CN105388086A - 一种煤粒特定放散压力下解吸规律测定仪器及测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤粒特定放散压力下解吸规律测定仪器及测定方法，包括依次相连的煤样罐、稳压罐及气体计量罐，煤样罐进气口与真空脱气装置相连，煤样罐出气口与稳压罐进气口相连，稳压罐出气口与气体计量罐连接；所述煤样罐的进气口连接有温度测量装置，煤样罐、稳压罐及气体计量罐均与压力测量装置相连；本发明可实现对瓦斯解吸量的实时、准确测定，能有效消除游离瓦斯对瓦斯解吸量测定的影响，为煤粒瓦斯解吸提供稳定的高压放散条件，并且结构简单、操作方便、自动化程度高、制作成本低。

Description

一种煤粒特定放散压力下解吸规律测定仪器及测定方法

技术领域

本发明涉及矿业工程、安全工程科研技术领域，特别涉及一种用于进行不同压差、特定放散压力下的煤粒解吸规律测定仪器及测定方法。

背景技术

随着国家对资源需求的日益增加，资源开采强度不断加大，煤与瓦斯突出事故逐渐成为影响煤矿安全形势持续好转的主要灾害事故。“十二五”规划提出，以有效防范和遏制重特大瓦斯事故为目标，强力推进瓦斯抽采达标、落实防治煤与瓦斯突出的“两个四位一体”措施，积极推广瓦斯防治先进适用技术。在与瓦斯的长期斗争中，我国煤矿已经探索形成了“以煤层瓦斯含量测定为基础，以瓦斯危险程度预测(瓦斯涌出量预测与瓦斯突出危险性预测)为依据，以瓦斯防治措施为手段”的瓦斯治理模式。在瓦斯突出危险性预测中，利用煤对瓦斯解吸规律所确定的钻屑瓦斯解吸指标K₁和Δh被广泛应用，在煤与瓦斯突出预测中起到了至关重要的作用。因此研究并掌握煤的瓦斯解吸规律，对于煤与瓦斯突出预测、煤层瓦斯压力和含量的预测以及估算采动落煤的瓦斯涌出等都有着重大的理论指导意义。

关于煤的瓦斯解吸规律，英国、前苏联、西德、波兰、法国、澳大利亚、日本以及我国煤炭科学研究总院抚顺分院、重庆分院和河南理工大学等进行了大量的实验和理论模型简化研究，并取得了丰硕的成果。但由于煤粒瓦斯解吸条件的多样性、复杂性，问题仍未得到圆满解决，如何测定和掌握特定环境下的瓦斯解吸规律是解决当前煤矿生产不可回避的问题之一。

目前，针对煤粒瓦斯解吸规律，已开展了大量的研究工作，研制了一系列测定装置，现状如下：

(1)申请号为201310216701.4的中国专利公开了一种构造煤瓦斯解吸初期规律实验装置，该装置包括吸附-解吸单元、温度控制单元、真空抽气单元、高压充气单元、瓦斯放散速度测定单元等，能够实现煤样瓦斯解吸初期速度和解吸量的测定，提高了实验数据采集的反应时间和数据采集精度，能够准确的反映出瓦斯解吸初期的动态过程。但该装置只能采集瓦斯解吸初期数据，且无法准确测量实时的瓦斯解吸量。

(2)申请号为200810150953.0的中国专利公开了一种煤层气高压解吸仪装置，可以有效的观测煤层气的解吸过程，测试解吸压力、解吸量、损失气量等多个参数。但该装置采用气体计量仪测量解吸气量，精度低。

(3)《煤矿安全》2007年7月份第36卷7期由曹垚林、富向、蒋清华发表的“WT-2000型瓦斯放散速度测定仪的研制及其在淮南矿区的应用”(第19～22页)一文中第2节中公开了WT-2000型瓦斯放散速度测定仪，该仪器利用先进的计算机、传感器、工业监控技术，可实现高压吸附下向常压下空间放散的瓦斯放散量、放散速度的连续监控。但放散过程中放散空间压力会逐渐升高，对放散速度产生一定的影响。

(4)《辽宁工程技术大学学报(自然科学版)》2012年10月份第31卷5期由秦跃平、王健、罗维、王亚茹发表的“定压动态瓦斯解吸规律实验”(第581～585页)一文中第2节中公开了煤粒瓦斯解吸实验装置，该装置主要由通气装置、温度控制系统、等温吸附系统和数据采集与处理系统四部分组成，能够实现恒温定压条件下的瓦斯放散量实时测试。但该装置的常压放散条件需要通过样品罐与参考罐连续多次导通实现，常压放散条件误差较大。

综合分析上述单位的解吸规律测定仪器，还存在以下不足之处：

1.上述仪器在瓦斯解吸过程中均未对煤样进行温度检测，无法实现瓦斯解吸过程中的温度变化测定；

2.上述仪器对瓦斯解吸量的测定均采用人工读数或流量计的方式，误差大，精度低，无法实现对瓦斯解吸量的实时、准确测定；

3.上述仪器对瓦斯解吸规律的测定均为常压放散条件(部分仪器仍无法保证常压放散环境的恒定、准确)，无法实现高压放散条件下的瓦斯解吸规律测定。

为了更好地测定和掌握高压放散环境下的瓦斯解吸规律，需要研制一种煤粒特定放散压力下解吸规律测定仪器及测定方法，以便更好的指导煤与瓦斯突出预测、煤层瓦斯压力和含量的预测以及估算采动落煤的瓦斯涌出。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了一种用于进行不同压差、特定放散压力下的煤粒解吸规律测定仪器及测定方法，实现特定放散压力下解吸规律的测定。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

一种煤粒特定放散压力下解吸规律测定仪器，包括依次相连的煤样罐、稳压罐及气体计量罐，煤样罐进气口与真空脱气装置相连，煤样罐出气口与稳压罐进气口相连，稳压罐出气口与气体计量罐连接；所述煤样罐的进气口连接有温度测量装置，煤样罐、稳压罐及气体计量罐均与压力测量装置相连；

连接在煤样罐上的温度测量装置采集罐内温度随时间变化，即可获得瓦斯解吸过程中的温度变化规律；连接在气体计量罐上的压力测量装置采集罐内压力随时间的变化，根据理想气体状态方程(Pv＝nRT)可推算出罐内实时气体量，根据罐内实时气体量随时间变化，即可得到某时间段内受游离瓦斯影响情况下的煤粒瓦斯放散量、放散速度；

为消除游离瓦斯对解吸规律测定的影响，将煤样罐内煤样换成相同体积的铁块，以保证罐内瓦斯体积、瓦斯量与上述试验相同，再次利用连接在气体计量罐上的压力测量装置采集罐内压力随时间的变化，根据理想气体状态方程(Pv＝nRT)可推算出罐内实时气体量，根据罐内实时气体量随时间变化，即可得到某时间段内游离瓦斯放散量、放散速度；

将得到的某时间段受游离瓦斯影响情况下的煤粒瓦斯放散量、放散速度与得到的相同时间段内游离瓦斯放散量、放散速度作差，即可消除游离瓦斯对解吸规律测定的影响，得到该时间段内煤粒瓦斯解吸量、解吸速度。

理想气体状态方程：Pv＝nRT，其中p为气体计量罐内气体压强，v为气体计量罐内气体体积，n为物质的量，R为普适气体常量，T为绝对温度，T的单位为开尔文，字母为K，数值为摄氏温度加273.15，如0℃即为273.15K。(当p，V，n，T的单位分别采用Pa(帕斯卡)，m³(立方米)，mol，K时，R的数值为8.31J/(mol*K)。

进一步的，煤样罐进气口接有球阀，煤样罐出气口通过电磁阀与稳压罐一端相连，实现煤样罐与稳压罐之间的瞬时连接、断开，稳压罐另一端通过安全溢流阀与气体计量罐连接。

进一步的，煤样罐、稳压罐罐体均接有大量程压力传感器，可实现罐内压力监控；气体计量罐内装有精密压力传感器，可实现罐内压力实时、准确采集，并根据理想气体状态方程(Pv＝nRT)推算出罐内实时气体量。

进一步的，所述的煤样罐、稳压罐、气体计量罐为碳钢材质罐体，可耐压32MPa。

所述的球阀为适用于气体的碳钢材质球阀，可耐高温、高压。

所述的电磁阀为适用于气体的碳钢双向电磁阀，流量大，应答时间短，降低了阀门对试验的影响。

所述的安全溢流阀为弹簧式安全溢流阀，可通过调节螺丝并借助管路中的压力传感器设置压力，调节稳压罐溢出压力。

利用上述一种煤粒特定放散压力下解吸规律测定仪器的煤粒特定放散压力下解吸规律测定方法，主要包括特定放散压力下煤粒瓦斯解吸量、解吸速度、温度变化测定方法及特定放散压力下煤粒瓦斯放散初速度测定方法两部分；具体测定方法如下：

1)对整套测定仪器进行气密性检查；

2)称取符合测定条件的煤样装入煤样罐，将整套测定仪器放入恒温水浴中，煤样罐进气口依次连接真空表和真空泵，对整套测定仪器进行真空脱气处理；

3)煤样罐进气口连接高压甲烷气瓶，对煤样罐、稳压罐充气，直至稳压罐压力达到预定压力时，关闭电磁阀；

4)继续对煤样罐充气，直至煤样罐内煤样完全吸附时，关闭煤样罐进气口阀门；

5)打开电磁阀，启动煤粒瓦斯解吸过程，同时连接在煤样罐上的温度传感器采集罐内温度随时间变化，即可获得瓦斯解吸过程中的温度变化规律；连接在气体计量罐上的压力传感器采集罐内压力随时间的变化，经过推算可得到某时间段内受游离瓦斯影响情况下的煤粒瓦斯放散量、放散速度；

6)将煤样罐内煤样换成相同重量的铁块，重复步骤2～5，即可得到某时间段内游离瓦斯放散量、放散速度；

7)将步骤5得到某时间段内受游离瓦斯影响情况下的煤粒瓦斯放散量、放散速度与步骤6得到的相同时间段内游离瓦斯放散量、放散速度作差，即可得到该时间段内煤粒瓦斯解吸量、解吸速度；

8)重复上述步骤1～7，控制电磁阀在解吸开始第一设定时间时关闭，记录气体计量罐内压力H1(mmHg)，第二设定时间时打开，第三设定时间时关闭，记录气体计量罐内压力H2(mmHg)，依据行业标准《煤的瓦斯放散初速度指标测定方法》提供公式即可得到特定放散压力下瓦斯放散初速度；

ΔP为以mmHg为单位的瓦斯放散初速度指标，V₀为规定的变容变压装置放散空间体积(汞柱计液面压差为0时)，单位为毫升(mL)，行业标准规定为28mL(对应3.5g煤粉)，此处取r为规定的变容变压装置的汞柱计内截面半径,单位为毫米(mm)，行业标准规定为3mm；V为气体计量罐空间体积，单位为毫升(mL)，理论值为

9)测定完毕，依次打开气体计量罐出气口阀门、煤样罐进气口阀门、电磁阀，将高压气体释放，将煤样罐内铁块取出，并妥善处理真空泵、高压气瓶辅助设备。

进一步的，步骤2)中需要满足的测定条件为100g粒度为1～3mm的煤样。

本发明可实现对瓦斯解吸量的实时、准确测定，能有效消除游离瓦斯对瓦斯解吸量测定的影响，为煤粒瓦斯解吸提供稳定的高压放散条件，并且结构简单、操作方便、自动化程度高、制作成本低，该测定仪器及测试方法，可实现特定放散压力下煤粒瓦斯解吸量、解吸速度、温度变化测定及特定放散压力下煤粒瓦斯放散初速度测定，与瓦斯放散测定相关仪器组合，可实现多种条件下的瓦斯解吸规律测定。

本发明的有益效果：

1、本发明的气体计量罐、精密压力传感器配合，可实现对瓦斯解吸量的实时、准确测定；

2、本发明采用与煤粉同体积的铁块做相同条件下的放散测试，通过对比，可有效消除游离瓦斯对瓦斯解吸量测定的影响；

3、本发明的稳压罐配备安全溢流阀，可通过调节安全溢流阀调整稳压罐压力，为煤粒瓦斯解吸提供稳定的高压放散条件，实现高压放散条件下的瓦斯放散规律测定；

4、本发明结构简单、操作方便、自动化程度高、制作成本低，能够与瓦斯放散测定相关仪器组合，实现多种条件下的瓦斯解吸规律测定。

附图说明

图1是本发明一个整体结构示意图；

其中，1.煤样罐，2.稳压罐，3.气体计量罐，4.球阀，5.电磁阀，6.安全溢流阀，7.压力传感器，8.温度传感器。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

如图1所示：一种煤粒特定放散压力下解吸规律测定仪器，该测试仪器的煤样罐1进气口接有球阀4；煤样罐1出气口通过电磁阀5与稳压罐2相连，实现煤样罐1与稳压罐2之间的瞬时连接、断开；稳压罐2另一端通过安全溢流阀6与气体计量罐3连接，可实现稳压罐2的稳压作用；煤样罐1接有温度传感器8，可实现罐内温度监控煤样罐；煤样罐1、稳压罐2罐体均接有大量程压力传感器7，可实现罐内压力监控；气体计量罐内装有精密压力传感器，可实现罐内压力实时、准确采集，并推算出罐内实时气体量。

煤样罐1、稳压罐2、气体计量罐3为特殊定制的碳钢材质煤样罐，可耐压32MPa。

球阀4为适用于气体的碳钢材质球阀，可耐高温、高压。

电磁阀5为适用于气体的碳钢双向电磁阀，流量大，应答时间短，降低了阀门对试验的影响。

安全溢流阀6为弹簧式安全溢流阀，可通过调节螺丝并借助管路中的压力传感器设置压力，调节稳压罐溢出压力。

压力传感器7为高精度高稳定压力传感器，采集频率可达到2000次/s，可精确、实时测量气体压力。

温度传感器8为高精度温度传感器，可精确、实时测量煤样温度。

一种煤粒特定放散压力下解吸规律测定方法，主要包括特定放散压力下煤粒瓦斯解吸量、解吸速度、温度变化测定方法及特定放散压力下煤粒瓦斯放散初速度测定方法两部分。具体测定方法如下：

1)对整套仪器进行气密性检查；

2)称取100g粒度为1～3mm的煤样装入煤样罐1，将整套仪器放入恒温水浴中，进气口连接真空表和真空泵，对整套仪器进行真空脱气处理；

3)进气口连接高压甲烷气瓶，对煤样罐1、稳压罐2充气，直至稳压罐2压力达到预定压力时，关闭电磁阀5；

4)继续对煤样罐1充气，直至煤样罐1内煤样完全吸附时，关闭进气口阀门；

5)打开电磁阀5，启动煤粒瓦斯解吸过程，同时连接在煤样罐1上的温度传感器8采集罐内温度随时间变化，即可获得瓦斯解吸过程中的温度变化规律；连接在气体计量罐3上的压力传感器7采集罐内压力随时间的变化，经过推算可得到某时间段内受游离瓦斯影响情况下的煤粒瓦斯放散量、放散速度；

6)将煤样罐1内煤样换成相同重量的铁块，重复步骤2～5，即可得到某时间段内游离瓦斯放散量、放散速度；

7)将步骤5得到某时间段内受游离瓦斯影响情况下的煤粒瓦斯放散量、放散速度与步骤6得到的相同时间段内游离瓦斯放散量、放散速度作差，即可得到该时间段内煤粒瓦斯解吸量、解吸速度；

8)重复上述步骤1～7，控制电磁阀在解吸开始10s时关闭，记录气体计量罐内压力H1(mmHg)，45s时打开，60s时关闭，记录气体计量罐内压力H2(mmHg)，依据行业标准《煤的瓦斯放散初速度指标测定方法》提供公式即可得到特定放散压力下瓦斯放散初速度；

9)测定完毕，依次打开气体计量罐出气口阀门、煤样罐进气口阀门、电磁阀5，将高压气体释放，将煤样罐1内铁块取出，并妥善处理真空泵、高压气瓶等辅助设备。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种煤粒特定放散压力下解吸规律测定仪器，其特征是，包括依次相连的煤样罐、稳压罐及气体计量罐，煤样罐进气口与真空脱气装置相连，煤样罐出气口与稳压罐进气口相连，稳压罐出气口与气体计量罐连接；所述煤样罐的进气口连接有温度测量装置，煤样罐、稳压罐及气体计量罐均与压力测量装置相连。

2.如权利要求1所述的一种煤粒特定放散压力下解吸规律测定仪器，其特征是，连接在煤样罐上的温度测量装置采集罐内温度随时间变化，即可获得瓦斯解吸过程中的温度变化规律；连接在气体计量罐上的压力测量装置采集罐内压力随时间的变化，根据理想气体状态方程推算出罐内实时气体量，根据罐内实时气体量随时间变化，即可得到某时间段内受游离瓦斯影响情况下的煤粒瓦斯放散量、放散速度；

将煤样罐内煤样换成相同体积的铁块，再次利用连接在气体计量罐上的压力测量装置采集罐内压力随时间的变化，根据理想气体状态方程推算出罐内实时气体量，根据罐内实时气体量随时间变化，即可得到某时间段内游离瓦斯放散量、放散速度；

将得到的某时间段受游离瓦斯影响情况下的煤粒瓦斯放散量、放散速度与得到的相同时间段内游离瓦斯放散量、放散速度作差，即可消除游离瓦斯对解吸规律测定的影响，得到该时间段内煤粒瓦斯解吸量、解吸速度。

3.如权利要求1所述的一种煤粒特定放散压力下解吸规律测定仪器，其特征是，煤样罐进气口接有球阀，煤样罐出气口通过电磁阀与稳压罐一端相连，实现煤样罐与稳压罐之间的瞬时连接、断开，稳压罐另一端通过安全溢流阀与气体计量罐连接。

4.如权利要求1所述的一种煤粒特定放散压力下解吸规律测定仪器，其特征是，煤样罐、稳压罐罐体均接有大量程压力传感器，可实现罐内压力监控；气体计量罐内装有精密压力传感器，可实现罐内压力实时、准确采集，并根据理想气体状态方程推算出罐内实时气体量。

5.如权利要求1所述的一种煤粒特定放散压力下解吸规律测定仪器，其特征是，所述的煤样罐、稳压罐、气体计量罐为碳钢材质罐体，可耐压32MPa。

6.如权利要求2所述的一种煤粒特定放散压力下解吸规律测定仪器，其特征是，所述的球阀为适用于气体的碳钢材质球阀。

7.如权利要求2所述的一种煤粒特定放散压力下解吸规律测定仪器，其特征是，所述的电磁阀为适用于气体的碳钢双向电磁阀。

8.如权利要求2所述的一种煤粒特定放散压力下解吸规律测定仪器，其特征是，所述的安全溢流阀为弹簧式安全溢流阀，可通过调节螺丝并借助管路中的压力传感器设置压力，调节稳压罐溢出压力。

9.利用上述权利要求1所述的一种煤粒特定放散压力下解吸规律测定仪器的测定方法，其特征是，主要包括特定放散压力下煤粒瓦斯解吸量、解吸速度、温度变化测定方法及特定放散压力下煤粒瓦斯放散初速度测定方法两部分；具体测定方法如下：

1)对整套测定仪器进行气密性检查；

2)称取符合测定条件的煤样装入煤样罐，将整套测定仪器放入恒温水浴中，煤样罐进气口依次连接真空表和真空泵，对整套测定仪器进行真空脱气处理；

3)煤样罐进气口连接高压甲烷气瓶，对煤样罐、稳压罐充气，直至稳压罐压力达到预定压力时，关闭电磁阀；

4)继续对煤样罐充气，直至煤样罐内煤样完全吸附时，关闭煤样罐进气口阀门；

5)打开电磁阀，启动煤粒瓦斯解吸过程，同时连接在煤样罐上的温度传感器采集罐内温度随时间变化，即可获得瓦斯解吸过程中的温度变化规律；连接在气体计量罐上的压力传感器采集罐内压力随时间的变化，经过推算可得到某时间段内受游离瓦斯影响情况下的煤粒瓦斯放散量、放散速度；

6)将煤样罐内煤样换成相同重量的铁块，重复步骤2～5，即可得到某时间段内游离瓦斯放散量、放散速度；

7)将步骤5得到某时间段内受游离瓦斯影响情况下的煤粒瓦斯放散量、放散速度与步骤6得到的相同时间段内游离瓦斯放散量、放散速度作差，即可得到该时间段内煤粒瓦斯解吸量、解吸速度。

10.如权利要求9所述的一种煤粒特定放散压力下解吸规律测定仪器的测定方法，其特征是，还包括的步骤为：

8)重复上述步骤1～7，控制电磁阀在解吸开始第一设定时间时关闭，记录气体计量罐内压力H1，第二设定时间时打开，第三设定时间时关闭，记录气体计量罐内压力H2，依据行业标准提供的公式，即可得到特定放散压力下瓦斯放散初速度；

9)测定完毕，依次打开气体计量罐出气口阀门、煤样罐进气口阀门、电磁阀，将高压气体释放，将煤样罐内铁块取出，并妥善处理真空泵、高压气瓶辅助设备。