CN106053757A - 一种用于测定瓦斯解吸压力的煤样罐及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测定瓦斯解吸压力的煤样罐及其设计方法，包括煤样罐本体、煤样杯、盖帽及通气接嘴，该煤样罐依据罐体结构形式及所选用材料的力学特性确定结构参数，充分考虑到解吸过程中解吸热对气体温度的影响，通过双层薄壁易导热材料形成充填腔，在充填腔中充装比热容较大的物质，利用充填物质量所持的温度变化能量形成煤屑瓦斯解吸过程中的微平衡环境，从而降低了解吸过程中解吸热对气体温度的影响，避免了温度变化对压力测定影响，提高了瓦斯解吸规律数据的精确度，有效解决了现有矿井煤层瓦斯解吸吸热导致的温度降低对压力测定结果影响的问题。

Description

一种用于测定瓦斯解吸压力的煤样罐及其设计方法

技术领域

本发明属于瓦斯测定领域，具体涉及到一种用于测定瓦斯解吸压力的煤样罐及其设计方法。

背景技术

容量法测定煤屑瓦斯解吸规律是预测煤与瓦斯突出指标、测定煤层瓦斯含量的必要过程，其精确度直接关乎着突出指标与含量指标准确与否，而温度变化是现场测定解吸规律过程中的重要影响因素。

在煤矿井下存在一些解吸速率快、解吸热大、比热容小的煤样，利用传统煤样罐测定煤样解吸过程中，因传统煤样罐罐壁与罐壁内外的气体形成的热平衡无法满足煤样解吸吸热需要，使得热平衡被打破而导致罐内气体温度发生变化，出现了压力先升高后降低的现象(如图1所示)，这与绝大多数随着时间推进而不断升高的解吸规律不相符，严重影响了预测指标及瓦斯含量测定过程。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种新的煤样罐及其设计方法，以解决现有煤矿井下容量法测定解吸过程中由温度变化所引起的压力降低问题。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于测定瓦斯解吸压力的煤样罐，包括煤样罐本体、煤样杯、盖帽及通气接嘴，所述煤样罐本体为内、外壁组成的双层环形结构，其上开设有向内、外壁之间灌装充填材料的填充口，所述煤样杯设置在煤样罐本体内侧，所述盖帽设置在煤样杯上方并与煤样罐本体内壁形成封闭式内腔，所述通气接嘴设置在煤样罐本体上。

进一步，所述煤样罐本体内壁上设有用于安装煤样杯的支架。

进一步，所述煤样罐本体内壁由导热材料制成。

一种用于测定瓦斯解吸压力的煤样罐的设计方法，主要包括以下步骤：

1)测定煤矿井下巷道温度T以及该条件下单位质量煤样解吸每摩尔甲烷气体所吸收的热量Q和煤的比热容大小C_P，拟合得到瓦斯解吸热Q与解吸量q之间的函数关系式F(Q，q)＝0；

2)测定一段时间内煤样瓦斯解吸量q₁，通过函数关系式F(Q，q)＝0计算出该段时间 内瓦斯解吸需要吸收的热量Q₁；

3)查询甲烷气体、煤样罐本体内壁导热材料、煤样罐本体内充填材料的比热容C_Pch4、C_b、C_m；

4)根据测试所需煤样质量m_c与煤样的堆密度ρ计算得到煤样体积V_c，从而确定煤样杯容积V_b；

5)由煤屑瓦斯解吸所需的空间体积V_f确定出封闭式内腔容积；

6)以满足煤样罐本体内腔结构强度及密封需要为标准，确定煤样罐本体内壁导热材料质量m_b，再根据煤样罐本体承受的内压力F和选用的导热材料、充填材料力学特性，初步确定煤样罐本体容积；

7)计算出煤样罐本体内充填材料质量m_m与整个煤样罐本体温度变化值ΔT间的关系式G(CP_ch4、C_P、C_m、C_P、m_c、m_b、q₁、m_m、Q₁、ΔT)＝0；设定所允许的最大温度变化值ΔT_max，计算出所需的充填材料体积V_m，修正步骤6)中所确定的煤样罐本体容积大小；

8)通过计算出的煤样罐本体容积、煤样杯容积V_b以及封闭式内腔容积确定出煤样罐本体以及煤样杯的结构参数。

本发明的有益效果在于：该煤样罐依据罐体结构形式及所选用材料的力学特性确定结构参数，充分考虑到解吸过程中解吸热对气体温度的影响，通过双层薄壁易导热材料形成充填腔，在充填腔中充装比热容较大的物质，利用充填物质量所持的温度变化能量形成煤屑瓦斯解吸过程中的微平衡环境，从而降低了解吸过程中解吸热对气体温度的影响，避免了温度变化对压力测定影响，提高了瓦斯解吸规律数据的精确度，有效解决了现有矿井煤层瓦斯解吸吸热导致的温度降低对压力测定结果影响的问题。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为煤屑瓦斯解吸压力异常变化示意图；

图2为本发明煤样罐的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

如图所示，本发明中的用于测定瓦斯解吸压力的煤样罐，包括煤样罐本体1、煤样杯2、盖帽3及通气接嘴4，所述煤样罐本体1为内、外壁组成的双层环形结构，其上开设有向内、 外壁之间灌装充填材料的填充口5，所述煤样杯2设置在煤样罐本体1内侧，所述盖帽3设置在煤样杯2上方并与煤样罐本体1内壁形成封闭式内腔6，所述通气接嘴4设置在煤样罐本体1上。所述煤样罐本体1内壁由导热材料制成。

具体的，内壁11、外壁12之间有充填腔13，用于充装比热容较大的物质，煤样罐本体1内壁与盖帽3所形成的封闭式内腔6用于承受的内压力，内壁11由易导热材料制成，利用充填物质量所持的温度变化能量形成煤屑瓦斯解吸过程中的微平衡环境，从而降低了解吸过程中解吸热对气体温度的影响，避免了温度变化对压力测定影响，提高了瓦斯解吸规律数据的精确度。

本实施例中煤样罐本体1内壁11上设有用于安装煤样杯2的支架。

作为上述方案的进一步改进，所述内壁11、外壁12均由易导热材料制成。

一种用于测定瓦斯解吸压力的煤样罐的设计方法，主要包括以下步骤：

1)测定煤矿井下巷道温度T以及该条件下单位质量煤样解吸每摩尔甲烷气体所吸收的热量Q和煤的比热容大小C_P，拟合得到瓦斯解吸热Q与解吸量q之间的函数关系式F(Q，q)＝0；

2)测定一段时间内煤样瓦斯解吸量q₁，通过函数关系式F(Q，q)＝0计算出该段时间内瓦斯解吸需要吸收的热量Q₁；

3)查询甲烷气体、煤样罐本体内壁导热材料、煤样罐本体内充填材料的比热容CP_ch4、C_b、C_m；

4)根据测试所需煤样质量m_c与煤样的堆密度ρ计算得到煤样体积V_c，从而确定煤样杯容积V_b；

5)由煤屑瓦斯解吸所需的空间体积V_f确定出封闭式内腔容积；

6)以满足煤样罐本体内腔结构强度及密封需要为标准，确定煤样罐本体内壁导热材料质量m_b，再根据煤样罐本体承受的内压力F和选用的导热材料、充填材料力学特性，初步确定煤样罐本体容积；

7)计算出煤样罐本体内充填材料质量m_m与整个煤样罐本体温度变化值ΔT间的关系式G(CP_ch4、C_P、C_m、C_P、m_c、m_b、q₁、m_m、Q₁、ΔT)＝0；设定所允许的最大温度变化值ΔT_max，计算出所需的充填材料体积V_m，修正步骤6)中所确定的煤样罐本体容积大小；

8)通过计算出的煤样罐本体容积、煤样杯容积V_b以及封闭式内腔容积确定出煤样罐本体以及煤样杯的结构参数。

具体实施例：

某煤矿井下巷道温度为14℃，通过拟合现有的测定数据得到比热容随着温度变化规律公式：y＝-0.0011x2+0.0928x-0.8769，并通过该公式计算得到井下温度为14℃时所对应的比热容C_p＝0.2067(J/g/℃)；

拟合得到瓦斯解吸热Q与解吸量q间的函数关系式：Q＝4.6586+14.6612exp(-2.09004*q)，井下测定解吸瓦斯含量为0.2mol/kg，对公式进行积分，则计算得到热量为3.3283kJ/kg，30g煤总共放出热量99.849J；

在整个解吸测量过程中，煤作为热源，煤样罐本体内、外壁及煤样杯外壳均为黄铜材质，煤样杯内胆则为不锈钢材质，充填材料选用水；设计不锈钢内胆为一个体积为230mL、壁厚为2mm的圆柱桶，查询、确定煤样罐中不同物质的比热容及质量：

计算煤解吸热对温度每降低0.1℃的影响反算出水的质量：

(C_im_i+C_mm_m+C_airm_air+C_sm_s+C_wm_w+C_cm_c)*0.1＝Q_ca

$m_w=\frac{99.849-0.1\×(2.1\×0.24+0.028\×1+0.2067\×30+0.371\×87+0.46\×118.34)}{4.2\×0.1}\≈215.5\left(g\right)$

水的质量越大，同等解吸热造成的气体温度变化越小，考虑设计富余系数及加工的方便性，将水体积定为300mL，即充填腔空间体积为300mL；

然后通过煤样杯体积及充填腔体积确定出煤样罐本体以及煤样杯的结构参数。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (4)

1.一种用于测定瓦斯解吸压力的煤样罐，其特征在于：包括煤样罐本体、煤样杯、盖帽及通气接嘴，所述煤样罐本体为内、外壁组成的双层环形结构，其上开设有向内、外壁之间灌装充填材料的填充口，所述煤样杯设置在煤样罐本体内侧，所述盖帽设置在煤样杯上方并与煤样罐本体内壁形成封闭式内腔，所述通气接嘴设置在煤样罐本体上。

2.根据权利要求1所述的用于测定瓦斯解吸压力的煤样罐，其特征在于：所述煤样罐本体内壁上设有用于安装煤样杯的支架。

3.根据权利要求1～2任一项所述的用于测定瓦斯解吸压力的煤样罐，其特征在于：所述煤样罐本体内壁由导热材料制成。

4.一种用于测定瓦斯解吸压力的煤样罐的设计方法，其特征在于主要包括以下步骤：

1)测定煤矿井下巷道温度T以及该条件下单位质量煤样解吸每摩尔甲烷气体所吸收的热量Q和煤的比热容大小C_P，拟合得到瓦斯解吸热Q与解吸量q之间的函数关系式F(Q，q)＝0；

2)测定一段时间内煤样瓦斯解吸量q₁，通过函数关系式F(Q，q)＝0计算出该段时间内瓦斯解吸需要吸收的热量Q₁；

3)查询甲烷气体、煤样罐本体内壁导热材料、煤样罐本体内充填材料的比热容C_Pch4、C_b、C_m；

4)根据测试所需煤样质量m_c与煤样的堆密度ρ计算得到煤样体积V_c，从而确定煤样杯容积V_b；

5)由煤屑瓦斯解吸所需的空间体积V_f确定出封闭式内腔容积；

6)以满足煤样罐本体内腔结构强度及密封需要为标准，确定煤样罐本体内壁导热材料质量m_b，再根据煤样罐本体承受的内压力F和选用的导热材料、充填材料力学特性，初步确定煤样罐本体容积；

7)计算出煤样罐本体内充填材料质量m_m与整个煤样罐本体温度变化值ΔT间的关系式G(CP_ch4、C_P、C_m、C_P、m_c、m_b、q₁、m_m、Q₁、ΔT)＝0；设定所允许的最大温度变化值ΔT_max，计算出所需的充填材料体积V_m，修正步骤6)中所确定的煤样罐本体容积大小；

8)通过计算出的煤样罐本体容积、煤样杯容积V_b以及封闭式内腔容积确定出煤样罐本体以及煤样杯的结构参数。