CN104897723A - 一种煤岩蠕变过程中自燃特性测试用实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤岩蠕变过程中自燃特性测试用实验装置，包括盛煤容器、用于向所述盛煤容器内的煤样施加静态压力的施压机构、用于向盛煤容器输入空气和氮气的混合气体的充气系统以及用于采集盛煤容器输出气体的气体采集装置，盛煤容器上端设置上盖，上盖与盛煤容器内壁滑动配合；盛煤容器内设置传感器支撑框架，传感器支撑框架上设置多个温度传感器，盛煤容器内煤样的顶面放置压力传感器，盛煤容器上连接有压力测试管，压力测试管上设置有第一气压表和排气阀。该实验装置的结构简单、使用方便、能够得到煤岩静压蠕变过程中静态压力、氧气浓度、粒径等因素对煤自燃特性变化的影响，更好的指导煤矿火灾预防，完善煤自燃预测预报体系。

Description

一种煤岩蠕变过程中自燃特性测试用实验装置

技术领域

本发明属于煤自燃特性测试技术领域，具体是涉及一种煤岩蠕变过程中自燃特性测试用实验装置。

背景技术

煤自燃灾害是我国煤矿的重要灾害之一，每年都会有矿井自燃造成人员伤亡的事故发生，给煤矿的安全生产带来极大的危害。我国现行煤矿防灭火系统中的关键环节是开采前期的煤自燃倾向性测试，建立完善的煤自燃火灾预测及监控系统争取把火灾消除在萌芽状态。其中煤自燃预测预报系统在整个体系中起着至关重要的作用，影响煤自燃特性的因素非常多。目前对煤自燃特性的宏观实验装置，都仅仅是改变煤样粒径、改变环境氧浓度、供风强度、蓄热环境等条件下进行的自燃特性测试；对煤岩蠕变的研究的实验装置，仅限于蠕变过程的力学特性变化。而对煤岩在静态压力作用下蠕变过程中其自燃特性变化规律的研究却未见报导，然而现场实践中往往会出现因为煤体的蠕变过程而产生影响自燃预测预报指标体系的情况，干扰了煤矿现有的预测预报指标系统，给煤矿正常的生产活动带来一定困扰。但是人们对煤体蠕变过程中自燃特性变化规律的影响因素及它们之间的关系没有相应认识，因而非常有必要对煤岩蠕变过程中煤自燃动力学特性变化规律进行分析研究，探究各因素的影响规律，以更好的指导现场煤自燃火灾的预测预报工作。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种煤岩蠕变过程中自燃特性测试用实验装置。该实验装置的结构简单、使用方便、能够得到煤岩静压蠕变过程中静态压力、氧气浓度、粒径等因素对煤自燃特性变化的影响，更好的指导煤矿火灾预防，完善煤自燃预测预报体系。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种煤岩蠕变过程中自燃特性测试用实验装置，其特征在于：包括用于盛装煤样的盛煤容器、用于向所述盛煤容器内的煤样施加静态压力的施压机构、用于向所述盛煤容器输入空气和氮气的混合气体的充气系统以及用于采集所述盛煤容器输出气体的气体采集装置，所述盛煤容器的上端设置有用于与所述施压机构相配合以将所述静态压力传递给所述煤样的上盖，所述上盖与盛煤容器内壁滑动配合；所述盛煤容器内设置有传感器支撑框架，所述传感器支撑框架上设置有多个温度传感器，多个所述温度传感器沿传感器支撑框架的高度方向分层布设，所述盛煤容器内位于所述煤样的顶面放置有用于与上盖接触配合以测试所述静态压力大小的压力传感器，所述盛煤容器上连接有压力测试管，所述压力测试管上设置有第一气压表和排气阀。

上述的一种煤岩蠕变过程中自燃特性测试用实验装置，其特征在于：所述充气系统包括氮气瓶和空气发生器，所述盛煤容器的底部设置有通气口，所述通气口连接有第一输气管，所述氮气瓶通过第二输气管与第一输气管连接，所述空气发生器通过第三输气管与第一输气管连接，所述第二输气管上设置有第一截断阀，所述第三输气管上设置有第二截断阀，所述第二输气管上且位于第一截断阀与氮气瓶之间设置有减压阀和第二气压表。

上述的一种煤岩蠕变过程中自燃特性测试用实验装置，其特征在于：所述气体采集装置包括集气容器，所述集气容器通过第四输气管与第一输气管连接，所述第四输气管上设置有第三截断阀。

上述的一种煤岩蠕变过程中自燃特性测试用实验装置，其特征在于：所述第二输气管上安装有第一流量计，所述第三输气管上安装有第二流量计。

上述的一种煤岩蠕变过程中自燃特性测试用实验装置，其特征在于：包括主体支架，所述主体支架包括基座和反力板，以及设置在所述基座与反力板之间的多根立柱，所述盛煤容器安装在所述基座上，所述施压机构安装在反力板与盛煤容器之间。

上述的一种煤岩蠕变过程中自燃特性测试用实验装置，其特征在于：所述施压机构包括液压缸，所述液压缸的缸体固定安装在反力板上，所述液压缸的活塞杆与所述上盖相连接，所述液压缸的有杆腔内设置有回复弹簧。

上述的一种煤岩蠕变过程中自燃特性测试用实验装置，其特征在于：所述上盖上设置有供所述活塞杆伸入的连接筒，所述活塞杆与所述连接筒螺纹连接。

上述的一种煤岩蠕变过程中自燃特性测试用实验装置，其特征在于：所述盛煤容器的内壁和上盖的内表面均设置有绝热层，所述盛煤容器的外壁和上盖的外表面均设置有保温层。

上述的一种煤岩蠕变过程中自燃特性测试用实验装置，其特征在于：所述上盖与盛煤容器之间设置有密封垫圈，所述密封垫圈与所述盛煤容器的内壁呈滑动配合。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明的结构简单，设计新颖合理。

2、本发明通过施压机构为盛煤容器内的煤样施加静态压力，使盛煤容器内的煤样产生蠕变，并通过充气系统向盛煤容器内充入空气和氮气的混合气体，然后再通过气体采集装置对盛煤容器输出的气体进行采样，进而分析从盛煤容器输出的气体中氧气的含量，得到不同静态压力下气体浓度关键指标随时间变化，综合气体成份及温度数据变化判断蠕变过程中煤自燃特性规律，从而能够有效的指导煤矿火灾预防，完善煤自燃预测预报体系。

3、本发明通过所述充气系统，能够通过调节氮气瓶及空气发生器流量可以由氮气及空气调配出不同氧气浓度的气体样品来改变盛煤容器内气体组分环境，进而综合气体成份及温度数据变化判断蠕变过程中特性规律，研究不同气体环境下煤样蠕变过程中自燃特性规律。并且所述充气系统还能够在实验开始前对盛煤容器的煤样进行氮气冲洗，避免煤样内存留的氧气使得影响氮气和空气的混合气体中氧气的输入量与煤样中实际氧气量不相符，进而影响实验结果的准确性。

4、本发明通过在液压缸的无杆腔内设置回复弹簧，能够为活塞杆的伸出量起到一定的阻碍作用，进而避免所述施压机构为上盖施加过大的压力。

5、本发明的实现成本低，使用效果好，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1中A处的放大图。

附图标记说明:

1—施压机构；          1-1—缸体；            1-2—活塞杆；

1-3—回复弹簧；        2—主体支架；          2-1—基座；

2-2—反力板；          2-3—立柱；            3—上盖；

3-1—连接筒；          4—盛煤容器；          4-1—通气口；

4-2—压力测试管；      4-3—数据线穿出口；    5—排气阀；

6—第一气压表；        7—第一输气管；        8—第二截断阀；

9—第二流量计；        10—第三输气管；       11—空气发生器；

12—氮气瓶；           13—减压阀；           14—第二输气管；

15—集气容器；         16—第四输气管；       17—第三截断阀；

18—第一截断阀；       19—第一流量计；       20—第二气压表；

21—传感器支撑框架；   22—温度传感器；       23—压力传感器；

24—数据采集巡检仪；   25—绝热层；           26—保温层；

27—密封垫圈。

具体实施方式

如图1和图2所示的一种煤岩蠕变过程中自燃特性测试用实验装置，包括用于盛装煤样的盛煤容器4、用于向所述盛煤容器4内的煤样施加静态压力的施压机构1、用于向所述盛煤容器4输入空气和氮气的混合气体的充气系统和用于采集所述盛煤容器4输出气体的气体采集装置，所述盛煤容器4的上端设置有用于与所述施压机构1相配合以将所述静态压力传递给煤样的上盖3，所述上盖3与盛煤容器4内壁滑动配合；所述盛煤容器4内设置有传感器支撑框架21，所述传感器支撑框架21上设置有多个温度传感器22，多个所述温度传感器22沿传感器支撑框架21的高度方向分层布设，所述盛煤容器4内位于所述煤样的顶面放置有用于与上盖3接触配合以测试所述静态压力大小的压力传感器23，所述盛煤容器4上连接有压力测试管4-2，所述压力测试管4-2上设置有第一气压表6和排气阀5。

本实施例中，采用该实验装置能够有效实现煤岩蠕变过程中自燃特性的测试，具体的是：通过施压机构1为盛煤容器4内的煤样施加静态压力，使盛煤容器4内的煤样产生蠕变，并通过充气系统向盛煤容器4内充入空气和氮气的混合气体，然后再通过气体采集装置对盛煤容器4输出的气体进行采样，进而分析从盛煤容器4输出的气体中氧气的含量，得到不同静态压力下气体浓度关键指标随时间变化，综合气体成份及温度数据变化判断蠕变过程中煤自燃特性规律，在一般情况下，煤自然特性包括氧气消耗特性和放热特性。通过采集盛煤容器4内输出气体中氧气随静态压力作用时间的变化量及趋势得出氧气消耗特性，另外，通过温度传感器22检测煤样的温度，进而得到放热特性，进而得到煤岩蠕变过程中自燃特性，从而能够有效的指导煤矿火灾预防，完善煤自燃预测预报体系。

本实施例中，多个所述温度传感器22沿传感器支撑框架21的高度方向布设分五层布设，每层布设两个温度传感器22，其中内侧温度传感器22布设在盛煤容器4的中心轴线上，外侧温度传感器22布设在盛煤容器4的中心轴线距盛煤容器4内壁的四分之三处。这样能够准确的得出盛煤容器4不同位置处煤样的温度，全面且充分的反应盛煤容器4内煤样的温度。本实施例中，所述传感器支撑框架21由铁丝搭设而成，在盛煤容器4内煤样承受静态压力时，所述传感器支撑框架21能够随煤样的蠕变而发生变形。

本实施例中，所述温度传感器22的数据线和压力传感器23的数据线通过盛煤容器4侧壁上的数据线穿出口4-3输出并与外部的数据采集巡检仪24相接，所述数据线穿出口4-3通过密封塞堵住。

如图1所示，所述充气系统包括氮气瓶12和空气发生器11，所述盛煤容器4的底部设置有通气口4-1，所述通气口4-1连接有第一输气管7，所述氮气瓶12通过第二输气管14与第一输气管7连接，所述空气发生器11通过第三输气管10与第一输气管7连接，所述第二输气管14上设置有第一截断阀18，所述第三输气管10上设置有第二截断阀8，所述第二输气管14上且位于第一截断阀18与氮气瓶12之间设置有减压阀13和第二气压表20。

本实施例中，通过所述充气系统，能够通过调节氮气瓶12及空气发生器11流量可以由氮气及空气调配出不同氧气浓度(体积分数为0％、5％、10％、15％、20％五种条件下)的气体样品来改变盛煤容器4内气体组分环境，进而综合气体成份及温度数据变化判断蠕变过程中特性规律，研究不同气体环境下煤样蠕变过程中自燃特性规律。并且所述充气系统还能够在实验开始前对盛煤容器4的煤样进行氮气冲洗，避免煤样内存留的氧气使得影响氮气和空气的混合气体中氧气的输入量与煤样中实际氧气量不相符，进而影响实验结果的准确性。

如图1所示，所述气体采集装置包括集气容器15，所述集气容器15通过第四输气管16与第一输气管7连接，所述第四输气管16上设置有第三截断阀17。本实施例中，所述气体采集装置的结构简单，使用方便，能够有效、快速的实现盛煤容器4输出气体的采集。

如图1所示，所述第二输气管14上安装有第一流量计19，所述第三输气管10上安装有第二流量计9。通过观察第一流量计19，能够得到第二输气管14内氮气流量，通过观察第二流量计9，能够得到第三输气管10内空气的流量，进而方便调配出不同氧气浓度且用以充入盛煤容器4的空气和氮气的混合气体。

如图1所示，该实验装置包括主体支架2，所述主体支架2包括基座2-1、反力板2-2以及设置在所述基座2-1与反力板2-2之间的多根立柱2-3，所述盛煤容器4安装在所述基座2-1上，所述施压机构1安装在反力板2-2与盛煤容器4之间。本实施例中，所述主体支架2的结构简单，能够有效的支撑施压机构1，并为盛煤容器4提供安装平台。

如图1所示，所述施压机构1包括液压缸，所述液压缸的缸体1-1固定安装在反力板2-2上，所述液压缸的活塞杆1-2与所述上盖3相连接，所述液压缸的有杆腔内设置有回复弹簧1-3。通过设置回复弹簧1-3，能够为活塞杆1-2的伸出量起到一定的阻碍作用，进而避免所述施压机构1为上盖3施加过大的压力。

结合图2，所述上盖3上设置有供所述活塞杆1-2伸入的连接筒3-1，所述活塞杆1-2与所述连接筒3-1螺纹连接。这样能够实现活塞杆1-2与上盖3的有效连接。

如图2所示，所述盛煤容器4的内壁和上盖3的内表面均设置有绝热层25，所述盛煤容器4的外壁和上盖3的外表面均设置有保温层26。

本实施例中，通过设置绝热层25，能够有效阻隔盛煤容器4内的热量通过盛煤容器4侧壁和上盖3散发出去，确保温度传感器22测得盛煤容器4内的准确温度。并通过设置保温层26，使传递到盛煤容器4侧壁和上盖3的热量得以保持，避免与外界发生换热反应使得盛煤容器4内温度降低而使温度传感器22测不到盛煤容器4内的实际温度。

如图2所示，所述上盖3与盛煤容器4之间设置有密封垫圈27，所述密封垫圈27与所述盛煤容器4的内壁呈滑动配合。通过设置密封垫圈27，能够实现盛煤容器4与上盖3接触处的密封，同时也不会影响上盖3沿盛煤容器4内壁的滑动。

本实施例中，该实验装置在使用时，包括准备阶段和实验阶段：

一、准备阶段

把煤样破碎并使用标准筛按粒径筛分后进行编号备用，把温度传感器22分五层安设在传感器支撑框架21上面，把传感器支撑框架21放置在盛煤容器4内部；然后向盛煤容器4内填充煤样使煤样高度没过传感器支撑框架21的顶部，期间保证传感器支撑框架21的竖直布设。将供气系统和气体采集装置连接好，各温度传感器22及压力传感器23与数据采集巡检仪24连接好，调整上盖3到与煤样接触的位置，关闭第三截断阀17和第二截断阀8，打开第一截断阀18使氮气瓶12内的氮气进入盛煤容器4进行充气试验，然后关闭第一截断阀18查看第一气压表6数值变化来验证盛煤容器4的密封性。

二、实验阶段

启动液压站带动所述施压机构1，通过液压控制系统来控制液压缸无杆腔内的液压油压力大小进而控制活塞杆1-2的上下移动，使上盖3紧贴煤样，然后增大无杆腔内液压油压力继续缓慢为煤样施加压力，待上盖3下方压力传感器23读数达到0.5N时停止加载，然后减少液压缸无杆腔内的液压油压力反向调节活塞杆1-2使所述压力传感器23读数回到0N。然后打开排气阀5，关闭第三截断阀17和第二截断阀8，打开第一截断阀18并调节减压阀13至0.1MPa，对盛煤容器4内的煤样进行氮气冲洗，氮气冲洗时间达到10分钟后，关闭第一截断阀18停止对煤样的氮气冲洗，然后打开第二截断阀8及空气发生器11，再打开第一截断阀18，通过调节空气发生器11及氮气瓶12输出的氮气流量来组合配制含有不同氧气含量的混合气体，根据第一流量计19、第二流量计9显示来调整具体流量值，用所述混合气体对盛煤容器4进行充气10分钟后关闭排气阀5并继续充气使压力达到第一气压表6读数为0.5MPa后关闭第一截断阀18、空气发生器11和第二截断阀8。

通过对液压缸无杆腔继续注入压力油进而继续增大对煤样所施加的静态压力，当压力传感器23读数达到实验值(可依次选取500N、1000N、2000N、3000N、4000N、5000N)时停止加载，通过数据采集巡检仪24监测压力及温度并记录数据，同时每间隔0.5小时(实验共12小时)，通过气体采集装置对盛煤容器4输出气体进行采样，即通过打开第三截断阀17使盛煤容器4内的气体依次通过第一输气管7和第四输气管16进入集气容器15，采样完毕后关闭第三截断阀17；使用气相色谱分析仪分析气体成份并记录在表格中，然后以时间为X轴，气体浓度为Y轴作散点曲线，得到气体的浓度主要是O₂、CO、CO₂等组分随静态压力作用时间的变化量及趋势，然后调节液压缸无杆腔液压油压力来增加或减少煤样所受轴向静态压力，逐渐增加对煤岩体所施加静态压力大小进行实验，得到不同静态压力下气体浓度关键指标随时间变化，综合气体成份及温度数据变化判断蠕变过程中煤自燃特性规律，单次实验过程完成。

上述综合气体成份及温度数据变化判断蠕变过程中煤自燃特性规律具体为：在一般情况下，煤自然特性包括氧气消耗特性和放热特性。本实施例中主要通过采集盛煤容器4内输出气体中氧气随静态压力作用时间的变化量及趋势得出氧气消耗特性，一般情况下仅存在氧气变化量为零或氧气变化量大于零两种情况，当氧气变化量为零时，则说明所述氧气没消耗，不满足自燃特性中氧气消耗的条件，实验条件不利于煤体自燃；当氧气变化量大于零时，若同等条件下氧气消耗量随静压增加而增大，则说明煤体蠕变过程自燃倾向性增强。另外，通过温度传感器22检测煤样的温度，进而得到放热特性，一般情况下，煤样的温度要么不变要么升高，同等条件下若煤样温度随静压增加而升高，则说明煤体放热性增强，煤体自燃倾向性提高。

另外，依靠第一流量计19和第二流量计9的显示功能，通过调节氮气瓶12及空气发生器11流量可以由氮气及空气调配出不同氧气浓度(体积分数为0％、5％、10％、15％、20％五种条件下)的气体样品来改变盛煤容器4内气体组分环境，如上所述，综合气体成份及温度数据变化判断蠕变过程中特性规律，研究不同气体环境下煤样蠕变过程中自燃特性规律。

通过对不同编号煤样粒径进行重复性实验，综合气体成份及温度数据变化判断蠕变过程中特性规律，如上所述，测定煤样粒径对煤岩蠕变过程中自燃特性变化的影响规律。

最后综合测定不同蠕变静态压力、不同氧气浓度、不同粒径条件下，煤样蠕变过程中岩体内部温度及气体成份随时间的变化量，得出不同压力、不同氧气浓度、不同粒径条件下盛煤容器4内气体组分浓度随静态压力作用时间的变化曲线，得到煤岩静压蠕变过程中静态压力、氧气浓度、粒径等因素对煤自燃特性变化的影响，更好的指导煤矿火灾预防，完善煤自燃预测预报体系。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (9)

1.一种煤岩蠕变过程中自燃特性测试用实验装置，其特征在于：包括用于盛装煤样的盛煤容器(4)、用于向所述盛煤容器(4)内的煤样施加静态压力的施压机构(1)、用于向所述盛煤容器(4)输入空气和氮气的混合气体的充气系统以及用于采集所述盛煤容器(4)输出气体的气体采集装置，所述盛煤容器(4)的上端设置有用于与所述施压机构(1)相配合以将所述静态压力传递给所述煤样的上盖(3)，所述上盖(3)与盛煤容器(4)内壁滑动配合；所述盛煤容器(4)内设置有传感器支撑框架(21)，所述传感器支撑框架(21)上设置有多个温度传感器(22)，多个所述温度传感器(22)沿传感器支撑框架(21)的高度方向分层布设，所述盛煤容器(4)内位于所述煤样的顶面放置有用于与上盖(3)接触配合以测试所述静态压力大小的压力传感器(23)，所述盛煤容器(4)上连接有压力测试管(4-2)，所述压力测试管(4-2)上设置有第一气压表(6)和排气阀(5)。

2.根据权利要求1所述的一种煤岩蠕变过程中自燃特性测试用实验装置，其特征在于：所述充气系统包括氮气瓶(12)和空气发生器(11)，所述盛煤容器(4)的底部设置有通气口(4-1)，所述通气口(4-1)连接有第一输气管(7)，所述氮气瓶(12)通过第二输气管(14)与第一输气管(7)连接，所述空气发生器(11)通过第三输气管(10)与第一输气管(7)连接，所述第二输气管(14)上设置有第一截断阀(18)，所述第三输气管(10)上设置有第二截断阀(8)，所述第二输气管(14)上且位于第一截断阀(18)与氮气瓶(12)之间设置有减压阀(13)和第二气压表(20)。

3.根据权利要求2所述的一种煤岩蠕变过程中自燃特性测试用实验装置，其特征在于：所述气体采集装置包括集气容器(15)，所述集气容器(15)通过第四输气管(16)与第一输气管(7)连接，所述第四输气管(16)上设置有第三截断阀(17)。

4.根据权利要求2所述的一种煤岩蠕变过程中自燃特性测试用实验装置，其特征在于：所述第二输气管(14)上安装有第一流量计(19)，所述第三输气管(10)上安装有第二流量计(9)。

5.根据权利要求1所述的一种煤岩蠕变过程中自燃特性测试用实验装置，其特征在于：包括主体支架(2)，所述主体支架(2)包括基座(2-1)和反力板(2-2)，以及设置在所述基座(2-1)与反力板(2-2)之间的多根立柱(2-3)，所述盛煤容器(4)安装在所述基座(2-1)上，所述施压机构(1)安装在反力板(2-2)与盛煤容器(4)之间。

6.根据权利要求5所述的一种煤岩蠕变过程中自燃特性测试用实验装置，其特征在于：所述施压机构(1)包括液压缸，所述液压缸的缸体(1-1)固定安装在反力板(2-2)上，所述液压缸的活塞杆(1-2)与所述上盖(3)相连接，所述液压缸的有杆腔内设置有回复弹簧(1-3)。

7.根据权利要求6所述的一种煤岩蠕变过程中自燃特性测试用实验装置，其特征在于：所述上盖(3)上设置有供所述活塞杆(1-2)伸入的连接筒(3-1)，所述活塞杆(1-2)与所述连接筒(3-1)螺纹连接。

8.根据权利要求1所述的一种煤岩蠕变过程中自燃特性测试用实验装置，其特征在于：所述盛煤容器(4)的内壁和上盖(3)的内表面均设置有绝热层(25)，所述盛煤容器(4)的外壁和上盖(3)的外表面均设置有保温层(26)。

9.根据权利要求1所述的一种煤岩蠕变过程中自燃特性测试用实验装置，其特征在于：所述上盖(3)与盛煤容器(4)之间设置有密封垫圈(27)，所述密封垫圈(27)与所述盛煤容器(4)的内壁呈滑动配合。