CN106442929B - 煤层瓦斯含量井下直接测定一体化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤层瓦斯含量井下直接测定一体化装置，包括外壳、密封粉碎解吸罐和处理单元；所述密封粉碎解吸罐设置于外壳之内，所述密封粉碎解吸罐上设置有用于测定其内部压力的压力测定装置和用于测定其内部温度的温度测定装置,所述压力测定装置和温度测定装置的输出端与处理单元连接。利用本发明的煤层瓦斯含量井下直接测定一体化装置，可以在井下直接测定煤层瓦斯含量，与现有设备相比，测定工程量小，测定周期短，测定时间可缩短到1小时以内，测定可靠性和准确率高，测定过程连续，适合大规模工作面发展及瓦斯参数智能测定的需要，可进行大量测点的测定。
Description
技术领域
本发明涉及一种煤矿安全检测设备，特别涉及一种煤层瓦斯含量井下直接测定一体化装置。
背景技术
煤层瓦斯是造成煤与瓦斯突出、瓦斯异常涌出以及瓦斯爆炸等重大瓦斯灾害的主导因素，准确掌握煤层瓦斯的赋存规律是防治瓦斯突出和治理瓦斯的前提，故煤层瓦斯含量的准确测定至关重要。
目前，煤层瓦斯含量测定方法主要有两种，即间接法和直接法。间接法是建立瓦斯含量与煤层参数之间的模型关系，现场测定煤层参数，并通过该模型关系测定瓦斯含量，该方法测定成本高，测定周期长，对生产可能造成一定影响。直接法基于解吸法原理，直接测定煤层瓦斯含量。现有技术中瓦斯含量测定方法主要是分为井下和地面测定两个过程，由于测定地点的差异，导致了测定过程的非连续性，测定周期增加，不适合大规模工作面发展及瓦斯参数智能测定的需要。
因此，需要探索一种瓦斯含量的直接测定装置，能在井下直接、准确地测定煤层瓦斯的含量，克服现有技术中间接法测定时测定周期长、工程量大等缺陷。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种煤层瓦斯含量井下直接测定一体化装置，该装置能在井下直接、准确地测定煤层瓦斯的含量，克服现有技术中间接法测定时测定周期长、工程量大等缺陷，并且操作简单、维护量小、使用安全。
本发明的煤层瓦斯含量井下直接测定一体化装置，包括外壳、密封粉碎解吸罐和处理单元；
所述密封粉碎解吸罐设置于外壳之内，所述密封粉碎解吸罐上设置有用于测定其内部压力的压力测定装置和用于测定其内部温度的温度测定装置,所述压力测定装置和温度测定装置的输出端与处理单元连接。
进一步，所述处理单元包括操作模块、中央控制模块、显示模块和数据处理模块；所述压力测定装置和温度测定装置的输出端与数据处理模块的输入端连接；
所述操作模块的输出端与中央控制模块的输入端连接，所述中央控制模块与数据处理模块双向连接，所述数据处理模块的输出端与显示模块的输入端连接，所述显示模块的输入端还与中央控制模块的输出端连接。
进一步，所述压力测定装置包括压力传感器和设置在所述密封粉碎解吸罐上的气路接口，所述压力传感器与所述气路接口可拆卸式接通，所述压力传感器的输出端与所述数据处理模块的输入端连接；所述温度测定装置为热电偶。
进一步，所述外壳内设置有用于检测其内部可燃气体浓度的可燃气体传感器，所述可燃气体传感器的输出端与所述中央控制模块的输入端连接。
进一步，所述处理单元还包括通信模块，所述中央控制模块的输出端与通信模块的输入端连接。
进一步，所述密封粉碎解吸罐底部设置有粉碎叶轮，所述外壳和所述密封粉碎解吸罐之间设置有用于驱动所述粉碎叶轮转动的风动马达。
进一步，还包括设置于所述外壳内的真空泵，所述真空泵用于对所述密封粉碎解吸罐内抽真空。
进一步，还包括设置于所述外壳内的防爆电池，所述防爆电池用于对所述真空泵和所述处理单元提供电力。
进一步，所述密封粉碎解吸罐上还设置有可启闭式管道，所述可启闭式管道用于排出所述密封粉碎解吸罐内的残留煤粉。
进一步，所述密封粉碎解吸罐的顶部设置为可以开闭的密封盖，所述气路接口和热电偶分别密封穿过所述密封盖。
本发明的有益效果：利用本发明的煤层瓦斯含量井下直接测定一体化装置，可以在井下直接测定煤层瓦斯含量，与现有设备相比，测定工程量小，测定周期短，测定时间可缩短到1小时以内，测定可靠性和准确率高，测定过程连续，适合大规模工作面发展及瓦斯参数智能测定的需要，可进行大量测点的测定。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的处理单元的原理框图。
具体实施方式
图1为本发明的结构示意图，图2为本发明的处理单元的原理框图，如图所示：本发明的煤层瓦斯含量井下直接测定一体化装置，包括外壳11、密封粉碎解吸罐8和处理单元；
所述密封粉碎解吸罐8设置于外壳11之内，密封粉碎解吸罐8通过固定件17和支撑杆5进行定位；所述密封粉碎解吸罐上设置有用于测定其内部压力的压力测定装置和用于测定其内部温度的温度测定装置,所述压力测定装置和温度测定装置的输出端与处理单元连接；
外壳是整个装置和装置内各设备的载体；所述压力测定装置可以为现有技术中的压力测定装置，也可以为下文实施例中的压力测定装置，均能实现本发明的目的；所述温度测定装置可以为现有技术中的温度测定装置，也可以为下文实施例中的温度测定装置；处理单元可采用现有技术中能实现本发明目的的处理单元，也可以采用下文实施例中的处理单元；本发明通过测定煤样在密封解吸罐中的温度和压力以及处理单元实现测量计算一体化，大大提高测定煤层瓦斯含量的速度。
本实施例中，所述处理单元如图2所示：包括操作模块、中央控制模块、显示模块和数据处理模块；所述压力测定装置和温度测定装置的输出端与数据处理模块的输入端连接；所述操作模块的输出端与中央控制模块的输入端连接，所述中央控制模块与数据处理模块双向连接，所述数据处理模块的输出端与显示模块的输入端连接，所述显示模块的输入端还与中央控制模块的输出端连接；
所述操作模块通过操作台13进行操作，通过操作台13控制处理单元对测定煤样基本信息录入，对测定过程开始与否及测定数据显示、保存及传输等进行操作；所述中央控制模块可以采用51系列单片机、AVR单片机或现有技术能实现本发明目的的其他单片机；所述显示模块通过显示屏15显示定过程中的温度、压力、时间等基本信息及测定曲线；本实施例中操作台13和显示屏15以及其他模块都设置在外壳11的顶部，方便操作操作台和阅读显示屏。
本实施例中，所述压力测定装置包括压力传感器12和设置在所述密封粉碎解吸罐上的气路接口14，所述压力传感器12与所述气路接口14可拆卸式接通，可通过软管(图中未标示)将解吸气嘴14与传感器12气压感应区的气嘴连接，也可通过其他方式实现可拆卸式接通；气路接口14不仅可以用来测定粉碎解吸罐8中的压力，还可以有其他用途，如可将解吸气嘴14与井下压风连通利用风流清扫粉碎解吸罐8，还可用于下文实施例中的对粉碎解吸罐抽真空；所述压力传感器12的输出端与所述数据处理模块的输入端连接；所述温度测定装置为热电偶；通过压力传感器测定压力、通过热电偶测定温度，测量速度快且方便将测定值输入处理单元进行处理。
本实施例中，所述外壳内设置有用于检测其内部可燃气体浓度的可燃气体传感器20，所述可燃气体传感器20与所述中央控制模块的输入端连接，可燃气体浓度值可以在显示屏15上显示出来；当可燃气体浓度达到危险值时，可及时发现并进行处理。
本实施例中，所述处理单元还包括通信模块，所述中央控制模块的输出端与通信模块的输入端连接，通信模块可以采用通信接口，通过有线的方式使中央控制模块与其他控制主机进行通信，其他控制主机通信模块采用现有技术，此处不赘述；通过通信控制模块将测量数据和测量结果及时传输出去。
本实施例中，所述密封粉碎解吸罐底部设置有粉碎叶轮6，所述外壳11和所述密封粉碎解吸罐8之间设置有用于驱动所述粉碎叶轮转动的风动马达3，风动马达3的输出轴密封穿过所述密封粉碎解吸罐8的底部与粉碎叶轮6连接，风动马达3通过外壳底部的风流通道从外壳11底部伸出马达气嘴2，马达气嘴2可与井下压风连通；使用风动马达进行驱动，不仅外壳轻，减轻整个装置的重量，而且其工作介质是空气，不容易引起火灾，安全性好。
本实施例中，还包括设置于所述外壳内的真空泵4，所述真空泵用于对所述密封粉碎解吸罐8内抽真空；真空泵4可设于外壳底部一侧，所述支撑杆5支撑在真空泵4顶部与粉碎解吸罐8底部之间，结构稳定且紧凑，外壳11侧壁形成真空泵气流通道，真空泵气流通道在解吸气嘴14附近设置真空泵通道气嘴19，需要抽真空时可用软管将解吸气嘴14和真空泵通道气嘴19连通；测定过程中对粉碎解吸罐抽真空，减小罐内气体氧气浓度，降低瓦斯与氧气反应的可能性，保证测定过程中的安全。
本实施例中，还包括设置于所述外壳内的防爆电池1，所述防爆电池用于对所述真空泵4和所述处理单元提供电力；防爆电池1可设置在外壳11底部相对真空泵4的另一侧，防爆电池1顶部和粉碎解吸罐8底部设置支撑杆(图中未标号)，结构稳定且简单、紧凑，通电线路可设置在外壳的壳体内部，如图1中所示通电线路可设置在外壳左侧；采用防爆电池提供能量可满足矿井下使用电能的防爆安全。
本实施例中，所述密封粉碎解吸罐上还设置有可启闭式管道7，所述可启闭式管道7用于排出所述密封粉碎解吸罐内8的残留煤粉；本实施例中管道7与粉碎解吸罐8底部侧壁连通穿过外壳11，并在管道7出口处设置密封螺栓18；测量结束后，可将解吸气嘴14接井下压风，拧开密封螺栓18，通过风流清扫粉碎解吸罐8中的残留煤粉。
本实施例中，所述密封粉碎解吸罐8的顶部设置为可以开闭的密封盖10，所述气路接口14和热电偶16分别密封穿过所述密封盖；密封盖10通过卡扣与粉碎解吸罐8连接，密封盖10上设置有把手9，方便开闭密封盖10；该结构不仅密封性能好，耐压能力强，能够满足1MPa气体压力的密封，而且可快速打开密封盖将待测煤样装入密封粉碎解吸罐8中后再快速密封，减少煤样在空气中暴漏的时间，提高测量结果的准确性；密封盖10也可以通过铰轴与粉碎解吸罐8铰接等其他方式实现可开闭密封，均能实现本发明的目的。
使用本发明的煤层瓦斯含量井下直接测定一体化装置测定煤层瓦斯含量的方法：
将煤样放入所述密封粉碎解吸罐后盖上密封盖密封，将解吸气嘴14与真空泵气嘴19用软管连通，通过真空泵4对密封粉碎解吸罐抽真空，并记录此时罐内的压力P1；通过粉碎叶轮6将煤样粉碎，在测量过程中，压力传感器12与热电偶16同时采集解吸罐中解吸压力及温度数据，中央控制模块接收操作信号对数据进一步处理，并记录每个时间点对应的罐内的压力P2及吸附实验温度Ts，通过如下公式解得瓦斯物质的量n：
(p+n2c1/V2)(V-nc2)＝nRT (1)
式中，c1、c2为范德华常数，一般分别采用0.228pa m6/mol2和0.0428×10-3m3/mol；P为解吸气体压力，单位为pa；V为自由空间体积，由解吸罐容积减去煤样体积得出，单位为m3；n是气体物质的量，单位为mol，通过该式计算得到该段时间的解吸气体物质的量n并将物质的量n换算为Q解。
煤样在初始一段暴露时间内，累计解吸瓦斯含量与瓦斯解吸时间存在如下关系：
Q＝ktα (2)
通过该规律公式(2)推算得到损失瓦斯含量Q损；P粉＝P2-P1，通过公式(1)计算得到粉碎解吸量Q粉；残存瓦斯含量Q残的计算则通过如下公式(3)：
其中，记录粉碎压力P2，a、b是吸附常数，单位分别为m3/t、MPa-1；
Aad为煤的百分含量，％；Mad为煤的水分，％；n压力相关系数；Ts吸附实验温度，单位为℃；Tc井下煤层温度，单位为℃；F为孔隙率，％；ARD为煤的视密度，单位为t/m3；
则煤层瓦斯含量Q＝Q损+Q解+Q粉+Q残。
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 (8)
1.一种煤层瓦斯含量井下直接测定一体化装置，其特征在于：包括外壳、密封粉碎解吸罐和处理单元；
所述密封粉碎解吸罐设置于外壳之内，所述密封粉碎解吸罐上设置有用于测定其内部压力的压力测定装置和用于测定其内部温度的温度测定装置,所述压力测定装置和温度测定装置的输出端与处理单元连接；所述处理单元包括操作模块、中央控制模块、显示模块和数据处理模块；所述压力测定装置和温度测定装置的输出端与数据处理模块的输入端连接；
所述操作模块的输出端与中央控制模块的输入端连接，所述中央控制模块与数据处理模块双向连接，所述数据处理模块的输出端与显示模块的输入端连接，所述显示模块的输入端还与中央控制模块的输出端连接；
所述压力测定装置包括压力传感器和设置在所述密封粉碎解吸罐上的气路接口，所述压力传感器与所述气路接口可拆卸式接通，所述压力传感器的输出端与所述数据处理模块的输入端连接；所述温度测定装置为热电偶。
2.根据权利要求1所述的煤层瓦斯含量井下直接测定一体化装置，其特征在于：所述外壳内设置有用于检测其内部可燃气体浓度的可燃气体传感器，所述可燃气体传感器的输出端与所述中央控制模块的输入端连接。
3.根据权利要求2所述的煤层瓦斯含量井下直接测定一体化装置，其特征在于：所述处理单元还包括通信模块，所述中央控制模块的输出端与通信模块的输入端连接。
4.根据权利要求3所述的煤层瓦斯含量井下直接测定一体化装置，其特征在于：所述密封粉碎解吸罐底部设置有粉碎叶轮，所述外壳和所述密封粉碎解吸罐之间设置有用于驱动所述粉碎叶轮转动的风动马达。
5.根据权利要求4所述的煤层瓦斯含量井下直接测定一体化装置，其特征在于：还包括设置于所述外壳内的真空泵，所述真空泵用于对所述密封粉碎解吸罐内抽真空。
6.根据权利要求5所述的煤层瓦斯含量井下直接测定一体化装置，其特征在于：还包括设置于所述外壳内的防爆电池，所述防爆电池用于对所述真空泵和所述处理单元提供电力。
7.根据权利要求6所述的煤层瓦斯含量井下直接测定一体化装置，其特征在于：所述密封粉碎解吸罐上还设置有可启闭式管道，所述可启闭式管道用于排出所述密封粉碎解吸罐内的残留煤粉。
8.根据权利要求1-7任一权利要求所述的煤层瓦斯含量井下直接测定一体化装置，其特征在于：所述密封粉碎解吸罐的顶部设置为可以开闭的密封盖，所述气路接口和热电偶分别密封穿过所述密封盖。
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