CN103206996B - 一种孔壁瓦斯流量测量装置及一种孔壁瓦斯流量测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及煤矿安全监测技术领域，具体的说，是涉及一种孔壁瓦斯流量测量装置，以及基于这种测量装置基础上的一种孔壁瓦斯流量测定方法。一种孔壁瓦斯流量测量装置，包括一个煤层模拟装置，钻杆对煤层模拟装置中的模拟煤层施工钻孔；还包括一个气罐和一个煤样罐，所述气罐、煤层模拟装置、煤样罐依次连通，所述煤样罐的顶部设有带阀门的喷口，所述煤样罐与流量采集系统连接。本发明的测定方法通过模拟实验获取的总的瓦斯流量减去堵头及煤样罐内“死空间”涌出的瓦斯流量、堵头内部留存煤屑涌出的瓦斯流量得到孔壁瓦斯流量，对实验数据进行分析，得出了孔壁瓦斯动态涌出规律曲线，对于煤层瓦斯的综合治理具有非常重要的意义。

Description

一种孔壁瓦斯流量测量装置及一种孔壁瓦斯流量测定方法

技术领域

本发明涉及煤矿安全监测技术领域，具体的说，是涉及一种孔壁瓦斯流量测量装置，以及基于这种测量装置基础上的一种孔壁瓦斯流量测定方法。

背景技术

煤巷突出动态预测方法—连续流量法认为，钻孔钻进过程中钻头附近孔壁及煤屑的初始瓦斯流量可以反映煤巷掘进工作面的突出危险性。但在现场测定中，仅能从孔口收集到由钻孔中涌出的瓦斯总量，若要得到钻头附近的初始瓦斯流量，必须将钻头之外孔壁及煤屑涌出的后续瓦斯流量从瓦斯总量中扣除。为此，本发明旨在设计一种基于传感器及计算机数据采集技术，运用煤层模拟装置的孔壁瓦斯流量测量装置，以及基于这种装置基础上的测定方法，开展孔壁瓦斯动态涌出规律的实验研究。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，适应现实需要，提供一种孔壁瓦斯流量测量装置，以及基于这种测量装置基础上的一种孔壁瓦斯流量测定方法。

为了实现本发明的目的，本发明采用的技术方案为：

  一种孔壁瓦斯流量测量装置，包括一个煤层模拟装置，钻杆对煤层模拟装置中的模拟煤层施工钻孔；还包括一个气罐和一个煤样罐，所述气罐、煤层模拟装置、煤样罐依次连通，所述煤样罐的顶部设有带阀门的喷口，所述煤样罐与流量采集系统连接；

所述流量采集系统包括主采集系统和副采集系统，所述主采集系统包括中压传感器、低压传感器、温度传感器、高压传感器所在的四条测定通道，所述各传感器一端采集所述煤样罐内的数据，另一端与数据采集带连接通，所述数据采集带与槽式耦合触发器连接并通过槽式耦合触发器控制计算机启动数据采集程序；

    所述副采集系统包括玻璃转子流量计和造泡流量计；

所述主采集系统与副采集系统通过切换阀进行切换；

所述煤层模拟装置包括无盖缸体，所述缸体上方设有压力机，所述压力机下部为压柱和压板，所述压板外部轮廓与所述缸体的内壁轮廓相匹配，所述缸体侧壁设有充气口；所述缸体侧壁设有侧面出口，且侧面出口的外端向内凹陷形成凹槽，所述凹槽的内壁轮廓与堵头的外部轮廓相匹配，所述堵头的中心设有通孔，所述通孔供顶杆插入，所述堵头外端还设有横梁，所述横梁中心带有通孔，所述横梁覆盖于堵头外端并与侧面出口紧固连接，顶杆依次穿过横梁、堵头的通孔后插入缸体内部，所述堵头的表面还设有出气孔用于与煤样罐连通。

所述煤样罐的顶部设有出气口，所述出气口外的管路上设有第一截止阀和第一电磁阀，从第一电磁阀处分出两条测定通道，分别为中压传感器通道和低压传感器通道，所述中压传感器通道上设有中压传感器，所述第一电磁阀和中压传感器之间设有第二截止阀，所述低压传感器通道上设有低压传感器，所述第一电磁阀与低压传感器之间设有第二电磁阀，所述中压传感器、低压传感器均与数据采集带连接；所述煤样罐的顶端还设有温度传感器，所述温度传感器一端与煤样罐内部连通，另一端与数据采集带连接；所述煤样罐的顶端还设有高压传感器，所述高压传感器一端与煤样罐内部连通，另一端与数据采集带连接；中压传感器、低压传感器、温度传感器、高压传感器所在的通道组成的四条测定通道构成主采集系统，所述数据采集带与槽式耦合触发器连接并通过槽式耦合触发器控制计算机启动数据采集程序。

一种孔壁瓦斯流量测定方法，包括如下步骤，

第一步，设置一个煤层模拟装置，利用钻杆在煤层模拟装置中对模拟煤层施工钻孔，钻孔形成后，将钻杆撤出，将煤层模拟装置密封；关闭煤样罐使之密封，并将煤样罐与煤层模拟装置连通；所述煤层模拟装置包括无盖缸体，所述缸体上方设有压力机，所述压力机下部为压柱和压板，所述压板外部轮廓与所述缸体的内壁轮廓相匹配，所述缸体侧壁设有充气口；所述缸体侧壁设有侧面出口，且侧面出口的外端向内凹陷形成凹槽，所述凹槽的内壁轮廓与堵头的外部轮廓相匹配，所述堵头的中心设有通孔，所述通孔供顶杆插入，所述堵头外端还设有横梁，所述横梁中心带有通孔，所述横梁覆盖于堵头外端并与侧面出口紧固连接，顶杆依次穿过横梁、堵头的通孔后插入缸体内部，所述堵头的表面还设有出气孔用于与煤样罐连通；

第二步，依次将气罐、煤层模拟装置、煤样罐连通，关闭煤样罐喷口，连接主采集系统和副采集系统；

第三步，用压力机施加预定围压，利用真空泵抽取模拟煤层、堵头内部空腔留存煤屑及煤样罐内死空间中的各种气体，抽真空后，通过气罐向模拟煤层中充入气体，使煤样吸附平衡；

第四步，采用主采集系统来采集测定瓦斯流量，所述主采集系统包括中压传感器、低压传感器、温度传感器、高压传感器所在的四条测定通道，所述各传感器一端采集所述煤样罐内的数据，另一端与数据采集带连接通，所述数据采集带与槽式耦合触发器连接并通过槽式耦合触发器控制计算机启动数据采集程序；

第五步，当电压值＜1.03 V时，低压传感器采集到的瓦斯压力为零，此时提示主采集系统采集结束，迅速将瓦斯流量切换至玻璃转子流量计采集；

第六步，瓦斯流量降至玻璃转子流量计采集范围之外时，将气路切换至造泡流量计，继续计时，并连续读取气泡位置高度，当造泡流量计中气泡运移速度非常缓慢时，测试工作结束；

第七步，将第四步中采集到的煤样罐中高压段、中压段、低压段的采集曲线，第五步中玻璃转子流量计采集到的流量曲线，第六步中造泡流量计采集到的流量曲线进行拟合，得到的总瓦斯流量曲线Q _V1 ；

根据计算得出的各时刻“死空间”瓦斯流量数据，采用有理函数进行曲线拟合计算得到“死空间”瓦斯流量曲线Q _V2 ；

根据计算得出的各时刻堵头内部煤屑瓦斯流量数据，采用有理函数进行曲线拟合计算为堵头内部煤屑瓦斯流量曲线Q _V3 ；

    用Qv=Qv1-Qv2-Qv3计算出各时刻孔壁瓦斯流量。

所述煤样罐的顶部设有出气口，所述出气口外的管路上设有第一截止阀和第一电磁阀，从第一电磁阀处分出两条测定通道，分别为中压传感器通道和低压传感器通道，所述中压传感器通道上设有中压传感器，所述第一电磁阀和中压传感器之间设有第二截止阀，所述低压传感器通道上设有低压传感器，所述第一电磁阀与低压传感器之间设有第二电磁阀，所述中压传感器、低压传感器均与数据采集带连接；所述煤样罐的顶端还设有温度传感器，所述温度传感器一端与煤样罐内部连通，另一端与数据采集带连接；所述煤样罐的顶端还设有高压传感器，所述高压传感器一端与煤样罐内部连通，另一端与数据采集带连接；中压传感器、低压传感器、温度传感器、高压传感器所在的通道组成的四条测定通道构成主采集系统，所述数据采集带与槽式耦合触发器连接并通过槽式耦合触发器控制计算机启动数据采集程序。

所述第三步中，将煤屑抽真空后，充入CO₂气体来代替瓦斯气进行试验，并在另外一次试验时充入瓦斯气作为对比试验。

本发明的有益效果在于：

对实验数据进行分析，得出了孔壁瓦斯动态涌出规律曲线，对于煤层瓦斯的综合治理具有非常重要的意义。

煤巷突出动态预测方法—连续流量法认为，突出与煤体被地应力破坏之后的初始时刻瓦斯涌出量的多少密切相关，钻孔钻进过程中钻头附近孔壁及煤屑的初始瓦斯流量可以反映煤巷掘进工作面的突出危险性。但是，由于测定方法及认识上的限制，现行煤巷突出预测的钻孔瓦斯涌出初速度指标（q）往往将出现在前10 s的最能反映煤体突出危险性的初始时刻数据漏失，从而导致低指标突出事故频繁发生。本发明克服了以往基于打钻的静态预测方法的弊端，实现了动态预测，获取了孔壁瓦斯动态涌出规律曲线，将它与以往研究获取的煤屑瓦斯动态涌出规律曲线，从钻孔中涌出的瓦斯总量中扣除，即可得出钻孔钻进过程中钻头附近孔壁及煤屑的初始瓦斯流量。研究结果对于提高煤巷掘进工作面突出危险性预测的准确率，从而有效避免低指标突出事故具有借鉴和指导意义。

附图说明

图1为煤层模拟装置的外部结构示意图；

图2为图1的A-A剖视图；

图3为本发明孔壁瓦斯流量测量装置的总体结构示意图；

图4为图3中煤样罐部分的局部放大示意图；

图5为高压传感器采集到的高压段曲线；

图6为中压传感器采集到的中压段曲线；

图7为低压传感器采集到的低压段曲线；

图8为玻璃转子流量计以及造泡流量计采集到的流量曲线；

图9为图5——8中各曲线拟合叠加得到的总瓦斯流量曲线；

图10 为“死空间”瓦斯流量曲线；

图11为堵头内部煤屑瓦斯流量曲线；

图12为瓦斯孔壁流出曲线的形态图；

图13为煤样吸附不同气体时的模拟孔壁瓦斯流量曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

实施例：参见图1——图13。

一种孔壁瓦斯流量测量装置，包括一个煤层模拟装置I，图1、图2示出了煤层模拟装置的结构，利用钻机、钻杆在煤层模拟装置I中的模拟煤层8中施工钻孔；还包括一个气罐II和一个煤样罐III，所述煤层模拟装置I设有充气口9和出气口11，所述煤样罐III设有进气口28，所述气罐II通过充气口9向煤层模拟装置I充气,采用高压胶管31将煤层模拟装置I的出气口11和煤样罐的进气口28连通，所述煤样罐III的顶部设有带阀门的喷口14，所述煤样罐III与流量采集系统连接。

     所述流量采集系统包括主采集系统和副采集系统，所述主采集系统包括中压传感器18、低压传感器20、温度传感器23、高压传感器24所在的四条测定通道，所述各传感器一端采集所述煤样罐内的数据，另一端与数据采集带19连接，所述数据采集带19与槽式耦合触发器22连接并通过槽式耦合触发器22控制计算机启动数据采集程序。

所述煤样罐III的顶部设有出气口25，所述出气口25外的管路上设有第一截止阀16和第一电磁阀17，从第一电磁阀17处分出两条测定通道，分别为中压传感器通道和低压传感器通道，所述中压传感器通道上设有中压传感器18，所述第一电磁阀17和中压传感器18之间设有第二截止阀26，所述低压传感器通道上设有低压传感器20，所述第一电磁阀17与低压传感器20之间设有第二电磁阀21，所述中压传感器18、低压传感器20均与数据采集带19连接；所述煤样罐III的顶端还设有温度传感器23，所述温度传感器23一端与煤样罐13内部连通，另一端与数据采集带19连接；所述煤样罐III的顶端还设有高压传感器24，所述高压传感器24一端与煤样罐III内部连通，另一端与数据采集带19连接；中压传感器18、低压传感器20、温度传感器23、高压传感器24组成的四条测定通道构成主采集系统；

在孔壁瓦斯流量测试过程中，为防止瓦斯压力过高时中压传感器18、低压传感器20遭到破坏，在其与煤样罐之间各设置一个电磁阀，分别为第一电磁阀17、第二电磁阀21，只有当瓦斯压力降低至预定值（低于中、低压传感器最高允许压力）后，由控制电路启动两个电磁阀，瓦斯气体方可流经中、低压传感器。

在模拟煤层8内孔壁煤体充气体时，为防止高压气体流经中压传感器18、低压传感器20，使其遭到破坏，特在中压传感器18和第一电磁阀17前面各设置第一截止阀16、第二截止阀26，充气时截止阀关闭，待孔壁煤体吸附平衡后、开始测定前，将截止阀打开。

煤样罐III内抽真空及充气时，槽式耦合触发器22的凹槽内放置挡片（挡片可任意选择，如硬纸片等），阻挡红外信号；当打开喷口14的阀门34测定时，拿开挡片使其离开凹槽，计算机接收到红外信号，立即启动数据采集程序，通过数据采集带19，用四条测定通道传输中压传感器18、低压传感器20、温度传感器23、高压传感器24采集的总压、总温信号。

    所述副采集系统包括玻璃转子流量计13和造泡流量计29，所述副采集系统通过切换阀30与煤样罐III的喷口14连通并进行切换，所述玻璃转子流量计13和造泡流量计29又带有各自的截止阀33、32。图3、图4示出了包括主采集系统和副采集系统在内的本发明孔壁瓦斯流量测量装置的结构示意图。

所述煤层模拟装置I包括无盖缸体1，所述缸体1上方设有压力机7，所述压力机7下部为压柱6和压板10，所述压板10外部轮廓与所述缸体1的内壁轮廓相匹配，所述缸体1侧壁设有充气口9；所述缸体侧壁设有侧面出口5，且侧面出口5的外端向内凹陷形成凹槽，所述凹槽的内壁轮廓与所述堵头2的外部轮廓相匹配，所述堵头2的中心设有通孔，所述通孔供顶杆4插入，所述堵头2外端还设有横梁3，所述横梁3中心带有通孔，所述横梁3覆盖于堵头2外端并与侧面出口5紧固连接，顶杆4依次穿过横梁3、堵头2的通孔后插入缸体内部，所述堵头2的表面还设有出气孔11，用高压胶管在出气孔处11将模拟煤层与煤样罐连通，图中，8为模拟煤层。

一种孔壁瓦斯流量测定方法，包括如下步骤，

第一步，设置一个煤层模拟装置，利用钻杆在煤层模拟装置I中对模拟煤层8施工钻孔，钻孔形成后，将钻杆撤出，用顶杆4将煤层模拟装置密封，顶杆4与堵头2之间采取可拆卸的静连接，如螺纹连接，如图4所示，模拟煤层中存在一个钻杆退出后的钻孔27；关闭煤样罐III的阀门34使之密封，并将煤样罐III与煤层模拟装置连通；本实施例中，采用高压胶管31将煤样罐III的进气孔28与煤层模拟装置Ⅰ的出气口11连通。

煤层模拟装置中的模拟煤层8按照如下方法得到：

    首先连接顶杆4与堵头2，然后取少量的水泥倒入容器中,加水及适量水玻璃搅拌，搅拌均匀后,将水泥倒入堵头2内端的凹槽内，待水泥凝固并达到一定的强度后,将堵头2装入，然后将横梁3覆盖在堵头外部后用紧固件将横梁3与侧面出口5紧固。

每次称取一定的煤样,洒水搅拌均匀后,从缸体1上方倒入缸体1中，按照实验方案,用压力机施加预定的成型压力,并保持一定时间的恒压,以利于排除成型煤样内的空气。

连续加入几次煤样并压制成型后,施加预定围压并静置12 h左右,使前后压制的煤样紧密结合。

此时,模拟装置内的成型煤样相当于一个小型模拟煤层8。

模拟煤层准备完毕后，可将顶杆4取下，供钻杆进入，其中，充气口9用于充入瓦斯气等气体，进行后续实验。

第二步，按照图4所示结构，依次将气罐II、煤层模拟装置I、煤样罐III连通，其中，气罐与煤层模拟装置通过连接管路从充气口9处连通，煤层模拟装置I与煤样罐III采用高压胶管31连通，关闭煤样罐III喷口14处的球阀34，连接主采集系统和副采集系统。

第三步，用压力机7施加预定围压，利用真空泵抽取模拟煤层8、堵头内部空腔留存煤屑及煤样罐内“死空间”中的各种气体，抽真空12 h后，停止抽真空，通过气罐向模拟煤层8中充入CO₂气体48 h，使煤样吸附平衡；实验所用气体为CO₂，仅选一组煤样充入CH₄，进行对比实验。

第四步，采用主采集系统来采集测定瓦斯流量，所述煤样罐III的顶部设有出气口25，所述出气口25外的管路上设有第一截止阀16和第一电磁阀17，从第一电磁阀17处分出两条测定通道，分别为中压传感器通道和低压传感器通道，所述中压传感器通道上设有中压传感器18，所述第一电磁阀17和中压传感器18之间设有第二截止阀26，所述低压传感器通道上设有低压传感器20，所述第一电磁阀17与低压传感器20之间设有第二电磁阀21，所述中压传感器18、低压传感器20均与数据采集带19连接；所述煤样罐13的顶端还设有温度传感器23，所述温度传感器23一端与煤样罐13内部连通，另一端与数据采集带19连接；所述煤样罐2的顶端还设有高压传感器24，所述高压传感器24一端与煤样罐13内部连通，另一端与数据采集带19连接；中压传感器18、低压传感器20、温度传感器23、高压传感器24所在的通道组成的四条测定通道构成主采集系统，所述数据采集带19与槽式耦合触发器22连接并通过槽式耦合触发器22控制计算机启动数据采集程序。

第五步，当电压值＜1.03 V时，对应的瓦斯压力为0，低压传感器采集到的瓦斯压力为零，此时提示主采集系统采集结束，迅速打开切换阀30，同时打开玻璃转子流量计13的截止阀33，并同时关闭主采集系统的各测定通道，使用秒表计时，瓦斯流量切换至玻璃转子流量计13进行采集。

第六步，瓦斯流量降至玻璃转子流量计13采集范围之外时，关闭截止阀33，打开截止阀32，将气路切换至造泡流量计，继续计时，并连续读取气泡位置高度。当造泡流量计中气泡运移速度非常缓慢时，测试工作结束。

玻璃转子流量计原理：玻璃转子流量计的主要测量元件为一根垂直安装的下小上大锥形玻璃管和在内可上下移动的浮子。当流体自下而上经锥形玻璃管时，在浮子上下之间产生压差，浮子在此差压作用下上升。当此上升的力、浮子所受的浮力及粘性升力与浮子的重力相等时，浮子处于平衡位置。因此，流经玻璃转子流量计的流体流量与浮子上升高度，即与玻璃转子流量计的流通面积之间存在着一定的比例关系，浮子的位置高度可作为流量量度。当瓦斯气体无法顶起浮子时，即认为瓦斯流量降至玻璃转子流量计采集范围之外。

当造泡流量计中气泡运移速度非常缓慢时：当孔壁流出的瓦斯量非常小时，1分钟的时间，气泡在流量计内仅能移动1个刻度—1cm，此时不再采集，测试工作结束。

第七步，将第四步中采集到的煤样罐中高压段、中压段、低压段的采集曲线，第五步中玻璃转子流量计采集到的流量曲线，第六步中造泡流量计采集到的流量曲线进行拟合，得到的总瓦斯流量曲线Q _v1 ；

根据计算得出的各时刻“死空间”瓦斯流量数据，采用有理函数进行曲线拟合计算得到“死空间”瓦斯流量曲线Q _v2 ；

根据计算得出的各时刻堵头内部煤屑瓦斯流量数据，采用有理函数进行曲线拟合计算为堵头内部煤屑瓦斯流量曲线Q _v3 ；

用Qv=Qv1-Qv2-Qv3计算出各时刻孔壁瓦斯流量。

本发明的喷口14采用带阀门的渐缩形喷口，当P ₀ ＞P _* 时，煤样罐内的瓦斯流动为超声速流动，喷口处瓦斯流量按下式^[13]计算：

       （1）

    式中，

    Q _m 为喷口处瓦斯气流的质量流量，kg/s；

    k为瓦斯的绝热指数，R为气体常数，J/kg·K；

P ₀ 为任一时刻煤样罐内瓦斯的总压（绝对压力），Pa；

A为喷口横截面积，m²；

T ₀ 为任一时刻煤样罐内瓦斯的总温，K；

P _* 为临界压力，Pa，按下式计算：

                   （2）

式中，P _b 为大气压力，Pa。

当P ₀ ＜P _* 时，煤样罐内的瓦斯流动为亚声速流动，喷口处瓦斯流量按下式^[13]计算：

     （3）

由式（1）、（3）可知，任一时刻煤样罐内瓦斯的总压P ₀ 、总温T ₀ 的准确获取是本次研究的关键。

由上述各公式可知，高、中、低压传感器以及温度传感器采集的均为电压信号，根据传感器校正曲线，将电压信号转换为压力P₀、温度T₀值，然后将P₀、温度T₀代入上述公式，方可得出流量Qm值,这些工作均由数据采集程序完成,即高、中、低压传感器采集的每一组P_0、T₀值，都对应计算出一个Qm值。

利用本发明进行实验，实验研究对象为具有突出危险的煤体。

通过模拟实验获取的瓦斯流量由三部分组成：孔壁瓦斯流量、堵头及煤样罐内“死空间”涌出的瓦斯流量、堵头内部留存煤屑涌出的瓦斯流量。若要得出孔壁瓦斯流量，必须将后两项从总瓦斯流量中扣除。

死空间：游离于煤样罐（或堵头）内未被煤样占据的空间，称为“死空间”。

由于初始时刻孔壁瓦斯流量较大，因此使用主采集系统采集流量数据；随时间的延长，瓦斯流量逐渐减小，使用玻璃转子流量计采集；待瓦斯流量降至玻璃转子流量计采集范围之外时，使用造泡流量计采集。

下面以某模拟煤层为例，来说明孔壁瓦斯涌出规律的研究过程：

图5——图7分别为煤样罐中高压段、中压段、低压段的采集曲线，分别由高压传感器24、中压传感器18、低压传感器20采集，图8为玻璃转子流量计以及造泡流量计的采集曲线，由玻璃转子流量计和造泡流量计采集。

将图5——8中的采集曲线进行拟合，即将高压段、中压段、低压段、玻璃转子流量计以及造泡流量计的采集曲线全部拟合在一起，得到孔壁瓦斯总流量，拟合可使用专门的拟合工具，比如MATLAB曲线拟合工具，将各时间采集到的数据输入，即可直接得到拟合曲线方程，形态如图9所示。

根据拟合结果，得出孔壁总瓦斯流量方程为：

；

图9为图5——8中各曲线拟合叠加得到的总瓦斯流量曲线。

根据计算得出的各时刻“死空间”瓦斯流量数据Q_v2，采用有理函数进行曲线拟合，如图10所示。

Q_v2的计算方法简述如下，

“死空间”（假设体积为V₁）瓦斯流量随时间的变化规律已在发表论文中描述【韩颖，张飞燕，余伟凡，蒋承林. 煤屑瓦斯全程扩散规律的实验研究. 煤炭学报，2011，36（10）：1699-1703.（EI收录，20114614514767）】。

煤样罐与堵头内部“死空间”体积（假设为V2）可以计算获得。基于上述研究成果，将瓦斯流量放大V2/V1倍，即可得出煤样罐与堵头内部“死空间”瓦斯流量（Q_v2）随时间的变化规律。然后，利用曲线拟合工具，得出拟合曲线及拟合方程。

根据拟合结果，得出“死空间”瓦斯流量方程为：

 。

根据煤屑瓦斯扩散规律（每克煤屑各时刻的瓦斯扩散规律），结合堵头内部煤屑质量（如M克），即可得出各时刻堵头内部煤屑瓦斯流量数据Q_v3，Q_v3的计算方法简述如下：

煤屑（假设质量为m1）瓦斯流量随时间的变化规律已在发表论文中描述【韩颖，张飞燕，余伟凡，蒋承林. 煤屑瓦斯全程扩散规律的实验研究. 煤炭学报，2011，36（10）：1699-1703.（EI收录，20114614514767）】。

堵头内部留存煤屑（假设为m2）可以称量获得。基于上述研究成果，将瓦斯流量放大m2/m1倍，即可得出堵头内部煤屑瓦斯流量（Qv3）随时间的变化规律。然后，利用曲线拟合工具，得出拟合曲线及拟合方程，如图11所示，根据拟合结果，得出堵头内部煤屑瓦斯流量方程为：

。

说明：

孔壁瓦斯流量方程的获得

孔壁瓦斯流量方程如下：

    

将时间t代入上式，即可计算出各时刻的孔壁瓦斯流量。

以时间t为横坐标，孔壁瓦斯流量Q _v为纵坐标绘图，即可得出本实施例中模拟煤层孔壁瓦斯涌出规律曲线，如图12所示。

由图12可以看出，孔壁瓦斯涌出规律为：

由于“死空间”的阻碍作用，孔壁瓦斯流量在涌出瞬间达到峰值，此后随时间的延长逐渐衰减，最终衰减至无限趋近于0。此外，孔壁瓦斯涌出规律同样可用有理函数描述。

图13为煤样吸附不同气体时的孔壁瓦斯流量曲线。可以看出，煤样无论是吸附CO₂还是吸附CH₄，其孔壁瓦斯涌出皆遵循相同的规律。但是，由于煤样对CO₂的吸附能力比对CH₄的吸附能力大，孔壁的CO₂流量曲线要高于CH₄流量曲线，即同一时刻由孔壁涌出的CO₂量多于CH₄量，并且前者的流量峰出现时间较晚，流量衰减速度也较慢。

本发明的实施例公布的是较佳的实施例，但并不局限于此，本领域的普通技术人员，极易根据上述实施例，领会本发明的精神，并做出不同的引申和变化，但只要不脱离本发明的精神，都在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种孔壁瓦斯流量测量装置，其特征在于：包括一个煤层模拟装置（I），钻杆对煤层模拟装置（I）中的模拟煤层（8）施工钻孔；还包括一个气罐（II）和一个煤样罐（III），所述气罐（II）、煤层模拟装置（I）、煤样罐（III）依次连通，所述煤样罐（III）的顶部设有带阀门的喷口（14），所述煤样罐（III）与流量采集系统连接；

所述流量采集系统包括主采集系统和副采集系统，所述主采集系统包括中压传感器（18）、低压传感器（20）、温度传感器（23）、高压传感器（24）所在的四条测定通道，所述各传感器一端采集所述煤样罐内的数据，另一端与数据采集带（19）连接通，所述数据采集带（19）与槽式耦合触发器（22）连接并通过槽式耦合触发器（22）控制计算机启动数据采集程序；

    所述副采集系统包括玻璃转子流量计（13）和造泡流量计（29）；

所述主采集系统与副采集系统通过切换阀（30）进行切换；

所述煤层模拟装置（I）包括无盖缸体（1），所述缸体（1）上方设有压力机（7），所述压力机（7）下部为压柱（6）和压板（10），所述压板（10）外部轮廓与所述缸体（1）的内壁轮廓相匹配，所述缸体（1）侧壁设有充气口（9）；所述缸体侧壁设有侧面出口（5），且侧面出口（5）的外端向内凹陷形成凹槽，所述凹槽的内壁轮廓与堵头（2）的外部轮廓相匹配，所述堵头（2）的中心设有通孔，所述通孔供顶杆（4）插入，所述堵头（2）外端还设有横梁（3），所述横梁（3）中心带有通孔，所述横梁（3）覆盖于堵头（2）外端并与侧面出口（5）紧固连接，顶杆（4）依次穿过横梁（3）、堵头（2）的通孔后插入缸体内部，所述堵头（2）的表面还设有出气孔（11）用于与煤样罐（III）连通。

2.根据权利要求1所述的孔壁瓦斯流量测量装置，其特征在于：所述煤样罐（III）的顶部设有出气口（25），所述出气口（25）外的管路上设有第一截止阀（16）和第一电磁阀（17），从第一电磁阀（17）处分出两条测定通道，分别为中压传感器通道和低压传感器通道，所述中压传感器通道上设有中压传感器（18），所述第一电磁阀（17）和中压传感器（18）之间设有第二截止阀（26），所述低压传感器通道上设有低压传感器（20），所述第一电磁阀（17）与低压传感器（20）之间设有第二电磁阀（21），所述中压传感器（18）、低压传感器（20）均与数据采集带（19）连接；所述煤样罐（III）的顶端还设有温度传感器（23），所述温度传感器（23）一端与煤样罐（13）内部连通，另一端与数据采集带（19）连接；所述煤样罐（III）的顶端还设有高压传感器（24），所述高压传感器（24）一端与煤样罐（III）内部连通，另一端与数据采集带（19）连接；中压传感器（18）、低压传感器（20）、温度传感器（23）、高压传感器（24）所在的通道组成的四条测定通道构成主采集系统，所述数据采集带（19）与槽式耦合触发器（22）连接并通过槽式耦合触发器（22）控制计算机启动数据采集程序。

3.一种孔壁瓦斯流量测定方法，包括如下步骤，

第一步，设置一个煤层模拟装置，利用钻杆在煤层模拟装置（I）中对模拟煤层（8）施工钻孔，钻孔形成后，将钻杆撤出，将煤层模拟装置密封；关闭煤样罐（III）使之密封，并将煤样罐（13）与煤层模拟装置连通；所述煤层模拟装置（I）包括无盖缸体（1），所述缸体（1）上方设有压力机（7），所述压力机（7）下部为压柱（6）和压板（10），所述压板（10）外部轮廓与所述缸体（1）的内壁轮廓相匹配，所述缸体（1）侧壁设有充气口（9）；所述缸体侧壁设有侧面出口（5），且侧面出口（5）的外端向内凹陷形成凹槽，所述凹槽的内壁轮廓与堵头（2）的外部轮廓相匹配，所述堵头（2）的中心设有通孔，所述通孔供顶杆（4）插入，所述堵头（2）外端还设有横梁（3），所述横梁（3）中心带有通孔，所述横梁（3）覆盖于堵头（2）外端并与侧面出口（5）紧固连接，顶杆（4）依次穿过横梁（3）、堵头（2）的通孔后插入缸体内部，所述堵头（2）的表面还设有出气孔（11）用于与煤样罐（III）连通；

第二步，依次将气罐（II）、煤层模拟装置（I）、煤样罐（III）连通，关闭煤样罐（III）喷口（14），连接主采集系统和副采集系统；

第三步，用压力机（7）施加预定围压，利用真空泵抽取模拟煤层（8）、堵头（2）内部空腔留存煤屑及煤样罐（III）内死空间中的各种气体，抽真空后，通过气罐（II）向模拟煤层（8）中充入气体，使煤样吸附平衡；

第四步，采用主采集系统来采集测定瓦斯流量，所述主采集系统包括中压传感器（18）、低压传感器（20）、温度传感器（23）、高压传感器（24）所在的四条测定通道，所述各传感器一端采集所述煤样罐内的数据，另一端与数据采集带（19）连接通，所述数据采集带（19）与槽式耦合触发器（22）连接并通过槽式耦合触发器（22）控制计算机启动数据采集程序；

第五步，当电压值＜1.03 V时，低压传感器采集到的瓦斯压力为零，此时提示主采集系统采集结束，迅速将瓦斯流量切换至玻璃转子流量计（13）采集；

第六步，瓦斯流量降至玻璃转子流量计（13）采集范围之外时，将气路切换至造泡流量计（29），继续计时，并连续读取气泡位置高度，当造泡流量计中气泡运移速度非常缓慢时，测试工作结束；

第七步，将第四步中采集到的煤样罐中高压段、中压段、低压段的采集曲线，第五步中玻璃转子流量计采集到的流量曲线，第六步中造泡流量计采集到的流量曲线进行拟合，得到的总瓦斯流量曲线Q _V1 ；

根据计算得出的各时刻“死空间”瓦斯流量数据，采用有理函数进行曲线拟合计算得到“死空间”瓦斯流量曲线Q _V2 ；

根据计算得出的各时刻堵头内部煤屑瓦斯流量数据，采用有理函数进行曲线拟合计算为堵头内部煤屑瓦斯流量曲线Q _V3 ；

    用Qv=Qv1-Qv2-Qv3计算出各时刻孔壁瓦斯流量。

4.根据权利要求3所述的孔壁瓦斯流量测定方法，其特征在于：所述煤样罐（III）的顶部设有出气口（25），所述出气口（25）外的管路上设有第一截止阀（16）和第一电磁阀（17），从第一电磁阀（17）处分出两条测定通道，分别为中压传感器通道和低压传感器通道，所述中压传感器通道上设有中压传感器（18），所述第一电磁阀（17）和中压传感器（18）之间设有第二截止阀（26），所述低压传感器通道上设有低压传感器（20），所述第一电磁阀（17）与低压传感器（20）之间设有第二电磁阀（21），所述中压传感器（18）、低压传感器（20）均与数据采集带（19）连接；所述煤样罐（III）的顶端还设有温度传感器（23），所述温度传感器（23）一端与煤样罐（13）内部连通，另一端与数据采集带（19）连接；所述煤样罐（III）的顶端还设有高压传感器（24），所述高压传感器（24）一端与煤样罐（III）内部连通，另一端与数据采集带（19）连接；中压传感器（18）、低压传感器（20）、温度传感器（23）、高压传感器（24）所在的通道组成的四条测定通道构成主采集系统，所述数据采集带（19）与槽式耦合触发器（22）连接并通过槽式耦合触发器（22）控制计算机启动数据采集程序。

5.根据权利要求3所述的孔壁瓦斯流量测定方法，其特征在于：所述第三步中，将煤屑抽真空后，充入CO₂气体来代替瓦斯气进行试验，并在另外一次试验时充入瓦斯气作为对比试验。