CN106290777A - 一种煤层注水合理注水量的确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤层注水合理注水量的确定方法，该方法依次按以下步骤进行：1）对煤样进行干燥处理；2）选取干燥煤样适量，装入吸附罐进行实验；3）用真空脱气单元对吸附罐真空脱气；4）计算充气量的标准体积；5）向实验煤样施加覆压；6）向实验煤样注入一定量水分，平衡一定时间后，进行瓦斯解吸速度测试；7）对实验获得的瓦斯解吸速度数据按文特式进行拟合；8）依据各实验煤样测试得出的第一分钟瓦斯解吸速度、第一分钟瓦斯解吸率及最后一分钟瓦斯解吸率、残存瓦斯含量，计算各种指标下的合理注入水分，进而计算煤层的合理注入水分值。本发明能够准确、可靠的确定煤层的合理注入水分值，实用性强。
Description
技术领域
本发明属于矿井瓦斯灾害防治领域，尤其涉及一种煤层注水合理注水量的确定方法，主要适用于煤层注水防治瓦斯工程实践中确定合理的注水量。
背景技术
煤层注水最早作为一种防尘措施在煤矿取得应用的，作为一种煤与瓦斯突出的防治措施，上世纪六十年代，在我国煤矿开始推广应用，生产实践证明，煤层注水以高压水为防突介质，在使用过程中，可以取得防突、降尘的双重功效。但是，在防突机理的认识上，长期认为其防突机理在于高压注水的力学效应,即高压注水后集中应力带前移，卸压带长度加长，泄压区瓦斯涌出量增大，减小了煤体中瓦斯内能。近年来的研究表明，注水后水后残留在煤体微孔隙中的水对煤体瓦斯解吸起到抑制解吸作用,避免了瓦斯大量快速解吸，使瓦斯解吸过程变慢变缓，因此，也是煤层注水防治煤与瓦斯突出的一项重要作用。
在煤矿现场注水实践中,注水量的确定是影响注水效果的关键因素之一，常用的用以下两种方法：⑴观测孔法。即在注水孔附近设置观测孔，当观测孔出水则注水停止，期间的注水量即是实际注水量。由于观测孔出水时间主要取决于高压水渗流速度，渗流速度主要受煤层渗透系数和注水压力的影响，在特定煤层条件下，由于注水压力不同，这种方法确定的注水量具有很大的随机性。⑵经验性假定煤层水分增加值的方法。该方法通过实现按经验设定煤层注水后水分含量的增加值，与影响范围的煤体质量相乘则可以计算出注水量。该方法的确定是，煤层水分含量的增加值具有随机性，受制于工程技术人员的经验。
以上两种常用方法在确定注水量时均存在有各自的不足之处，因此，有必要探讨一种准确实用的注水量确定方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种煤层注水合理注水量的确定方法，该方法准确、可靠，实用性强。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种煤层注水合理注水量的确定方法，该方法依次按以下步骤进行：
1）对煤样进行处理，选取粒度为1~3mm或3-6mm的颗粒煤作为实验煤样，干燥处理后放入干燥器备用，同时测试原煤样的水分含量M0；
2）选取粒度1-3mm或3-6mm的干燥煤样适量，搅拌均匀后等分为n份，n大于等于4，称重后依次装入吸附罐进行实验；
3）设定水浴温度为煤层赋存温度，用真空脱气单元对吸附罐真空脱气至10Pa以下；
4）利用充气罐向实验煤样充入一定量甲烷气体，采用固定充气罐初始压力和终了压力的方法确保充气量相等，并计算充气量的标准体积Q充；
5）待煤样在吸附罐内吸附平衡后，通过油压泵、吸附罐内的油压活塞向实验煤样施加覆压，覆压大小事先根据煤层赋存条件进行概算；
6）待瓦斯重新吸附平衡后，开启注水泵向实验煤样注入一定量水分；在所述的n份实验煤样中，选取一个实验煤样不注水，其它n-1份煤样通过注水泵分别注入不同水分含量，注水后统一平衡一定时间后，进行瓦斯解吸速度测试，测试流程如下：
a）首先快速打开吸附罐的放气阀门，使压力表瞬间回零，放出气体收集在储气袋中，储气袋中的气体为吸附罐内的游离气体，测定其标准体积Q游，则充气量Q充减去瞬间放气量Q游即是煤样的吸附量Q吸；
b）快速连接瓦斯解吸仪，测试不同时刻的瓦斯解吸量，并把记录的瓦斯解吸量换算成标准体积Qi；
c）计算出每分钟瓦斯解吸速度Vi、瓦斯解吸率ηi和解吸后残存瓦斯含量Xc，其中每分钟瓦斯解吸速度Vi通过公式计算得到，瓦斯解吸率ηi通过公式计算得到；
7） 对实验获得的瓦斯解吸速度数据按文特式进行拟合，得到V 1 ；
对文特式对时间t求导，可得瓦斯解吸速度随时间的变化公式：
式中，V 1 表示第1min的瓦斯解吸速度；
k t 表示瓦斯解吸速度衰减系数；
8）依据各实验煤样测试得出的第一分钟瓦斯解吸速度、第一分钟瓦斯解吸率及最后一分钟瓦斯解吸率、残存瓦斯含量，按照注水使瓦斯解吸速度和解吸率降低、残存瓦斯含量增大的规律，对各个研究指标拟合出注入水分含量的二次曲线，按照极值法分别计算各种指标下的合理注入水分；以上四种指标计算的水分最大值减去煤样的原始水分含量M0即为煤层的合理注入水分值。
所述步骤1）中对煤样进行处理的工序按以下流程进行：在现场采集块状原煤，密封储存保持煤样原始水分，运至实验室后进行破碎、筛分。
所述步骤2）中的其它n-1份实验煤样，通过注水泵分别注入不同水分含量为2%、4%、6%，……2(n-1)%。
所述步骤6）中流程b）测试不同时刻的瓦斯解吸量的测试时间统一进行120分钟。
所述步骤6）中注水后统一平衡一定时间的平衡时间要保证实验煤样能充分浸润。
本发明的有益效果：
本发明所用测试装置为本申请人于2014年01月10日申请的发明专利（专利名称：一种煤层注水抑制瓦斯解吸效应的模拟测试方法及装置；申请号：CN201410011978.8）。因此，本发明所用测试装置的具体构造及使用过程就不再详细阐述。由于采用了煤层注水抑制瓦斯解吸效应的模拟测试装置，本发明能够很好的模拟出煤层在真实环境中的状态，并且可以从各个角度去控制调整实验煤样所处的环境，研究者可以获取更多稳定可靠的数据。
本发明能够准确、可靠的确定煤层的合理注入水分值，实用性强。
附图说明
图1是本发明实施例1中水分含量0%的瓦斯解吸速度测定曲线图；
图2是本发明实施例1中水分含量2%的瓦斯解吸速度测定曲线图；
图3是本发明实施例1中水分含量4%的瓦斯解吸速度测定曲线图；
图4是本发明实施例1中水分含量6%的瓦斯解吸速度测定曲线图；
图5是本发明实施例1中第一分钟瓦斯解吸速度的拟合曲线图；
图6是本发明实施例1中第一分钟瓦斯解吸率的拟合曲线图；
图7是本发明实施例1中120分钟瓦斯解吸率的拟合曲线图；
图8是本发明实施例1中残存瓦斯含量的拟合曲线图；
图9是本发明实施例2中水分含量0%的瓦斯解吸速度测定曲线图；
图10是本发明实施例2中水分含量2%的瓦斯解吸速度测定曲线图；
图11是本发明实施例2中水分含量4%的瓦斯解吸速度测定曲线图；
图12是本发明实施例2中水分含量6%的瓦斯解吸速度测定曲线图；
图13是本发明实施例2中第一分钟瓦斯解吸速度的拟合曲线图；
图14是本发明实施例2中第一分钟瓦斯解吸率的拟合曲线图；
图15是本发明实施例2中120分钟瓦斯解吸率的拟合曲线图；
图16是本发明实施例2中残存瓦斯含量的拟合曲线图。
具体实施方式
一种煤层注水合理注水量的确定方法，该方法依次按以下步骤进行：
1）在现场采集块状原煤，密封储存保持煤样原始水分，运至实验室后进行破碎、筛分，选取粒度为1~3mm或3-6mm的颗粒煤作为实验煤样，干燥处理后放入干燥器备用，同时测试原煤样的水分含量M0；
2）选取粒度1-3mm或3-6mm的干燥煤样适量，搅拌均匀后等分为四份，称重后依次装入吸附罐进行实验；
3）设定水浴温度为煤层赋存温度，用真空脱气单元对吸附罐真空脱气至10Pa以下；
4）利用充气罐向实验煤样充入一定量甲烷气体，采用固定充气罐初始压力和终了压力的方法确保充气量相等，并计算充气量的标准体积Q充；
5）待煤样在吸附罐内吸附平衡后，通过油压泵、吸附罐内的油压活塞向实验煤样施加覆压，覆压大小事先根据煤层赋存条件进行概算，测试时施加覆压为煤层真实覆压环境；
6）待瓦斯重新吸附平衡后，开启注水泵向实验煤样注入一定量水分；在所述的四份实验煤样中，选取一个实验煤样不注水，其它三份煤样通过注水泵分别注入不同水分含量((如2%、4%、6%)，注水后统一平衡6h后（平衡时间要保证煤样能充分浸润），进行瓦斯解吸速度测试，测试流程如下：
a）首先快速打开吸附罐的放气阀门，使压力表瞬间回零，放出气体收集在储气袋中，储气袋中的气体为吸附罐内的游离气体，测定其标准体积Q游，则充气量Q充减去瞬间放气量Q游即是煤样的吸附量Q吸；
b）快速连接瓦斯解吸仪，测试不同时刻的瓦斯解吸量，测试共进行120分钟，并把记录的瓦斯解吸量换算成标准体积Qi；
c）计算出每分钟瓦斯解吸速度Vi、瓦斯解吸率ηi和解吸后残存瓦斯含量Xc，其中每分钟瓦斯解吸速度Vi通过公式计算得到，瓦斯解吸率ηi通过公式计算得到；
7） 对实验获得的瓦斯解吸速度数据按文特式进行拟合，得到V 1 （ml/(g.min)）；
对文特式对时间t求导，可得瓦斯解吸速度随时间的变化公式：
式中，V 1 表示第1min的瓦斯解吸速度，mL/（g·min）；
k t 表示瓦斯解吸速度衰减系数；
8）依据各实验煤样测试得出的第一分钟瓦斯解吸速度、第一分钟瓦斯解吸率及最后一分钟瓦斯解吸率、残存瓦斯含量，按照注水使瓦斯解吸速度和解吸率降低、残存瓦斯含量增大的规律，对各个研究指标拟合出注入水分含量的二次曲线（所用数据处理软件为Origin9.0函数绘图软件），按照极值法分别计算各种指标下的合理注入水分；以上四种指标计算的水分最大值减去煤样的原始水分含量M0即为煤层的合理注入水分值。
实施例1：本实施例以A矿煤样为实验煤样详细阐述本发明的技术方案。
）实验方法
选取A矿煤样为实验煤样，煤样粒度3-6mm，抽真空后，首先充入一定量甲烷气体让煤样吸附平衡，之后施加覆压作用，覆压为10MPa，施加覆压后，待煤样吸附瓦斯重新平衡后，向煤样注水，注水量按照水分0%、2%、4%、6%进行设计，注水后平衡6h，进行瓦斯解吸实验。
2）测得覆压10MPa下各实验煤样的瓦斯解吸速度测定曲线，其中，水分含量0%的瓦斯解吸速度测定曲线图如图1所示，水分含量2%的瓦斯解吸速度测定曲线图如图2所示，水分含量4%的瓦斯解吸速度测定曲线图如图3所示，水分含量6%的瓦斯解吸速度测定曲线图如图4所示。
根据图1-4及实验测试数据得到瓦斯解吸特性结果，瓦斯解吸特性结果如表1及图5-8所示。表1 为不同水分含量下瓦斯解吸特性测定结果。
附图中，图5是本实施例中第一分钟瓦斯解吸速度的拟合曲线图；图6是本实施例中第一分钟瓦斯解吸率的拟合曲线图；图7是本实施例中120分钟瓦斯解吸率的拟合曲线图；图8是本实施例中残存瓦斯含量的拟合曲线图。
表1和图1- 8可以看出：
①随水分含量的增加，文特式拟合第一分钟瓦斯解吸速度0.60983ml/(g.min)下降到0.28012ml/(g.min)；当水分含量为10.37%，拟合曲线有最小值，相关系数R2=0.9944，说明拟合度较高。因此，按第一分钟瓦斯解吸速度计算，在覆压10MPa下古汉山煤样的合理注入水分应为10.37%。
②随水分含量的增加，瓦斯解吸率大幅度降低。第一分钟瓦斯解吸率从11.72%降低到2.64%，120分钟瓦斯解吸率从45.96%降低到14.65%。当水分含量分别为7.08%和7.53%时，拟合曲线有最小值，相关系数R2分别为0.9961和0.9998，因此，从降低第一分钟和120分钟瓦斯解吸率来看，合理的注入水分为7.08%和7.53%。
③随水分含量的增加，120分钟残存瓦斯含量从4.22ml/g增加到9.35ml/g，当水分含量为9.79%有最大值，相关系数R2=0.9970。
以上四种指标计算的水分最大值为10.37%，该煤样的原煤水分为3.55%，则进行注水设计时，注水水分的设计值为10.37%-3.55%=6.82%。
实施例2：本实施例以B矿煤样为实验煤样详细阐述本发明的技术方案。
）实验方法
选取B矿煤样为实验煤样，煤样粒度3-6mm，抽真空后，首先充入一定量甲烷气体让煤样吸附平衡，之后施加覆压作用，覆压为15MPa，施加覆压后，待煤样吸附瓦斯重新平衡后，向煤样注水，注水量按照水分0%、2%、4%、6%进行设计，注水后平衡6h，进行瓦斯解吸实验。
）测得覆压15MPa下各实验煤样的瓦斯解吸速度测定曲线，其中，水分含量0%的瓦斯解吸速度测定曲线图如图9所示，水分含量2%的瓦斯解吸速度测定曲线图如图10所示，水分含量4%的瓦斯解吸速度测定曲线图如图11所示，水分含量6%的瓦斯解吸速度测定曲线图如图12所示。
根据图9-12及实验测试数据得到瓦斯解吸特性结果，瓦斯解吸特性结果如表2及图13-16所示。表2 为不同水分含量下瓦斯解吸特性测定结果。
附图中，图13是本实施例中第一分钟瓦斯解吸速度的拟合曲线图；图14是本实施例中第一分钟瓦斯解吸率的拟合曲线图；图15是本实施例中120分钟瓦斯解吸率的拟合曲线图；图16是本实施例中残存瓦斯含量的拟合曲线图。
表2和图9-16可以看出：
①随水分含量的增加，文特式拟合第一分钟瓦斯解吸速度从0.9071ml/(g.min)下降到0.7066ml/(g.min)，说明覆压作用下水分注入对第一分钟瓦斯解吸速度起到了抑制作用。当水分含量为12.22%时，拟合曲线有最小值，因此，依据第一分钟瓦斯解吸速度，合理注入水分应该为12.22%。
②随水分含量的增加，第一分钟瓦斯解吸率从9.95%降低到5.56%，120分钟瓦斯解吸率最终44.16%降低到24.60%。当水分含量为7.59%和7.47%时，拟合曲线有最小值，从降低第一分钟和120分钟瓦斯解吸率来看，合理的注入水分分别为7.59%和7.47%。
③随水分含量的增加，120分钟残存瓦斯含量从5.12ml/g增加到9.96ml/g。水分含量为12.28%有最大值。
以上四种指标计算的水分最大值为12.28%，该煤样的原煤水分为1.83%，则进行注水设计时，注水水分的设计值为12.28%-1.83%=10.45%。
实施例1中的A矿煤样及实施例2中的B矿煤样分别代表不同煤矿产地的煤样。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种煤层注水合理注水量的确定方法，其特征在于该方法依次按以下步骤进行：
1）对煤样进行处理，选取粒度为1~3mm或3-6mm的颗粒煤作为实验煤样，干燥处理后放入干燥器备用，同时测试原煤样的水分含量M0；
2）选取粒度1-3mm或3-6mm的干燥煤样适量，搅拌均匀后等分为n份，n大于等于4，称重后依次装入吸附罐进行实验；
3）设定水浴温度为煤层赋存温度，用真空脱气单元对吸附罐真空脱气至10Pa以下；
4）利用充气罐向实验煤样充入一定量甲烷气体，采用固定充气罐初始压力和终了压力的方法确保充气量相等，并计算充气量的标准体积Q充；
5）待煤样在吸附罐内吸附平衡后，通过油压泵、吸附罐内的油压活塞向实验煤样施加覆压，覆压大小事先根据煤层赋存条件进行概算；
6）待瓦斯重新吸附平衡后，开启注水泵向实验煤样注入一定量水分；在所述的n份实验煤样中，选取一个实验煤样不注水，其它n-1份煤样通过注水泵分别注入不同水分含量，注水后统一平衡一定时间后，进行瓦斯解吸速度测试，测试流程如下：
a）首先快速打开吸附罐的放气阀门，使压力表瞬间回零，放出气体收集在储气袋中，储气袋中的气体为吸附罐内的游离气体，测定其标准体积Q游，则充气量Q充减去瞬间放气量Q游即是煤样的吸附量Q吸；
b）快速连接瓦斯解吸仪，测试不同时刻的瓦斯解吸量，并把记录的瓦斯解吸量换算成标准体积Qi；
c）计算出每分钟瓦斯解吸速度Vi、瓦斯解吸率ηi和解吸后残存瓦斯含量Xc，其中每分钟瓦斯解吸速度Vi通过公式计算得到，瓦斯解吸率ηi通过公式计算得到；
7） 对实验获得的瓦斯解吸速度数据按文特式进行拟合，得到V 1 ；
对文特式对时间t求导，可得瓦斯解吸速度随时间的变化公式：
式中，V 1 表示第1min的瓦斯解吸速度；
k t 表示瓦斯解吸速度衰减系数；
8）依据各实验煤样测试得出的第一分钟瓦斯解吸速度、第一分钟瓦斯解吸率及最后一分钟瓦斯解吸率、残存瓦斯含量，按照注水使瓦斯解吸速度和解吸率降低、残存瓦斯含量增大的规律，对各个研究指标拟合出注入水分含量的二次曲线，按照极值法分别计算各种指标下的合理注入水分；以上四种指标计算的水分最大值减去煤样的原始水分含量M0即为煤层的合理注入水分值。
2.根据权利要求1所述的煤层注水合理注水量的确定方法，其特征在于：所述步骤1）中对煤样进行处理的工序按以下流程进行：在现场采集块状原煤，密封储存保持煤样原始水分，运至实验室后进行破碎、筛分。
3.根据权利要求1所述的煤层注水合理注水量的确定方法，其特征在于：所述步骤2）中的其它n-1份实验煤样，通过注水泵分别注入不同水分含量为2%、4%、6%，……2(n-1)%。
4.根据权利要求1所述的煤层注水合理注水量的确定方法，其特征在于：所述步骤6）中流程b）测试不同时刻的瓦斯解吸量的测试时间统一进行120分钟。
5.根据权利要求1所述的煤层注水合理注水量的确定方法，其特征在于：所述步骤6）中注水后统一平衡一定时间的平衡时间要保证实验煤样能充分浸润。
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