CN104133041A - 模拟采煤机割煤过程中煤体气体变化的分析装置及分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模拟采煤机割煤过程中煤体气体变化的分析装置及分析方法，该分析装置由进气系统、破碎系统、温控系统、抽气系统与分析系统组成。该方法包括以下步骤：A、将未经破碎的煤炭制成体积大于20cm×20cm×10cm的块状煤样；B、将块状煤样置于破碎腔，由进气系统控制风量，同时由温控系统通过加热电阻丝将温度控制在25～800℃；然后开启电动机带动截齿以转速20～40r/min对煤块进行切割；C、每隔20～30s由抽气系统抽取破碎系统内的气体，并输送至分析系统进行气体成分分析。本发明得出煤炭在生产过程中的气体变化情况，从而更好的指导煤矿的甲烷和一氧化碳气体的治理工作。

Description

模拟采煤机割煤过程中煤体气体变化的分析装置及分析方法
技术领域
本发明涉及一种模拟采煤机割煤过程中煤体气体变化的分析装置及分析方法。
背景技术
目前，国内外主要的采煤方法是综合机械化采煤，即利用采煤机截齿破煤。在采煤的过程中，工作面的气体构成发生了很大的变化，其中甲烷和一氧化碳气体等气体都大大的增加，而《煤矿安全规程》和《瓦斯防治规定》中规定：矿井空气中一氧化碳的最高允许浓度为0.0024％(24ppm)，矿井工作面甲烷浓度不超过1％。
国内外研究煤体中原始甲烷和一氧化碳气体成分的学者和方法很多，但是，大多数都是静止的、孤立的分析方法，认为：煤体中甲烷是原始赋存的，而一氧化碳气体是由于煤体自燃产生的；采取相应的治理措施，但是，在实际生产过程中，甲烷和一氧化碳的气体成分与原先预测的结果相差很大，其来源还基本没有研究清楚。也严重影响生产安全。
现实的情况是，在采煤机割煤的过程中，工作面的气体浓度跟理论计算的不尽相同，因为，割煤机截齿和煤壁两面间产生相对摩擦，从而产生热量。破裂过程使得已破坏的煤体之间最终产生剪切摩擦效应，在产生摩擦效应的同时，局部相应产生热效应，并且随摩擦的进行，热效应更明显。截齿的最高瞬时温度能够达到600℃以上，再加上新破落的煤体表面极易氧化，在这种情况下，很有可能出现煤体高温瞬时氧化产生CO气体的现象。
现有的研究，根本的是没有真实的反映井下生产的实际过程，即在一定的通风条件下，采煤机割煤过程中，其截齿的破碎过程和截齿的温度的变化(从常温状态升到600～800℃)，特别是600～800℃截齿对煤炭的加温及破碎过程中，煤体中气体的变化的影响情况。不能真实的反映生产过程。
为此，针对此种情况，发明了一种模拟采煤机割煤过程中煤体气体变化的分析方法，可以真实的模拟反映出煤体在割煤过程中的气体变化情况，指导生产。
发明内容
本发明的目的是克服现有的煤炭生产过程中气体分析的缺陷，提出一种模拟采煤机割煤过程中煤体气体变化的分析装置和分析方法。来演示采煤机采煤过程中的气体变化情况；煤炭在煤矿井下通风环境中，特定温度状态下(600～800℃之间)，采煤机截齿进行破碎，利用色谱仪对煤炭破碎过程中产生的气体成分进行分析，得出煤炭在生产过程中的气体变化情况，从而更好的指导煤矿的甲烷和一氧化碳气体的治理工作。
为了达到上述的技术效果，本发明采取以下技术方案：
一种模拟采煤机割煤过程中煤体气体变化的分析装置，由进气系统、破碎系统、温控系统、抽气系统与分析系统组成；
所述的破碎系统由破碎腔、破碎腔盖、电动机、截齿、支架、支柱、保温层、紧扣弹簧、进气管、进气阀、出气管和出气阀组成；所述的电动机竖直安装在支架上，其电动机旋转轴轴端与位于破碎腔内的截齿连接；所述的破碎腔通过支柱安装在支架上；在破碎腔和破碎腔盖外部有一层保温层；在破碎腔盖上设置紧扣弹簧，以便将破碎腔盖与破碎腔紧密贴合；在破碎腔盖上安装进气管和出气管，而进气管与出气管通过进气阀与出气阀分别与进气系统与抽气系统连接；
所述的温控系统由加热电阻丝和温度控制系统组成；所述的加热电阻丝安装在截齿内，它通过导线与温度控制系统连接；
所述的进气系统为空气压缩机，它用于控制气体进气压力与气体流量，并通过进气管将气体输送至破碎腔中；
所述的抽气系统为抽气泵，所述的分析系统为气相色谱分析仪；
所述的煤体置于破碎系统中，然后通过进气系统对破碎系统中气体压力与流量进行调控，并通过温控系统对破碎系统中的温度进行调控，接着，煤体在破碎系统中进行破碎，在煤体破碎过程中由抽气系统抽取破碎系统内的气体，并输送至分析系统进行气体成分分析。
根据本发明的一个实施例，所述的截齿由两个刀口为锯齿状的倾斜向上刀片组成，并且刀片为空心结构，以容纳加热电阻丝。
根据本发明的一个实施例，所述的紧扣弹簧是由带螺纹的螺栓与位于螺栓外面的弹簧组成。
根据本发明的一个实施例，所述的进气管和出气管在靠近破碎腔一端在管中安装煤炭粉尘过滤网。
根据本发明的一个实施例，所述的破碎腔为半径为0.3～0.5m、高度为0.2～0.4m的圆柱形。
根据本发明的一个实施例，所述的气相色谱分析仪是市售的常见的气相色谱分析仪，例如北京北分瑞利分析仪器(集团)有限责任公司生产的sp-3420a型气相色谱分析仪，可以分析气体成分：氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烯、乙烷等。
根据本发明的一个实施例，所述的温度控制系统是市售的常见的温度控制系统，加热温度的改变是由一组电阻丝的供电功率来调节的，它们分别由两套晶闸管调功器供电。调功器的输出功率由改变过零触发器的给定电压来调节，其控制系统由单片机控制，其温度控制范围为20℃～1000℃。例如日本岛电SHIMADEN温控器。
模拟采煤机割煤过程中煤体气体变化的分析方法，包括以下步骤：
A、将未经破碎的煤炭制成体积大于20cm×20cm×10cm的块状煤样；
B、将块状煤样置于破碎腔，由进气系统将风量控制在0.401292～0.52281m3/s，同时由温控系统通过加热电阻丝将温度控制在25～800℃；然后开启电动机带动截齿以转速20～40r/min对煤块进行切割；
C、每隔20～30s由抽气系统抽取破碎系统内的气体，并输送至分析系统进行气体成分分析。
根据本发明的一个实施例，所述的分析系统分析破碎系统内的氧气、甲烷和一氧化碳的含量。
根据本发明的一个实施例，所述的气相色谱分析仪是市售的常见的气相色谱分析仪，例如北京北分瑞利分析仪器(集团)有限责任公司生产的sp-3420a型气相色谱分析仪，可以分析气体成分：氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烯、乙烷等。所述的温度控制系统是市售的常见的温度控制系统，加热温度的改变是由一组电阻丝的供电功率来调节的，它们分别由两套晶闸管调功器供电。调功器的输出功率由改变过零触发器的给定电压来调节，其控制系统由单片机控制，其温度控制范围为20℃～1000℃。
下面更加详细的说明本发明。
一种模拟采煤机割煤过程中煤体气体变化的分析装置，由进气系统、破碎系统、温控系统、抽气系统与分析系统组成；
所述的破碎系统由破碎腔、破碎腔盖、电动机、截齿、支架、支柱、保温层、紧扣弹簧、进气管、进气阀、出气管和出气阀组成；所述的电动机竖直安装在支架上，其电动机旋转轴轴端与位于破碎腔内的截齿连接；所述的破碎腔通过支柱安装在支架上；在破碎腔和破碎腔盖外部有一层保温层；在破碎腔盖上设置紧扣弹簧，以便将破碎腔盖与破碎腔紧密贴合；在破碎腔盖上安装进气管和出气管，而进气管与出气管通过进气阀与出气阀分别与进气系统与抽气系统连接；
所述的温控系统由加热电阻丝和温度控制系统组成；所述的加热电阻丝安装在截齿内，它通过导线与温度控制系统连接；
所述的进气系统为空气压缩机，它用于控制气体进气压力与气体流量，并通过进气管将气体输送至破碎腔中；空气压缩机是市售的常见的空气压缩机，例如复盛公司的SA15-45系列微油螺杆式空压机，其供气量为1.7～8.1m3/min。
所述的抽气系统为抽气泵，所述的分析系统为气相色谱分析仪；
所述的煤体置于破碎系统中，然后通过进气系统对破碎系统中气体压力与流量进行调控，并通过温控系统对破碎系统中的温度进行调控，接着，煤体在破碎系统中进行破碎，在煤体破碎过程中由抽气系统抽取破碎系统内的气体，并输送至分析系统进行气体成分分析。
根据本发明的一个实施例，截齿由两个刀口为锯齿状的倾斜向上刀片组成，并且刀片为空心结构，以容纳加热电阻丝。根据本发明的一个优选实施例，截齿的材质为35CrMnSiA，刀片倾斜向上的角度为20～45度，刀口形状为锯齿状。当煤样放在截齿上，电动机带动截齿旋转，其截齿的转速可以调节，和煤样原采地的采煤机的转速一致(一般为20～40r/min)，刀片破碎煤样。
根据本发明的一个实施例，所述的进气管和出气管在靠近破碎腔一端在管中安装煤炭粉尘过滤网。滤网可以是金属铜网加上棉花，用来防止在破碎后气体中存在大量的煤的粉尘进入到其他设备中的作用，也能使得分析检测更加精确。
根据本发明的一个实施例，所述的气相色谱分析仪是市售的常见的气相色谱分析仪，例如北京北分瑞利分析仪器(集团)有限责任公司生产的sp-3420a型气相色谱分析仪，可以分析气体成分：氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烯、乙烷等。所述的温度控制系统是市售的常见的温度控制系统，加热温度的改变是由一组电阻丝的供电功率来调节的，它们分别由两套晶闸管调功器供电。调功器的输出功率由改变过零触发器的给定电压来调节，其控制系统由单片机控制，其温度控制范围为20℃～1000℃。
模拟采煤机割煤过程中煤体气体变化的分析方法，包括以下步骤：
A、将未经破碎的煤炭制成体积大于20cm×20cm×10cm的块状煤样；将进气系统、破碎系统、温控系统、抽气系统和分析系统连接好；
B、将块状煤样置于破碎腔，扣紧扣紧弹簧，由进气系统将风量控制在0.401292～0.52281m3/s，同时由温控系统通过加热电阻丝将温度控制在25～800℃；然后开启电动机带动截齿以转速20～40r/min对煤块进行切割；
C、每隔20～30s由抽气系统抽取破碎系统内的气体，并输送至分析系统进行气体成分分析。
本发明与现有技术相比，具有以下的有益效果：
本发明对实际井下煤块切割的工作条件进行分析后，在分析装置上设置进气系统对破碎系统中气体压力与流量进行调控及其分析装置上设置温控系统对破碎系统中的温度进行调控以使得达到模拟实际井下煤块切割的情况，进而模拟分析煤炭破碎过程中产生的气体成分进行分析，得出煤炭在生产过程中的气体变化情况，从而更好的指导煤矿的甲烷和一氧化碳气体的治理工作。
附图说明
图1为本发明的模拟采煤机割煤过程中煤体气体变化的分析装置的结构示意图；
其中：A-进气系统；B-破碎系统；C-温控系统；D-抽气系统；E-分析系统；2-进气阀；3-支柱；4-电动机；5-截齿；6-加热电阻丝；7-出气阀；10-紧扣弹簧；11-破碎腔盖；12-进气管；13-出气管；14-破碎腔；15-保温层；16-温度控制系统；17-支架。
具体实施方式
下面结合本发明的实施例对本发明作进一步的阐述和说明。
如图1所示，一种模拟采煤机割煤过程中煤体气体变化的分析装置，由进气系统A、破碎系统B、温控系统C、抽气系统D与分析系统E组成；
所述的破碎系统B由破碎腔14、破碎腔盖11、电动机4、截齿5、支架17、支柱3、保温层15、紧扣弹簧10、进气管12、进气阀2、出气管13和出气阀7组成；所述的电动机4竖直安装在支架17上，其电动机4旋转轴轴端与位于破碎腔14内的截齿5连接；所述的破碎腔14通过支柱3安装在支架17上；在破碎腔14和破碎腔盖11外部有一层保温层15；在破碎腔盖11上设置紧扣弹簧10，以便将破碎腔盖11与破碎腔14紧密贴合；在破碎腔盖11上安装进气管12和出气管13，而进气管12与出气管13通过进气阀2与出气阀7分别与进气系统A与抽气系统D连接；
所述的截齿5由两个刀口为锯齿状的倾斜向上刀片组成，并且刀片为空心结构，以容纳加热电阻丝6；
所述的紧扣弹簧10是由带螺纹的螺栓与位于螺栓外面的弹簧组成；
所述的进气管12和出气管13在靠近破碎腔14一端在管中安装煤炭粉尘过滤网；
所述的破碎腔14为半径为0.3～0.5m、高度为0.2～0.4m的圆柱形；
所述的温控系统C由加热电阻丝6和温度控制系统16组成；所述的加热电阻丝6安装在截齿5内，它通过导线与温度控制系统16连接。
所述的进气系统A为空气压缩机，它用于控制气体进气压力与气体流量，并通过进气管12将气体输送至破碎腔14中；
所述的抽气系统D为抽气泵，所述的分析系统E为气相色谱分析仪；所述的气相色谱分析仪是根据本发明的一个实施例，所述的气相色谱分析仪是市售的常见的气相色谱分析仪，例如北京北分瑞利分析仪器(集团)有限责任公司生产的sp-3420a型气相色谱分析仪，可以分析气体成分：氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烯、乙烷等。
所述的煤体置于破碎系统B中，然后通过进气系统A对破碎系统B中气体压力与流量进行调控，并通过温控系统C对破碎系统B中的温度进行调控，接着，煤体在破碎系统B中进行破碎，在煤体破碎过程中由抽气系统D抽取破碎系统内的气体，并输送至分析系统E进行气体成分分析。
模拟采煤机割煤过程中煤体气体变化的分析方法，它包括以下步骤：
A、将未经破碎的煤炭制成体积大于20cm×20cm×10cm的块状煤样；
B、将块状煤样置于破碎腔14，由进气系统A将风量控制在0.401292～0.52281m3/s，同时由温控系统C通过加热电阻丝6将温度控制在25～800℃；然后开启电动机4带动截齿5以转速20～40r/min对煤块进行切割；
C、每隔20～30s由抽气系统D抽取破碎系统内的气体，并输送至分析系统E进行气体成分分析。
所述的分析系统E分析破碎系统B内的氧气、甲烷和一氧化碳的含量。
根据本发明的一个实施例，所述的气相色谱分析仪是市售的常见的气相色谱分析仪，例如北京北分瑞利分析仪器(集团)有限责任公司生产的sp-3420a型气相色谱分析仪，可以分析气体成分：氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烯、乙烷等。所述的温度控制系统是市售的常见的温度控制系统，加热温度的改变是由一组电阻丝的供电功率来调节的，它们分别由两套晶闸管调功器供电。调功器的输出功率由改变过零触发器的给定电压来调节，其控制系统由单片机控制，其温度控制范围为20℃～1000℃。
实施例1：
实际井下：工作面煤厚1.2m，回采风量为576m3/min；当工作面断面大小S采小5.19M2，风速为1.85m/s，当工作面断面大小S采大6.78M2，风速为1.42m/s，(回采煤时，工作面得断面会有所变化，采的多，断面面积大，风速小，采的小，断面面积小，风速大，风速在这范围内变化)。
模拟采煤机割煤过程中煤体气体变化的分析方法，它包括以下步骤：
A、将未经破碎的煤炭制成体积20cm×20cm×10cm的块状煤样；
B、将块状煤样置于破碎腔14，由进气系统A将风量控制在0.401292～0.52281m3/s(即使得切割室内的空气流速为1.42～1.85m/s之间)，同时由温控系统C通过加热电阻丝6将温度控制在650℃；然后开启电动机4带动截齿5以转速30r/min对煤块进行切割；破碎腔14为半径为0.3m、高度为0.2m的圆柱形；
C、当刀片温度达到650℃时截齿对煤块切割，每隔30s由抽气系统D抽取破碎系统内的气体，并输送至分析系统E进行气体成分分析。
分析结果如下：
表1：650℃条件下切割煤块的气体成分结果
实施例2：
实施例2与实施例1的不同之处在由温控系统C通过加热电阻丝6将温度控制在25℃，其余与实施例1相同。分析结果如下：
表2：25℃条件下切割煤块的气体成分结果
尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (7)

1.一种模拟采煤机割煤过程中煤体气体变化的分析装置，其特征在于该分析装置由进气系统(A)、破碎系统(B)、温控系统(C)、抽气系统(D)与分析系统(E)组成；
所述的破碎系统(B)由破碎腔(14)、破碎腔盖(11)、电动机(4)、截齿(5)、支架(17)、支柱(3)、保温层(15)、紧扣弹簧(10)、进气管(12)、进气阀(2)、出气管(13)和出气阀(7)组成；所述的电动机(4)竖直安装在支架(17)上，其电动机(4)旋转轴轴端与位于破碎腔(14)内的截齿(5)连接；所述的破碎腔(14)通过支柱(3)安装在支架(17)上；在破碎腔(14)和破碎腔盖(11)外部有一层保温层(15)；在破碎腔盖(11)上设置紧扣弹簧(10)，以便将破碎腔盖(11)与破碎腔(14)紧密贴合；在破碎腔盖(11)上安装进气管(12)和出气管(13)，而进气管(12)与出气管(13)通过进气阀(2)与出气阀(7)分别与进气系统(A)与抽气系统(D)连接；
所述的温控系统(C)由加热电阻丝(6)和温度控制系统(16)组成；所述的加热电阻丝(6)安装在截齿(5)内，它通过导线与温度控制系统(16)连接；
所述的进气系统(A)为空气压缩机，它用于控制气体进气压力与气体流量，并通过进气管(12)将气体输送至破碎腔(14)中；
所述的抽气系统(D)为抽气泵，所述的分析系统(E)为气相色谱分析仪；
所述的煤体置于破碎系统(B)中，然后通过进气系统(A)对破碎系统(B)中气体压力与流量进行调控，并通过温控系统(C)对破碎系统(B)中的温度进行调控，接着，煤体在破碎系统(B)中进行破碎，在煤体破碎过程中由抽气系统(D)抽取破碎系统内的气体，并输送至分析系统(E)进行气体成分分析。
2.根据权利要求1所述的分析装置，其特征在于所述的截齿(5)由两个刀口为锯齿状的倾斜向上刀片组成，并且刀片为空心结构，以容纳加热电阻丝(6)。
3.根据权利要求1所述的分析装置，其特征在于所述的紧扣弹簧(10)是由带螺纹的螺栓与位于螺栓外面的弹簧组成。
4.根据权利要求1所述的分析装置，其特征在于所述的进气管(12)和出气管(13)在靠近破碎腔(14)一端在管中安装煤炭粉尘过滤网。
5.根据权利要求1所述的分析装置，其特征在于所述的破碎腔(14)为半径为0.3～0.5m、高度为0.2～0.4m的圆柱形。
6.一种采用权利要求1-5中任一项权利要求所述的分析装置模拟采煤机割煤过程中煤体气体变化的分析方法，其特征在于它包括以下步骤：
A、将未经破碎的煤炭制成体积大于20cm×20cm×10cm的块状煤样；
B、将块状煤样置于破碎腔(14)，由进气系统(A)将风量控制在0.401292～0.52281m3/s，同时由温控系统(C)通过加热电阻丝(6)将温度控制在25～800℃；然后开启电动机(4)带动截齿(5)以转速20～40r/min对煤块进行切割；
C、每隔20～30s由抽气系统(D)抽取破碎系统内的气体，并输送至分析系统(E)进行气体成分分析。
7.根据权利要求6所述的分析方法，其特征在于所述的分析系统(E)分析破碎系统(B)内的氧气、甲烷和一氧化碳的含量。
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