CN103925950B - 一种多功能瓦斯参数测定装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种多功能瓦斯参数测定装置及其使用方法，属于采矿工程技术领域。装置包括气液分离腔体，气液分离腔体下部设置有排水口和下进气口，气液分离腔体侧壁设置有观察窗，气液分离腔体上部设置有上盖，上盖的上部安装有干燥室和上进气口，上进气口上安装有上进气口阀门，干燥室上安装有排气口和气压表，排气口上安装有气体流量计。其使用方法包括测定煤样瓦斯解吸速度、测定煤层瓦斯压力、测定钻孔瓦斯流量和测定钻孔涌水量，还可以通过以上测得数据结合其他测量数据确定煤样瓦斯损失量、煤样瓦斯含量、煤样瓦斯含量系数以及煤层透气性。本发明可以排除煤岩中水分对测量造成的影响，测量精确，其装置结构可靠，方便携带与组装，适用于矿山等恶劣环境。

Description

一种多功能瓦斯参数测定装置及其使用方法

技术领域

本发明属于采矿工程技术领域，特别涉及一种多功能瓦斯参数测定装置及其使用方法。

背景技术

瓦斯参数是衡量煤层突出危险性和生产过程中瓦斯涌出量的大小的重要指标，是瓦斯治理工作计划、技术方案、施工措施的制定与落实的依据。目前，瓦斯参数中瓦斯压力和瓦斯透气性系数的测定过程中，由于地质条件的影响，某些煤层中含有较多的孔隙水和裂隙水，这些水对瓦斯参数的测定的准确性有很大的影响，国内外大量学者进行了研究，提出了系统的测量方法，但对于煤岩中含水的情况难以处理。同时现有的瓦斯参数测定装置体积较大，结构复杂，操作繁琐，不方便携带。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种结构简单可靠，操作方便易懂，可以排除煤层中水分对瓦斯参数测定结果的影响的多功能瓦斯参数测定装置及其使用方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种多功能瓦斯参数测定装置，包括气液分离腔体，气液分离腔体下部设置有排水口和下进气口，排水口上安装有排水口阀门，下进气口上安装有下进气口阀门，气液分离腔体侧壁设置有观察窗，气液分离腔体顶部设置有上盖，上盖的顶部安装有干燥室和上进气口，上进气口上安装有上进气口阀门，干燥室上安装有排气口和气压表，排气口上安装有气体流量计和排气口阀门，气压表与干燥室之间的管路上安装有气压表阀门，干燥室内装有干燥剂。

所述气液分离腔体内部安装有滤网。

所述观察窗由钢化玻璃材料制成，观察窗上标有刻度线。

所述上盖与气液分离腔体之间采用密封圈进行密封。

所述的多功能瓦斯参数测定装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤一，测定煤样瓦斯解吸速度，在煤矿矿井下的煤壁上打一个钻孔，在钻孔内取煤样并放入煤样罐，关闭所有阀门，并向气液分离腔体内注入水，安装上盖，将煤样罐和下进气口相连接，然后打开排水口阀门和下进气口阀门，开始煤样解吸，观察窗内的液面高度改变值即为煤样瓦斯解吸量，记录煤样瓦斯解吸量与测量时间的变化关系数据，然后根据测得的煤样瓦斯解吸量与测量时间的变化关系数据绘制煤样瓦斯解吸速度曲线；

步骤二，测定煤层瓦斯压力，断开下进气口与煤样罐的连接，将气液分离腔体内的水排干，将测压管的一端放入煤壁上的钻孔内并密封好，将测压管的另一端与上进气口相连接，关闭排水口阀门和下进气口阀门，打开气压表阀门和上进气口阀门，将钻孔内的气液混合物导入到气液分离腔体内，每隔时间t₁读取气压表读数并记录，当气压表的读数在时间t₃内无变化时，则此压力值即为煤层瓦斯压力；

步骤三，测定钻孔瓦斯流量，关闭气压表阀门，打开排气口阀门，气体流量计的读数即为瓦斯流量，根据记录的瓦斯流量与测量时间的变化关系数据绘制瓦斯流量曲线；

步骤四，测定钻孔涌水量，每隔时间t₂记录一下观察窗内液面高度，通过记录的数据确定出钻孔涌水量；

步骤五，通过步骤一测定的煤样瓦斯解吸量进一步确定煤样的瓦斯损失量；

步骤六，通过步骤一测定的煤样瓦斯解吸量和步骤五确定的煤样瓦斯损失量进一步确定煤样瓦斯含量以及煤样瓦斯含量系数；

步骤七，通过步骤二测定的煤层瓦斯压力以及步骤六所确定的煤样瓦斯含量系数进一步确定煤层透气性系数。

步骤一中所述的记录煤样瓦斯解吸量与测量时间的变化关系数据的过程，采用如下方式：第一个小时内，在第2分钟第一次读取观察窗内液面高度，然后每隔3～5分钟进行一次读数；第一个小时后，每隔10～20分钟进行一次读数。

步骤二中所述的时间t₁为4～8小时。

步骤二中所述的时间t₃为三天。

步骤三中所述的记录瓦斯流量随着测量时间的变化而改变的数据的过程，采用如下方式：第一天每隔2～4小时记录一次气体流量计的读数，一天后每隔12或24小时记录一次气体流量计的读数。

步骤四中所述的时间t₂为0.5～5小时。

本发明的有益效果：

本发明通过气液分离腔体的作用，排除了煤层中水分对测量结果的影响，测量结果精确；本发明的装置结构简单可靠，操作简便易懂，方便携带与组装，适用于矿山等恶劣环境。

附图说明

图1为本发明的多功能瓦斯参数测定装置的结构示意图；

图2为图1所示的多功能瓦斯参数测定装置的侧视图；

图3为本发明的一个实施例中，煤样瓦斯损失量计算的函数图；

其中，1-气压表、2-气体流量计、3-排气口、4-排气口阀门、5-气压表阀门、6-干燥剂、7-滤纸、8-干燥室、9-上进气口、10-上进气口阀门、11-上盖、12-密封圈、13-滤网、14-观察窗、15-气液分离腔体、16-排水口阀门、17-排水口、18-下进气口、19-下进气口阀门。

具体实施方式

下面结合本发明的多功能瓦斯参数测定装置结构示意图和本实施例对本发明做进一步说明：

如图1～图2所示，一种多功能瓦斯参数测定装置，包括气液分离腔体15，气液分离腔体15下部设置有排水口17和下进气口18，排水口17上安装有排水口阀门16，下进气口18上安装有下进气口阀门19，气液分离腔体15侧壁设置有观察窗14，观察窗14由钢化玻璃材料制成，观察窗14上标有刻度线，气液分离腔体15顶部设置有上盖11，上盖11与气液分离腔体15之间采用密封圈12进行密封，上盖11的顶部安装有干燥室8和上进气口9，上进气口9上安装有上进气口阀门10，干燥室8上安装有排气口3和气压表1，排气口3上安装有气体流量计2和排气口阀门4，气压表1与干燥室8之间的管路上安装有气压表阀门5，干燥室8内装有干燥剂6，干燥室8内部的底部还设置有滤纸7，气液分离腔体15内部的上部安装有滤网13。

本实施例涉及的多功能瓦斯参数测定装置的使用方法如下：

步骤一，测定煤样瓦斯解吸速度，在煤矿矿井下的煤壁上打一个Ф75mm的钻孔，当钻孔钻至8m深时开始取样并将煤样放入煤样罐，向气液分离腔体15内注入水，水面要低于观察窗14上的刻度值上限，安装上盖11，并关闭所有阀门，连接煤样罐和下进气口18，然后依次打开排水口阀门16和下进气口阀门19，开始煤样解吸，第一个小时内，在第2分钟第一次读取观察窗14上液面处刻度线示数，然后每隔4分钟进行一次读数；第二个小时内，每隔10分钟读数一次，观察窗14上的液面刻度读数改变值即为煤样瓦斯解吸量，然后绘制出煤样瓦斯解吸量Vi随时间t的变化曲线，即煤样瓦斯解吸速度曲线。

步骤二，测定煤层瓦斯压力，断开下进气口17与煤样罐的连接，将气液分离腔体15内的水排干，将测压管放入煤壁上的钻孔并密封好，将测压管与上进气口17相连接，关闭排水口阀门16和下进气口阀门19，打开气压表阀门5和上进气口阀门10，将钻孔内气液混合物导入到气液分离腔体内，每隔5小时读取气压表读数并记录，若气压表读数三天内无变化，则这个压力值即是煤层的瓦斯压力，在瓦斯压力测定的过程中，气液分离腔体15内的水会逐渐增加，当液面将要超过滤网13时，打开排水口阀门16，水从排水口17排出，排出适当的水但不能使液面低于排水口17，然后关闭排水口阀门16。实验表明使用本装置对煤层瓦斯压力值测定的准确性有较大作用，表1为使用和不使用本发明情况下，某煤矿含水煤层瓦斯压力测定值对比表。

表1使用和不使用本发明测定装置情况下，某煤矿含水煤层瓦斯压力测定值对比表

步骤三，测定钻孔瓦斯流量，关闭气压表阀门5、打开排气口阀门4，第一天每隔3小时记录一次气体流量计的读数，一天后每隔24小时记录一次气体流量计的读数，根据所记录数据绘制出钻孔瓦斯流量q随着时间t的变化曲线，即瓦斯流量曲线。

步骤四，测定钻孔涌水量，每隔0.5小时记录一下观察窗14上液面对应的刻线读数，通过记录数据确定出钻孔涌水量，若液面即将超过观察窗14的刻度读数上限，应该暂时关闭上进气口阀门10，打开排水口阀门16进行排水，当排出一定量的水，使液面不低于观察窗14刻度读数下限时，关闭排水口阀门16，记录所排出的水量，并继续测定钻孔涌水量。

当利用本发明装置测定以上基本参数以后，利用现有的瓦斯参数计算方法并借助其他实验室测量数据，还可以确定其他瓦斯参数。

步骤五，确定煤样瓦斯损失量，首先将不同解吸时间下测得的煤样瓦斯解吸量数据按下式换算成标准状态下的瓦斯解吸体积V_0i:

$V_{0i}=\frac{273.2(p_0-9.81h_w-p_s)V_i}{1.013\×{10}^5(273+t_w)}$

式中：V_0i—换算成标准状态下的瓦斯解吸体积，单位为ml；

V_i—不同解吸时间测得的煤样瓦斯解吸量，单位为ml；

P_o—大气压力，单位为Pa；

h_w—观察窗内液面高度，单位为mm；

P_s—h_w下饱和水蒸汽压力，单位为Pa；

t_w—气液分离腔体内水温，单位为℃，采用温度计进行测量。

然后将全部测点[(t₀+t)0.5，V_0i]绘在坐标纸上，将测点的直线关系段延长与纵坐标轴相交，如图3所示，直线在纵坐标轴上的截距即为煤样瓦斯损失量，其中，V₁为煤样瓦斯损失量，t₀为煤样解吸测定前的暴露时间；t₀+t为不同时间t下测定的V_0i值所对应的煤样实际解吸时间。

步骤六，确定煤样瓦斯含量及煤样瓦斯含量系数，根据确定的煤样瓦斯损失量、煤样瓦斯解吸量及送往实验室测定的煤样的瓦斯残存量和煤样中可燃质重量，可由下式确定煤样的瓦斯含量X：

$X=\frac{({V_i+V}_1+V_2)}{G_0}$

式中：X--煤样瓦斯含量，单位为ml/g；

V_i--煤样瓦斯解吸量，单位为ml；

V₁--煤样瓦斯损失量，单位为ml；

V₂--煤样瓦斯残存量，单位为ml；

G₀--煤样可燃质重量，单位为g；

另外，根据本发明装置现场测定的煤层瓦斯压力P和上式确定的煤样瓦斯含量X，可用下式确定煤样瓦斯含量系数α：

$\mathrm{\α}=X\·\frac{r}{\sqrt{P}}$

式中:α—煤样瓦斯含量系数，单位为m³/(m³·MPa0.5)；

X--煤样瓦斯含量，单位为m³/t；

r--煤容重，单位为t/m³；

P--煤层瓦斯压力，单位为MPa。

步骤七，确定煤层透气性系数

利用国内常用的径向流量法计算煤层透气性系数，公式如表2：

表2径向流量法计算煤层透气性系数公式表

表中：λ—煤层透气性系数，单位为m²/(MPa²·d)；

F₀—时间准数，无量纲；

P—煤层的瓦斯压力，单位为MPa；

P₁—钻孔内排放瓦斯时的瓦斯压力，通过压力计可以测得，单位为MPa，通常与大气压相同；

t—从开始排放瓦斯到测量瓦斯流量q时的时间间隔，单位为d；

r₁—钻孔半径，在本实施例中为37.5，单位为mm；

α—煤样瓦斯含量系数，单位为m³/(m³·MPa0.5)；

q—在排放瓦斯时间为t时的钻孔煤壁单位面积瓦斯流量，

单位为m³/(m²·d)，q的值由下式确定：

q＝Q/2πr₁L

式中：Q—在时间t时的钻孔瓦斯总流量，单位为m³/d；

L—钻孔长度，单位为m。

Claims (10)

1.一种多功能瓦斯参数测定装置，其特征在于：包括气液分离腔体，气液分离腔体下部设置有排水口和下进气口，排水口上安装有排水口阀门，下进气口上安装有下进气口阀门，气液分离腔体侧壁设置有观察窗，气液分离腔体顶部设置有上盖，上盖的顶部安装有干燥室和上进气口，上进气口上安装有上进气口阀门，干燥室上安装有排气口和气压表，排气口上安装有气体流量计和排气口阀门，气压表与干燥室之间的管路上安装有气压表阀门，干燥室内装有干燥剂。

2.根据权利要求1所述多功能瓦斯参数测定装置，其特征在于：所述气液分离腔体内部安装有滤网。

3.根据权利要求1所述多功能瓦斯参数测定装置，其特征在于：所述观察窗由钢化玻璃材料制成，观察窗上标有刻度线。

4.根据权利要求1所述多功能瓦斯参数测定装置，其特征在于：所述上盖与气液分离腔体之间采用密封圈进行密封。

5.权利要求1所述多功能瓦斯参数测定装置的使用方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤一，测定煤样瓦斯解吸速度，在煤矿矿井下的煤壁上打一个钻孔，在钻孔内取煤样并放入煤样罐，关闭所有阀门，并向气液分离腔体内注入水，安装上盖，将煤样罐和下进气口相连接，然后打开排水口阀门和下进气口阀门，开始煤样解吸，观察窗内的液面高度改变值即为煤样瓦斯解吸量，记录煤样瓦斯解吸量与测量时间的变化关系数据，然后根据测得的煤样瓦斯解吸量与测量时间的变化关系数据绘制煤样瓦斯解吸速度曲线；

步骤二，测定煤层瓦斯压力，断开下进气口与煤样罐的连接，将气液分离腔体内的水排干，将测压管的一端放入煤壁上的钻孔内并密封好，将测压管的另一端与上进气口相连接，关闭排水口阀门和下进气口阀门，打开气压表阀门和上进气口阀门，将钻孔内的气液混合物导入到气液分离腔体内，每隔时间t₁读取气压表读数并记录，当气压表的读数在时间t₃内无变化时，则此压力值即为煤层瓦斯压力；

步骤三，测定钻孔瓦斯流量，关闭气压表阀门，打开排气口阀门，气体流量计的读数即为瓦斯流量，根据记录的瓦斯流量与测量时间的变化关系数据绘制瓦斯流量曲线；

步骤四，测定钻孔涌水量，每隔时间t₂记录一下观察窗内液面高度，通过记录的数据确定出钻孔涌水量；

步骤五，通过步骤一测定的煤样瓦斯解吸量进一步确定煤样的瓦斯损失量；

步骤六，通过步骤一测定的煤样瓦斯解吸量和步骤五确定的煤样的瓦斯损失量进一步确定煤样瓦斯含量以及煤样瓦斯含量系数；

步骤七，通过步骤二测定的煤层瓦斯压力以及步骤六所确定的煤样瓦斯含量系数进一步确定煤层透气性系数。

6.根据权利要求5所述多功能瓦斯参数测定装置的使用方法，其特征在于：步骤一中所述的记录煤样瓦斯解吸量与测量时间的变化关系数据的过程，采用如下方式：第一个小时内，在第2分钟第一次读取观察窗内液面高度，然后每隔3～5分钟进行一次读数；第一个小时后，每隔10～20分钟进行一次读数。

7.根据权利要求5所述多功能瓦斯参数测定装置的使用方法，其特征在于：步骤二中所述的时间t₁为4～8小时。

8.根据权利要求5所述的多功能瓦斯参数测定装置的使用方法，其特征在于：步骤二中所述的时间t₃为三天。

9.根据权利要求5所述多功能瓦斯参数测定装置的使用方法，其特征在于：步骤三中所述记录的瓦斯流量与测量时间的变化关系数据，采用如下方式：第一天每隔2～4小时记录一次气体流量计的读数，一天后每隔12或24小时记录一次气体流量计的读数。

10.根据权利要求5所述多功能瓦斯参数测定装置的使用方法，其特征在于：步骤四中所述的时间t₂为0.5～5小时。