CN105738248A - 煤样水分含量可控的瓦斯吸附解吸实验装置及其实验方法 - Google Patents

煤样水分含量可控的瓦斯吸附解吸实验装置及其实验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种煤样水分含量可控的瓦斯吸附解吸实验装置，包括充气系统、真空脱气系统、恒温系统、瓦斯吸附解吸测定系统以及煤样注水系统；同时，本发明还公开了一种煤样水分含量可控的瓦斯吸附解吸实验方法。该装置和方法通过煤样注水系统改变煤样的含水量来研究水分含量的变化对煤的瓦斯吸附解吸性能影响的变化规律，能较好的反应采取煤层注水和水力割缝措施前后煤体瓦斯吸附解吸性能的变化规律，既有助于治理矿井发生的煤与瓦斯突出灾害，又有助于进行更有效的瓦斯抽采，装置结构简单，操作方法简单，操作步骤简便，使用效果好。

Description

煤样水分含量可控的瓦斯吸附解吸实验装置及其实验方法
技术领域
本发明属于瓦斯实验技术领域，特别是涉及一种水分含量可控的实验室瓦斯吸附解吸实验装置及其实验方法。
背景技术
2014年我国煤炭产量达到38.7亿吨，接近世界产量一半。煤炭在我国的一次能源消费结构中，约占70％，预计2050年有所降低但仍将占50％。随着开采深度的增加，一部分浅部开采的矿井逐渐进行深部开采，非突出矿井变为突出矿井，虽然经过几十年的摸索，我国在治理矿井瓦斯灾害方面取得了一定的成绩，但矿井瓦斯事故仍然存在。2015年2月12日，山西省阳泉煤业集团一煤矿突发煤与瓦斯突出，造成3人死亡；2015年2月28日，江西省乐平矿务局涌山煤矿发生煤与瓦斯突出事故，造成4人死亡；2015年10月9日，上饶县枫岭头镇永吉煤矿发生一起局部瓦斯爆炸事故，10名矿工被困井下。为了治理瓦斯灾害，常用的措施是采用煤层注水抑制瓦斯的解吸、高压水力割缝促进瓦斯的解吸再结合瓦斯抽采技术等。
煤层注水抑制瓦斯解吸从而消除煤层突出危险性的作用机理如下：(1)填充煤的孔隙，降低煤的孔隙空间，减少瓦斯与煤接触的面积；(2)作为湿润剂，改变引起突出的因素和煤本身的物理力学性质和渗透性质；(3)弹性变形减少，塑形变形增加，工作面附近煤层的弹性潜能减少，应力集中区移向煤体深处。
高压水力割缝结合瓦斯抽采消除突出的作用机理如下：(1)增加煤体的暴露面积，为煤层内部卸压、瓦斯解吸流动创造条件，增大煤层的透气性；(2)煤体向缝槽空间膨胀，增加煤体中的裂隙，大大改善煤层中的瓦斯流动状态，为瓦斯抽放提供条件；(3)抽采瓦斯后，煤层的瓦斯含量降低，突出危险性降低。
对于煤的瓦斯吸附解吸研究主要是在实验室进行的，且研究的主要因素也主要集中在温度、压力、粒径、变质程度方面，而在水对煤的瓦斯吸附解吸性能方面的研究还较少，加上缺乏相应的实验研究装置，因此，所进行的实验不能较为真实的模拟现场煤层注水后实际的吸附解吸情况。从现在的吸附解吸实验装置来看，在注入外加水来改变实验煤样的水分含量和使进入煤样罐的水分均匀分布于煤样方面，国内有学者的做法是向煤样罐中注入水分之后，对煤样进行搅拌，使水分能均匀分布于煤体中，虽然这样可以加速水分与煤的混合均匀，但与现实情况不符，因为在搅拌的过程中会对整个煤样的吸附解吸状态和吸附解吸能力有影响，从而不能用于研究水分对煤的瓦斯吸附解吸的影响。。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明提供了一种除了能够满足常规的吸附解吸实验外，还可以针对同一实验煤样改变其水分含量又不影响其本身的吸附解吸性能的煤样水分含量可控的瓦斯吸附解吸实验装置。
同时，本发明还提供了一种煤样水分含量可控的瓦斯吸附解吸实验方法，该方法解决实验条件下难以真实的研究煤中水分含量对瓦斯吸附解吸规律影响的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：
煤样水分含量可控的瓦斯吸附解吸实验装置，包括充气系统、真空脱气系统、恒温系统、瓦斯吸附解吸测定系统以及煤样注水系统；
所述充气系统包括高压储气瓶和减压阀，所述高压储气瓶上的高压储气瓶阀与减压阀的进气口连接；
所述真空脱气系统包括真空泵、与真空泵相连的真空管、真空度传感器、高精度压力表Ⅰ和真空阀；所述减压阀的出气口与三通Ⅰ的一端口连接，所述三通Ⅰ的另外两个端口中的一个与真空阀的进气口连接，所述真空阀的出气口通过真空管与真空泵连接，所述真空度传感器的一端与真空管连接，真空度传感器的另一端与高精度压力表Ⅰ连接；
所述恒温系统包括恒温水浴箱；
所述瓦斯吸附解吸测定系统包括充气罐、充气罐截止阀、煤样罐、煤样罐截止阀、压力传感器Ⅰ、压力传感器Ⅱ、计算机、截止阀Ⅱ、稳流阀、排气阀和解吸测定仪；所述充气罐和煤样罐放置在恒温水浴箱中，所述三通Ⅰ的另外两个端口中的另一个与截止阀Ⅰ的一端连接，所述截止阀Ⅰ的另一端与三通Ⅱ的一端口连接，所述三通Ⅱ的另外两个端口中的一个与充气罐截止阀的一端连接，所述充气罐截止阀的另一端与充气罐连接，所述压力传感器Ⅰ的一端连接在充气罐截止阀与充气罐之间的管路上，所述压力传感器Ⅰ的另一端与计算机连接，所述三通Ⅱ的另外两个端口中的另一个与三通Ⅲ的一端连接，所述三通Ⅲ的另外两个端口中的一个与煤样罐截止阀的一端连接，所述煤样罐截止阀的另一端与三通Ⅳ的一端口连接，所述三通Ⅳ的另外两个端口中的一个与煤样罐连接，所述压力传感器Ⅱ的一端连接在三通Ⅳ的另外两个端口中的一个与煤样罐之间的管路上，所述压力传感器Ⅱ的另一端与计算机连接，所述三通Ⅲ的另外两个端口中的另一个与截止阀Ⅱ的一端连接，所述截止阀Ⅱ的另一端与三通Ⅴ的一端口连接，所述三通Ⅴ的另外两个端口中的一个与稳流阀的一端连接，所述三通Ⅴ的另外两个端口中的另一个与排气阀连接，所述稳流阀的另一端与解吸测定仪连接；
所述煤样注水系统包括平流泵、单向阀、高精度压力表Ⅱ、压力传感器Ⅲ和量筒，所述平流泵的一端与量筒连接，所述平流泵的另一端与单向阀的一端连接，所述单向阀的另一端与三通Ⅳ的另外两个端口中的另一个连接，所述压力传感器Ⅲ的一端连接在单向阀与平流泵之间的管路上，所述压力传感器Ⅲ的另一端与高精度压力表Ⅱ。
本发明提供的煤样水分含量可控的瓦斯吸附解吸实验方法，在该方法中采用了上述的煤样水分含量可控的瓦斯吸附解吸实验装置，该方法包括如下步骤：
1)煤样经过破碎、粉碎、过筛、烘干、配样过程制成实验所需煤样；
2)气密性检查，充气后若计算机采集到的充气罐和煤样罐的压力保持6h不变，则气密性好；
3)利用真空泵对瓦斯吸附解吸测定系统中的充气罐和煤样罐进行抽真空处理，然后充入氦气测定煤样体积Vs和自由空间体积Vf，测定结束后再次进行真空抽气；
4)利用充气系统向充气罐中充入一定压力的瓦斯气体，观察计算机上的压力读数，当显示压力达到预定压力时，关闭充气系统中的高压储气瓶阀、减压阀和截止阀Ⅰ，记录吸附前的压力值p1；然后打开连通充气罐的充气罐截止阀和连通煤样罐的煤样罐截止阀，使气体在煤样罐中充分吸附达到平衡，并记录吸附达到稳定时的压力值p2；
5)打开单向阀，启动平流泵，当与平流泵相连的高精度压力表Ⅱ显示的压力大于与煤样罐相连的计算机显示的压力时，量筒中的水通过单向阀进入煤样罐，观察量筒中的水位的刻度变化，根据实际需要情况关闭平流泵，然后将注水后的煤样罐静置6h以上，使水分均匀分布于煤样中；
6)打开煤样罐截止阀、截止阀Ⅱ和稳流阀，使煤样罐与解吸测定仪连通，进行煤样的解吸过程；
7)改变煤样罐中的水分含量只需关闭煤样罐截止阀重复步骤5)即可；
8)绘制等温吸附曲线图并进行实验分析。
与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：
1、煤样水分含量可控的瓦斯吸附解吸实验装置和实验方法解决实验条件下难以真实的研究煤中水分含量对瓦斯吸附解吸规律影响的问题。
2、煤样水分含量可控的瓦斯吸附解吸实验装置和实验方法除了能够满足常规的吸附解吸实验外，还可以针对同一实验煤样改变其水分含量又不影响其本身的吸附解吸性能。
3、本发明的装置和方法提供的煤样注水系统能够改变实验煤样的含水量来研究水分含量的变化对煤的瓦斯吸附解吸性能的变化规律，较好的反应采取煤层注水和水力割缝措施前后煤体瓦斯吸附解吸性能的变化规律，既有助于治理矿井发生的煤与瓦斯突出灾害，又有助于进行更有效的瓦斯抽采。装置结构简单，操作方法简单，操作步骤简便，使用效果好，有助于科研工作的进行。
附图说明
图1为煤样水分含量可控的瓦斯吸附解吸实验装置的结构示意图。
附图中：1—高压储气瓶；2—高压储气瓶阀；3—减压阀；4—三通Ⅰ；5—截止阀Ⅰ；6—三通Ⅱ；7—三通Ⅲ；8—截止阀Ⅱ；9—三通Ⅴ；10—稳流阀；11—解吸测定仪；12—排气阀；13—煤样罐截止阀；14—充气罐截止阀；15—压力传感器Ⅰ；16—三通Ⅳ；17—充气罐；18—煤样罐；19—单向阀；20—高精度压力表Ⅱ；21—压力传感器Ⅲ；22—平流泵；23—量筒；24—真空阀；25—高精度压力表Ⅰ；26—真空度传感器；27—真空泵；28—计算机；29—恒温水浴箱；30—压力传感器Ⅱ。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。
如图1所示，煤样水分含量可控的瓦斯吸附解吸实验装置包括充气系统、真空脱气系统、恒温系统、瓦斯吸附解吸测定系统以及煤样注水系统。
充气系统包括高压储气瓶1和减压阀3，高压储气瓶1上的高压储气瓶阀2与减压阀3的进气口连接，充气系统用于提供不同压力测试气体。
真空脱气系统包括真空泵27、与真空泵27相连的真空管、真空度传感器26、高精度压力表Ⅰ25和真空阀24。减压阀3的出气口与三通Ⅰ4的一端口连接，三通Ⅰ4的另外两个端口中的一个与真空阀24的进气口连接，真空阀24的出气口通过真空管与真空泵27连接，真空度传感器26的一端与真空管连接，真空度传感器26的另一端与高精度压力表Ⅰ25连接。真空脱气系统用于对整个吸附解吸系统进行抽真空脱气处理。
恒温系统包括恒温水浴箱29，在本实施例中，恒温系统还包括控制恒温水浴温度的恒温器以及整个吸附单元，恒温系统用于提供不同的实验模拟温度。
瓦斯吸附解吸测定系统用于测定煤样吸附的瓦斯量，瓦斯吸附解吸测定系统包括充气罐17、充气罐截止阀14、煤样罐18、煤样罐截止阀13、压力传感器Ⅰ15、压力传感器Ⅱ30、计算机28、截止阀Ⅱ8、稳流阀10、排气阀12和解吸测定仪11。充气罐17和煤样罐18放置在恒温水浴箱29中，三通Ⅰ4的另外两个端口中的另一个与截止阀Ⅰ5的一端连接，止阀Ⅰ5的另一端与三通Ⅱ6的一端口连接，三通Ⅱ6的另外两个端口中的一个与充气罐截止阀14的一端连接，充气罐截止阀14的另一端与充气罐17连接，压力传感器Ⅰ15的一端连接在充气罐截止阀14与充气罐17之间的管路上，压力传感器Ⅰ15的另一端与计算机28连接，三通Ⅱ6的另外两个端口中的另一个与三通Ⅲ7的一端连接，三通Ⅲ7的另外两个端口中的一个与煤样罐截止阀13的一端连接，煤样罐截止阀13的另一端与三通Ⅳ16的一端口连接，三通Ⅳ16的另外两个端口中的一个与煤样罐18连接，压力传感器Ⅱ30的一端连接在三通Ⅳ16的另外两个端口中的一个与煤样罐18之间的管路上，压力传感器Ⅱ30的另一端与计算机28连接，通过计算机28记录煤样罐18中的瓦斯压力，三通Ⅲ7的另外两个端口中的另一个与截止阀Ⅱ8的一端连接，截止阀Ⅱ8的另一端与三通Ⅴ9的一端口连接，三通Ⅴ9的另外两个端口中的一个与稳流阀10的一端连接，三通Ⅴ9的另外两个端口中的另一个与排气阀12连接，稳流阀10的另一端与解吸测定仪11连接。
煤样注水系统用于向煤样罐中注水，包括平流泵22、单向阀19、高精度压力表Ⅱ20、压力传感器Ⅲ21和量筒23。平流泵22的一端与量筒23连接，平流泵22的另一端与单向阀19的一端连接，单向阀19的另一端与三通Ⅳ16的另外两个端口中的另一个连接，压力传感器Ⅲ21的一端连接在单向阀19与平流泵22之间的管路上，压力传感器Ⅲ21的另一端与高精度压力表Ⅱ20。煤样注水系统提供溶液，可以是水，也可以是具有一定浓度的液体，可改变同一煤样的含水量。
煤样水分含量可控的瓦斯吸附解吸实验方法，在该方法中采用了煤样水分含量可控的瓦斯吸附解吸实验装置，该方法包括如下步骤：
1)煤样经过破碎、粉碎、过筛、烘干、配样过程制成实验所需煤样。
2)气密性检查，充气后若计算机28采集到的充气罐17和煤样罐18的压力保持6h不变，则气密性好。
3)利用真空泵27对瓦斯吸附解吸测定系统中的充气罐17和煤样罐18进行抽真空处理，然后充入氦气测定煤样体积Vs和自由空间体积Vf，测定结束后再次进行真空抽气。
4)利用充气系统向充气罐17中充入一定压力的瓦斯气体，观察计算机28上的压力读数，当显示压力达到预定压力时，关闭充气系统中的高压储气瓶阀2、减压阀3和截止阀Ⅰ5，记录吸附前的压力值p1；然后打开连通充气罐17的充气罐截止阀14和连通煤样罐18的煤样罐截止阀13，使气体在煤样罐18中充分吸附达到平衡，并记录吸附达到稳定时的压力值p2。
5)打开单向阀19，启动平流泵22，当与平流泵22相连的高精度压力表Ⅱ20显示的压力大于与煤样罐18相连的计算机28显示的压力时，量筒23中的水通过单向阀19进入煤样罐18，观察量筒23中的水位的刻度变化，根据实际需要情况关闭平流泵22，然后将注水后的煤样罐18静置6h以上，使水分均匀分布于煤样中。
6)打开煤样罐截止阀13、截止阀Ⅱ8和稳流阀10，使煤样罐18与解吸测定仪11连通，进行煤样的解吸过程。
7)改变煤样罐18中的水分含量只需关闭煤样罐截止阀13重复步骤5)即可。
8)绘制等温吸附曲线图并进行实验分析。
通过煤样注水系统改变煤样的含水量来研究水分含量的变化对煤的瓦斯吸附解吸性能影响的变化规律，能较好的反应采取煤层注水和水力割缝措施前后煤体瓦斯吸附解吸性能的变化规律，既有助于治理矿井发生的煤与瓦斯突出灾害，又有助于进行更有效的瓦斯抽采，装置结构简单、操作方法简单、操作步骤简便，使用效果好。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.煤样水分含量可控的瓦斯吸附解吸实验装置，其特征在于，包括充气系统、真空脱气系统、恒温系统、瓦斯吸附解吸测定系统以及煤样注水系统；
所述充气系统包括高压储气瓶(1)和减压阀(3)，所述高压储气瓶(1)上的高压储气瓶阀(2)与减压阀(3)的进气口连接；
所述真空脱气系统包括真空泵(27)、与真空泵(27)相连的真空管、真空度传感器(26)、高精度压力表Ⅰ(25)和真空阀(24)；所述减压阀(3)的出气口与三通Ⅰ(4)的一端口连接，所述三通Ⅰ(4)的另外两个端口中的一个与真空阀(24)的进气口连接，所述真空阀(24)的出气口通过真空管与真空泵(27)连接，所述真空度传感器(26)的一端与真空管连接，真空度传感器(26)的另一端与高精度压力表Ⅰ(25)连接；
所述恒温系统包括恒温水浴箱(29)；
所述瓦斯吸附解吸测定系统包括充气罐(17)、充气罐截止阀(14)、煤样罐(18)、煤样罐截止阀(13)、压力传感器Ⅰ(15)、压力传感器Ⅱ(30)、计算机(28)、截止阀Ⅱ(8)、稳流阀(10)、排气阀(12)和解吸测定仪(11)；所述充气罐(17)和煤样罐(18)放置在恒温水浴箱(29)中，所述三通Ⅰ(4)的另外两个端口中的另一个与截止阀Ⅰ(5)的一端连接，所述截止阀Ⅰ(5)的另一端与三通Ⅱ(6)的一端口连接，所述三通Ⅱ(6)的另外两个端口中的一个与充气罐截止阀(14)的一端连接，所述充气罐截止阀(14)的另一端与充气罐(17)连接，所述压力传感器Ⅰ(15)的一端连接在充气罐截止阀(14)与充气罐(17)之间的管路上，所述压力传感器Ⅰ(15)的另一端与计算机(28)连接，所述三通Ⅱ(6)的另外两个端口中的另一个与三通Ⅲ(7)的一端连接，所述三通Ⅲ(7)的另外两个端口中的一个与煤样罐截止阀(13)的一端连接，所述煤样罐截止阀(13)的另一端与三通Ⅳ(16)的一端口连接，所述三通Ⅳ(16)的另外两个端口中的一个与煤样罐(18)连接，所述压力传感器Ⅱ(30)的一端连接在三通Ⅳ(16)的另外两个端口中的一个与煤样罐(18)之间的管路上，所述压力传感器Ⅱ(30)的另一端与计算机(28)连接，所述三通Ⅲ(7)的另外两个端口中的另一个与截止阀Ⅱ(8)的一端连接，所述截止阀Ⅱ(8)的另一端与三通Ⅴ(9)的一端口连接，所述三通Ⅴ(9)的另外两个端口中的一个与稳流阀(10)的一端连接，所述三通Ⅴ(9)的另外两个端口中的另一个与排气阀(12)连接，所述稳流阀(10)的另一端与解吸测定仪(11)连接；
所述煤样注水系统包括平流泵(22)、单向阀(19)、高精度压力表Ⅱ(20)、压力传感器Ⅲ(21)和量筒(23)，所述平流泵(22)的一端与量筒(23)连接，所述平流泵(22)的另一端与单向阀(19)的一端连接，所述单向阀(19)的另一端与三通Ⅳ(16)的另外两个端口中的另一个连接，所述压力传感器Ⅲ(21)的一端连接在单向阀(19)与平流泵(22)之间的管路上，所述压力传感器Ⅲ(21)的另一端与高精度压力表Ⅱ(20)。
2.煤样水分含量可控的瓦斯吸附解吸实验方法，其特征在于，在该方法中采用了权利要求1所述的煤样水分含量可控的瓦斯吸附解吸实验装置，该方法包括如下步骤：
1)煤样经过破碎、粉碎、过筛、烘干、配样过程制成实验所需煤样；
2)气密性检查，充气后若计算机(28)采集到的充气罐(17)和煤样罐(18)的压力保持6h不变，则气密性好；
3)利用真空泵(27)对瓦斯吸附解吸测定系统中的充气罐(17)和煤样罐(18)进行抽真空处理，然后充入氦气测定煤样体积Vs和自由空间体积Vf，测定结束后再次进行真空抽气；
4)利用充气系统向充气罐(17)中充入一定压力的瓦斯气体，观察计算机(28)上的压力读数，当显示压力达到预定压力时，关闭充气系统中的高压储气瓶阀(2)、减压阀(3)和截止阀Ⅰ(5)，记录吸附前的压力值p1；然后打开连通充气罐(17)的充气罐截止阀(14)和连通煤样罐(18)的煤样罐截止阀(13)，使气体在煤样罐(18)中充分吸附达到平衡，并记录吸附达到稳定时的压力值p2；
5)打开单向阀(19)，启动平流泵(22)，当与平流泵(22)相连的高精度压力表Ⅱ(20)显示的压力大于与煤样罐(18)相连的计算机(28)显示的压力时，量筒(23)中的水通过单向阀(19)进入煤样罐(18)，观察量筒(23)中的水位的刻度变化，根据实际需要情况关闭平流泵(22)，然后将注水后的煤样罐(18)静置6h以上，使水分均匀分布于煤样中；
6)打开煤样罐截止阀(13)、截止阀Ⅱ(8)和稳流阀(10)，使煤样罐(18)与解吸测定仪(11)连通，进行煤样的解吸过程；
7)改变煤样罐(18)中的水分含量只需关闭煤样罐截止阀(13)重复步骤5)即可；
8)绘制等温吸附曲线图并进行实验分析。
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