一种煤层注水合理浸润时间的确定方法
【专利摘要】本发明公开了一种煤层注水合理浸润时间的确定方法，该方法依次按以下步骤进行：1）对实验煤样干燥处理；2）煤样分为n份，n大于等于3，称重后依次装入对应的煤样罐中；3）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；5）向对应煤样罐注入相同水分；6）测试煤样的瓦斯解吸速度，对应煤样设置不同的平衡时间；7）按文特式对瓦斯解吸速度测试数据进行拟合，得到第一分钟瓦斯解吸速度V1，做出第一分钟瓦斯解吸速度V1与注水后浸润时间的二次曲线，在所做曲线图上瓦斯解吸速度最小值对应的浸润时间即为合理浸润时间。本发明能够准确、可靠的确定煤层注水合理浸润时间，实用性强。
【专利说明】
一种煤层注水合理浸润时间的确定方法
技术领域
[0001] 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浸润时间的确定 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浸润时间。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 压力水湿润煤层是一个典型的非饱和到饱和的渗流过程，是压力渗流、毛细作用 和扩散三种运动共同作用的结果。按照时间历程，可分为以下三个过程:⑴进水过程:压力 水沿煤层原生裂隙进入煤体，克服瓦斯压力和层流阻力，使煤体与压力水从不接触到接触， 变液-气界面和固-气界面为固-液界面的过程。⑵贮水过程:随着注水压力的增高，压力水 不断进入煤体，并在孔隙、裂隙中滞留，这是注水渗流湿润的主要过程，煤体最终湿润所吸 收的就是这部分水。⑶吸附水过程:在水沿渗流通道流动的同时，各类细微孔裂以较低的流 速吸附渗流通道的水，形成吸附水过程，这一过程中毛细作用力是主要动力，因此，吸附过 程以时间影响为主要因素。吸附作用是进一步改变煤体物理力学性质，是对注水效果影响 较大的过程，而毛细作用力是保证煤体得以充分湿润的主要作用因素之一。
[0004] 结合煤层注水湿润煤层的过程，分析可知，压力水的后置侵入占领了煤体的裂隙 和孔隙，残留在煤体中的水与煤体、瓦斯形成复杂的固、液、气三相耦合问题，其中水分与煤 体的作用是一个复杂的表面现象，其作用力主要是毛细管力，而且由于煤层孔隙特性的复 杂性，难以从表面张力方面找出合适的煤层注水浸润时间；另一方面，由于水在煤层中的复 杂存在状态，测试注水后水分含量的方式来确定浸润时间同样存在一定难度。煤中水分的 存在形式，根据其结合状态可分为游离水和化合水两大类，游离水是以物理状态（如附 着、吸附等形式）同煤结合，化合水是以化合方式同煤中的矿物质结合。根据水与煤体的不 同结合状态煤，中的水分又可分为内在水分和外在水分2种，吸附和凝聚在煤粒内部毛细孔 中的水称为内在水分，附着在煤粒表面上的水称为外在水分。实验室中，常测试收到基水分 (Mar)和空气干燥基水分(Mad)，空气干燥基水分测值不仅与煤化度有关，而且在不同时 间、不同环境温度和湿度下测值是有变化的。一般来说，当煤粒内部毛细孔吸附的水分达到 饱和状态时，内在水分达到最高值，这种水分称为煤的最高内在水分，当然煤层注水后，一 定浸润时间之后，煤层中的水分达到最高内在水分时，注水效果应该是最好的。
[0005] 鉴于采用毛细管力和水分测试方法确定合理注水浸润时间的难度，提出从煤层注 水后的抑制瓦斯解吸效应出发确定合理注水浸润时间，煤层注水抑制瓦斯解吸的物理实质 是:压力水侵入煤体后堵塞了煤中孔隙和裂隙，从而降低了瓦斯放散速度。因此，选取瓦斯 解吸速度作为确定浸润时间的研究指标。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种煤层注水合理浸润时间的确定方法，该方法准确、可 靠，实用性强。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种煤层注水合理浸润时间的 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； 2) 选取一定粒度1~3mm或3-6mm的干燥煤样适量，搅拌均勾后等分为η份，η大于等于3， 称重后依次装入对应的煤样罐中； 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； 5) 待煤样在吸附罐内吸附平衡后，通过注水栗分别向对应煤样罐注入相同水分，注水 量的计量采用称重的方法进行准确计量； 6) 注水后，对应煤样罐在恒温水浴中分别平衡一定时间，平衡时间即为注水后的浸润 时间，对应的η份煤样设置不同的平衡时间，之后测试煤样的瓦斯解吸速度，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Qr f，则充气量0?减去瞬间放气量Qrf 即是煤样的吸附量Οι; 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Q1; c) 计算出每分钟瓦斯解吸速度W，其中每分钟瓦斯解吸速度％通过公式厂=U 计算得到； 7) 按文特式对瓦斯解吸速度测试数据进行拟合，得到第一分钟瓦斯解吸速度Κ/，根据 注水使煤样初始瓦斯解吸速度变小的规律，做出第一分钟瓦斯解吸速度Κ/与注水后浸润时 间的二次曲线，在所做曲线图上瓦斯解吸速度最小值对应的浸润时间即为合理浸润时间； 文特式表示瓦斯解吸速度随时间的变化公式： 又=，广f 式中，K/表示第lmin的瓦斯解吸速度； h表示瓦斯解吸速度衰减系数。
[0008] 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。
[0009] 所述步骤6)中η份煤样在恒温水浴中分别的平衡时间为3h、6h、9h、……、3(n_l)。
[0010] 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。
[0011] 本发明能够准确、可靠地确定煤层注水合理浸润时间，实用性强。
【附图说明】
[0012] 图1是本发明实施例1中平衡时间为3小时的瓦斯解吸速度测试的曲线图； 图2是本发明实施例1中平衡时间为6小时的瓦斯解吸速度测试的曲线图； 图3是本发明实施例1中平衡时间为9小时的瓦斯解吸速度测试的曲线图； 图4是本发明实施例1中不同平衡时间下实验煤样第一分钟瓦斯解吸速度变化曲线图； 图5是本发明实施例2中平衡时间为3小时的瓦斯解吸速度测试的曲线图； 图6是本发明实施例2中平衡时间为6小时的瓦斯解吸速度测试的曲线图； 图7是本发明实施例2中平衡时间为9小时的瓦斯解吸速度测试的曲线图； 图8是本发明实施例2中不同平衡时间下实验煤样第一分钟瓦斯解吸速度变化曲线图； 图9是本发明实施例3中平衡时间为3小时的瓦斯解吸速度测试的曲线图； 图10是本发明实施例3中平衡时间为6小时的瓦斯解吸速度测试的曲线图； 图11是本发明实施例3中平衡时间为9小时的瓦斯解吸速度测试的曲线图； 图12是本发明实施例3中不同平衡时间下实验煤样第一分钟瓦斯解吸速度变化曲线 图。
【具体实施方式】
[0013 ] -种煤层注水合理浸润时间的确定方法，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1~3_或3-6_的颗粒煤作为实验煤样，干燥处理后放入干燥器备用； 2) 选取一定粒度1~3mm或3-6mm的干燥煤样适量，搅拌均匀后等分为三份，称重后依次 装入三个煤样罐中； 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； 5) 待煤样在吸附罐内吸附平衡后，通过注水栗分别向对应煤样罐注入相同水分，注水 量的计量采用称重的方法进行准确计量； 6) 注水后，对应煤样罐在恒温水浴中分别平衡3h、6h、9h后，平衡时间即为注水后的浸 润时间，之后测试煤样的瓦斯解吸速度，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Qr f，则充气量0?减去瞬间放气量Qrf 即是煤样的吸附量Οι; 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Q1; C)计算出每分钟瓦斯解吸速度Vi，其中每分钟瓦斯解吸速度％通过公式K = β -计算得到； 7) 按文特式对瓦斯解吸速度测试数据进行拟合，得到第一分钟瓦斯解吸速度Κ/，根据 注水使煤样初始瓦斯解吸速度变小的规律，做出第一分钟瓦斯解吸速度Κ/与注水后浸润时 间的二次曲线(所用数据处理软件为Origin 9.0函数绘图软件），在所做曲线图上瓦斯解吸 速度最小值对应的浸润时间即为合理浸润时间； 文特式表示瓦斯解吸速度随时间的变化公式： =Vfki 式中，K/表示第lmin的瓦斯解吸速度； h表示瓦斯解吸速度衰减系数。
[0014] 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。
[0015] 1)实验方法 选取A矿煤样为实验煤样，煤样粒度1-3_，抽真空后，首先充入一定量甲烷气体让煤样 吸附平衡，之后，向煤样注水，注水量10%进行设计，注水后平衡311、611、911，分别进行瓦斯解 吸速度测试。
[0016] 2)A矿煤样不同浸润时间下瓦斯解吸速度测试结果见图1至图4,图1是本实施例中 平衡时间为3小时的瓦斯解吸速度测试的曲线图；图2是本实施例中平衡时间为6小时的瓦 斯解吸速度测试的曲线图；图3是本实施例中平衡时间为9小时的瓦斯解吸速度测试的曲线 图；图4是本实施1中不同平衡时间下实验煤样第一分钟瓦斯解吸速度变化曲线图。
[0017] 图1至图4的测试结果显示，注水后不同浸润时间的瓦斯解吸速度是有变化的，第一分 钟瓦斯解吸速度分别在在浸润时间为6.44h时有最小值，因此，取其合理浸润时间为6.44h。
[0018] 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。
[0019] 1)实验方法 选取B矿煤样为实验煤样，煤样粒度1-3_，抽真空后，首先充入一定量甲烷气体让煤样 吸附平衡，之后，向煤样注水，注水量10%进行设计，注水后平衡311、611、911，分别进行瓦斯解 吸速度测试。
[0020] 2)不同浸润时间下瓦斯解吸速度测试结果见图5至图8,图5是本实施例中平衡时 间为3小时的瓦斯解吸速度测试的曲线图；图6是本实施例中平衡时间为6小时的瓦斯解吸 速度测试的曲线图；图7是本实施例中平衡时间为9小时的瓦斯解吸速度测试的曲线图；图8 是本实施例中不同平衡时间下实验煤样第一分钟瓦斯解吸速度变化曲线图。
[0021] 图5至图8的测试结果显示，注水后不同浸润时间的瓦斯解吸速度是有变化的，第 一分钟瓦斯解吸速度在在浸润时间为7.00h时有最小值，取其合理浸润时间为7.00h。
[0022] 实施例3:本实施例以C矿煤样为实验煤样详细阐述本发明的技术方案 1)实验方法 选取C矿煤样为实验煤样，煤样粒度1-3_，抽真空后，首先充入一定量甲烷气体让煤样 吸附平衡，之后，向煤样注水，注水量8%进行设计，注水后平衡311、611、911，分别进行瓦斯解吸 速度测试。
[0023] 2)不同浸润时间下瓦斯解吸速度测试结果见图9至图12,图9是本实施例中平衡时 间为3小时的瓦斯解吸速度测试的曲线图；图10是本实施例中平衡时间为6小时的瓦斯解吸 速度测试的曲线图；图11是本实施例中平衡时间为9小时的瓦斯解吸速度测试的曲线图；图 12是本实施1中不同平衡时间下实验煤样第一分钟瓦斯解吸速度变化曲线图。
[0024]图9至图12的测试结果显示:对于寺河煤样，第一分钟瓦斯解吸速度单调下降，在 浸润时间为10.41h时有最小值，因此，取其合理浸润时间为10.41h。
[0025] 实施例1中的A矿煤样、实施例2中的B矿煤样及实施例3中的C矿煤样分别代表不同 煤矿产地的煤样。
[0026] 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。
【主权项】
1. 一种煤层注水合理浸润时间的确定方法，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； 2) 选取一定粒度1~3mm或3-6mm的干燥煤样适量，搅拌均勾后等分为η份，η大于等于3， 称重后依次装入对应的煤样罐中； 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IOPa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； 5) 待煤样在吸附罐内吸附平衡后，通过注水栗分别向对应煤样罐注入相同水分，注水 量的计量采用称重的方法进行准确计量； 6) 注水后，对应煤样罐在恒温水浴中分别平衡一定时间，平衡时间即为注水后的浸润 时间，对应的η份煤样设置不同的平衡时间，之后测试煤样的瓦斯解吸速度，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Qr f，则充气量0?减去瞬间放气量Qrf 即是煤样的吸附量Ot;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Q1; c) 计算出每分钟瓦斯解吸速度V1，其中每分钟瓦斯解吸速度％通过公式 计算得到； 7) 按文特式对瓦斯解吸速度测试数据进行拟合，得到第一分钟瓦斯解吸速度K/，根据注 水使煤样初始瓦斯解吸速度变小的规律，做出第一分钟瓦斯解吸速度K/与注水后浸润时间 的二次曲线，在所做曲线图上瓦斯解吸速度最小值对应的浸润时间即为合理浸润时间； 文特式表示瓦斯解吸速度随时间的变化公式： 式中，K/表示第Imin的瓦斯解吸速皮；h表示瓦斯解吸速度衰减系数。2. 根据权利要求1所述的煤层注水合理浸润时间的确定方法，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浸润时间的确定方法，其特征在于:所述步骤6) 中η份煤样在恒温水浴中分别的平衡时间为3h、6h、9h、……、3(n-l)。
【文档编号】G01N33/22GK106018734SQ201610612741
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月29日
【发明人】肖知国, 常红, 段振伟, 秦定国, 王顺双, 王宪刚, 孟雷庭
【申请人】河南理工大学