第1章绪论
我国是煤炭资源非常丰富的国家，煤炭储量位居世界第三。从2016年开始，我国煤炭产量呈现逐年增加的发展趋势（图1-1），且2022年我国煤炭产量达到45.6亿t，较2016年增加了11.49亿t。尽管我国在“十四五”规划中提出能源结构要进行转型，减少化石燃料的比重，加快清洁能源的建设，但是煤炭在能源结构中仍旧占据了很大的比重，未来相当长一段时间内，煤炭依旧是我国的主体能源[1-3]。
图1-1 我国2013～2022年煤炭产量
同时，我国也是世界上煤矿灾害严重和灾害多发的国家。据统计，2013～2022年煤矿事故数量和死亡人数变化趋势如图1-2所示。2013～2022年煤矿事故共2701起，死亡人数共4787人。2013～2017年，煤矿事故数量呈现逐渐降低的趋势，从604起降低到219起，降低了63.7%。同时煤矿的死亡人数也在逐年降低，由2013年的1067人降低到2017年的375人，降低了64.9%。表明煤矿安全监管监察部门和煤矿企业的安全意识不断提高，监管监察执法效能不断提高，防灾救灾能力不断提升，煤矿智能化建设不断加快，煤矿安全基础不断夯实。2017～2018年，煤矿事故数量出现了小幅度的提高，由219起增加到224起，增加了5起，但是事故的死亡人数还是呈现出下降的趋势。从2019年至2021年，煤矿的事故数量和死亡人数继续呈现出降低的趋势，煤矿安全意识进一步提高，事故得到进一步控制，但2022年出现了较大的反弹，事故数量由91起增加到168起，增加了84.6%，死亡人数由178人增加到245人，增加了37.6%。
尽管从2013年来煤矿事故数量与死亡人数在逐年下降，但是每年仍有超过100人在矿井生产中遇难，因此对矿井灾害的防治依然非常重要。煤层注水作为一种有效的防灾减灾手段广泛应用于煤矿的安全生产中（图1-3），通过向煤层中打入注水钻孔，将压力水注入煤体中，增加煤体中的水分含量，从而改变煤的物理力学性质，预防冲击地压和煤与瓦斯突出等灾害事故的发生，且注入的水分能够润湿煤体，与煤体的原生粉尘结合，减少了开采过程中粉尘的产生，此外，煤层注水还具有降温防火的作用。
图1-2 2013年～2022年煤矿事故数量和死亡人数
图1-3 煤层注水防灾示意图
煤层注水是一项受多因素耦合作用的复杂工程，其作用效果往往受到流体和煤体力学性质以及工程扰动条件等复杂因素的影响。从煤体层面上讲，煤体自身的孔裂隙特征、物理力学性质等因素直接影响了煤层注水的实际效果和经济效益。同时，随着煤炭资源开采逐渐向深部转移，高地应力和高地温等深部地质环境通过影响成煤过程中孔裂隙的演变以及开采扰动下煤体孔裂隙扩展发育，间接性影响注水过程中孔裂隙结构流体的运移流动规律。从流体层面上讲，大采深导致煤矿渗透性急剧降低，煤层很难被润湿，煤层注水工作困难。煤孔隙率下降，水的表面张力过大，无法顺利铺展在煤层表面，致使注水无法透过微小裂隙，差的注水效果将导致水无法渗透过煤层，造成矿井粉尘、煤与瓦斯突出、冲击地压、高温火灾等安全问题无法有效解决。煤的表面具有疏水性质，煤的变质程度越高，疏水性能越强，导致水很难成功铺展在煤层表面而达到润湿煤层的目的。因此，改变煤体的渗流润湿特性，对于提高煤层注水效果具有十分重要的意义。
1.1 煤体孔裂隙结构注水渗流与润湿机制研究现状
孔隙和裂隙是煤中重要的组成成分，早期研究常将两者统称为孔隙[4，5]。随着研究尺度的不断细化，国内外学者已从发展尺度上对两者进行了区分，但目前学术界对两者的划分还没有统一的标准。主要依据孔隙对煤层气的吸附作用、孔径大小对瓦斯的影响、孔隙形态和孔隙结构特征、测试范围等方面进行了划分，目前国内常用的分级标准见表1-1[6，7]。
从孔裂隙结构的角度研究水在煤体内的渗流情况可以很好地指导宏观煤层注水过程。孔裂隙结构作为水渗的主要场所成为提高煤层注水效果的研究重点。目前，已有较多学者针对不同特点的孔裂隙对渗流的影响规律展开了研究。Li等[8]利用盒计数法量化了微裂隙网络平面的复杂性，探究了不同形态的孔裂隙对渗透率的影响，并指出长度为498.26μm的裂隙属于煤体的优势渗流通道。Liu等[9]采用孔隙尺寸分形维数、喉道弯*分形维数和*大孔径表征煤体微观结构，发现*大孔径对渗透率起决定作用。Ye等[10]采用分形模型将气体的流动方程、煤的变形方程和渗流的热传导方程完全耦合起来，量化了煤体微观结构参数对其导热性、渗透性和瓦斯流动演化的影响。Ni等[11]通过零法和MATLAB软件计算了不同尺度裂隙的渗透率，得出不同尺度裂隙对煤层渗透率的贡献由大到小依次为毫米裂隙、微裂隙和渗流裂隙。Hou等[12]利用脉冲气体压裂法增大了低渗透煤的孔径尺寸分布，*终增大了煤的渗透率。基于孔隙率、孔径、迂*度、分形维数等孔裂隙结构参数特点建立的渗透率模型可以从微观层面很好地预测煤层注水的难易程度。Wang等[13]将煤的硬度系数、有效孔隙率、迂*度分形维数和体积分形维数作为煤层注水的主控因素，并引入Morris筛选方法计算各主控因素的灵敏度，将煤层分为不可注水煤层、难注水煤层、相对易注水煤层和易注水煤层四类。李波波等[14]建立的煤岩体渗透率模型充分考虑了孔裂隙的分形维数，并通过实验验证了模型的准确性。Khamforoush等[15]利用多边形裂隙模型研究了各向异性三维裂隙网络的逾渗阈值，Loucks等[16]将裂隙形状假设为圆柱状和扁平状计算渗透率，发现计算结果存在差异。Singh等[17]则总结出一种将裂隙形状等效为狭缝状和圆柱状计算表观渗透率的非经验模型，并提出有效渗透率实际上是不同形状裂隙各自渗透率的统计总和。Long等[18]假设裂隙为圆盘状，进行了三维裂隙网络的模拟。Kozeny-Carman方程考虑了裂隙形状和迂*度对渗透率的影响，广泛应用于多孔介质渗透率的计算[19]。
针对岩心的自发渗吸，诸多学者开展了大量的研究工作。Qin等[20]通过自发渗吸实验考察了毛细管力计算公式Young-Laplace方程的有效性，使用Young-Laplace 方程和平均孔隙半径计算的毛细管力明显要高于实验结果。Ashraf等[21]通过引入比例系数建立了水平三层多孔介质渗吸模型，用于研究分层非均质多孔介质中的渗吸过程。Feldmann等[22]使用三种不同盐度的盐水研究了碳酸盐自发渗吸过程的低矿化度效应，实验结果表明水分盐度增加将减弱渗吸效果。Zhao等[23]采用改进的毛细管束模型和颜色梯度格子Boltzmann方法模拟了不同流体性质液体的渗吸动力学。许飞[24]利用核磁扫描技术，以鄂尔多斯盆地页岩为研究对象，通过建立考虑化学渗透压作用下的渗吸动力模型，研究了黏土矿物、矿化度和表面活性剂对渗吸过程含水饱和度分布*线的影响。Zhang等[25]通过研究纳米孔中承压水的毛细管动力学，对纳米孔隙中的动态渗吸行为进行了研究，建立了一个纳米孔渗吸行为模型，并通过该模型获得了纳米尺度毛细管动力学的重要物理信息。
综上所述，当水注入煤体后，煤体内部水-气两相饱和度空间分布、孔隙压力与孔隙压力梯度空间分布规律尚不清楚。实际煤岩孔裂隙的结构极其复杂，模拟的参数设置与实际情况依然存在较大差异。
1.2 煤层注水对矿山灾害的防治作用机理研究现状
煤尘是指在矿山生产中产生的各类粉尘，能够长时间悬浮在空气中。它几乎遍布矿井的各个角落。根据产尘方式，煤尘可分为原生煤尘和次生煤尘[26，27]。*先，注入的水预先润湿煤层内部孔、裂隙内赋存的原生煤尘，使其丧失飞扬能力，从根本上消除产尘源[28]；其次，煤层注水对破碎产尘的润湿作用，使注水后的煤体被水有效地包裹起来，在后续开采产生的破碎表面均有水润湿，此时煤体由开采产生的煤尘被水分润湿而黏结增重，从而降低开采产生的次生煤尘的飞扬能力[29]；采煤工作面产量占全矿井煤炭生产总量的90%，注水使开采的煤层大部分预先湿润，同样可以减少整个矿井系统开采、运输等过程中煤尘的产生和飞扬[30]。
1982年，学者就发现煤尘润湿性与粒径有关，煤尘颗粒越小、比表面积越大，则其润湿性越差[31]，郑磊[32]通过落锤冲击产尘实验方法发现随着煤体水分含量的提高，煤体产尘能力整体呈现下降的趋势，煤体水分含量的提高能够明显降低煤炭破碎过程中产生的粉尘粒径，并且对于小颗粒的煤尘效果更为有效。近年来，国内外学者利用红外光谱等手段对煤的润湿机理进行了深入的研究。结果表明，苯环、含甲基的脂肪族碳氢化合物等大分子碳的煤样表面呈疏水性，而含有羟基、羧基等含氧官能团或者碳酸盐的矿物则表现为亲水性。赵振保等[33]研究发现，煤的变质程度对煤尘润湿性同样有影响作用，通过对五种不同煤质的样本进行红外光谱测试，发现氧含量与固定碳含量是影响煤尘润湿性的主要因素。
众多学者以此作为切入点开展煤层注水提高煤体润湿性方面的研究，如表面活性剂通过调节表面分子受力不平衡的状态并减小表面分子之间的吸引力，使得在气液两相界面吸附从而降低水的表面张力，它可在煤层表面形成一层致密的黏附层，改变了煤的理化性质[34-36]。张雨晨[37]对配制的绿色生物可降解型复合抑尘剂进行了除尘润湿性研究，结果表明该抑尘剂显著减小了溶剂的表面张力，对不同煤质的煤尘均有较好的润湿除尘作用。彭亚等[38]以邢东矿某工作面为研究背景，优化注水参数，采用Cline-Renka算法绘制全水分分布图，分析采煤移架过程的粉尘浓度，发现添加湿润剂可以有效降低接触角，缩短润湿时间，扩大湿润半径，降尘效率大幅度增加。邓健等[39]通过接触角法和粉末浸透速度法确定湿润剂的浓度，并应用于井下防尘工程，添加该配比的湿润剂使得煤体含水率大幅度提升、总粉尘量和吸入粉尘量大幅度降低。后续的研究发现阴离子表面活性剂和非离子型表面活性剂复配，易产生协同润湿煤尘的作用，通过非离子型表面活性剂分子的疏水端与阴离子表面活性剂分子的疏水端相结合，可降低因阴离子表面活性剂亲水头吸附在煤的亲水位点而导致的润湿性损失。
煤层冲击地压是矿山压力的一种*特表现，它是在开采过程中，因瞬间释放的弹性变形能而引起的突发的、剧烈的地质灾害现象，在相应的采动空间内引起强烈围岩振动和挤出的现象，常表现为煤岩体抛出、冒顶等现象。世界范围内，南非*先于1915年建立了南非矿山冲击委员会，以开展对煤矿冲击地压的深入研究。20世纪50年代初，联邦德国也展开了冲击地压研究工作，并在矿井中应用钻孔卸压技术防治冲击地压[40]，煤层注水防治冲击地压研究始于20世纪50年代的苏联等。我国对冲击地压的研究相对起步较晚，1978年我国**次系统性地对冲击地压开展了研究工作。我国于20世纪80年代初在抚顺龙凤矿区开展此项技术研究[41]，针对龙凤矿地压成因规律、预测预报等，开展煤层注水预防冲击地压的研究工作。1985年我国完成*次全国性冲击地压调研工作[42]。随后，在广大科研人员的共同努力下，我国对矿井冲击地压的发生机理和防治手段进行了深入而丰富的研究。
吴耀焜等[43]早在1989年通过实验手段验证了煤样浸润前后物理力学特性的变化，并通过有限元模拟手段证明了注水后应力集中系数下降，支撑压力高峰向煤体深部移动。李信[44]、邹天民[45]等学者开展了大量煤层注水实验研究。结果表明，煤层注水能够有效改性煤岩体，降低注水煤体的抗压强度等性质，这些煤体物理力学参数的变化，都能有效地预防冲击地压的发生。李天生等[46]提出了冲击倾向性指标，即把岩石加载到峰值强度至岩石承载能力完全消失这个动态破坏时间作为指标。这个过程越快，冲击倾向性越大。而通过煤层注水，煤体含水率增加，延长煤岩完全丧失承载能力所需的时间，从而减缓煤层的冲击倾
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