CN102419295B - 受载煤岩恒压瓦斯吸附解吸试验系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种受载煤岩恒压瓦斯吸附解吸试验系统和方法，包括重力恒气压装置、真空泵、高压瓦斯气瓶、恒压瓦斯罐、样品罐、重力恒液压装置和手摇泵。能够对煤试样在不同的外部加载压力和不同的瓦斯气压下进行以下瓦斯吸附和解吸试验：1)研究在不同载荷作用下，由于煤岩破坏而引起的吸附特性变化，研究吸附常数、吸附量等随载荷变化规律；2)研究不同承载状况下的含瓦斯煤岩的瓦斯解吸过程；3)研究不同粒度的煤岩在恒定瓦斯压力环境中的吸附过程及吸附常数；4)研究不同粒度的含瓦斯煤岩在不同的大气压力环境中瓦斯解吸过程和规律；5)研究含瓦斯煤岩在瓦斯吸附和解析过程中的蠕变力学性质。
Description
受载煤岩恒压瓦斯吸附解吸试验系统和方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种煤矿采掘过程中受载含瓦斯煤岩体吸附解吸规律的研究技术，尤其涉及一种受载煤岩恒压瓦斯吸附解吸试验系统和方法。
背景技术
[0002] 以往煤的吸附解吸试验系统只考虑了不同温度和瓦斯压力下不同粒度煤样的吸附解吸规律，研究不同颗粒煤的瓦斯吸附量和解吸难易程度。由于煤在不同的受载条件下内部裂隙扩张，结构发生变化，因而瓦斯吸附量和解吸难易程度均发生变化。
[0003]目前的实验装置难以完成在煤岩受恒定载荷，瓦斯压力恒定条件下煤岩的瓦斯吸附过程、吸附时、解吸过程的试验，研究结果不能定量分析计算采掘过程中煤岩体中瓦斯吸附解吸规律和涌出规律，也不能定量分析计算钻孔瓦斯涌出衰减规律及瓦斯抽放量，更无法定量计算煤与瓦斯突出过程中瓦斯涌出量。
发明内容
[0004] 本发明的目的是提供一种能够对煤试样在不同的外部加载压力和不同的瓦斯气压下进行瓦斯吸附和解吸试验的受载煤岩恒压瓦斯吸附解吸试验系统和方法。
[0005] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0006] 本发明的受载煤岩恒压瓦斯吸附解吸试验系统，包括重力恒气压装置、真空泵、高压瓦斯气瓶、恒压瓦斯罐、样品罐；
[0007] 所述样品罐为密闭罐体，该罐体内部设有活塞，活塞上部的空腔有瓦斯口，活塞下部的空腔设有液压口；
[0008] 所述恒压瓦斯罐为密闭罐体，该罐体内部设有活塞，活塞下部的空腔设有液压口，活塞上部的空腔设有三个出口，其中第一出口与所述高压瓦斯瓶连接，第二出口与所述样品罐上的瓦斯口连接，第三出口与所述真空泵连接；
[0009] 所述第二出口与所述样品罐上的瓦斯口的连接管路与所述重力恒气压装置连接，所述重力恒气压装置还与所述真空泵连接；
[0010] 所述样品罐下部的液压口和所述恒压瓦斯罐下部的液压口分别与恒液压加载系统连接，所述恒液压加载系统包括重力恒液压装置和手摇泵。
[0011] 本发明的上述的受载煤岩恒压瓦斯吸附解吸试验系统进行受载煤岩瓦斯吸附解吸的方法，对煤试样在恒定的外部加载压力和恒定的瓦斯气压下进行瓦斯吸附和解吸试验。
[0012] 由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明提供的受载煤岩恒压瓦斯吸附解吸试验系统和方法，由于包括重力恒气压装置和恒液压加载系统，能够对煤试样在不同的外部加载压力和不同的瓦斯气压下进行瓦斯吸附和解吸试验。
附图说明[0013] 图1为本发明实施例提供的受载煤岩恒压瓦斯吸附解吸试验系统的结构示意图。具体实施方式
[0014] 下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述。
[0015] 本发明的受载煤岩恒压瓦斯吸附解吸试验系统，其较佳的具体实施方式是：
[0016] 包括重力恒气压装置、真空泵、高压瓦斯气瓶、恒压瓦斯罐、样品罐；
[0017] 所述样品罐为密闭罐体，该罐体内部设有活塞，活塞上部的空腔有瓦斯口，活塞下部的空腔设有液压口；
[0018] 所述恒压瓦斯罐为密闭罐体，该罐体内部设有活塞，活塞下部的空腔设有液压口，活塞上部的空腔设有三个出口，其中第一出口与所述高压瓦斯瓶连接，第二出口与所述样品罐上的瓦斯口连接，第三出口与所述真空泵连接；
[0019] 所述第二出口与所述样品罐上的瓦斯口的连接管路与所述重力恒气压装置连接，所述重力恒气压装置还与所述真空泵连接；
[0020] 所述样品罐下部的液压口和所述恒压瓦斯罐下部的液压口分别与恒液压加载系统连接，所述恒液压加载系统包括重力恒液压装置和手摇泵。
[0021] 所述重力恒液压装置和重力恒气压装置分别设有位移计。
[0022] 所述的重力恒液压装置包括液压缸，所述液压缸设有活塞，所述活塞的上部设有金属杆，所述金属杆上套有加载破码。
[0023] 所述重力恒气压装置包括缸体，所述缸体设置在托架上，所述缸体内设有活塞。
[0024] 所述缸体与托架之间设有旋转装置。
[0025] 本发明的上述的受载煤岩恒压瓦斯吸附解吸试验系统进行受载煤岩瓦斯吸附解吸的方法，其较佳的具体实施方式是，对煤试样在恒定的外部加载压力和恒定的瓦斯气压下进行瓦斯吸附和解吸试验。
[0026] 本发明的受载煤岩恒压瓦斯吸附解吸试验系统及方法，能用于不同载荷和破坏条件下煤岩体瓦斯吸附解吸规律的研究，研究煤岩由于受载荷而发生破坏时吸附量及解吸速度的变化规律，并预测煤体正常瓦斯涌出量和煤与瓦斯突出时的瓦斯涌出以及钻孔瓦斯抽放量。
[0027] 所述瓦斯吸附和解吸试验包括以下一项或多项：
[0028] 研究在不同载荷作用下，由于煤岩破坏而引起的吸附特性变化，研究吸附常数、吸附量等随载荷变化规律；
[0029] 研究不同承载状况下的含瓦斯煤岩的瓦斯解吸过程；
[0030] 研究不同粒度的煤岩在恒定瓦斯压力环境中的吸附过程及吸附常数；
[0031] 研究不同粒度的含瓦斯煤岩在不同的大气压力环境中瓦斯解吸过程和规律；
[0032] 研究含瓦斯煤岩在瓦斯吸附和解析过程中的蠕变力学性质。
[0033] 本发明中，样品罐通过其内部的可光滑滑动的活塞对试样进行加压。该罐体上的瓦斯口可注入或排出瓦斯。样品罐通过重力恒液压装置进行加载，保证试样所承受的外载荷恒定；
[0034] 恒压瓦斯罐通过其内部的可以光滑滑动的活塞将罐体分为上下两个密闭的空间，上部空间储存瓦斯，下部空间通过重力恒液压装置提供压力恒定的乳化液，恒定的乳化液压力保障上部空间瓦斯压力的恒定。恒压瓦斯罐上部空间有三个出口，第一出口连接瓦斯气瓶向恒压瓦斯罐注入瓦斯，第二出口连接样品罐向样品罐供给压力恒定的瓦斯，第三出口连接真空泵，用于抽真空和排出瓦斯；
[0035] 重力恒液压装置采用活塞及其液压传动原理制成，通过活塞及砝码重量产生恒定的液体压力；活塞上带有一金属杆，保证施加重物砝码时荷载居中；
[0036] 重力恒气压装置由缸体、活塞、托架构成，利用活塞的重力来恒定缸内气体压力，活塞的重量产生的压力为I个标准大气压压力值。活塞和缸体可以绕托架旋转180°，当活塞保持水平时，恒定缸内的气体压力为大气压力；顺时针旋转到90°使活塞朝上时，缸内气体压力为大气压和活塞重量产生的压力之和，需要更大的恒定压力可以在活塞上表面上施加砝码；逆时针旋转活塞到90°使活塞朝下的过程中，缸体内的气体压力从I个大气压逐渐变化到0个大气压值；
[0037] 真空泵的作用是在实验准备阶段，分别将各段管线抽成真空；
[0038] 手摇泵作用是在实验过程中，分别向两个重力恒液压装置补液，在重力恒液压装置容积有限的情况下，保障样品罐和恒压瓦斯罐内的活塞具有足够的行程；
[0039] 高压瓦斯气瓶作用是向恒压瓦斯罐供给瓦斯，并在吸附实验进行过程中向恒压瓦斯罐阶段性补气，保障在恒压瓦斯罐容积有限的情况下，持续向样品罐提供更多的恒压瓦斯；
[0040] 压力表是显示并用于计算实验过程中的瓦斯压力及煤岩样所受载荷。
[0041] 具体实施例：
[0042] 如图1所示，包括真空泵01、手摇泵02、高压瓦斯气瓶03、样品罐04、恒压瓦斯罐
05、重力恒气压装置06、重力恒液压装置11和12、压力表21-23、气压阀门30-36、液压阀门40-45、位移计 50-52。
[0043] 两个重力恒液压装置11和12分别用于恒定恒压瓦斯罐05内的恒压瓦斯压力和样品罐04中试样的恒定载荷，主要用于瓦斯吸附试验研究；
[0044] 重力恒气压装置06主要用于瓦斯解吸试验研究；
[0045] 恒压瓦斯罐05内设有一可移动活塞，活塞将恒压瓦斯罐分割为上下两个密闭的可变空间，分别用于密封瓦斯和乳化液，恒压瓦斯罐上部空间有三个出口，一个出口连接高压瓦斯气瓶03向恒压瓦斯罐注入瓦斯，另一个出口连接样品罐04向样品罐供给压力恒定的瓦斯，第三个出口连接真空泵01，用于抽真空和排出瓦斯；
[0046] 样品罐04内同样设有一可移动活塞，活塞将样品罐分割为上下两个密闭的可变空间，上部空间密封瓦斯并放置试样，样品罐上端设有罐盖，便于开启进行样品放置，下部空间设有乳化液入口与重力恒液压装置11相连注入乳化液，乳化液推动活塞移动对样品进行加载，样品罐的上部侧壁上设有瓦斯流动口，用于样品进行吸附解吸时进出瓦斯；
[0047] 真空泵01的作用是在实验准备阶段，分别将各段气体管线抽成真空；
[0048] 手摇泵02作用是在实验过程中，分别向两个重力恒液压装置补液，在重力恒液压装置容积有限的情况下，保障样品罐和恒压瓦斯罐内的活塞具有足够的行程；
[0049] 高压瓦斯气瓶03作用是向恒压瓦斯罐供给瓦斯，并在吸附实验进行过程中向恒压瓦斯罐阶段性补气，保障在恒压瓦斯罐容积有限的情况下，持续向样品罐提供更多的恒压瓦斯；[0050] 压力表21-23是显示并用于计算实验过程中的瓦斯压力及煤岩样所受载荷；
[0051] 重力恒液压装置11、12上安装位移计51、52可测量计算样品罐和恒压瓦斯罐内的活塞行程，由此换算出样品的变形和吸附或解吸的瓦斯量；
[0052] 重力恒气压装置04上安装位移计50可测量计算瓦斯解析量。
[0053] 本发明的上述的受载煤岩恒压瓦斯吸附解吸试验系统对煤试样进行加压吸附解吸试验研究，包括以下几个方面：
[0054]1.在吸附试验准备阶段，将煤样放入样品罐中，对系统所有气体线路和内部空腔进行抽真空，然后打开手压泵对液体管线和内腔进行注液，利用重力恒液压装置分别调节试验要求的瓦斯压力和外载压力；由高压瓦斯气瓶对恒压瓦斯罐注入瓦斯，在此过程中适当对样品罐和恒压瓦斯罐内通入瓦斯，待瓦斯压力达到试验要求压力时，关闭瓦斯气瓶，进行试验；
[0055] 2.在解吸试验准备阶段，先将样品罐中的样品进行吸附，待吸附饱和后，保持真空泵、重力恒气压装置、样品罐之间的管路及腔室导通，其余线路关闭，通过真空泵和重力恒气压装置恒定瓦斯解吸压力；
[0056] 3.能开展在恒定外载荷作用下进行煤岩试样的吸附和解吸试验；
[0057] 4.能进行恒定瓦斯环境下的吸附过程和吸附量研究；
[0058] 5.能进行含瓦斯煤岩在恒定瓦斯压力作用下的解吸过程研究；
[0059] 6.可利用不同气体成分（如惰性气体等）对煤岩试样进行吸附、解吸和力学性质试验；
[0060] 7.能在恒定液压情况下进行液压系统补液和减液调整；
[0061] 8.能在恒定瓦斯压力情况下对气体管路和腔室进行补齐和放气调整；
[0062] 9.位移计能实时测得试样瓦斯吸附解吸量的变化；
[0063] 10.重力恒液压装置能通过调整重物重量获得液体管路及腔室压力恒定，从而保证瓦斯罐瓦斯压力恒定和试样外载恒定，恒定瓦斯压力最大值为5MPa,恒定外载最大压力为 IOOMPa ；
[0064] 11.重力恒气压装置能通过旋转缸体和活塞获得含瓦斯煤岩试样在恒定瓦斯环境中进行解吸试验，恒定瓦斯压力环境为0-2个大气压。
[0065] 下面按照吸附和解吸试验，分别介绍其具体操作步骤：
[0066]1.吸附试验：
[0067] (I)检查系统气密性；(2)装入样品；（3)打开真空泵对系统所有管路及腔室进行抽真空；(4)关闭阀门33、36，对液体管路其腔室进行注液，观测压力表21、22，压力表有一定压力后停止注液；(4)关闭阀30、35、43，打开瓦斯气瓶向恒压瓦斯罐05注入瓦斯，调整重力恒液压装置12，进行瓦斯压力恒定直到试验要求量值，关闭阀32 ; (5)关闭阀41，调整重力恒液压装置11，进行试样要求外载荷值恒定；(6)打开阀门30，进行试样恒定瓦斯压力吸附试验。
[0068] 2.解吸试验：
[0069] 在吸附试验的基础上还要进行一下步骤操作：（I)关闭阀41、42、34、31、30，打开阀35、36，调整重力恒气压装置，直到压力表23显示为试验要求的解吸压力值位置；（2)打开阀门30进行恒定气压作用下的解吸试验；（3)观察重力恒气压装置活塞位移，记录瓦斯解析量，必要时关闭阀30、35，打开阀33、36，利用真空泵抽取部分重力恒气压装置腔内瓦斯，活塞达到合适位置时记录抽出量并关闭阀33、36，打开阀30、35继续解吸试验。
[0070] 在吸附和解吸试验过程中可以同时测量煤岩试样的蠕变力学性质。
[0071] 本系统具体的测试项目可以包括：
[0072] (I)恒定外载下恒定瓦斯压力煤样瓦斯吸附试验，测定该外载该瓦斯压力下煤样瓦斯吸附量，瓦斯参数随外载的变化关系；
[0073] (2)恒定瓦斯压力不同变化恒定外载条件下，煤岩试样破坏程度与瓦斯吸附量之间的关系；
[0074] (3)恒定外载和恒定瓦斯压力煤样瓦斯吸附试验，测定含瓦斯和不含瓦斯煤岩试样处于较高瓦斯压力环境中的吸附过程；
[0075] (4)在恒定外载作用下吸附饱和的煤样，在置于一个恒定低瓦斯压力环境中的解吸过程；
[0076] (5)变化恒定外载研究吸附饱和煤岩试样在一个恒定瓦斯压力下的解吸过程差
B1
升；
[0077] (6)不施加外载，不同恒定瓦斯压力下不同粒度煤岩试样的吸附试验研究，测定其吸附过程、吸附量；
[0078] (7)不施加外载，不同恒定瓦斯压力下不同粒度瓦斯吸附饱和煤岩试样的解吸试验研究，测定其解吸过程；
[0079] (8)恒定瓦斯压力条件下，煤岩试样的蠕变试验研究，得到含瓦斯煤岩的蠕变力学性质。
[0080] 本发明的创新之处在于：
[0081] 恒定外载作用下煤岩试样瓦斯吸附解吸试验；
[0082] 恒定瓦斯压力作用下的煤岩试样瓦斯吸附解吸试验；
[0083] 恒定瓦斯压力作用下的煤岩蠕变试验；
[0084] 不同块度煤岩试样在外载作用下恒定瓦斯压力吸附解吸试验；
[0085] 带活动滑块的样品罐；
[0086] 带活动滑块的恒压瓦斯罐；
[0087] 利用重力恒载和液压传动原理设计的重力恒液压装置；
[0088] 利用缸体旋转重力恒载产生恒定气压的重力恒气压装置。
[0089] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种受载煤岩恒压瓦斯吸附解吸试验系统，其特征在于，包括重力恒气压装置、真空泵、高压瓦斯气瓶、恒压瓦斯罐、样品罐； 所述样品罐为密闭罐体，该罐体内部设有活塞，活塞上部的空腔有瓦斯口，活塞下部的空腔设有液压口； 所述恒压瓦斯罐为密闭罐体，该罐体内部设有活塞，活塞下部的空腔设有液压口，活塞上部的空腔设有三个出口，其中第一出口与所述高压瓦斯气瓶连接，第二出口与所述样品罐上的瓦斯口连接，第三出口与所述真空泵连接； 所述第二出口与所述样品罐上的瓦斯口的连接管路与所述重力恒气压装置连接，所述重力恒气压装置还与所述真空泵连接； 所述样品罐下部的液压口和所述恒压瓦斯罐下部的液压口分别与第一重力恒液压装置和第二重力恒液压装置连接，手摇泵与所述两个重力恒液压装置连接，向两个重力恒液压装置补液。
2.根据权利要求1所述的受载煤岩恒压瓦斯吸附解吸试验系统，其特征在于，所述重力恒液压装置和重力恒气压装置分别设有位移计。
3.根据权利要求2所述的受载煤岩恒压瓦斯吸附解吸试验系统，其特征在于，所述的重力恒液压装置包括液压缸，所述液压缸设有活塞，所述活塞的上部设有金属杆，所述金属杆上套有加载砝码。
4.根据权利要求2所述的受载煤岩恒压瓦斯吸附解吸试验系统，其特征在于，所述重力恒气压装置包括缸体，所述缸体设置在托架上，所述缸体内设有活塞。
5.根据权利要求4所述的受载煤岩恒压瓦斯吸附解吸试验系统，其特征在于，所述缸体与托架之间设有旋转装置。
6.一种权利要求1至5任一项所述的受载煤岩恒压瓦斯吸附解吸试验系统进行受载煤岩瓦斯吸附解吸的方法，其特征在于，对煤试样在设定的外部加载压力和设定的瓦斯气压下进行瓦斯吸附和解吸试验。
7.根据权利要求6所述的受载煤岩瓦斯吸附解吸的方法，其特征在于，所述瓦斯吸附和解吸试验包括以下一项或多项: 研究在不同载荷作用下，由于煤岩破坏而引起的吸附特性变化，研究吸附常数、吸附量随载荷变化规律； 研究不同承载状况下的含瓦斯煤岩的瓦斯解吸过程； 研究不同粒度的煤岩在恒定瓦斯压力环境中的吸附过程及吸附常数； 研究不同粒度的含瓦斯煤岩在不同的大气压力环境中瓦斯解吸过程和规律； 研究含瓦斯煤岩在瓦斯吸附和解析过程中的蠕变力学性质。
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