CN103399035A - 多功能煤样自燃氧化与升温实验装置 - Google Patents

Abstract

多功能煤样自燃氧化与升温实验装置，属于矿山安全工程技术领域。本发明包括实验箱体，煤样罐的进气口通过连接管路与预热管一端相连通，预热管另一端与气泵的出口相连通，气泵的入口经气体流量计与联动转换阀第二出口相连通，煤样罐的出气口与联动转换阀第一入口相连通；煤样罐内的温度传感器的信号输出端与温度采集器的信号输入端相连，温度采集器信号输出端分别与数据传输接口和实验主控单元相连，实验主控单元与温控器输入端相连；联动转换阀推送前的第一出口与箱体出气管相连通，第二入口与箱体进气管相连通；联动转换阀推送后的第一出口经气体检测仪与联动转换阀的第二入口相连通；箱体出气管的出气口与设置在实验箱体外的气相色谱仪相连通。

Description

多功能煤样自燃氧化与升温实验装置

技术领域

本发明属于矿山安全工程技术领域，特别是涉及一种多功能煤样自燃氧化与升温实验装置。该实验装置可适用于煤炭自然发火防治工程的煤自燃氧化、标志性气体和最短自然发火期的实验研究。

背景技术

煤矿煤炭自燃是当前影响煤矿安全生产和制约煤矿工作面顺利开采的一大重要灾害，在其防治和研究的基础工作中，须要进行三种基本指标测定的实验工作：一是煤氧化特征的实验测定，即了解一定性状（粒度、湿度和温度等）的煤在不同氧浓度下的耗氧速度和CO生成比率；二是测定煤自燃标志性气体，即测定在不同温度下煤炭释放出的各气体成分；三是最短自然发火期的测定，即测定煤在一定风流供氧的自然状态下氧化升温过程等。

上述须要测定的关键指标对煤炭自燃研究和自燃灾害防治工程应用非常重要。对这些指标的测定，传统的方法都是采用不同的仪器分别进行实验测定工作。其中，关于煤在不同氧浓度下的耗氧速度的测定，现有的传统方法是向煤样罐中分别通入不同氧浓度的气样，单独进行实验；首先，配制出一定氧浓度的气样再做实验，一次实验只能获得煤在一种氧浓度下的耗氧速度值，不同氧浓度的实验须分别重新配置气样再一次做实验，实验方法繁琐，效率低。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种多功能煤样自燃氧化与升温实验装置，该实验装置可以同时满足煤氧化特征、煤自燃标志性气体以及最短自然发火期三种指标的测定，将这三种测定实验用一种实验装置来实现，可提高实验效率和实验准确度。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案，一种多功能煤样自燃氧化与升温实验装置，包括实验箱体，在所述实验箱体的恒温工作室内分别设置有煤样罐和预热管，在所述实验箱体的操控室内分别设置有实验主控单元和温度采集器、温控器、气泵、气体流量计、联动转换阀及电子式气体检测仪；所述煤样罐的进气口通过连接管路与预热管的一端相连通，预热管的另一端与气泵的出口相连通，气泵的入口经气体流量计与联动转换阀的第二出口相连通，煤样罐的出气口与联动转换阀的第一入口相连通；在所述煤样罐内设置有温度传感器，温度传感器的信号输出端与温度采集器的信号输入端相连接，温度采集器的信号输出端分别与数据传输接口和实验主控单元相连接，实验主控单元与温控器的输入端相连接；所述联动转换阀推送前的第一出口与箱体出气管相连通，第二入口与箱体进气管相连通；所述联动转换阀推送后的第一出口经电子式气体检测仪与联动转换阀的第二入口相连通，所述第一出口与第一入口相对应，第二出口与第二入口相对应；所述箱体出气管的出气口与设置在实验箱体外的气相色谱仪相连通，所述箱体进气管的进气口与大气相通；所述实验主控单元与电子式气体检测仪的检测控制线相连接，电子式气体检测仪的数据传输线与数据传输接口相连接。

在所述实验箱体的恒温工作室内设置有安放托架，所述煤样罐设置在安放托架上。

所述煤样罐采用石英瓶或真空壁的石英瓶，具有耐高温及良好的绝热性。

本发明的有益效果:

1、本发明的实验装置实现了用一种实验装置可以同时满足煤氧化特征、煤自燃标志性气体以及最短自然发火期三种实验的测定工作；

2、采用本发明的实验装置的实验过程更加灵活，实验准确度高；在进行封闭实验时，可通过一次实验完成不同氧浓度的多次测定，提高了实验效率；

3、本发明的实验装置提供了在开放实验时可以测定不同温度下煤炭释放出的各气体成分获得标志性气体和根据指标气体确定最短自然发火期的实验条件。

附图说明

图1为本发明的多功能煤样自燃氧化与升温实验装置的结构示意图；

图2为本发明所采用的联动转换阀推送前的原理图；

图3为本发明所采用的联动转换阀抶送后的原理图；

图4为本发明的多功能煤样自燃氧化与升温实验装置进行封闭实验时的结构示意图；

图5为本发明的多功能煤样自燃氧化与升温实验装置进行开放实验时的结构示意图；

图6为电子式电子式气体检测仪的结构示意图；

图7为气泵和气体流量计分大、中、小三个级别组并联的结构示意图；

图8为实施例一以辽宁九道岭煤矿-850工作面煤样进行封闭耗氧实验的曲线图；

图9为实施例一的封闭耗氧实验回归后的曲线图;

图10为实施例二中取辽宁九道岭矿井下纯煤样做实验煤样升温过程（7天）的实验曲线图；

图11为实施例二中取辽宁九道岭矿井采空区松散煤样（采空区遗留煤、含矸石）做实验煤样升温过程（10天）的实验曲线图；

图中，1—实验箱体，2—连接管路，3—预热管，4—煤样罐，5—测温线，6—温度传感器，7—实验主控单元和温度采集器，8—温控器，9—气泵，10—气体流量计，11—联动转换阀，12—电子式气体检测仪，13—数据传输接口，14—箱体出气管，15—箱体进气管，16—气相色谱仪，17—第一入口，18—第二出口，19—第一出口，20—第二入口，21—气体检测腔，22—检测腔进气管路，23—检测腔出气管路，24—O₂热敏传感器探头，25—CO热敏传感器探头，26—O₂热敏传感器探头连接导线，27—CO热敏传感器探头连接导线，28—检测单元，29—数据传输线，30—检测控制线，31—实验箱体的恒温工作室，32—实验箱体的操控室，33—阀门。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1～图5所示，一种多功能煤样自燃氧化与升温实验装置，包括实验箱体1，在所述实验箱体的恒温工作室31内分别设置有煤样罐4和预热管3，在所述实验箱体的操控室32内分别设置有实验主控单元和温度采集器7、温控器8、气泵9、气体流量计10、联动转换阀11及电子式气体检测仪12；所述煤样罐4的进气口通过连接管路2与预热管3的一端相连通，预热管3的另一端与气泵9的出口相连通，气泵9的入口经气体流量计10与联动转换阀11的第二出口18相连通，煤样罐4的出气口与联动转换阀11的第一入口17相连通；在所述煤样罐4内设置有温度传感器6，温度传感器6的信号输出端通过测温线5与温度采集器的信号输入端相连接，温度采集器的信号输出端分别与数据传输接口13和实验主控单元相连接，实验主控单元与温控器8的输入端相连接（即按煤样罐4内煤样的温度值更新设定实验箱体的恒温工作室31内的温度）；所述联动转换阀11推送前的第一出口19与箱体出气管14相连通，第二入口20与箱体进气管15相连通；所述联动转换阀11推送后的第一出口19经内置电子式电子式气体检测仪12的气体检测腔21与联动转换阀11的第二入口20相连通，所述第一出口19与第一入口17相对应，第二出口20与第二出口18相对应；所述箱体出气管14的出气口与设置在实验箱体1外的气相色谱仪16相连通，所述箱体进气管15的进气口与大气相通；所述实验主控单元与电子式气体检测仪12的检测控制线30相连接，电子式气体检测仪12的数据传输线29与数据传输接口13相连接。

在所述实验箱体的恒温工作室31内设置有安放托架，所述煤样罐4设置在安放托架上；所述煤样罐4采用石英瓶或真空壁的石英瓶，具有耐高温及良好的绝热性，本发明可根据不同的需要更换不同的煤样罐4，所述预热管3采用铜管。

本发明的实验装置具有两种气体成分测定装置，内置的电子式电子式气体检测仪12和外置的气相色谱仪16。采用气相色谱仪16必须消耗一定的气体，因此，气相色谱仪16不适于封闭氧化实验的测定，仅仅适用于开放实验，测定煤的自然升温过程该实验产生的气体成分多适合使用气相色谱仪16。使用内置的电子式电子式气体检测仪12检测气体浓度，其特点是检测过程中不消耗气体，因此，封闭氧化实验气体浓度检测使用电子式电子式气体检测仪12，从而实现封闭气路内气体量的无损检测。

所述电子式电子式气体检测仪12的结构如图6所示，包括具有检测腔进气管路22和检测腔出气管路23的气体检测腔21，在所述气体检测腔21内分别设置有O₂热敏传感器探头24和CO热敏传感器探头25（化学药剂头）主所述化学药剂头可定期拆卸和更换；O₂热敏传感器探头24通过O₂热敏传感器探头连接导线26与检测单元28相连接，CO热敏传感器探头25通过CO热敏传感器探头连接导线27与检测单元28相连接。电子式电子式气体检测仪12的基本工作原理同便携式气体浓度检测仪，所不同的是电子式电子式气体检测仪12是按设定的时间步长自动进行气体检测，并将气体的检测结果数据自动传输和记录。

本发明的实验装置能够实现按实验主控单元所设置的时间步长来自动采集实验数据，定时将自动检测气体浓度，由数据传输线29进行数据传输，并记录存储数据。

所述实验主控单元为实验控制参数设定（界面）使用。所述气泵9和气体流量计10分大、中、小三个级别组并联，如图7所示，可根据实验要求进行选择。按照一般的实验要求，封闭耗氧实验采用大流量设定，开放自然升温实验采用小流量设定，装置能够按具体的实验要求设定实验流量，可自动调节。

所述温度采集器采用IPAM-6505热电偶温度采集模块，5路传输；所述温度传感器6采用pt100温度传感器，温度范围：-50～450℃，精度：±0.2℃；所述实验箱体1采用DHG101A-1型实验箱体；所述温控器8是实验箱体1的配套设备（理化RKC CH102全输入数显智能温控仪）；所述气体流量计10采用的型号为LZB-4WB，多级量程，范围；0.06～2L/min；所述气泵9采用NMP015M型，吸气压力：55kPa，流量：1.6L/min（大流量5L/min）；所述气相色谱仪16采用的型号为HA-SRI8610-0071-2；所述电子式气体检测仪12由便携式气体浓度检测仪改装，用于检测O₂和CO气体，便携式气体浓度检测仪的型号为：EM-4，量程：CO：0～1000ppm，O₂；0～30%。

本发明的实验装置具有煤样封闭氧化实验和煤样自然升温实验的通用性，具有封闭实验和开放实验两种实验功能。两种实验功能分别用实验装置中联动转换阀11的两档位来控制，即利用联动转换阀11的推拉档位，转换成不同的封闭实验和开放实验功能；所述联动转换阀11采用推拉式的换档联动换向阀，其原理如图2、图3所示。本发明的实验装置具有两档，其中，一档是开放实验（联动转换阀11推送前的），联合外置的气相色谱仪16用于测定不同温度下煤炭释放出的各气体成分和根据指标气体确定最短自然发火期；二档是封闭实验（联动转换阀11推送后的)，联合内置的电子式电子式气体检测仪12跟踪测定并记录煤样罐4内的氧气和一氧化碳气体的浓度变化，用于间接测定同一温度不同氧浓度下煤的耗氧速度和一氧化碳产生比率。

下面结合附图说明本发明的实验过程：

一、开放实验：

所述联动转换阀11推送前，联动转换阀11的第一出口19与箱体出气管14相连通，第二入口20与箱体进气管15相连通，所述箱体出气管14的出气口与设置在实验箱体1外的气相色谱仪16相连通，所述箱体进气管15的进气口与大气相通，本发明的实验装置可进行开放实验。

此时煤样罐4与管路系统构成煤样与大气空间的开放系统，以一定气泵9流量，经过预热管3向煤样罐4内通入新鲜空气；利用气泵9的动力使外部大气空气、管路中的空气与煤样罐4中的空气形成供氧循环流动（小流量循环），一方面使管路空气中的氧浓度与煤样罐4空气中的氧浓度尽量保持一致，另一方面保持煤样罐4内煤样均匀耗氧；新鲜空气首先必须通过预热管3进行预热后，才通入煤样罐4内，以保证进入煤样罐4的气体温度与煤样罐4内的温度相一致（或低2℃）。

在实验过程中，通过外置的气相色谱仪16定时检测箱体出气管14流出的气体成分（CO、CH₄、C₂H₄、C₂H₂等标志性气体），并存贮记录；同时，利用煤样罐4内的温度传感器6监测和记录煤样罐4内的温度值。实验过程是耗氧生热变化的，煤样罐4内煤样的温度随着耗氧不断升高，为了保证煤样氧化产生的热量不被传导出煤样罐4外，煤样罐4外实验箱体的恒温工作室31内的温度调节应与从煤样罐4内监测的温度相一致（比监测值低2℃）；实验箱体的恒温工作室31内的温度调节由温控器8根据温度采集器采集的温度值进行控制，温度采集器是通过温度传感器6进行温度采集的；实验过程中要不断记录并存储温度值随时间的变化。

实验后可通过数据传输接口13将采集的温度值传送至上位机，由上位机绘制出温度升高实验曲线，再根据（标志性）指标气体要求确定最短自然发火期。

二、封闭实验：

所述联动转换阀11推送后，联动转换阀11的第一出口19与箱体出气管14断开，第二入口20与箱体进气管15断开，联动转换阀11的第一出口经电子式气体检测仪12的气体检测腔21与联动转换阀11的第二入口20相连通，此时煤样罐4与管路系统构成煤样与管路空间的封闭系统，本发明的实验装置可进行封闭耗氧实验。

为了使该系统内空气氧浓度均匀，利用气泵9的动力使管路中的空气与煤样罐4中的空气做大流量循环流动，调大流量档，一方面使管路空气中的氧浓度与煤样罐4空气中的氧浓度尽量保持一致，另一方面保持煤样罐4内煤样均匀耗氧。

在实验过程中，通过内置的电子式电子式气体检测仪12对煤样罐4内的煤样耗氧过程中氧浓度和CO气体浓度按设定的时间间隔进行不断检测，记录时间和浓度值并存储。

实验过程中要求温度保持恒定，用实验箱体1按设定的温度值维持恒定的温度。

实验后可通过数据传输接口13将数据传送至上位机，由上位机绘制出实验曲线；再按照发明人在其论文中提出的相关算法解析出煤耗氧速度。

封闭耗氧实验专用于测定煤样的氧化速度，本发明能够通过一次实验得到不同氧浓度下耗氧速度的多次测定，测定效率大大提高。

下面结合附图和具体实施例对所述算法进行详细说明：

实施例一：

本实施例取辽宁九道岭煤矿-850工作面的煤样进行封闭耗氧实验，具体实验结果见图8，运用回归分析得到图9。

通过实验测定，得出煤氧化过程中煤样罐4的耗氧基本规律如下：

1）氧浓度变化近似呈负指数衰减变化；

2）氧浓度降低到一定值时，衰减变化趋于停止；

3）煤样在常温下就有CO生成；

4）CO生成量（浓度）与氧浓度变化相对应，近似呈指数增长变化；

通过实验分析，得出密封环境下氧浓度的衰减变化规律，按煤耗氧最低氧浓度值C_b，对实验数据进行回归分析，煤样罐4内O₂的体积分数c(τ)近似服从负指数函数分布，即：

$c\left(\mathrm{\τ}\right)=C_b+(C_0-C_b)\·e^{-{\mathrm{\λ}}_C\mathrm{\τ}}---\left(1\right)$

式中，C₀为O₂的初始体积分数，%;λ_c为氧浓度衰减率，s^-1；τ为氧化时间，s。

通过对式(1)求导，可以得到不同氧浓度情况下煤对氧气的消耗速度，即：在煤样罐4中，单位时间单位体积的煤样耗氧摩尔质量变化率为：

（当c(τ)≥C_b时成立，否则γ=0）     (2)

或写成：

$\mathrm{\γ}=-0.4464{\mathrm{\λ}}_c(C_0-C_b)\·e^{{-\mathrm{\λ}}_C\mathrm{\τ}}---\left(3\right)$

式中，γ为煤样体积耗氧速度，mol·m^-3·s^-1。

通过辽宁九道岭煤矿-850工作面的煤样的具体实验结果，如图8所示，回归得到煤氧浓度变化的回归方程为：

$c\left(\mathrm{\τ}\right)=3.84+16.628e^{-1.156\×{10}^4\mathrm{\τ}}$

对上式求导得到不同氧浓度情况下煤对氧气的消耗速度为：

$\mathrm{\γ}=-8.58068e^{-1.156\×{10}^4\mathrm{\τ}}$

可见，对于松散煤体，在堆积状态下，其耗氧速度跟氧浓度成正比。

辽宁九道岭煤矿-850工作面煤样常温氧化过程中耗氧数据的回归计算结果，见表1。

表1辽宁九道岭煤矿-850工作面煤样常温氧化过程中耗氧数据的回归计算结果

注：这里C_b=3.84，c为氧体积百分数浓度。

回归效果非常显著，如图9所示。

实施例二：

本实施例取辽宁九道岭矿井下纯煤样做实验。煤样罐4一次盛装的实验煤样量为2kg，煤样容量为2300mL，煤样罐4总容量是3000mL。自然升温实验的关键在于合理确定通入空气的流量。通过判断煤氧化后输出空气中氧气的浓度来判断通气量的大小。流量按出口氧气不低于18%进行调节，实验的初始流量为20mL/min，随着实验中煤不断升温，耗氧加速，以后按出口氧浓度进行增大调节，流量可达到25mL/min以上。实验后期，箱体出气管14管口不断有水蒸汽散发。

通过实验证明：辽宁九道岭矿井下纯煤样达到80℃时的最短自然发火期大约是6.8天，如图10所示。

最短自然发火期通常是以自燃后灾害现象来标定的，目前灾害现象的标定方法还不统一，如果以80℃作为自燃标志，辽宁九道岭矿井（纯煤样）的最短自然发火期就是6.8天。

如果以自然升温急速增长拐点进行标定，辽宁九道岭矿井采空区松散煤样（采空区遗留煤、含矸石）的最短自然发火期就是26天。图11为自然升温10天的实验曲线图。

Claims (4)

1.一种多功能煤样自燃氧化与升温实验装置，其特征在于包括实验箱体，在所述实验箱体的恒温工作室内分别设置有煤样罐和预热管，在所述实验箱体的操控室内分别设置有实验主控单元和温度采集器、温控器、气泵、气体流量计、联动转换阀及电子式气体检测仪；所述煤样罐的进气口通过连接管路与预热管的一端相连通，预热管的另一端与气泵的出口相连通，气泵的入口经气体流量计与联动转换阀的第二出口相连通，煤样罐的出气口与联动转换阀的第一入口相连通；在所述煤样罐内设置有温度传感器，温度传感器的信号输出端与温度采集器的信号输入端相连接，温度采集器的信号输出端分别与数据传输接口和实验主控单元相连接，实验主控单元与温控器的输入端相连接；所述联动转换阀推送前的第一出口与箱体出气管相连通，第二入口与箱体进气管相连通；所述联动转换阀推送后的第一出口经电子式气体检测仪与联动转换阀的第二入口相连通，所述第一出口与第一入口相对应，第二出口与第二入口相对应；所述箱体出气管的出气口与设置在实验箱体外的气相色谱仪相连通，所述箱体进气管的进气口与大气相通；所述实验主控单元与电子式气体检测仪的检测控制线相连接，电子式气体检测仪的数据传输线与数据传输接口相连接。

2.根据权利要求1所述的多功能煤样自燃氧化与升温实验装置，其特征在于在所述实验箱体的恒温工作室内设置有安放托架，所述煤样罐设置在安放托架上。

3.根据权利要求1所述的多功能煤样自燃氧化与升温实验装置，其特征在于所述煤样罐采用石英瓶。

4.根据权利要求3所述的多功能煤样自燃氧化与升温实验装置，其特征在于所述煤样罐采用真空壁的石英瓶。

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