煤层注水机理及应用渗透棒提高注水综合效果研究

众所周知，煤层注水是一项最积极、有效的矿井综合防尘措施之一，但由于煤体渗透性差等原因，注水效果难以保证。本项目拟在对煤层注水机理进行试验研究的基础上，通过模拟试验，研究提高煤层注水渗透性的方法，开发出具有增加注入水渗透性能和防止水分蒸发双重功效、适合于不同煤层的棒状渗透剂（简称渗透棒），实现采用渗透棒等物理化学方法提高煤层注水综合效果；通过模拟试验，建立不同煤层条件下的注水参数设计数学模型，并编制出易于操作的注水参数设计程序和可视化软件。此外，项目还将对煤层注水降低回采时的瓦斯涌出量、预防煤与瓦斯突出、减少冲击地压等综合效果的机理进行基础实验与研究，探寻提高注水效果的物理化学途径，为治理矿井的各种灾害，提供理论依据和技术保证，将为煤矿安全生产提供新的途径。

本项目主要针对煤层注水机理及添加渗透棒提高煤层注水综合效果开展了理论、实验及现场应用研究。建立了考虑瓦斯作用的煤层注水等效连续介质渗流的数学模型，采用Comsol Multiphysics多物理场耦合软件对注水孔—抽（排）放孔间隔布置条件的注水驱替瓦斯过程进行了数值模拟。采用自制的注水加压装置，基于不同压力、室温条件下对煤样进行了有压注水实验，注水压力对煤的吸水性能起着正面影响，随着压力的升高，煤的吸水能力增强；煤样初期吸水速率较快，煤样的吸水率随时间的变化呈现类似于Langumir等温吸附曲线的变化规律，存在一个饱和吸水率。实验测定了不同变质程度煤样的临界表面张力，煤属于低能固体表面，在注入水中添加表面活性剂，将水的表面张力降低至煤的临界表面张力以下，煤体能够被充分润湿，煤临界表面张力可为优选复配表面活性剂提供定量判据。设计加工了型煤高压成型装置，采用稳态法开展了三轴应力条件下的注水渗透实验，研究了注水压力、轴压及围压对水渗透率的影响，研究结果对现场煤层注水设计具有重要的指导意义。利用自制的吸附-注水-解吸试验装置，开展了注纯水和注添加复配的表面活性剂溶液对吸附平衡煤样瓦斯解吸规律影响试验研究，在相同解吸时间内，注纯水煤样的瓦斯解吸量比注表面活性剂溶液瓦斯解吸量大；随着注水压力的升高及添加表面活性剂注水，压力水能够进入煤体的更细微孔隙，水分对瓦斯的封堵作用更明显，煤样瓦斯解吸量均减小；添加表面活性剂可大幅度降低水的表面张力，提高煤体的润湿效果，对煤体解吸瓦斯影响显著。提出了煤层注水专用渗透棒的热合成工艺和皂化反应工艺制备方法，渗透棒具有缓慢溶解和较大程度降低水的表面张力的特点。编制了具有可操作性的注水参数设计程序系统，并提出了基于可拓理论的煤层注水效果评价方法。在淮北矿业集团代表性矿井采掘工作面进行了添加渗透棒煤层注水工业试验，效果良好。