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高压水射流技术与煤层高压注水的目的和意义
发布时间：
2014-09-10
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煤层高压注水的目的和意义
煤层是指顶底岩石之间所夹的一套煤及其矸石层。煤层是煤系的主要组成部分，煤层层数、厚度及其变化是评价煤田经济价值的主要因素。
根据煤层的结构，可将煤层的厚度分为总厚度，有益厚度，可采厚度三种。
1、总厚度：是指顶底板之间各分层和夹石层厚度的总和。
2、有益厚度：是指煤层顶底板之间各煤分层厚度的总和。
3、可采厚度：是指达到国家规定的低可采厚度以上的煤层或煤分层厚度之和。
高压注水的作用：
煤层注水是在采掘工作前，对煤层进行压力注水。注水一般是在已掘好的回采巷道或临近的巷道内进行。目的是通过压力水的物理化学作用，改变煤的物理力学性质，降低煤层冲击倾向性。实施煤体高压注水卸压，即从改变煤体的物理机械特性入手，对煤体进行高压注水达到卸压的目的。压力水进入煤体后沿弱面流动，起到压裂和冲刷作用，以及水对裂隙尖端的楔入作用（水楔作用），使煤体扩大了原由裂隙，产生了新的裂隙，破坏了煤体的整体性，降低了强度。它不仅能消除或减缓冲击地压威胁，还可起到消尘、降温、改善劳动条件的作用。
煤体注水过程一般都是开始阶段泵压持续上升，当上升到一定值后（10-20MPa左右），突然下降（5-10MPa），并相对稳定在某个泵压上，这表明煤体被压裂，裂隙开始扩展。泵压最初上升到的最高值称破裂压力。
水合某些含阳离子的溶液具有降低煤岩颗粒间表面能的能力。对于煤体中的一些软弱结构面水起着润滑剂的作用，使煤体的抗剪强度降低。实验室的浸水试验表明，压力饱水煤样以剪切形式破坏为主，而没有浸水的自然状态煤样，则以劈裂破坏形式为主。
水对煤岩体内的某些矿物有溶解作用，矿物溶解后形成裂隙，压力水又可沿裂隙楔入，形成新的裂隙，循环往复，使煤岩强度降低。此外，煤和某些软岩吸水后会膨胀，崩解。吸水量越多，体积膨胀量越大，表面变形量显著增加。这种膨胀力是作为一种附加应力作用于煤岩体上的，使其变形以至破坏。
煤层压力注水后，经过水力压裂和长时间的湿润作用，煤体性质发生了变化，冲击倾向性降低，而且起到消尘、降温和改善劳动条件的作用。
当煤层较厚，煤质坚硬或煤层顶板较坚硬时，可通过钻孔向煤层或顶板注压力水，使坚硬的煤层或顶板改变其物理力学性质，成为可垮落煤层或顶板。
压力水对煤层或顶板主要有压裂与软化两方面的作用，压裂作用包括使煤岩体增加裂隙，扩展裂缝，使层理分离，减小缝隙间粘结力等。
煤层通过钻孔高压注水使煤体裂缝增加，可使煤体湿润，开采时减少煤尘量。
注水方式：
煤层注水方式是指钻孔的长度，位置和方向的概念，一般为长孔、短孔、深孔和巷道注水等四种注水方式。其中长孔，深孔、巷道注水适合高压注水。
长孔注水的优缺点及适用条件：
优点：
①一个钻孔能湿润较大区域的煤体
②注水时间长，湿润均匀
③预注水时，注水与生产无干扰
④经济
缺点：
①打钻技术复杂
②对地质条件的变化适应性差，易穿顶底板，不仅难以达到设计长度，而且还影响正常注水。
③封孔较复杂
适用条件：长孔注水是先进的注水方式，选择时应优先考虑，特别是回采强度大（如综机采煤时）和地质条件好的中厚和厚煤层更宜采用长孔，但在地质条件变化大的煤层，本方式受到较大的限制。
深孔注水的优缺点：
优点：
①具有短孔注水的很多优点
②更能适应围岩的吸水膨胀性质
③较“短孔”钻孔少，湿润范围大而均匀
缺点：
①因压力要求高，故设备，技术复杂
②较“长孔”钻数量大，封孔工序也较频繁巷道注水优缺点及适用条件。
优点：
①钻孔少，湿润范围大
②湿润效果较好
缺点：
①岩石钻孔量大
②不够经济
③有时因邻近层巷道损坏而影响注水工作的正常进行。
适用条件：
采用巷道钻孔注水的条件是在注水煤层的上、下部有现成的巷道，其它条件适宜时。
2、注水方式选择
①选择原则
注水工艺简单，使用设备、人工尽可能少，湿润效果能达到预期目的，有利于推广使用。
②选择依据
确定煤层注水方式主要根据煤层厚度、倾角、煤体硬度、透水性、用岩性质、井巷布置、采煤方法、工作面推进度、作业方式、注水方式与岩层注水压力的关系选择。
注水压力：
煤层透水性弱时，要求中，高压注水，我国注水经验，一般动压注水可达到5～20MPa左右。
注水量计算：
①钻孔注水量（按水分增加法）
Q=BLMr(W 1-W 2)K
式中：
Q—一个钻孔注水量m 3
B—孔间距m
L—工作面长度Pm
M—煤层厚度m
r—煤容重t/m 3
w 1—注水后要求达到的水分，%；一般取4%
w 2—煤层原有水份，%
k—考虑围岩吸收水份，水的漏失和注水不均匀系数，一般取1.5～2.0
②钻孔注水量（按吨煤注水量计算）
Q=LBmrq
式中q—吨煤注水量，它应根据注水时的水分流失率，煤的孔隙率及注水实践中的经验确定，一般按0.03m 3考虑。
注水时间：
T=Q/V
式中：
T—注水时间h
Q—钻孔注水量m 3
V—注水流速m 3/h
动压注水时间一般为十数小时至数天，总的说来，注水时间越长，湿润效果越好。
煤层注水后的效果：
1、防尘效果显著，国内一般长孔注水降尘率为60%～90%，而短孔注水为40%～90%。
2、使坚硬的厚煤层顶煤容易冒落及充分放顶。
3、煤层注水后能抑制瓦斯的涌出。
4、煤层注水后能降低采煤工作面的温度，大同和抚顺的一些矿井采面温度平均下降1～3℃。
5、煤层注水后减轻了煤壁的片帮现象。
6、煤层注水后降低了煤的硬度，从而降低了采煤时的炸药，雷管和采煤机截齿消耗，同时还降低了采煤机的电。
7、煤层的注水缓和了冲击地压的发生。
8、在某些条件下，煤层的注水对防止煤与瓦斯突出能起一定作用。
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