CN105466806B - 一种动态钻屑变压解吸实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种动态钻屑变压解吸实验系统，包括高压气源模块、抽真空模块、动态钻屑模拟模块、变解吸压力控制模块、参数采集与测控模块，本发明通过动态钻屑模块对容器内钻屑进行扰动，以模拟煤矿井下压风取样测定煤层瓦斯含量时钻屑不同的运动状态；通过对变解吸压力控制模块来调整煤样瓦斯解吸环境压力，可实现解吸环境压力为正压、为压力随时间变化的函数，可研究钻屑不同运动状态和不同解吸环境压力下动态解吸特性，模拟煤矿井下压风取样进行煤层瓦斯含量测定时煤样解吸的真实状态，系统测控灵敏，在减少人为操作误差前提下，可实现以秒为单位计量解吸量，为完善压风排渣取样过程中瓦斯损失量计算模型，为提高瓦斯量测定精度提供理论依据。

Description

一种动态钻屑变压解吸实验系统

技术领域

本发明涉及一种动态钻屑变压解吸实验系统，属于煤矿瓦斯灾害防治领域，尤其涉及一种用于准确探究孔口压风取样测定煤层瓦斯含量时的动态钻屑瓦斯处于变解吸环境压力下的解吸规律实验系统。

背景技术

瓦斯解吸特性的研究是进行瓦斯灾害防治研究的重要内容，通过开展钻屑中瓦斯解吸特性研究，掌握不同条件下的瓦斯解吸规律，可为有效进行瓦斯灾害防治提供理论依据。

瓦斯灾害防治工程实践过程中，瓦斯含量是关键技术指标之一，其测定多采用煤矿井下瓦斯含量直接测定法，取样时多采用压风孔口接样法。取样过程中伴随瓦斯变正压解吸且钻屑呈动态运动状态，但是现有的瓦斯含量测定过程中的瓦斯损失量的测算均以静态的钻屑解吸特性代替动态的钻屑解吸特性；同时用常压下的解吸特性表征或者是反推变压下的瓦斯解吸特性，客观上存在较大偏差。

实验室开展有关钻屑中瓦斯解吸实验研究在解吸环境压力及钻屑的状态上多设定为常压静态为主。随着研究的深入，解吸环境压力为大于常压的某一值及机械振动对钻屑的扰动影响下解吸规律的研究已有报道。

中国专利，专利号为CN102419295B，发明名称为“受载煤岩恒压瓦斯吸附解吸实验系统和方法”提供了一种可以提供解吸环境压力为恒定值的方案，但是该实验系统存在以下不足：①通过重力恒气压装置的运动实现对解吸环境压力从0～2个大气压压力的恒定控制，随着瓦斯解吸量的增加，测控系统的稳定性较差；②解吸环境压力只能设定为某一恒定值，无法实现在整个瓦斯解吸实验过程中，解吸环境压力按照某一规律变化的动态控制进而研究动态钻屑变压解吸规律。中国专利，专利号为CN202101920U，发明名称为“研究机械振动对煤样吸附解吸性能影响的试验装置”提供了一种用于研究外加机械扰动对钻屑解吸规律影响的实验装置，但是该机械扰动通过对装满钻屑的煤样罐施加低频振动实现，颗粒之间的空隙逐步被密实，颗粒运动的空间逐步缩小，不符合排渣时钻屑与气形成的气固两相的剧烈紊流状态。

因此，为了更加真实、全面的展开对煤矿井下压风孔口取样测定煤层瓦斯含量时动态钻屑瓦斯解吸特性的研究，实有必要提出一套设计科学、计量准确、功能完善的动态钻屑变压解吸实验系统，以准确掌握动态钻屑瓦斯解吸规律，为修正现有瓦斯损失量计算模型提供依据。

发明内容

本发明提供的一种动态钻屑变压解吸实验系统，通过动态钻屑模块进行对容器内的钻屑进行搅动，以模拟压风取样时钻屑的不同运动状态；并通过解吸环境压力模块来调整设定解吸环境压力，其中压力可为恒正、可为压力随时间变化的函数。

本发明是通过以下技术方案来实现的：一种动态钻屑变压解吸实验系统，其包括高压气源模块、抽真空模块、动态钻屑模拟模块、变解吸压力控制模块、参数采集与测控模块；其特征在于，所述的高压气源模块包括依次串联的高压气源、气体减压阀及精密压力表；

所述抽真空模块包括真空泵；所述真空泵、气体减压阀和阀门一采用三通一相连接；

所述动态钻屑模拟模块包括电磁调速电机、吸附容器和搅拌桨，其中，所述电磁调速电机的输出端与搅拌桨相连，所述吸附容器外围设有电热圈加热层，所述吸附容器的上端设置有上端盖，所述吸附容器的下端设置有下端盖，所述吸附容器上端盖上设置有四个出口，所述电磁调速电机穿过所述吸附容器上端盖的其中一个出口伸入所述吸附容器内，以便使所述电磁调速电机的输出端连接所述搅拌桨，所述搅拌桨的尺寸小于吸附容器腔室的尺寸5mm，所述吸附容器与所述阀门一连接；

所述变解吸压力控制模块包括PLC控制器、数据采集与显示平台、压力传感器二、电磁阀、维压容器、活塞、丝杆及伺服电机；所述维压容器上端部设有三个出口，所述压力传感器二的一接口接入到所述维压容器三个出口的一个出口上，所述压力传感器二的另一接口与PLC控制器的一个接口相连，所述PLC控制器的另一接口与所述数据采集与显示平台相连，所述电磁阀的一接口接入到维压容器，所述电磁阀的另一接口排空；所述活塞与所述丝杆连接置于所述维压容器内，所述伺服电机带动丝杆运动；

所述参数采集与测控模块包括压力传感器一、压力传感器二、温度传感器、电磁阀一、电磁阀二、电磁阀三、电磁阀四、电磁阀五、气体质量流量计一、气体质量流量计二和气体质量流量计三，所述压力传感器一和所述温度传感器并联后的一个接口通过快速接头接入所述吸附容器的一个出口上，所述压力传感器一和所述温度传感器并联后的另一接口接入到参数采集与显示平台，电磁阀一及三通三的一个接口分别接入三通二的两个出口上，所述三通二的另一个出口与所述吸附容器通过阀门二相连，三通三的另两端分别与电磁阀三、三通四的一端连接，三通四的另两端与电磁阀二及电磁阀四相连，电磁阀散与气体质量流量计一连接，电磁阀二与气体质量流量计二连接，电磁阀四与气体质量流量计三连接，气体质量流量计二与气体质量流量计三分别接入三通五的两个出口，三通六的三个出口分别接入气体质量流量计一、三通五及维压容器；所述气体质量流量计一、气体质量流量计二、气体质量流量计三的数据输出端均接入参数采集与显示平台，所述电磁阀一、电磁阀二、电磁阀三、电磁阀四、电磁阀五的控制线均与PLC控制器连接。

进一步，作为优选，所述吸附容器的容积不小于1.5L，长度不大于300mm；耐压不低于10MPa；所述吸附容器外部设置有电热圈加热层，温控范围为室温-100℃，温控精度为±0.5℃。

进一步，作为优选，所述电磁调速电机的调速范围为0r/min-1250r/min。

进一步，作为优选，所述压力传感器一和压力传感器二的测量范围分别为-100kPa～6MPa、-100kPa～2MPa；测量精度均为±0.3％FS；分辨率均为0.1％FS；输入电压均为24VDC；输出均电流为4～20mA；工作环境温度均在-30℃～+50℃；介质温度均为室温～100℃；频响均不小于10次/秒。

进一步，作为优选，所述PLC控制器的存储量不低于64kB的RAM存储；控制规模为包括CC-LINK I/O的16～384点；具备内置独立3轴100kHz的晶体管输出型定位功能；PLC的基本单元左侧均连接适配器；内置的编程口达到不低于115.2kbps的高速通信，且同时使用3个通信口；通过CC-Link网络的扩展实现最高包括远程I/O在内的84点的控制；且能进行软件的监控、测试、时钟的设定。

进一步，作为优选，所述气体质量流量计一、气体质量流量计二及气体质量流量计三的量程范围分别依次为100ml/min、500ml/min、10000ml/min。

进一步，作为优选，所述电磁阀一、电磁阀二、电磁阀三、电磁阀四、电磁阀五的耐压值均为10MPa。

本发明的有益效果在于：

(1)、本发明设计科学：为了解决现有瓦斯解吸实验与工程实际应用之间的脱离问题，即通过在原有的解吸实验系统基础之上添加动态钻屑模拟模块及变解吸压力控制模块等装置改变原有的静态钻屑为动态钻屑及常压(一个大气压)解吸为变压解吸来更加真实地模拟煤矿井下压风取样测定瓦斯含量过程，提高测定准确度；

(2)、功能全面：该系统模块化组装，通过该实验系统可以研究动态钻屑在解吸环境压力为恒正压/变正压下的解吸实验，同时，为了进一步的模拟钻头切削煤壁破煤使钻屑升温的过程，添加了温控模块，可通过不同的组合以实现多种情况下的瓦斯解吸实验，功能完善，用途多样。

(3)计量精度高：为减少人为操作带来的误差，实验系统内阀门控件多采用电磁阀对实验过程中管路及测量元件实施切换；解吸气体量由多个不同量程的气体质量流量计进行计量以减少采用排水集气法引起的测量误差。

(4)便于推广：瓦斯解吸规律的研究一直是进行煤矿瓦斯灾害防治的重要基础内容，为此，许多科研单位也在进行一系列的瓦斯解吸规律研究，鉴于动态钻屑变压解吸实验系统具有设计科学、功能完善、计量精度高的特点，十分有利于推广。

总之，本发明的动态钻屑变压解吸实验系统可以研究钻屑不同运动状态和不同解吸环境压力下的动态解吸特性，模拟煤矿井下钻孔取样进行煤层瓦斯含量及钻屑解吸指标测定的真实状态，系统自动化数据采集、测控灵敏，在减少人为操作误差的前提下，可实现以秒为计时单位的解吸量，提高实验室钻屑解吸指标及瓦斯含量测定精确度。

附图说明

图1是本发明的一种动态钻屑变压解吸实验系统的结构示意图；

其中，1-高压气源；2-气体减压阀；3-压力表；4-真空泵；5-三通一；6、阀门一，10-阀门二；7-电磁调速电机；8-压力传感器一，9-温度传感器，10-阀门二；11-上端盖；12-吸附容器；13-搅拌桨；14-电热圈加热层；15-煤屑；16-下端盖；17-三通二，18-电磁阀一，19-三通三，20-三通四，21-电磁阀二，22-电磁阀三，23-电磁阀四，24-气体质量流量计，25-气体质量流量计，26-气体质量流量计，27-三通五，28-三通六；29-PLC控制器；30-参数采集与显示平台；31-压力传感器二；32-电磁阀五，33-维压容器；34-活塞；35-丝杆；36-伺服电机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供了一种动态钻屑变压解吸实验系统，其包括高压气源模块、抽真空模块、动态钻屑模拟模块、变解吸压力控制模块、参数采集与测控模块；其特征在于，所述的高压气源模块包括依次串联的高压气源1、气体减压阀2及精密压力表3；

所述抽真空模块包括真空泵4；所述真空泵4、气体减压阀2和阀门一采用三通一5相连接；

所述动态钻屑模拟模块包括电磁调速电机7、吸附容器12和搅拌桨13，其中，所述电磁调速电机7的输出端与搅拌桨13相连，所述吸附容器12外围设有电热圈加热层14，所述吸附容器的上端设置有上端盖11，所述吸附容器的下端设置有下端盖16，所述吸附容器上端盖11上设置有四个出口，所述电磁调速电机7穿过所述吸附容器上端盖11的其中一个出口伸入所述吸附容器12内，以便使所述电磁调速电机7的输出端连接所述搅拌桨13，所述搅拌桨13的尺寸小于吸附容器12腔室的尺寸5mm，所述吸附容器与所述阀门一连接；

所述变解吸压力控制模块包括PLC控制器29、数据采集与显示平台30、压力传感器二31、电磁阀32、维压容器33、活塞34、丝杆35及伺服电机36；所述维压容器33上端部设有三个出口，所述压力传感器二31的一接口接入到所述维压容器33三个出口的一个出口上，所述压力传感器二31的另一接口与PLC控制器29的一个接口相连，所述PLC控制器29的另一接口与所述数据采集与显示平台30相连，所述电磁阀32的一接口接入到维压容器33，所述电磁阀32的另一接口排空；所述活塞34与所述丝杆35连接置于所述维压容器33内，所述伺服电机36带动丝杆35运动；

所述参数采集与测控模块包括压力传感器一8、压力传感器二31、温度传感器9、电磁阀一18、电磁阀二21、电磁阀三22、电磁阀四23、电磁阀五32、气体质量流量计一24、气体质量流量计二25和气体质量流量计三26，所述压力传感器一8和所述温度传感器9并联后的一个接口通过快速接头接入所述吸附容器12的一个出口上，所述压力传感器一8和所述温度传感器9并联后的另一接口接入到参数采集与显示平台30，电磁阀一18及三通三19的一个接口分别接入三通二17的两个出口上，所述三通二17的另一个出口与所述吸附容器12通过阀门二10相连，三通三19的另两端分别与电磁阀三22、三通四20的一端连接，三通四20的另两端与电磁阀二21及电磁阀四23相连，电磁阀散22与气体质量流量计一24连接，电磁阀二21与气体质量流量计二25连接，电磁阀四23与气体质量流量计三26连接，气体质量流量计二25与气体质量流量计三26分别接入三通五27的两个出口，三通六28的三个出口分别接入气体质量流量计一24、三通五27及维压容器33；所述气体质量流量计一24、气体质量流量计二25、气体质量流量计三26的数据输出端均接入参数采集与显示平台30，所述电磁阀一18、电磁阀二21、电磁阀三22、电磁阀四23、电磁阀五32的控制线均与PLC控制器29连接。

在本实施例中，所述吸附容器12的容积不小于1.5L，长度不大于300mm；耐压不低于10MPa；所述吸附容器12外部设置有电热圈加热层14，温控范围为室温-100℃，温控精度为±0.5℃。其中，所述电磁调速电机的调速范围为0r/min-1250r/min。

另外，所述压力传感器一8和压力传感器二31的测量范围分别为-100kPa～6MPa、-100kPa～2MPa；测量精度均为±0.3％FS；分辨率均为0.1％FS；输入电压均为24VDC；输出均电流为4～20mA；工作环境温度均在-30℃～+50℃；介质温度均为室温～100℃；频响均不小于10次/秒。

在本实施例中，对于PLC控制器，所述PLC控制器29的存储量不低于64kB的RAM存储；控制规模为包括CC-LINK I/O的16～384点；具备内置独立3轴100kHz的晶体管输出型定位功能；基本单元左侧均连接适配器；内置的编程口达到不低于115.2kbps的高速通信，且同时使用3个通信口；通过CC-Link网络的扩展实现最高包括远程I/O在内的84点的控制；且能进行软件的监控、测试、时钟的设定。

同时，所述气体质量流量计一24、气体质量流量计二25及气体质量流量计三26的量程范围分别依次为100ml/min、500ml/min、10000ml/min。所述电磁阀一、电磁阀二、电磁阀三、电磁阀四、电磁阀五的耐压值均为10MPa。

本发明的工作原理如下：

本发明实施的关键在于实现钻屑不同运动形式的模拟及解吸环境压力为恒正及变正压的设定。具体是通过如下方式实现的：

①气密性检查。参照附图对实验系统进行连接，打开下端盖16并装入适量钻屑15，检查气密性。

②预设解吸环境压力。启动变解吸压力控制模块并使活塞34运至维压容器33顶部；后，调整伺服电机36转速为2800r/min并移动活塞34下移运行5s后停止运行；关闭电磁阀一18、电磁阀32，打开阀门一6、阀门二10、电磁阀二21、电磁阀三22、电磁阀四23；旋转三通阀一5，接入抽真空模块，切断高压气源模块，系统抽真空至100kPa；后，旋转三通一5，接入高压气源模块切断抽真空模块，对系统迅速充气，使压力传感器一、压力传感器二31同时为某一正压值P(该值为目标压力初始值)；后，关闭电磁阀二21、电磁阀三22、电磁阀四23，吸附容器12内煤样进行吸附平衡；同时对PLC控制器31设定实验所需压力与时间的变化函数(当变化函数为常函数时对应着恒正压，为压力随时间变化的函数时对应变正压)。

③动态钻屑模拟。待吸附平衡达到目标压力值后，旋转三通一5切断抽真空模块及高压气源模块并设定电磁调速电机7转速；开始解吸时，迅速打开电磁调速电机7使搅拌桨13以设定转速运动。

④系统环境压力形成与维持。随着瓦斯解吸的不断进行，系统内瓦斯压力将发生波动。根据事先在PLC控制器29输入的压力随时间变化函数关系，维压容器33内的压力变化将会被压力传感器二31感应并反馈至PLC控制器29，PLC控制器29则根据压力变化特性对伺服电机36发出指令，使丝杆35带动活塞34在维压容器33内运动以实现对系统内环境压力波动的调整。

该系统通过电磁调速电机7配合搅拌桨13以模拟煤样的不同运动状态，通过变解吸压力控制模块将解吸环境压力设为恒正压，恒变压等状态，共同完成对处于不同运动状态和不同解吸环境压力下的动态钻屑解吸特性研究，模拟煤矿井下孔口取样进行煤层瓦斯含量测定时煤样解吸特性，提高实验室瓦斯含量测定精确度。使用过程中采用可视化操作与自动化数据采集计量分析，减少人为因素，提高实验精度。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种动态钻屑变压解吸实验系统，其包括高压气源模块、抽真空模块、动态钻屑模拟模块、变解吸压力控制模块、参数采集与测控模块；其特征在于，所述的高压气源模块包括依次串联的高压气源、气体减压阀及精密压力表；

所述抽真空模块包括真空泵；所述真空泵、气体减压阀和阀门一采用三通一相连接；

所述动态钻屑模拟模块包括电磁调速电机、吸附容器和搅拌桨，其中，所述电磁调速电机的输出端与搅拌桨相连，所述吸附容器外围设有电热圈加热层，所述吸附容器的上端设置有上端盖，所述吸附容器的下端设置有下端盖，所述吸附容器上端盖上设置有四个出口，所述电磁调速电机穿过所述吸附容器上端盖的其中一个出口伸入所述吸附容器内，以便使所述电磁调速电机的输出端连接所述搅拌桨，所述搅拌桨的尺寸比吸附容器腔室的尺寸小5mm，所述吸附容器与所述阀门一连接；

所述变解吸压力控制模块包括PLC控制器、数据采集与显示平台、压力传感器二、电磁阀、维压容器、活塞、丝杆及伺服电机；所述维压容器上端部设有三个出口，所述压力传感器二的一接口接入到所述维压容器三个出口的一个出口上，所述压力传感器二的另一接口与PLC控制器的一个接口相连，所述PLC控制器的另一接口与所述数据采集与显示平台相连，所述电磁阀的一接口接入到维压容器，所述电磁阀的另一接口排空；所述活塞与所述丝杆连接置于所述维压容器内，所述伺服电机带动丝杆运动；

所述参数采集与测控模块包括压力传感器一、压力传感器二、温度传感器、电磁阀一、电磁阀二、电磁阀三、电磁阀四、电磁阀五、气体质量流量计一、气体质量流量计二和气体质量流量计三，所述压力传感器一和所述温度传感器并联后的一个接口通过快速接头接入所述吸附容器的一个出口上，所述压力传感器一和所述温度传感器并联后的另一接口接入到参数采集与显示平台，电磁阀一及三通三的一个接口分别接入三通二的两个出口上，所述三通二的另一个出口与所述吸附容器通过阀门二相连，三通三的另两端分别与电磁阀三、三通四的一端连接，三通四的另两端与电磁阀二及电磁阀四相连，电磁阀三与气体质量流量计一连接，电磁阀二与气体质量流量计二连接，电磁阀四与气体质量流量计三连接，气体质量流量计二与气体质量流量计三分别接入三通五的两个出口，三通六的三个出口分别接入气体质量流量计一、三通五及维压容器；所述气体质量流量计一、气体质量流量计二、气体质量流量计三的数据输出端均接入参数采集与显示平台，所述电磁阀一、电磁阀二、电磁阀三、电磁阀四、电磁阀五的控制线均与PLC控制器连接；所述气体质量流量计一、气体质量流量计二及气体质量流量计三的量程范围分别依次为100ml/min、500ml/min、10000ml/min；所述电磁阀一、电磁阀二、电磁阀三、电磁阀四、电磁阀五的耐压值均为10MPa。

2.根据权利要求1所述的一种动态钻屑变压解吸实验系统，其特征在于，所述吸附容器的容积不小于1.5L，长度不大于300mm；耐压不低于10MPa；所述吸附容器外部设置有电热圈加热层，温控范围为室温-100℃，温控精度为±0.5℃。

3.根据权利要求1所述的一种动态钻屑变压解吸实验系统，其特征在于，所述电磁调速电机的调速范围为0r/min-1250r/min。

4.根据权利要求1所述的一种动态钻屑变压解吸实验系统，其特征在于，所述压力传感器一和压力传感器二的测量范围分别为-100kPa～6MPa、-100kPa～2MPa；测量精度均为±0.3％FS；分辨率均为0.1％FS；输入电压均为24VDC；输出均电流为4～20mA；工作环境温度均在-30℃～+50℃；介质温度均为室温～100℃；频响均不小于10次/秒。

5.根据权利要求1所述的一种动态钻屑变压解吸实验系统，其特征在于，所述PLC控制器的存储器为存储量不低于64kB的RAM存储器；控制规模为包括CC-LINK I/O的16～384点；具备内置独立3轴100kHz的晶体管输出型定位功能；PLC的基本单元左侧均连接适配器；内置的编程口达到不低于115.2kbps的高速通信，且同时使用3个通信口；通过CC-Link网络的扩展实现最高包括远程I/O在内的84点的控制；且能进行软件的监控、测试、时钟的设定。