CN105424905A - 煤体破坏过程中瓦斯异常解吸特性试验装置与方法 - Google Patents
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Abstract
煤体破坏过程中瓦斯异常解吸特性试验装置与方法，包括传动装置、粉碎装置、气压装置、瓦斯解吸测量装置和电控装置；传动装置包括调速器和驱动电机；粉碎装置包括煤样罐和位于煤样罐内部的叶轮；气压装置包括气压表、三通阀门和截止阀；瓦斯解吸测量装置包括若干不同量程的气体质量流量计；电控装置与瓦斯解吸测量装置连接。本发明通过将煤样破碎成不同粒度的煤颗粒，模拟煤与瓦斯突出过程中对煤体的粉化过程，并测量煤样在不同粒度下的瓦斯解吸量和解吸速率，试验研究煤与瓦斯突出过程中的瓦斯异常解吸规律，为煤矿瓦斯灾害治理提供理论依据。
Description
技术领域
本发明属于瓦斯解吸模拟试验装置技术领域，尤其涉及一种煤体破坏过程中瓦斯异常解吸特性试验装置与方法。
背景技术
煤与瓦斯突出是由地应力、瓦斯压力、煤体结构综合作用的，严重威胁煤矿安全生产的矿井瓦斯动力现象。煤与瓦斯突出过程中，煤体裂隙扩展、被剥离破碎抛向采掘空间。对瓦斯突出发展的内在机制的研究，为防治煤与瓦斯突出奠定理论基础。煤的瓦斯解吸规律可以反映煤与瓦斯突出危险性，影响煤的瓦斯解吸特性的因素主要有煤体吸附瓦斯性能，煤体吸附瓦斯压力，煤体破坏类型和粒度，煤体水分含量和温度等。
目前有关研究煤体破坏过程中瓦斯异常解吸特性的试验装置不多，国内已公开的专利文献CN201210288691.0公开了一种煤矿井下快速测定采掘工作面残余瓦斯参数的装置及方法；已公开的专利文献CN201420315408.3公开了一种旋转扰动饱含瓦斯煤体的试验装置，这套装置采用旋转方式扰动饱含瓦斯煤体，观察外力扰动下瓦斯压力变化，但是不能用来研究不同粒度条件下对煤体瓦斯解吸的影响。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供了一种结构简单、试验操作简便、试验数据准确，能够将煤样粉碎成不同粒度，测量煤样在不同粒度下的瓦斯解吸量和解吸速率的煤体破坏过程中瓦斯异常解吸特性试验装置。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：煤体破坏过程中瓦斯异常解吸特性试验装置，包括传动装置、粉碎装置、气压装置、瓦斯解吸测量装置和电控装置；传动装置包括调速器和驱动电机，调速器与驱动电机相连接，驱动电机主轴上设有主动带轮；粉碎装置包括煤样罐和位于煤样罐内部的叶轮，煤样罐底部设有固定座，固定座内插设有转轴，转轴上部位于煤样罐内部，转轴下部位于煤样罐外部，转轴上部与叶轮通过键连接，转轴下部套设有从动带轮，从动带轮与转轴通过键连接，主动带轮与从动带轮之间通过皮带传动连接；气压装置包括气压表、三通阀门和截止阀，三通阀门的三个端口分别通过导气管与气压表、煤样罐和截止阀相连通；瓦斯解吸测量装置包括若干并联在一起的气体质量流量计，各气体质量流量计的量程互不相同，瓦斯解吸测量装置通过导气管与截止阀连通；电控装置与瓦斯解吸测量装置连接。
瓦斯解吸测量装置包括5个气体质量流量计，气体质量流量计的量程分别为：0-100ml/min、0-200ml/min、0-500ml/min、0-1000ml/min、0-5000ml/min。
电控装置采用计算机或单片机或PLC或集成电路。
转轴与固定座之间的连接处设有密封环。
本发明的目的还在于提供一种使用上述煤体破坏过程中瓦斯异常解吸特性试验装置的试验方法，通过将煤样破碎成不同粒度的煤颗粒，模拟煤与瓦斯突出过程中对煤体的粉化过程，并测量煤样在不同粒度下的瓦斯解吸量和解吸速率，试验研究煤与瓦斯突出过程中的瓦斯异常解吸规律，为煤矿瓦斯灾害治理提供依据。
为实现上述发明目的，本发明的煤体破坏过程中瓦斯异常解吸特性试验装置的试验方法依次包括如下步骤：
（1）试验前准备
在井下采掘工作面上钻取若干块状新鲜煤样，迅速将所取块状煤样进行严密封装后送至地面实验室；
（2）组装试验装置与气密性检测
称取定量块状煤样放入煤样罐内的叶轮上，将从动带轮与主动带轮通过皮带传动连接，将煤样罐、压力表、截止阀分别通过导气管与三通阀门的三个端口连通，截止阀通过导气管与瓦斯解吸测量装置连通，电控装置与瓦斯解吸测量装置连接，检测试验装置的气密性，确保试验装置的气密性良好，关闭截止阀，打开三通阀门，观察气压表的变化，并做好相应记录；
（3）瓦斯解吸试验
打开截止阀，开始解吸试验，同时启动电控装置，实时监测并记录瓦斯解吸数据，当气压表的读数为零时，启动驱动电机，调节调速器，使驱动电机的转速介于500-1000r/min之间，主动带轮通过皮带传动带动从动带轮转动，从而带动叶轮旋转，将煤样罐内的块状煤样粉碎成粒度较小的煤块，试验人员控制电控装置首先选取0-5000ml/min量程的气体质量流量计，待电控装置监测到瓦斯解吸量后，根据监测到的瓦斯解吸量，控制电控装置选择合适量程的气体质量流量计，在瓦斯解吸试验过程中，电控装置记录下瓦斯解吸量及瓦斯解吸速率，直到煤样中不再有瓦斯解吸出来，瓦斯经气体质量流量计后通过导气管排放到空气中；
（4）更换煤样
将煤样罐内粉碎后的煤样清理干净，重复上述（2）-（3）步骤，在第（3）步骤中调节调速器，使驱动电机的转速介于1000-2000r/min之间；待第（3）步骤结束后，再次将煤样罐内粉碎后的煤样清理干净，重复上述（2）-（3）步骤，在第（3）步骤中调节调速器，使驱动电机的转速介于1000-2000r/min之间；
（5）试验结束整理数据
导出瓦斯解吸试验数据，对比驱动电机分别在500-1000r/min、1000-2000r/min和2000-3000r/min转速范围内的瓦斯解吸量和瓦斯解吸速率。
采用上述技术方案，本发明具有如下优点：
1、本发明包括传动装置、粉碎装置、气压装置、瓦斯解吸测量装置和电控装置，其结构简单，可以测定不同粒度下的瓦斯解吸量和解吸速率，粉碎装置将块状煤样破碎成不同粒度的煤颗粒，模拟煤与瓦斯突出过程中煤的粉化过程，煤样罐为密闭结构，煤样罐内叶轮下端与固定座之间设有密封环，确保煤样罐的密封性，传动装置中的调速器可以改变驱动电机的转速，使得驱动电机分别在低转速、中转速和高转速下将煤样粉碎为不同粒度，模拟煤与瓦斯突出过程中对煤体的粉化过程，通过瓦斯解吸测量装置测定瓦斯解吸量和瓦斯解吸速率，气压装置可以监测显示煤样罐中的瓦斯压力，从而研究煤与瓦斯突出过程中煤体被粉碎为不同粒径条件下的瓦斯异常解吸规律。
2、本发明的瓦斯解吸测量装置包括采用5个不同量程的气体质量流量计，小量程用于监测瓦斯解吸量小的情况，大量程用于监测瓦斯解吸量大的情况，测量方便，并且配合电控装置，可以实时显示瓦斯解吸流量和瓦斯解吸速率，根据瓦斯流量的变化，试验人员可以选择合适的量程进行监测，能够实现数据的自动采集和保存，数据采集精确快捷，避免了人工读取所存在的误差，提高了试验的准确率，节省了数据处理时间，便于科研人员更好地分析实验结果。
3、利用本发明中的试验方法，可以进行以下各种试验：
（1）煤体钻屑现场瓦斯解吸规律试验；
（2）煤体破碎过程中瓦斯异常解吸规律试验；
（3）煤体破碎过程中的瓦斯压力异常规律试验。
4、本发明的煤体破坏过程中瓦斯异常解吸特性试验装置的试验方法，采用粉碎装置对煤样进行粉碎，并通过调节传动装置中的调速器，使驱动电机分别在低转速、中转速和高转速下将煤样粉碎为不同粒度，模拟煤与瓦斯突出过程中对煤体的粉化过程，从而得到各种不同转速（包括零转速）条件下的瓦斯解吸量和瓦斯解吸速率，研究煤与瓦斯突出过程中煤体被粉化条件下（转速越高，煤样被粉碎后的粒径越小）瓦斯异常解吸规律，从而指导相应的煤矿工程实践，采取更有针对性的预防及防护措施，对于煤矿安全生产具有重要意义。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的煤体破坏过程中瓦斯异常解吸特性试验装置，包括传动装置、粉碎装置、气压装置、瓦斯解吸测量装置和电控装置14；传动装置包括调速器1和驱动电机2，调速器1与驱动电机2相连接，驱动电机2主轴上设有主动带轮3；粉碎装置包括煤样罐4和位于煤样罐4内部的叶轮5，煤样罐4底部设有固定座6，固定座6内插设有转轴7，转轴7上部位于煤样罐4内部，转轴7下部位于煤样罐4外部，转轴7上部与叶轮5通过键连接，转轴7下部套设有从动带轮8，从动带轮8与转轴7通过键连接，主动带轮3与从动带轮8之间通过皮带9传动连接；气压装置包括气压表10、三通阀门11和截止阀12，三通阀门11的三个端口分别通过导气管15与气压表10、煤样罐4和截止阀12相连通；瓦斯解吸测量装置16包括若干（优选5个）并联在一起的气体质量流量计13，各气体质量流量计13的量程互不相同，瓦斯解吸测量装置16通过导气管15与截止阀12连通；电控装置14与瓦斯解吸测量装置16连接。
瓦斯解吸测量装置16包括5个气体质量流量计13，气体质量流量计13的量程分别为：0-100ml/min（毫升/分钟）、0-200ml/min、0-500ml/min、0-1000ml/min、0-5000ml/min，试验人员可以通过电控装置14监测到的瓦斯解吸量，选择合适量程的气体质量流量计13进行监测。
电控装置14采用计算机或单片机或PLC或集成电路，计算机、单片机、PLC和集成电路均为现有技术，具体结构和工作原理不再描述。
转轴7与固定座6之间的连接处设有密封环，确保煤样罐4的密封性，密封环为现有技术，图中未示。
煤体破坏过程中瓦斯异常解吸特性试验装置的试验方法,依次包括以下步骤：
（1）试验前准备
在井下采掘工作面上钻取若干块状新鲜煤样，迅速将所取块状煤样进行严密封装后送至地面实验室；
（2）组装试验装置与气密性检测
称取定量块状煤样放入煤样罐4内的叶轮5上，将从动带轮8与主动带轮3通过皮带9传动连接，将煤样罐4、压力表、截止阀12分别通过导气管15与三通阀门11的三个端口连通，截止阀12通过导气管15与瓦斯解吸测量装置16连通，电控装置14与瓦斯解吸测量装置16连接，检测试验装置的气密性，确保煤样罐4、三通阀门11、截止阀12、瓦斯解吸测量装置16及连接上述装置之间导气管15的气密性良好，不漏气，然后关闭截止阀12，打开三通阀门11，观察气压表10的变化，并做好相应记录；
（3）瓦斯解吸试验
打开截止阀12，开始解吸试验，同时启动电控装置14，实时监测并记录瓦斯解吸数据，当气压表10的读数为零时，启动驱动电机2，调节调速器1，使驱动电机2的转速介于500-1000r/min（转/分钟）之间（如800r/min），主动带轮3通过皮带9传动带动从动带轮8转动，从而带动叶轮5旋转，将煤样罐4内的块状煤样粉碎成粒度较小的煤块，试验人员控制电控装置14首先选取0-5000ml/min量程的气体质量流量计13，待电控装置14监测到瓦斯解吸量后，根据监测到的瓦斯解吸量，控制电控装置14选择合适量程的气体质量流量计13，在瓦斯解吸试验过程中，电控装置14记录下瓦斯解吸量及瓦斯解吸速率，直到煤样中不再有瓦斯解吸出来，瓦斯经气体质量流量计13后通过导气管15排放到空气中；
（4）更换煤样
将煤样罐4内粉碎后的煤样清理干净，重复上述（2）-（3）步骤，在第（3）步骤中调节调速器1，使驱动电机2的转速介于1000-2000r/min之间（如1500r/min）；待第（3）步骤结束后，再次将煤样罐4内粉碎后的煤样清理干净，重复上述（2）-（3）步骤，在第（3）步骤中调节调速器1，使驱动电机2的转速介于1000-2000r/min之间（如2500r/min）；
（5）试验结束整理数据
导出瓦斯解吸试验数据，对比驱动电机2分别在500-1000r/min、1000-2000r/min和2000-3000r/min转速范围内的瓦斯解吸量和瓦斯解吸速率，分析研究煤样在破碎过程中的瓦斯异常解吸规律。
本发明提供的试验装置能实现的主要试验功能有：
（1）煤体钻屑现场瓦斯解吸规律试验；
（2）煤体破碎过程中瓦斯异常解吸规律试验；
（3）煤体破碎过程中的瓦斯压力异常规律试验。
本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (5)
1.煤体破坏过程中瓦斯异常解吸特性试验装置，其特征在于：包括传动装置、粉碎装置、气压装置、瓦斯解吸测量装置和电控装置；传动装置包括调速器和驱动电机，调速器与驱动电机相连接，驱动电机主轴上设有主动带轮；粉碎装置包括煤样罐和位于煤样罐内部的叶轮，煤样罐底部设有固定座，固定座内插设有转轴，转轴上部位于煤样罐内部，转轴下部位于煤样罐外部，转轴上部与叶轮通过键连接，转轴下部套设有从动带轮，从动带轮与转轴通过键连接，主动带轮与从动带轮之间通过皮带传动连接；气压装置包括气压表、三通阀门和截止阀，三通阀门的三个端口分别通过导气管与气压表、煤样罐和截止阀相连通；瓦斯解吸测量装置包括若干并联在一起的气体质量流量计，各气体质量流量计的量程互不相同，瓦斯解吸测量装置通过导气管与截止阀连通；电控装置与瓦斯解吸测量装置连接。
2.根据权利要求1所述的煤体破坏过程中瓦斯异常解吸特性试验装置，其特征在于：瓦斯解吸测量装置包括5个气体质量流量计，气体质量流量计的量程分别为：0-100ml/min、0-200ml/min、0-500ml/min、0-1000ml/min、0-5000ml/min。
3.根据权利要求1或2所述的煤体破坏过程中瓦斯异常解吸特性试验装置，其特征在于：电控装置采用计算机或单片机或PLC或集成电路。
4.根据权利要求1或2所述的煤体破坏过程中瓦斯异常解吸特性试验装置，其特征在于：转轴与固定座之间的连接处设有密封环。
5.采用权利要求2所述的煤体破坏过程中瓦斯异常解吸特性试验装置的试验方法，其特征在于依次包括以下步骤：
（1）试验前准备
在井下采掘工作面上钻取若干块状新鲜煤样，迅速将所取块状煤样进行严密封装后送至地面实验室；
（2）组装试验装置与气密性检测
称取定量块状煤样放入煤样罐内的叶轮上，将从动带轮与主动带轮通过皮带传动连接，将煤样罐、压力表、截止阀分别通过导气管与三通阀门的三个端口连通，截止阀通过导气管与瓦斯解吸测量装置连通，电控装置与瓦斯解吸测量装置连接，检测试验装置的气密性，确保试验装置的气密性良好，关闭截止阀，打开三通阀门，观察气压表的变化，并做好相应记录；
（3）瓦斯解吸试验
打开截止阀，开始解吸试验，同时启动电控装置，实时监测并记录瓦斯解吸数据，当气压表的读数为零时，启动驱动电机，调节调速器，使驱动电机的转速介于500-1000r/min之间，主动带轮通过皮带传动带动从动带轮转动，从而带动叶轮旋转，将煤样罐内的块状煤样粉碎成粒度较小的煤块，试验人员控制电控装置首先选取0-5000ml/min量程的气体质量流量计，待电控装置监测到瓦斯解吸量后，根据监测到的瓦斯解吸量，控制电控装置选择合适量程的气体质量流量计，在瓦斯解吸试验过程中，电控装置记录下瓦斯解吸量及瓦斯解吸速率，直到煤样中不再有瓦斯解吸出来，瓦斯经气体质量流量计后通过导气管排放到空气中；
（4）更换煤样
将煤样罐内粉碎后的煤样清理干净，重复上述（2）-（3）步骤，在第（3）步骤中调节调速器，使驱动电机的转速介于1000-2000r/min之间；待第（3）步骤结束后，再次将煤样罐内粉碎后的煤样清理干净，重复上述（2）-（3）步骤，在第（3）步骤中调节调速器，使驱动电机的转速介于1000-2000r/min之间；
（5）试验结束整理数据
导出瓦斯解吸试验数据，对比驱动电机分别在500-1000r/min、1000-2000r/min和2000-3000r/min转速范围内的瓦斯解吸量和瓦斯解吸速率。
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