陈金明

摘 要：为分析研究煤层注水对煤层动力灾害防治的影响，本文运用热力学表面吉布斯函数理论，从微观和宏观两方面分析水对煤体弱化和促进煤体破碎机理。分析结果表明，（1）水附着到煤表面，降低了煤表面吉布斯函数;（2）煤层注水后，水分子不仅降低了煤体内聚力，同时也降低了内摩擦系数，使得煤体整体强度弱化;（3）煤层注水可降低煤体系统表面吉布斯函数，促进煤破碎成更多更小块体，消耗多余能量，有利于防治煤层动力灾害。

关键词：煤层注水;弱化破碎;吉布斯函数;煤层动力灾害

中图分类号：TD823 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）06-0138-02

0 引言

煤层注水作为煤矿放顶煤开采的主要辅助措施和防治煤层动力灾害的重要手段，以其操作简单，防治效果好的特点，得到了广泛的认可和应用，因此水对于煤性质的影响机理，成为了众多学者研究的方向。

有学者从理论上研究了超前开采工作面注入煤体的水在裂隙和孔隙中的渗透运动和水对煤体的弱化机理，从试验上得出了注水压力对煤体变形模量的弱化规律和注水含水率对煤的抗压强度的弱化规律[1]。另外，还有学者从了煤的破碎[2-6]，煤孔隙与注水的关系[7，8]，裂隙水压力对煤岩体细观结构破[9]等方面着手分析水对煤体的作用。

上述研究成果对煤矿安全生产起到了重要的指导作用，但目前对煤层注水防治煤层动力灾害机理的研究较少。本文运用热力学表面吉布斯函数理论，从微观和宏观两方面分析注水对煤体的弱化和破碎影响，得到煤层注水防治煤层动力灾害机理。

1 煤岩吉布斯函数机理分析

1.1煤体压裂破裂特征

煤体本身或多或少都有大小不一，原生或次生裂隙。当其受到外力作用后，随着应变递增，煤体破坏经历损伤弱化、准线性、损伤開始演化和稳定发展、损伤加速发展和峰后软化5个阶段[10]。从外表上看，煤体表面原有裂隙经历了伸长、分叉、贯通三个过程，期间伴随有原先并不能观察到的新裂隙的产生、伸长、分叉、贯通，由于裂隙的发展，煤表面被分割，将形成碎块崩离，甚至有个别的弹射出来。碎块崩离和弹射的发生，表明煤层动力灾害的产生。

1.2表面功及表面吉布斯函数

煤体表面和煤体内部分子应力场相差较大，具体表现在处于煤体中分子周围受到其他分子作用，形成了一个球形对称结构，每个分子在各个方向上均会产生相互抵消作用力;但是在煤体表面的分子，它所形成的结构都不对称，因此所受作用力无法相互抵消，该分子需要外部能量来形成稳定结构。从宏观来说，就是需要更多外部能量。从上可知，煤体表面分子具有比内部分子更多的能量，这也可以理解成，外力对煤体作用，使得煤体产生裂隙破坏，从而对煤体内部分子提供了额外能量，使其成煤体表面分子。

理论上可表述为恒定温度和压力条件下，煤体表面积dA时，所需外力做功为：

式中，σ为表面功系数，即煤体增加单位表面积时，外部对煤体做功，J/m2。

将上述结论代入热力学第二定律可知，恒定温度和压力条件下，煤体分子系统的吉布斯函数的变化与非体积功相同，可表述为：

通过上述分析，可知，恒定温度和压力条件下，σ也相当于增加单位煤体表面积过程中，煤体分子系统所增加的吉布斯函数，可称为比表面吉布斯函数[11]。

1.3水附着煤使煤系统的表面吉布斯函数降低的机理

煤体对水分子的吸附作用，主要是煤分子与水分子间存在相互吸引作用力，作用力包括分子间力和氢键[12]。从分子微观学上看，煤体分子对水分子的吸附作用一般属于多层吸附结构。第一层吸附结构是距离煤分子最近的水分子所形成，他们之间的作用力以氢键作用为主，对第一层水分子后方分子的吸附力主要是分子间作用力。

在化学上来说，氢键是一种类似共价键的化学键，具有饱和性和方向性。煤体分子表面存在众多极性悬键，这就为与水分子形成氢键提供了条件。但是，由于氢键所具有的的饱和性和方向性，使得煤体表面分子只能与第一层水分子有较大作用力，对之外其他水分子的作用小很多。同时，还应了解的是，水分子和煤分子形成氢键的过程还会释放能力。

煤体分子与其他层水分子间的分子建立，有两种，一种是由色散力引起的物体间相互作用力，另一种是由偶极子——诱导偶极子引起的物体相互作用力，这种力场的形成也会释放能量。

煤层进行注水后，由于煤表面分子和水分子相互吸引，煤表面分子和水分子两者间形成大量氢键和分子力，释放大量能量，另一方面，煤层注水使得大量水分子挤压附着在煤表面分子间，从而加大煤表面分子间距离，使得煤表面分子势能加大，相互吸引力减弱，表面分子能量降低。因此，煤层注水，会使煤体表面能降低，即表面吉布斯函数降低。

2 煤体弱化及破碎机理

2.1煤体弱化机理

众所周知，煤是一种由多种原子基团组成的大分子，具有三维交联孔洞网络结构，分子间通过缩聚芳香稠环，氢化芳香稠环等桥键连接而成。

煤层注水后，水分子作为一个小分子结构，在煤分子的吸引作用下，进入煤体内，甚至存在于煤体大分子间。由于水分子的存在，使得煤分子间作用力降低，同时水分子定向分布在煤体各类孔隙和裂隙表面，水分子非极性碳氢键有朝外特性，由于水分子的隔绝作用，使煤分子颗粒间不易接触，从而使得煤体表面光滑，且易于产生滑移。因此可认为，水分子不仅降低了煤体内聚力，同时也降低了内摩擦系数，使得煤体整体弱化。

2.2煤层注水防治煤层动力灾害机理

煤体在外部应力作用下破碎，从某种意义上来说，就是在外部提供能量后增加了系统表面吉布斯函数。

根据热力学经典理论，一定温度和压力条件下，表面吉布斯函数有自我降低的趋势，即从高表面吉布斯函数向低表面吉布斯函数发展。煤层未注水，特别是煤体本身处于干燥条件下，提供外力进行煤体破碎，煤体只能通过降低自身表面积来达成降低整体表面吉布斯函数的目的，而降低煤体表面积的宏观表现就是，煤体破碎成众多块径较大的分离块体，这些块体还可能产生较大动能来消耗掉外力做功，这就产生了冲击地压或煤与瓦斯突出。

煤层注水后，水分子弱化了煤体，降低了煤体分子系统的表面吉布斯函数。与未注水煤层相比，消耗相同能力后，系统表面吉布斯函数越小，最终煤体系统的吉布斯函数也越小。在宏观上表现为，当外力作用在煤体上，注水煤体将破碎成较多块径相对较小的分离块体，这些块体由于数量比不注水煤层多，消耗的能量更多，产生的动能较小，这就在一定程度上起到减弱或消除冲击地压或煤与瓦斯突出的作用。

从上可知，煤层注水可降低煤体系统表面吉布斯函数，导致煤体破碎更充分。但煤体自身系统表面吉布斯函数还有从高向低的变化特性。因此，煤层注水后，可使得煤体在受到外力作用后，破碎成较多较小块体，消耗大量能量;另一方面，由于煤体有保持破碎成条件允许最大块度特性。

因此，通过控制煤层注水，提高煤层含水率可在一定程度上，防治煤层动力灾害。

3 结语

（1）水附着到煤表面，能降低了煤表面吉布斯函数;

（2）煤层注水后，水分子不仅降低了煤体内聚力，同时也降低了内摩擦系数，使得煤体整体强度弱化;

（3）煤层注水可降低煤体系统表面吉布斯函数，促进煤破碎成更多更小块体，消耗多余能量，有利于防治煤层动力灾害。

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