壓發生的原因。這種現象是由于煤體含水率較低，媒體中一般含有兩種狀態的流體，液體和氣體，兩種流體存在比例關系，當水占比較小時，煤體含水率低，即飽和度比較低，水不能大面積的附著在煤層中，雖然水是濕潤流體，但對于煤層的作用不大。以上描述是煤層中煤體普遍現象，改變其隱患必須加以措施。

當水注入煤層的孔隙和裂縫時，孔隙和裂縫中的氣體逐漸被水驅走，水分逐漸增加，或者水飽和度逐漸增加。當水是煤的濕潤流體時，它被孔的內外表面和煤的裂縫吸收，水的潮濕區域逐漸增加，直到被水完全潤濕，在煤的孔隙和裂縫的表面上形成水膜。當水膜增加到一定厚度并保持一定時間后，在水對煤的復雜物理和化學作用的作用下，煤顆粒之間的結合力降低，煤顆粒接觸表面上的摩擦力減小，煤性質改變，并且沖擊傾向降低。如果在實驗機器上測試用水注入的煤層樣品，當含水率比較高的煤樣進行壓縮實驗，煤樣發生破壞失穩時，不會發生猛烈的破壞現象，而是以堅硬的狀態繼續使實驗機工作，實驗機不會完全卸壓。這就是地下煤巖發生破壞而不發生沖擊地壓的原因。因此，通過向煤層注水，對沖擊地壓的防治與控制非常重要。

如果水不是煤的潤濕液，而氣體是煤的潤濕液，則煤顆粒的表面會被氣體潤濕，即使含水量高甚至充滿水，也會形成氣膜。氣膜將煤與水分離，使水與煤不能接觸起作用，也不能改變煤層的性質，注水不能起到防治沖擊地壓的作用。在這種情況下，可以將潤濕劑添加到水中以使煤對水的親和力大于煤對氣體的親和力，并且水變成潤濕液，其可以起到防止和控制沖擊地壓的作用。

3 注水防治瓦斯突出機理研究

3.1 注水對煤體力學性質的影響

當水進去煤層中時，水的狀態分為兩種。一種是以分子形式被煤的孔隙所吸附，與煤的內表面緊緊連接；另一種形式是以自由的狀態存在于煤的裂縫和孔洞中。

煤層的不均勻結構常常導致突出的發生，不均勻結構是指煤層的各個分層具有不同的機械性能。一般來說，煤的強度比較大，內含的彈性勢能也非常大。當煤開采時，煤層被破壞，彈性能就會瞬間釋放，造成的破壞非常大。但如果煤的塑性比較大，當煤體受到破壞時，就會通過溫和的變形來抵消能量的釋放。

煤層注水后，煤的孔隙中的水分增加，煤體內的結構之間的聯系減弱了，降低了煤的抗壓強度，這是由于煤內部分子間的聯系減弱，并且還因為煤顆粒發生位移導致顆粒間力學沖突減小，水其實在中起到潤滑劑的作用。注水后，水能使煤體彈性降低，塑性增強，減少了應力過于集中。當采掘過程中，煤層被破壞，發生的是塑性形變，大大降低了發生突出的危險。

3.2 注水對煤體對瓦斯解吸與運移規律的影響

煤層中，存在著大量瓦斯，有的是游離態而有的是吸附狀態。但無論哪種狀態，都是發生突出的主要因素。煤層中水對于瓦斯存在兩種矛盾的作用。一方面，水可以降低煤層中瓦斯的滲流和擴散速度，減少了瓦斯的排出量。另一方面，水可以進入微孔隙，占據了瓦斯的位置，使瓦斯被擠出，增加了瓦斯的排出量。其實，這兩種作用都降低瓦斯突出風險。如果在大面積濕煤層中，水對瓦斯的加速排除作用較大；如果在濕潤程度不大的煤層中，水對瓦斯的阻礙作用較大。在實際工作中，工作面一般區域很大，注水主要對瓦斯起到阻礙作用。

注水后，水在煤層中處滲流狀態，滲流過程是依靠著煤的表面分子力、水的滲流壓力和毛細管力進行的，從而使水能夠進入煤孔隙中。這就是水驅氣過程，液體占據了瓦斯的位置，降低了瓦斯的滲流速度，并且部分瓦斯會吸附在水中，進而消除或降低了煤與瓦斯突出的危險。

4 結論

煤層注水工作中，通過水的滲流來濕潤煤體，使煤體的結構發生改變，并且使煤體的抗壓強度與彈性勢能降低，依據實驗經驗，注水能減弱沖擊傾向性，有效防治了沖擊地壓、煤與瓦斯突出。并且煤層水滲流能吸附瓦斯、減小瓦斯的擴散和滲流速度，進一步降低了瓦斯突出危險。

參考文獻：

[1]翟明華，姜福興，齊慶新，郭信山，劉懿，朱斯陶.沖擊地壓分類防治體系研究與應用[J].煤炭學報，2017，42（12）：31163124.

[2]李忠華.高瓦斯煤層沖擊地壓發生理論研究及應用[D].遼寧工程技術大學，2007.

[3]張磊.長溝峪煤礦煤層注水技術及試驗研究[D].遼寧工程技術大學，2009.

作者簡介：謝寧（1993），男，遼寧撫順人，在讀碩士研究生，研究方向：環境地質學。