CN105891045A - 一种含瓦斯煤等压加水的方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含瓦斯煤等压加水方法与装置，适用于含瓦斯煤在水分单因素影响下的吸附‑解吸规律及渗吸置换效应模拟测试研究。所述装置通过定制玻璃瓶、蜡封和密封胶实现对液态蒸馏水的密封并与实验煤样一起提前预置于密闭煤样罐内，不影响对实验煤样抽真空及吸附平衡；需要水分进入含瓦斯煤时，只需向下旋转密闭煤样罐顶部的旋转针阀，针阀向下运动挤压玻璃瓶，瓶底受到挤压而破碎，水分溢出，从而实现了含瓦斯煤等压加水。本发明简单易行，有效解决了高压注水中注水压力破裂煤体、高压水驱替及注入水体积对实验系统的影响与干扰，为单独研究水分单因素作用下含瓦斯煤的吸附‑解吸规律及渗吸置换效应创造了条件。

Description

一种含瓦斯煤等压加水的方法与装置

技术领域

本发明属于煤矿安全技术领域，涉及一种含瓦斯煤等压加水的方法与装置，尤其适用于模拟测试水分单因素影响下的含瓦斯煤吸附-解吸特性及渗吸置换效应实验研究。

背景技术

水分对含瓦斯煤解吸影响规律研究方面，诸多学者研究发现水力化措施实施后残留于煤体内部细微孔隙的水分会抑制瓦斯解吸，减少瓦斯解吸量，降低瓦斯解吸初速度，然而，对于水力化措施实施过程中水分对煤层吸附瓦斯解吸影响方面的研究开展较少，有待于进一步深入研究。事实上，煤对水的吸附能力远大于煤对瓦斯的吸附能力，伴随着水分进入含瓦斯煤，必将与处于吸附态的瓦斯展开激烈的竞争吸附，从而置换出处于吸附态的瓦斯，促进煤层吸附瓦斯解吸。水分对含瓦斯煤解吸特性的影响体现在两个方面，一是水分渗吸进入含瓦斯煤过程中产生的置换效应促进煤层吸附瓦斯解吸，二是进入到煤体内部细微孔隙的水分封堵瓦斯解吸的通道，在含瓦斯煤体卸压后起到抑制瓦斯解吸的作用。

水力化措施作为一种综合性防突措施在煤矿安全生产中应用广泛，然而目前人们对水力化措施的防突作用机理认识不清，尤其是在水力化措施影响下的煤体裂隙生成及扩展规律、含瓦斯煤的瓦斯解吸及运移规律等方面缺乏定量准确的研究数据，阻碍了该项技术的进一步发展与应用。

水力化措施的实施对原始煤层的改造体现在高压水破裂煤体使得煤层卸压增透、高压水驱替游离瓦斯、水分改变煤体物理力学性质以及水分对含瓦斯煤解吸特性影响等多个方面，在工程实践过程中上述作用同时发生，无法定量区分。因此，水分单因素影响下的含瓦斯煤解吸规律及渗吸置换效应研究对于认清水力化措施的防突作用机理意义重大，也是亟待深入研究的方向。

程远平的“外加水分对含瓦斯煤体解吸特性的测试装置及方法（专利号：CN 102053141 A）”、肖知国的“一种煤层注水抑制瓦斯解吸效应的模拟测试方法及装置（专利号：CN 103776979 A）”，都是针对颗粒煤在高压注水条件下研究水分对含瓦斯煤解吸特性的影响，颗粒煤离散性较强，与井下赋存实际煤体差别较大，且上述两项专利均采用在煤样吸附平衡后通过高压注水方式注入外加水分，在此条件下，注水压力、注入水体积都会打破吸附罐内原有的吸附平衡状态，造成吸附罐内压力升高，从而对实验结果带来影响和干扰，无法准确得知水分单因素影响下含瓦斯煤的解吸规律。此外，有学者通过内置外液联动装置实现水分依靠自身重力进入含瓦斯煤，但该装置密闭不严，影响对实验煤样抽真空及煤样吸附平衡。

因此，有必要建立一种含瓦斯煤等压加水的方法及装置，确保水分在煤样抽真空及吸附平衡后等压进入含瓦斯煤，有效排除注水压力及注入水体积对实验的影响与干扰，为含瓦斯煤在水分单因素影响下的置换效应和抑制解吸效应研究创造条件，以期深入认识水力化措施的防突作用机理，从而为提高水力化措施的防突作用效果提供理论依据。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、测试方法简单易行的含瓦斯煤等压加水方法及装置，为含瓦斯煤在水分单因素影响下的吸附-解吸特性模拟测试研究创造条件，以期深入认识水力化措施的防突作用机理，从而为提高水力化措施的防突作用效果提供理论依据。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种含瓦斯煤等压加水的方法与装置，由罐体和罐盖两部分组成，罐体的对接边沿上设置密封圈并通过螺纹与罐盖连接；罐体内部放置型煤，型煤中心有预留孔洞，预留孔洞底部放置微凸起的圆柱体铁块，铁块上放置密闭的储水玻璃瓶；罐盖上设置有两个接口，其中一个接口连接压力传感器，另一个接口安装可旋转针阀，可旋转针阀旁侧设置有进/出气口。

一种含瓦斯煤等压加水方法，该方法利用含瓦斯煤等压加水装置按照如下步骤进行：

型煤制备：将新鲜煤样筛分至不同粒度，按照一定的比例混合均匀后加入适量的水，在恒定的压力下加工制作成中心有孔洞的特制型煤，置于红外干燥箱中在105℃条件下干燥处理，直至型煤恒重为止；

水样制备：依据干燥型煤质量和实验拟定含水率，将一定质量的蒸馏水装入定制的玻璃瓶中，若玻璃瓶装入蒸馏水后仍有剩余体积，采用蜡封方式使液态石蜡占据全部剩余体积，待液态石蜡凝固后，用胶密封玻璃瓶；

实验样品装罐：先将上部微凸起的圆柱体铁块放置于型煤底部，微凸起的部分朝上，然后将其整体装入煤样罐，之后将储水玻璃瓶缓慢装入型煤中心孔洞，使玻璃瓶底接触铁块的微凸起部分，然后密封煤样罐；

煤样吸附平衡：煤样罐密封后，对煤样抽真空至10Pa以下，然后向煤样罐内注入99.99%的高纯度甲烷气体，使煤样吸附平衡，以模拟井下煤层实际赋存状态；

含瓦斯煤等压加水：煤样吸附平衡后，向下旋转密闭煤样罐顶部的旋转针阀，针阀向下运动挤压玻璃瓶，由于玻璃瓶底提前预置微凸起的圆柱体铁块，瓶底受到挤压而破碎，从而实现水分等压进入含瓦斯煤。

本发明提供了一种含瓦斯煤等压加水方法与装置，将密封好的储水玻璃瓶提前放置于特制煤样罐内，待煤样吸附平衡后通过旋转针阀挤碎玻璃瓶，从而实现了含瓦斯煤等压加水。与现有技术相比，解决了高压注水过程中注水压力破裂煤体、高压水驱替及注入水体积对实验系统的影响与干扰，为深入研究水分单因素作用下含瓦斯煤的吸附-解吸规律及水分对含瓦斯煤的渗吸置换效应创造了条件，有助于深入认识水力化措施的防突作用机理，从而为更好地进行煤与瓦斯突出防治提供依据。

附图说明

图1 为本发明一种含瓦斯煤等压加水的方法与装置的结构示意图。

具体实施方式

附图所示，本发明所述的一种含瓦斯煤等压加水的方法与装置是一个特制煤样罐，由罐体1和罐盖2两部分组成，二者之间通过螺纹以及所述罐体1与罐盖2对接边沿上的密封圈11实现密封功能；所述罐体内部放置型煤3，型煤整体规格为Φ50mm×80mm，型煤3中心有预留孔洞，中心孔洞的规格为Φ22mm×80mm，孔洞底部放置微凸起的圆柱体铁块4，用于针阀向下旋进时从底部挤压玻璃瓶底，从而造成玻璃瓶底破碎，水分溢出，其尺寸与型煤中心孔洞规格相吻合，铁块4上放置密闭的储水玻璃瓶5，内径为20mm，高度为60mm，瓶壁厚度为1mm，储水玻璃瓶5中预先装入蒸馏水6并且通过蜡封7占据剩余自由体积，所述储水玻璃瓶一方面用于储存液态水，为后续的等压加水提供水源，另一方面在于型煤吸附平衡前密封液态水，以消除水分对煤样抽真空及吸附平衡造成影响；所述罐盖设有两个接口，所述接口一个用于连接压力传感器8，所述压力传感器8用于监测煤样的吸附平衡压力及水分等压加入含瓦斯煤后置换吸附瓦斯过程中密闭煤样罐内的压力变化，另一个接口用于安装可旋转针阀9，用于旋进挤压储水玻璃瓶，使得玻璃瓶体破碎，实现含瓦斯煤等压加水，同时兼做瓦斯吸附平衡时的进气口和瓦斯解吸出口。

利用上述含瓦斯煤等压加水装置进行等压加水实验，具体按照如下步骤进行：

a.型煤制备：将采集到的原煤在粉碎机上粉碎后，采用0.25mm和0.5mm的组合筛分别筛选出0.25mm～0.5mm和0.25mm以下两种粒度的煤粉，按1:2的比例混合均匀后加入适量的水，在压力机上以恒定80KN的压力下压制1h制作成中心有孔洞的特制型煤，型煤规格为Φ50mm×80mm，中心孔洞尺寸为Φ22mm×80mm，制备完成后将型煤置于红外干燥箱内，在105℃条件下干燥至型煤恒重为止；

b.水样制备：依据干燥型煤质量和实验拟定含水率将一定质量的蒸馏水装入定制的玻璃瓶中，若玻璃瓶装入蒸馏水后仍有部分剩余空间，采用蜡封方式使液态石蜡占据剩余空间，以消除这部分体积对实验带来的干扰，待液态蜡凝固后，采用A-B胶密封玻璃瓶；

c.实验样品装罐：先将上部微凸起的圆柱体铁块放置于型煤底部，微凸起的部分朝上，然后将其整体装入煤样罐，之后将储水玻璃瓶缓慢装入型煤中心孔洞，使玻璃瓶底接触铁块的微凸起部分，然后密封煤样罐；

d.煤样吸附平衡：煤样罐密封后，对煤样抽真空至10Pa以下，然后向煤样罐内注入99.99%的高纯度甲烷气体，使煤样达到拟订吸附平衡压力，以模拟井下煤层实际赋存状态；

e.含瓦斯煤等压加水：煤样吸附平衡后，向下旋转密闭煤样罐顶部的旋转针阀，针阀向下运动挤压玻璃瓶，由于玻璃瓶底提前预置微凸起的圆柱体铁块，瓶底受到挤压而破碎，从而实现水分等压进入含瓦斯煤。

Claims (2)

1.一种含瓦斯煤等压加水的方法与装置，其特征在于，由罐体（1）和罐盖（2）两部分组成，罐体（1）的对接边沿上设置有密封圈（11）并通过螺纹与罐盖（2）连接；罐体内部放置型煤（3），型煤（3）中心有预留孔洞，孔洞底部放置微凸起的圆柱体铁块（4），铁块（4）上放置密闭的储水玻璃瓶（5）；罐盖（2）设置有两个接口，其中一个接口连接压力传感器（8），另一个接口安装可旋转针阀（9），可旋转针阀（9）旁侧设置有进/出气口（10）。

2.一种含瓦斯煤等压加水方法，其特征在于，该方法利用含瓦斯煤等压加水装置按照如下步骤进行：

型煤制备：将采集到的新鲜煤样筛分至不同的粒度，按照一定的配比混合均匀后加入适量的水，在恒定的压力下加工制作成中心预留有孔洞的特制型煤，置于红外干燥箱中在105℃条件下干燥处理，直至型煤恒重为止；

水样制备：依据干燥型煤质量和实验拟定含水率，将一定质量的蒸馏水装入定制的玻璃瓶中，若玻璃瓶装入蒸馏水后仍有剩余体积，采用蜡封方式使液态石蜡占据全部剩余体积，待液态石蜡凝固后，用胶密封玻璃瓶；

实验样品装罐：先将上部微凸起的圆柱体铁块放置于型煤底部，微凸起的部分朝上，然后将其整体装入煤样罐，之后将储水玻璃瓶缓慢装入型煤中心孔洞，使玻璃瓶底接触铁块的微凸起部分，然后密封煤样罐；

煤样吸附平衡：煤样罐密封后，对煤样抽真空至10Pa以下，然后向煤样罐内注入高纯度甲烷气体，使煤样吸附平衡；

含瓦斯煤等压加水：煤样吸附平衡后，向下旋转密闭煤样罐顶部的旋转针阀，针阀向下运动挤压玻璃瓶，由于玻璃瓶底提前预置微凸起的圆柱体铁块，瓶底受到挤压而破碎，从而实现水分等压进入含瓦斯煤。