CN105259091A - 承压破碎遗煤渗透率演化及自燃特性测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种承压破碎遗煤渗透率演化及自燃特性测试装置，煤样室包括煤样室腔体、活塞压头和下堵头，煤样室腔体固定在承压破碎遗煤渗透率演化及自燃特性测试装置的支撑架上，煤样室腔体为圆柱型中空结构，煤样室腔体的上部设置活塞压头，煤样室腔体的下部设置下堵头，煤样室腔体的外围设置加热温控装置，煤样室腔体的内部分别设置第一传感器和第二传感器，煤样室腔体的顶部设置压力控制系统，活塞压头内置的进气口设置管线连接压力测试系统，下堵头内置的出气口设置管线连接气体检测单元。本发明采用轴向加载应力及温度控制解决了现有传统煤自燃测试设备不能实现应力加载的技术现状。
Description
技术领域
本发明涉及一种测试装置，特别涉及一种承压破碎遗煤渗透率演化及自燃特性测试装置。
背景技术
我国煤矿安全形势依然严峻，灾害频发。“十二五”期间，全国759处重点煤矿中，有煤层自燃倾向的矿井占54.9%，统计自然发火期在3个月以内的矿井占50%以上，每年因自燃形成的火灾近400次，煤自然氧化形成的火灾隐患近4000次，仅我国北方煤田火区累计烧毁的煤炭已达42亿吨以上；目前浅部煤炭资源已接近枯竭，许多煤矿已开始进入深部开采，开采深度可达800~1500m，每年还以10~20m的速度向深部延深，随着煤矿开采深度增加而导致的地应力增加，地温升高，煤岩破碎程度增大，使煤自燃灾害越发凸显。
目前国内外煤自燃基础研究设备主要体现在煤自燃宏观研究及微观研究两大方面，主要使用的设备如下：
（1）煤吸氧特性测试
针对不同的煤样测试其在不同温度、不同粒度、含水率工况下的吸氧情况，大多采用吸氧量测定仪，此仪器具有一下特点装煤量小（一般1g）、粒度在100-200目、气源一般采用纯氧气、温度设置较自主；主要存在的缺点：煤样粒径无法与井下匹配，且无应力加载条件，煤样自然放置。
（2）煤的低温氧化实验装置及气相色谱检测分析平台
此装置主要是通过程序升温，促使煤氧加速氧化，测试其耗氧特征、氧化过程中生成气体成分变化、以及部分氧化动力学参数。在此平台上可实现加载气源的改变、粒度、升温梯度等加载条件的组合进行实验研究；但此设备主要存在的问题有：煤样的尺度难于与现场匹配、未考虑煤样在采空区受应力场作用下动态空隙率的客观因素。
（3）大型煤自然发火模拟平台
目前国内在采空区原始遗煤粒径尺度上，出现了近似采空区遗煤状态的自然发火模拟装置，可实现煤的自热，测试其自燃升温特征、发火周期、标志性气体等，但此设备存在问题有：用煤量大，国内具有0.5吨、2吨、5吨、10吨规模的；缺乏应力加载条件，煤样内部不承压，传热传质过程与采场环境不匹配，同时实验测试周期长，成本较高，不能常规适用。
（4）热分析技术
当前在国内，在煤自燃热分析方面，主要基于TG/DTG/DSC研究测试装备，研究煤在整个燃烧过程的热动力机制。此设备用于煤自燃研究具有以下问题：采空区遗煤所在的多场影响因素无法加载。
发明内容
本发明的目的是采用轴向加载应力及温度控制的方法解决现有传统煤自燃测试设备不能实现应力加载的技术现状，可以模拟采空区遗煤在不同应力状态及围岩温度下的空隙率、渗透率的承压破碎遗煤渗透率演化自燃特性测试装置。
本发明的技术方案是：
一种承压破碎遗煤渗透率演化及自燃特性测试装置，包括加热温控装置，煤样室，第一传感器，第二传感器，所述的煤样室包括煤样室腔体、活塞压头和下堵头，所述的煤样室腔体固定在承压破碎遗煤渗透率演化及自燃特性测试装置的支撑架上，煤样室腔体为圆柱型中空结构，煤样室腔体的上部设置活塞压头，煤样室腔体的下部设置下堵头，煤样室腔体的外围设置加热温控装置，煤样室腔体的内部分别设置第一传感器和第二传感器，煤样室腔体的顶部设置压力控制系统，所述的活塞压头内置的进气口设置管线连接压力测试系统，所述的下堵头内置的出气口设置管线连接气体检测单元。
进一步地，所述的支撑架由钢架、横梁和支撑底座构成。
进一步地，所述的第一传感器为孔隙压力传感器，第二传感器为温度传感器。
进一步地，所述的活塞压头的底端与下堵头的顶端分别设置导流槽圆盘，所述的下堵头为可拆卸堵头。
进一步地，所述的第二传感器外围设置温度传感器保护罩。
进一步地，所述的横梁与活塞压头之间设置位移传感器。
进一步地，所述的气体检测单元由气体压力传感器、过滤容器和气相色谱分析仪组成。
进一步地，所述的压力测试系统由气瓶、减压阀、缓冲过滤容器、压力传感器组成。
进一步地，所述的压力控制系统包括压力机和导杆。
进一步地，所述的活塞压头和压力测试系统之间，下堵头和气体检测单元之间分别设置流量控制系统，所述的流量控制系统为气体流量计。
本发明是一种承压破碎遗煤渗透率演化及自燃特性测试装置，其有益效果为：
（1）本发明通过压力机和加热温控装置的设置，开展承压破碎煤体在应力、温度、气氛多场作用下的渗流及自燃特性实验，弥补了国内煤自燃实验装置不能承压的技术现状；
（2）实验煤样粒径可达厘米级，可以更真实的反映采空区遗煤粒度的级配状态，在煤样粒径尺度上突破了目前现有实验对煤样粒度的限制；
（3）通过压力控制系统和气体检测单元，可以开展应力、温度、气氛、水份、粒度等因素下的单一及正交实验，极大的丰富了实验装置测试的功能，为煤自燃研究提供了新的途径。
本发明实现了应力加载、热环境控制、气氛场调控等方面综合调控，可使煤自燃研究理更接近井下实际采空区遗煤所在的多场耦合环境，在此基础上开展的研究更具科学性、先进性、系统性，可获得更符合实际采空区煤自燃环境条件的新的煤自燃研究方法与手段，这对目前煤自燃基础研究存在的不足是一强有力的完善及补充，在未来煤自燃研究可提供更加可靠的实验条件，具有重要的引领作用。
附图说明
图1是本发明一种承压破碎遗煤渗透率演化及自燃特性测试装置的结构示意图。
附图中标号为：1为气瓶，2为减压阀，3为分离容器，4为压力传感器，5为气体流量计，6为钢架，7为横梁，8为压力机，9为导杆，10为活塞压头，11为煤样室腔体，12为加热温控装置，13为下堵头，14为煤样室，15为第一传感器，16为第二传感器，17为温度传感器保护罩，18为导流槽圆盘，19为位移传感器，20为压力传感器，21为过滤容器，23为气相色谱分析仪，24为支撑底座。
具体实施方式
下面结合图1和具体实施方式对本发明作进一步说明：
实施例一：
一种承压破碎遗煤渗透率演化及自燃特性测试装置，包括加热温控装置12，煤样室14，第一传感器15，第二传感器16，所述的煤样室14包括煤样室腔体11、活塞压头10和下堵头13，所述的煤样室腔体11固定在承压破碎遗煤渗透率演化及自燃特性测试装置的支撑架上，煤样室腔体11为圆柱型中空结构，将煤样装入煤样室腔体11内，煤样室腔体11的上部设置活塞压头10，活塞压头10内置的进气口设置管线连接压力测试系统，所述的气体为氧气时，氧气经压力测试系统测试进入煤样室腔体11内部，煤样室腔体11的外围设置加热温控装置12，对煤样室14进行恒温及程序升温控制，煤样室腔体11的内部分别设置第一传感器15和第二传感器16，用来检测煤样室14中煤样的压力及温度变化情况，煤样室腔体11的顶部设置压力控制系统，对煤样室腔体11内部加压，煤样室腔体11内的氧气经历承压流动至下堵头13上的出气口流出，经管线进入气体检测单元，然后，分析煤样室14里的氧气发生规律。
实施例二：
一种承压破碎遗煤渗透率演化及自燃特性测试装置，包括加热温控装置12，煤样室14，第一传感器15，第二传感器16，所述的煤样室14包括煤样室腔体11、活塞压头10和下堵头13，所述的煤样室腔体11固定在承压破碎遗煤渗透率演化及自燃特性测试装置的支撑架上，煤样室腔体11为圆柱型中空结构，将煤样装入煤样室腔体11内，煤样室腔体11的上部设置活塞压头10，活塞压头10内置的进气口设置管线连接压力测试系统，所述的气体为氮气时，氮气经压力测试系统测试进入煤样室腔体11内部，煤样室腔体11的外围设置加热温控装置12，对煤样室14进行恒温及程序升温控制，煤样室腔体11的内部分别设置第一传感器15和第二传感器16，用来检测煤样室14中煤样的压力及温度变化情况，煤样室腔体11的顶部设置压力控制系统，对煤样室腔体11内部加压，煤样室腔体11内的氮气经历承压流动至下堵头13上的出气口流出，经管线进入气体检测单元，然后，分析煤样室14里的氮气发生规律。
实施例三：
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，所述的气体为二氧化碳。
实施例四：
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，所述的气体为甲烷。
支撑架由承载钢架6、横梁7和支撑底座24构成，对测试装置起到外部支撑的作用。
第一传感器15为孔隙压力传感器，第二传感器16为温度传感器，所述的温度传感器量程为300℃。
活塞压头10的底端与下堵头13的顶端分别设置导流槽圆盘18，保证进气及出气在煤样截面的均匀性，所述的下堵头13为可拆卸堵头。
第二传感器16外围设置温度传感器保护罩17，对温度传感器16进行保护。
横梁7与活塞压头10之间设置位移传感器19。
气体检测单元由气体压力传感器20、过滤容器21和气相色谱分析仪23组成。
压力测试系统由气瓶1、减压阀2、缓冲过滤容器3、压力传感器4组成。
压力控制系统包括压力机8和导杆9。
活塞压头10和压力测试系统之间，下堵头13和气体检测单元之间分别设置流量控制系统，所述的流量控制系统为气体流量计5。
气体流量计5的量程为0-2000ml/min，为了提高测量精度，耐压10Mpa，气体流量计5的精度为±1ml/min。
以上所述之实施例，只是本发明的较佳实施例而已，并非限制本发明实施范围，故凡依本发明专利范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明申请专利范围内。
Claims (10)
1.一种承压破碎遗煤渗透率演化及自燃特性测试装置，其特征在于，包括加热温控装置（12），煤样室（14），第一传感器（15），第二传感器（16），所述的煤样室（14）包括煤样室腔体（11）、活塞压头（10）和下堵头（13），所述的煤样室腔体（11）固定在承压破碎遗煤渗透率演化及自燃特性测试装置的支撑架上，煤样室腔体（11）为圆柱型中空结构，煤样室腔体（11）的上部设置活塞压头（10），煤样室（14）的下部设置下堵头（13），煤样室腔体（11）的外围设置加热温控装置（12），煤样室腔体（11）的内部分别设置第一传感器（15）和第二传感器（16），煤样室腔体（11）的顶部设置压力控制系统，所述的活塞压头（10）内置的进气口设置管线连接压力测试系统，所述的下堵头（13）内置的出气口设置管线连接气体检测单元。
2.根据权利要求1所述的承压破碎遗煤渗透率演化及自燃特性测试装置，其特征在于，所述的支撑架由钢架（6）、横梁（7）和支撑底座（24）构成。
3.根据权利要求1所述的承压破碎遗煤渗透率演化及自燃特性测试装置，其特征在于，所述的第一传感器（15）为孔隙压力传感器，第二传感器（16）为温度传感器。
4.根据权利要求1所述的承压破碎遗煤渗透率演化及自燃特性测试装置，其特征在于，所述的活塞压头（10）的底端与下堵头（13）的顶端分别设置导流槽圆盘（18），所述的下堵头（13）为可拆卸堵头。
5.根据权利要求1所述的承压破碎遗煤渗透率演化及自燃特性测试装置，其特征在于，所述的第二传感器（16）外围设置温度传感器保护罩（17）。
6.根据权利要求1或2所述的承压破碎遗煤渗透率演化及自燃特性测试装置，其特征在于，所述的横梁（7）与活塞压头（10）之间设置位移传感器（19）。
7.根据权利要求1所述的承压破碎遗煤渗透率演化及自燃特性测试装置，其特征在于，所述的气体检测单元由气体压力传感器（20）、过滤容器（21）、和气相色谱分析仪（23）组成。
8.根据权利要求1所述的承压破碎遗煤渗透率演化及自燃特性测试装置，其特征在于，所述的压力测试系统由气瓶（1）、减压阀（2）、缓冲过滤容器（3）和压力传感器（4）组成。
9.根据权利要求1所述的承压破碎遗煤渗透率演化及自燃特性测试装置，其特征在于，所述的压力控制系统包括压力机（8）和导杆（9）。
10.根据权利要求1所述的承压破碎遗煤渗透率演化及自燃特性测试装置，其特征在于，所述的活塞压头（10）和压力测试系统之间，下堵头（13）和气体检测单元之间分别设置流量控制系统，所述的流量控制系统为气体流量计（5）。
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