本發(fā)明屬于礦井瓦斯災(zāi)害防治領(lǐng)域，尤其涉及一種煤層注水合理注水量的確定方法，主要適用于煤層注水防治瓦斯工程實踐中確定合理的注水量。

背景技術(shù)：

煤層注水最早作為一種防塵措施在煤礦取得應(yīng)用的，作為一種煤與瓦斯突出的防治措施，上世紀(jì)六十年代，在我國煤礦開始推廣應(yīng)用，生產(chǎn)實踐證明，煤層注水以高壓水為防突介質(zhì)，在使用過程中，可以取得防突、降塵的雙重功效。但是，在防突機理的認(rèn)識上，長期認(rèn)為其防突機理在于高壓注水的力學(xué)效應(yīng),即高壓注水后集中應(yīng)力帶前移，卸壓帶長度加長，泄壓區(qū)瓦斯涌出量增大，減小了煤體中瓦斯內(nèi)能。近年來的研究表明，注水后水后殘留在煤體微孔隙中的水對煤體瓦斯解吸起到抑制解吸作用,避免了瓦斯大量快速解吸，使瓦斯解吸過程變慢變緩，因此，也是煤層注水防治煤與瓦斯突出的一項重要作用。

在煤礦現(xiàn)場注水實踐中,注水量的確定是影響注水效果的關(guān)鍵因素之一，常用的用以下兩種方法：⑴觀測孔法。即在注水孔附近設(shè)置觀測孔，當(dāng)觀測孔出水則注水停止，期間的注水量即是實際注水量。由于觀測孔出水時間主要取決于高壓水滲流速度，滲流速度主要受煤層滲透系數(shù)和注水壓力的影響，在特定煤層條件下，由于注水壓力不同，這種方法確定的注水量具有很大的隨機性。⑵經(jīng)驗性假定煤層水分增加值的方法。該方法通過實現(xiàn)按經(jīng)驗設(shè)定煤層注水后水分含量的增加值，與影響范圍的煤體質(zhì)量相乘則可以計算出注水量。該方法的確定是，煤層水分含量的增加值具有隨機性，受制于工程技術(shù)人員的經(jīng)驗。

以上兩種常用方法在確定注水量時均存在有各自的不足之處，因此，有必要探討一種準(zhǔn)確實用的注水量確定方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種煤層注水合理注水量的確定方法，該方法準(zhǔn)確、可靠，實用性強。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種煤層注水合理注水量的確定方法，該方法依次按以下步驟進行：

1）對煤樣進行處理，選取粒度為1~3mm或3-6mm的顆粒煤作為實驗煤樣，干燥處理后放入干燥器備用，同時測試原煤樣的水分含量M₀；

2）選取粒度1-3mm或3-6mm的干燥煤樣適量，攪拌均勻后等分為n份，n大于等于4，稱重后依次裝入吸附罐進行實驗；

3）設(shè)定水浴溫度為煤層賦存溫度，用真空脫氣單元對吸附罐真空脫氣至10Pa以下；

4）利用充氣罐向?qū)嶒灻簶映淙胍欢考淄闅怏w，采用固定充氣罐初始壓力和終了壓力的方法確保充氣量相等，并計算充氣量的標(biāo)準(zhǔn)體積Q_充；

5）待煤樣在吸附罐內(nèi)吸附平衡后，通過油壓泵、吸附罐內(nèi)的油壓活塞向?qū)嶒灻簶邮┘痈矇?，覆壓大小事先根?jù)煤層賦存條件進行概算；

6）待瓦斯重新吸附平衡后，開啟注水泵向?qū)嶒灻簶幼⑷胍欢克?；在所述的n份實驗煤樣中，選取一個實驗煤樣不注水，其它n-1份煤樣通過注水泵分別注入不同水分含量，注水后統(tǒng)一平衡一定時間后，進行瓦斯解吸速度測試，測試流程如下：

a）首先快速打開吸附罐的放氣閥門，使壓力表瞬間回零，放出氣體收集在儲氣袋中，儲氣袋中的氣體為吸附罐內(nèi)的游離氣體，測定其標(biāo)準(zhǔn)體積Q_游，則充氣量Q_充減去瞬間放氣量Q_游即是煤樣的吸附量Q_吸；

b）快速連接瓦斯解吸儀，測試不同時刻的瓦斯解吸量，并把記錄的瓦斯解吸量換算成標(biāo)準(zhǔn)體積Q_i；

c）計算出每分鐘瓦斯解吸速度V_i、瓦斯解吸率η_i和解吸后殘存瓦斯含量X_c，其中每分鐘瓦斯解吸速度V_i通過公式計算得到，瓦斯解吸率η_i通過公式計算得到；

7） 對實驗獲得的瓦斯解吸速度數(shù)據(jù)按文特式進行擬合，得到V₁；

對文特式對時間t求導(dǎo)，可得瓦斯解吸速度隨時間的變化公式：

式中，V₁表示第1min的瓦斯解吸速度；

k_t表示瓦斯解吸速度衰減系數(shù)；

8）依據(jù)各實驗煤樣測試得出的第一分鐘瓦斯解吸速度、第一分鐘瓦斯解吸率及最后一分鐘瓦斯解吸率、殘存瓦斯含量，按照注水使瓦斯解吸速度和解吸率降低、殘存瓦斯含量增大的規(guī)律，對各個研究指標(biāo)擬合出注入水分含量的二次曲線，按照極值法分別計算各種指標(biāo)下的合理注入水分；以上四種指標(biāo)計算的水分最大值減去煤樣的原始水分含量M₀即為煤層的合理注入水分值。

所述步驟1）中對煤樣進行處理的工序按以下流程進行：在現(xiàn)場采集塊狀原煤，密封儲存保持煤樣原始水分，運至實驗室后進行破碎、篩分。

所述步驟2）中的其它n-1份實驗煤樣，通過注水泵分別注入不同水分含量為2%、4%、6%，……2(n-1)%。

所述步驟6）中流程b）測試不同時刻的瓦斯解吸量的測試時間統(tǒng)一進行120分鐘。

所述步驟6）中注水后統(tǒng)一平衡一定時間的平衡時間要保證實驗煤樣能充分浸潤。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明所用測試裝置為本申請人于2014年01月10日申請的發(fā)明專利（專利名稱：一種煤層注水抑制瓦斯解吸效應(yīng)的模擬測試方法及裝置；申請?zhí)枺篊N201410011978.8）。因此，本發(fā)明所用測試裝置的具體構(gòu)造及使用過程就不再詳細(xì)闡述。由于采用了煤層注水抑制瓦斯解吸效應(yīng)的模擬測試裝置，本發(fā)明能夠很好的模擬出煤層在真實環(huán)境中的狀態(tài)，并且可以從各個角度去控制調(diào)整實驗煤樣所處的環(huán)境，研究者可以獲取更多穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)。

本發(fā)明能夠準(zhǔn)確、可靠的確定煤層的合理注入水分值，實用性強。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例1中水分含量0%的瓦斯解吸速度測定曲線圖；

圖2是本發(fā)明實施例1中水分含量2%的瓦斯解吸速度測定曲線圖；

圖3是本發(fā)明實施例1中水分含量4%的瓦斯解吸速度測定曲線圖；

圖4是本發(fā)明實施例1中水分含量6%的瓦斯解吸速度測定曲線圖；

圖5是本發(fā)明實施例1中第一分鐘瓦斯解吸速度的擬合曲線圖；

圖6是本發(fā)明實施例1中第一分鐘瓦斯解吸率的擬合曲線圖；

圖7是本發(fā)明實施例1中120分鐘瓦斯解吸率的擬合曲線圖；

圖8是本發(fā)明實施例1中殘存瓦斯含量的擬合曲線圖；

圖9是本發(fā)明實施例2中水分含量0%的瓦斯解吸速度測定曲線圖；

圖10是本發(fā)明實施例2中水分含量2%的瓦斯解吸速度測定曲線圖；

圖11是本發(fā)明實施例2中水分含量4%的瓦斯解吸速度測定曲線圖；

圖12是本發(fā)明實施例2中水分含量6%的瓦斯解吸速度測定曲線圖；

圖13是本發(fā)明實施例2中第一分鐘瓦斯解吸速度的擬合曲線圖；

圖14是本發(fā)明實施例2中第一分鐘瓦斯解吸率的擬合曲線圖；

圖15是本發(fā)明實施例2中120分鐘瓦斯解吸率的擬合曲線圖；

圖16是本發(fā)明實施例2中殘存瓦斯含量的擬合曲線圖。

具體實施方式

一種煤層注水合理注水量的確定方法，該方法依次按以下步驟進行：

1）在現(xiàn)場采集塊狀原煤，密封儲存保持煤樣原始水分，運至實驗室后進行破碎、篩分，選取粒度為1~3mm或3-6mm的顆粒煤作為實驗煤樣，干燥處理后放入干燥器備用，同時測試原煤樣的水分含量M₀；

2）選取粒度1-3mm或3-6mm的干燥煤樣適量，攪拌均勻后等分為四份，稱重后依次裝入吸附罐進行實驗；

3）設(shè)定水浴溫度為煤層賦存溫度，用真空脫氣單元對吸附罐真空脫氣至10Pa以下；

4）利用充氣罐向?qū)嶒灻簶映淙胍欢考淄闅怏w，采用固定充氣罐初始壓力和終了壓力的方法確保充氣量相等，并計算充氣量的標(biāo)準(zhǔn)體積Q_充；

5）待煤樣在吸附罐內(nèi)吸附平衡后，通過油壓泵、吸附罐內(nèi)的油壓活塞向?qū)嶒灻簶邮┘痈矇?，覆壓大小事先根?jù)煤層賦存條件進行概算，測試時施加覆壓為煤層真實覆壓環(huán)境；

6）待瓦斯重新吸附平衡后，開啟注水泵向?qū)嶒灻簶幼⑷胍欢克?；在所述的四份實驗煤樣中，選取一個實驗煤樣不注水，其它三份煤樣通過注水泵分別注入不同水分含量( (如2%、4%、6%)，注水后統(tǒng)一平衡6h后（平衡時間要保證煤樣能充分浸潤），進行瓦斯解吸速度測試，測試流程如下：

a）首先快速打開吸附罐的放氣閥門，使壓力表瞬間回零，放出氣體收集在儲氣袋中，儲氣袋中的氣體為吸附罐內(nèi)的游離氣體，測定其標(biāo)準(zhǔn)體積Q_游，則充氣量Q_充減去瞬間放氣量Q_游即是煤樣的吸附量Q_吸；

b）快速連接瓦斯解吸儀，測試不同時刻的瓦斯解吸量，測試共進行120分鐘，并把記錄的瓦斯解吸量換算成標(biāo)準(zhǔn)體積Q_i；

c）計算出每分鐘瓦斯解吸速度V_i、瓦斯解吸率η_i和解吸后殘存瓦斯含量X_c，其中每分鐘瓦斯解吸速度V_i通過公式計算得到，瓦斯解吸率η_i通過公式計算得到；

7） 對實驗獲得的瓦斯解吸速度數(shù)據(jù)按文特式進行擬合，得到V₁（ml/(g.min)）；

對文特式對時間t求導(dǎo)，可得瓦斯解吸速度隨時間的變化公式：

式中，V₁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減系數(shù)；

8）依據(jù)各實驗煤樣測試得出的第一分鐘瓦斯解吸速度、第一分鐘瓦斯解吸率及最后一分鐘瓦斯解吸率、殘存瓦斯含量，按照注水使瓦斯解吸速度和解吸率降低、殘存瓦斯含量增大的規(guī)律，對各個研究指標(biāo)擬合出注入水分含量的二次曲線（所用數(shù)據(jù)處理軟件為Origin 9.0函數(shù)繪圖軟件），按照極值法分別計算各種指標(biāo)下的合理注入水分；以上四種指標(biāo)計算的水分最大值減去煤樣的原始水分含量M₀即為煤層的合理注入水分值。

實施例1：本實施例以A礦煤樣為實驗煤樣詳細(xì)闡述本發(fā)明的技術(shù)方案。

）實驗方法

選取A礦煤樣為實驗煤樣，煤樣粒度3-6mm，抽真空后，首先充入一定量甲烷氣體讓煤樣吸附平衡，之后施加覆壓作用，覆壓為10MPa，施加覆壓后，待煤樣吸附瓦斯重新平衡后，向煤樣注水，注水量按照水分0%、2%、4%、6%進行設(shè)計，注水后平衡6h，進行瓦斯解吸實驗。

2）測得覆壓10MPa下各實驗煤樣的瓦斯解吸速度測定曲線，其中，水分含量0%的瓦斯解吸速度測定曲線圖如圖1所示，水分含量2%的瓦斯解吸速度測定曲線圖如圖2所示，水分含量4%的瓦斯解吸速度測定曲線圖如圖3所示，水分含量6%的瓦斯解吸速度測定曲線圖如圖4所示。

根據(jù)圖1-4及實驗測試數(shù)據(jù)得到瓦斯解吸特性結(jié)果，瓦斯解吸特性結(jié)果如表1及圖5-8所示。表1 為不同水分含量下瓦斯解吸特性測定結(jié)果。

附圖中，圖5是本實施例中第一分鐘瓦斯解吸速度的擬合曲線圖；圖6是本實施例中第一分鐘瓦斯解吸率的擬合曲線圖；圖7是本實施例中120分鐘瓦斯解吸率的擬合曲線圖；圖8是本實施例中殘存瓦斯含量的擬合曲線圖。

表1和圖1- 8可以看出：

①隨水分含量的增加，文特式擬合第一分鐘瓦斯解吸速度0.60983ml/(g.min)下降到0.28012ml/(g.min)；當(dāng)水分含量為10.37%，擬合曲線有最小值，相關(guān)系數(shù)R²=0.9944，說明擬合度較高。因此，按第一分鐘瓦斯解吸速度計算，在覆壓10MPa下古漢山煤樣的合理注入水分應(yīng)為10.37%。

②隨水分含量的增加，瓦斯解吸率大幅度降低。第一分鐘瓦斯解吸率從11.72%降低到2.64%，120分鐘瓦斯解吸率從45.96%降低到14.65%。當(dāng)水分含量分別為7.08%和7.53%時，擬合曲線有最小值，相關(guān)系數(shù)R²分別為0.9961和0.9998，因此，從降低第一分鐘和120分鐘瓦斯解吸率來看，合理的注入水分為7.08%和7.53%。

③隨水分含量的增加，120分鐘殘存瓦斯含量從4.22ml/g增加到9.35ml/g，當(dāng)水分含量為9.79%有最大值，相關(guān)系數(shù)R²=0.9970。

以上四種指標(biāo)計算的水分最大值為10.37%，該煤樣的原煤水分為3.55%，則進行注水設(shè)計時，注水水分的設(shè)計值為10.37%-3.55%=6.82%。

實施例2：本實施例以B礦煤樣為實驗煤樣詳細(xì)闡述本發(fā)明的技術(shù)方案。

）實驗方法

選取B礦煤樣為實驗煤樣，煤樣粒度3-6mm，抽真空后，首先充入一定量甲烷氣體讓煤樣吸附平衡，之后施加覆壓作用，覆壓為15MPa，施加覆壓后，待煤樣吸附瓦斯重新平衡后，向煤樣注水，注水量按照水分0%、2%、4%、6%進行設(shè)計，注水后平衡6h，進行瓦斯解吸實驗。

）測得覆壓15MPa下各實驗煤樣的瓦斯解吸速度測定曲線，其中，水分含量0%的瓦斯解吸速度測定曲線圖如圖9所示，水分含量2%的瓦斯解吸速度測定曲線圖如圖10所示，水分含量4%的瓦斯解吸速度測定曲線圖如圖11所示，水分含量6%的瓦斯解吸速度測定曲線圖如圖12所示。

根據(jù)圖9-12及實驗測試數(shù)據(jù)得到瓦斯解吸特性結(jié)果，瓦斯解吸特性結(jié)果如表2及圖13-16所示。表2 為不同水分含量下瓦斯解吸特性測定結(jié)果。

附圖中，圖13是本實施例中第一分鐘瓦斯解吸速度的擬合曲線圖；圖14是本實施例中第一分鐘瓦斯解吸率的擬合曲線圖；圖15是本實施例中120分鐘瓦斯解吸率的擬合曲線圖；圖16是本實施例中殘存瓦斯含量的擬合曲線圖。

表2和圖9-16可以看出：

①隨水分含量的增加，文特式擬合第一分鐘瓦斯解吸速度從0.9071ml/(g.min)下降到0.7066ml/(g.min)，說明覆壓作用下水分注入對第一分鐘瓦斯解吸速度起到了抑制作用。當(dāng)水分含量為12.22%時，擬合曲線有最小值，因此，依據(jù)第一分鐘瓦斯解吸速度，合理注入水分應(yīng)該為12.22%。

②隨水分含量的增加，第一分鐘瓦斯解吸率從9.95%降低到5.56%，120分鐘瓦斯解吸率最終44.16%降低到24.60%。當(dāng)水分含量為7.59%和7.47%時，擬合曲線有最小值，從降低第一分鐘和120分鐘瓦斯解吸率來看，合理的注入水分分別為7.59%和7.47%。

③隨水分含量的增加，120分鐘殘存瓦斯含量從5.12ml/g增加到9.96ml/g。水分含量為12.28%有最大值。

以上四種指標(biāo)計算的水分最大值為12.28%，該煤樣的原煤水分為1.83%，則進行注水設(shè)計時，注水水分的設(shè)計值為12.28%-1.83%=10.45%。

實施例1中的A礦煤樣及實施例2中的B礦煤樣分別代表不同煤礦產(chǎn)地的煤樣。

以上實施例僅用以說明而非限制本發(fā)明的技術(shù)方案，盡管參照上述實施例對本發(fā)明進行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：依然可以對本發(fā)明進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍的任何修改或局部替換，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。