CN106644821A - 一种精确测量初始瓦斯膨胀能的试验仪器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种精确测量初始瓦斯膨胀能的试验仪器及方法，该仪器实现了瓦斯的瞬间释放，避免时间延迟；传感器精度高，获取的气体压力值更准确，从而精确测定初始释放瓦斯膨胀能；实现了煤体死空间体积和瓦斯吸附量的精确测量，可得到初始释放瓦斯膨胀能与瓦斯含量和游离瓦斯量的定量关系；实现了煤体瓦斯吸附量和初始瓦斯膨胀能的测定，实现了样品样一次吸附、多个参数测定的目的，提升了试验效率，节约了试验时间。

Description

一种精确测量初始瓦斯膨胀能的试验仪器及方法

技术领域

本发明涉及矿业工程、安全工程科研技术领域，尤其涉及一种精确测量初始瓦斯膨胀能的试验仪器及方法。

背景技术

随着煤炭资源开采强度、深度的不断加大，煤与瓦斯突出事故逐渐成为影响煤矿安全形势持续好转的主要灾害事故。在采矿工程中，煤与瓦斯突出是一种非常复杂的动力现象，瓦斯是影响突出最重要的指标之一。初始瓦斯膨胀能是表征瓦斯能力大小的重要参数，其代表了煤体暴露面附近煤体质点受地应力作用破坏后大裂隙内及由小裂隙(孔隙)最先释放到大裂隙中的瓦斯在向外界环境膨胀过程中转化出来的能量。它综合反映了地应力、瓦斯压力和煤体强度对煤与瓦斯突出的作用。近年来，初始释放瓦斯膨胀能应用于煤矿现场效果较好。为此，迫切需要研制一种用于精确测量初始瓦斯膨胀能的试验装置。

目前，针对初始瓦斯膨胀能的测定仪器与方法，已开展了大量的研究工作，研制了一系列测定装置，现状如下：

(1)申请号为94242173.6的中国专利，公开了一种用于测量煤样初始瓦斯能的测定装置，该装置由机械部分和控制电路两部分构成。机械部分包括煤样罐，带球阀的渐缩喷口及三个测量范围不同的压力传感器和温度传感器等。控制部分与插接在计算机内的数据采集电路板和编程六路PIO接口板相连。外界压力突然变化时，首先由高压传感器采集气体压力，随着气体压力的降低，煤样罐与低压传感器之间的阀门开启，随即低压传感器采集气体压力，进而计算煤样内涌出的瓦斯膨胀能。但该吸附解吸装置不能测量煤样死空间体积与甲烷吸附量，而且渐缩口处设计的球阀不能满足瞬间快速打开和长期密封要求，因而不能精确测量初始瓦斯膨胀能。

(2)申请号为201510881438.X的中国专利，公开了一种构造煤解吸瓦斯能量分布曲线的测试装置及方法，装置包括煤样罐、恒温浴槽、充气罐、高压气瓶和计算机采集系统。通过计算机和传感器技术，采集高压吸附平衡状态下煤的解吸释放全过程，并在相同环境下测定与煤样罐中相同体积铁块时的气体释放过程，进而处理得到构造煤解吸瓦斯能量的分布曲线。但该装置无法做到瓦斯气体的快速释放，导致试验数据结果有相对较大的延迟，影响试验结果。

(3)《重庆大学学报》2013年7月份第36卷7期由姜永东、郑权、刘浩、宋晓发表的“煤与瓦斯突出过程的能量分析”一文中第2节中公开了瓦斯膨胀能实验装置，该装置主要由装煤样颗粒的缸体和装有活塞的缸体及气体压力和气体温度传感器组成。该装置通过在瓦斯压力下降时测量活塞伸出长度的方式计算瓦斯膨胀做功得到瓦斯膨胀能。但该装置难以避免活塞摩擦做功引起的试验误差。

综合分析上述单位的初始瓦斯膨胀能的测定仪器，还存在以下不足之处：

1)试验装置仅设计煤样罐，不设计参考罐时，煤样瓦斯吸附量及煤体死空间体积无法测量，因而不能精确测量初始释放瓦斯膨胀能与瓦斯含量和游离瓦斯量的关系。

2)瓦斯释放口不能瞬间打开，有较大的时间延迟，造成试验参数采集误差，影响实验结果。

3)传感器精度低，导致获取的气体压力值不准确。

4)难以避免由摩擦力引起的能量损失，造成瓦斯膨胀能测量结果出现偏差。

为了更精确地测量初始瓦斯膨胀能，对煤与瓦斯突出的能量来源进行量化，需要研发一种精确测量初始瓦斯膨胀能的试验仪器与测试方法，实现初始瓦斯膨胀能的精确测定，并揭示瓦斯膨胀能与瓦斯含量的关系。

发明内容

本发明第一目的是提供一种精确测量初始瓦斯膨胀能的试验仪器，该试验仪器通过参考罐的设置，可实现对煤样罐死空间、瓦斯膨胀能的测定，测量精度高。

本发明的第二目的是提供，该控制方法给出了上述试验仪器如何对设备进行控制，从而实现试验目的。

本发明的第三目的是提供一种精确测量初始瓦斯膨胀能的方法，该方法给出了如何具体实现瓦斯膨胀能的测定，测量精度高，试验结果可靠程度高。

为了达成上述目的，本发明提供的第一个技术方案：

一种精确测量初始瓦斯膨胀能的试验仪器，包括：

供气装置，所述供气装置包括内装有气体的参考罐；吸附装置，所述吸附装置包括煤样罐，煤样罐与参考罐连通，参考罐内高压气体可被煤样罐内煤样吸附，煤样罐顶部设置与大气连通的气孔，气孔直径为5mm，可在煤样罐顶部设置顶盖，顶盖内有渐缩形腔体，气体释放时，气体经过渐缩形腔体和气孔进入大气，这样即可计算气体流量和速度，在煤样罐顶部设置快速释放开关以实现煤样罐内气体的密封或释放，煤样罐设有多个排气口，每个排气口与一排气管连接；

采集控制模块，所述采集控制模块包括若干个压力传感器，压力传感器设于煤样罐、排气管和参考罐，各个排气管上设置的压力传感器所测压力的最大值不同；参考罐连通一只量程为6MPa压力传感器(1号传感器)，煤样罐分别连通一只2MPa压力传感器(2号传感器)，一只0.5MPa压力传感器(3号传感器)，一只0.1MPa压力传感器(4号传感器)。

负压抽放装置，所述负压抽放装置包括真空泵，真空泵与煤样罐连接；

工作台，供气装置、吸附装置和负压抽放装置均设于工作台。

在各个所述的排气管上均设置一个电磁阀，各电磁阀为适用于气体的碳钢双向电磁阀，流量大，灵敏度高。

上述试验仪器还包括恒温水浴箱，所述煤样罐与参考罐均设置于恒温水浴箱内，恒温水浴箱可以将参考罐、煤样罐完全浸入恒温水中，实现试验过程的温度恒定。

上述试验仪器还包括控制单元，控制单元与所述的电磁阀、各个压力传感器分别单独连接，各个压力传感器为高精度压力传感器，精度高，采集频率高。

所述参考罐的进气管路上设置减压阀，在减压阀之间设置气体过滤器。

本发明提供的第二方案是：

一种精确测量初始瓦斯膨胀能的试验仪器的控制方法，包括所述的一种精确测量初始瓦斯膨胀能的试验仪器，

快速释放开关打开后，控制单元通过煤样罐上设置的压力传感器为第二压力传感器采集煤样罐内压力P₂，控制单元对第二压力传感器采集到的压力值P₂和第一排气管上的第一电磁阀启动值P_1阀进行对比，当P₂＜P_1阀时第一电磁阀打开，第一排气管上的第三传感器采集煤样罐压力大小P₃，控制单元对第三传感器采集到的压力值P₃和第二排气管上的第二电磁阀启动值P_2阀进行对比，当P₃＜P_2阀时第二电磁阀打开，设于第二排气管上的第四传感器采集煤样罐压力大小P₄。

本发明提供的第二方案是：

一种精确测量初始瓦斯膨胀能的方法，根据煤样罐的体积、煤样罐的死空间计算煤样吸附的瓦斯体积。

上述方法，具体步骤如下：

1)向煤样罐内充入设定质量的煤样；

2)向参考罐内冲入设定压力的安全气体后，查看参考罐上的压力传感器值是否平稳；

3)释放参考罐内安全气体，向参考罐内冲入设定压力的氦气，记录设于参考罐上压力传感器即第一传感器的压力值，连通参考罐与煤样罐，设定时间后，记录低一传感器的压力值，根据参考罐的体积与两次记录的第一传感器的压力值，计算煤样罐的死空间；

4)启动真空泵排出参考罐和煤样罐内的空气至整个试验仪器内部为真空状态，真空泵持续工作设定时间；

5)在步骤4)进行的同时，向参考罐内充入设定体积的甲烷，记录第一传感器的压力值，连通参考罐与煤样罐，煤样对甲烷进行吸附，设定时间后，记录煤样罐上第二压力传感器的压力值，根据煤样罐的体积、煤样罐的死空间及该步骤中记录的两个压力值计算煤样吸附的瓦斯体积；

6)关闭煤样罐与参考罐之间的开关，开启快速释放开关释放煤样罐内的甲烷，控制单元记录设定时间内排气管上压力传感器压力值；

7)将煤样罐内的煤样替换为与煤样同体积的铁块，重复步骤4)-步骤6)。

本发明具有以下优点：

1)实现了瓦斯的瞬间释放，避免时间延迟；传感器精度高，获取的气体压力值更准确，从而精确测定初始释放瓦斯膨胀能。

2)实现了煤体死空间体积即孔隙率和瓦斯吸附量的精确测量，可得到初始释放瓦斯膨胀能与瓦斯含量和游离瓦斯量的定量关系。

3)实现了煤体瓦斯吸附量和初始瓦斯膨胀能的测定，实现了样品样一次吸附、多个参数测定的目的，提升了试验效率，节约了试验时间。

附图说明

图1为精确测量初始瓦斯膨胀能的试验仪俯视图。

图2为精确测量初始瓦斯膨胀能的试验仪侧视图。

图3为精确测量初始瓦斯膨胀能的试验系统侧视图。

其中，1—气体过滤器，2—减压阀，3—气体管路，4—1号开关，5—2号开关，6—1号传感器，7—3号开关，8—2号传感器，9—4号开关，10—1号电磁阀，11—3号传感器，12—4号传感器，13—2号电磁阀，14—快速释放开关，15—煤样罐，16—参考罐，17—煤样罐顶盖，18—采集控制箱，19—数据采集软件，20—恒温水浴箱。

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、完整的描述。

如图1、图2和图3所示，精确测量初始瓦斯膨胀能的试验仪器包括主要包括吸附装置、供气装置、采集控制模块、负压抽放装置和工作台，供气装置、吸附装置和负压抽放装置均设于工作台。

吸附装置所述吸附装置包括煤样罐，煤样罐与参考罐连通，参考罐内高压气体可被煤样罐内煤样吸附，煤样罐顶部设置与大气连通的气孔，在煤样罐顶部设置快速释放开关以实现煤样罐内气体的密封或释放，煤样罐设有多个排气口，每个排气口与一排气管连接；煤样罐是煤样瓦斯吸附、解吸的主要空间场所。

供气装置，所述供气装置包括内装有气体的参考罐16，参考罐16内高压气体被煤样罐15内煤样吸附，实现煤样瓦斯吸附功能。

参考罐16进气口连接减压阀2和气体过滤器1，气体过滤器1装有可连接高压气瓶的气瓶接口，进行充气压力调解及防止气体内杂质进入仪器中的精密零件。参考罐16出气口装有可连接真空泵的真空泵接口。

参考罐16、煤样罐15为碳钢材质罐体，可耐压15MPa。

煤样罐顶盖17内有渐缩形腔体，煤样罐顶盖上有连通大气的小孔，小孔直径5mm。

快速释放开关14安装在煤样罐顶盖17上，快速释放开关14的闭合或开启可实现煤样罐15内气体的密封和释放。

温度控制模块主要包括恒温水浴箱20，恒温水浴箱20可以将参考罐16、煤样罐15完全浸入恒温水中，实现试验过程的温度恒定。

采集控制模块主要包括1号传感器6、2号传感器8、3号传感器11、4号传感器12，1号电磁阀10、2号电磁阀13、采集控制箱18、数据采集软件19，采集控制模块可以实现各个罐体内气体压力实时采集以及吸附平衡压力的精确控制，进而实现任意吸附平衡压力下的煤粒瓦斯的吸附量测定和吸附平衡煤样气体的快速释放时的压力。

参考罐16连通由1号开关4控制，真空泵接口由2号开关5控制，参考罐16和煤样罐15的连通由3号开关7控制。煤样罐15和1号电磁阀10、2号电磁阀13的连通由4号开关9控制。

基于参考罐16和煤样罐15的压力值，根据气体状态方程(pv＝nZRT)即可得到煤粒瓦斯的吸附量，式中p为罐内气体压强，v为罐内气体体积，n为罐内气体物质的量，R为普适气体常量，T为绝对温度，Z为气体压缩系数。

参考罐16连通一只6MPa压力传感器(1号传感器)，煤样罐分别连通一只2MPa压力传感器(2号传感器)，一只0.5MPa压力传感器(3号传感器)，一只0.1MPa压力传感器(4号传感器)。

1号电磁阀10安装于煤样罐15和3号传感器11之间、2号电磁阀13安装于煤样罐15和4号传感器12之间，结合2号传感器8和数据采集软件19对煤样罐内压力的采集。采集控制箱18可根据采集压力信号自动控制电磁阀的开启和关闭，可以实现对煤样罐气体快速释放时的压力进行实时精确的测量。

上述试验仪器的具体操作方法，如下：

1)主要硬件及连接

各压力传感器按照标签说明接入采集箱对应接口，1号开关连接氦气瓶，2号开关连接真空泵，恒温水浴箱置于罐体下部。利用数据采集软件检查传感器工作状态，保证信息采集的准确性。

2)装煤样并检查气密性

利用电子天平称取一定质量、一定粒径煤样装入煤样罐。打开数据采集软件。关闭1、4号开关，开启2、3号开关，开启气瓶，开启减压阀，向仪器内充入2.0MPa氦气，关闭减压阀，关闭2、3号开关，查看气体压力值，若10分钟内平稳不变则气密性良好。

3)煤样罐死空间测量

开启快速释放开关，释放仪器内的氦气。关闭快速释放口开关，关闭1、3号开关，开启2号开关，开启减压阀，向参考罐内充入1.5MPa氦气，关闭减压阀，关闭2号开关5。记录1号传感器压力值。开启3号开关7，1分钟后记录1号传感器6压力值。根据罐体体积及压力值可计算煤样罐死空间。

4)抽真空

将氦气瓶更换为瓦斯气瓶，在气瓶为关闭状态下，依次打开1、2、3号开关，微微开启减压阀，启动真空泵。将整套仪器及高压气瓶管路中的空气排出。煤样罐中压力值为-0.98KPa左右基本为真空状态，真空泵开启时间至少60分钟。关闭减压阀，关闭1、2、3号开关，关闭真空泵开关，关闭真空泵电源。

5)吸附体积测量

开启2号开关，缓慢开启减压阀向参考罐内充入一定压力的甲烷，关闭减压阀，关闭2号开关5，记录1号传感器压力值。开启3号开关，吸附12小时。12小时后记录2号传感器压力值。根据罐体体积、死空间体积及压力值可计算煤样吸附的瓦斯体积。

6)煤粒瓦斯膨胀能测定

关闭3号开关，重新启动采集软件记录2-4号传感器压力值。开启快速释放口释放瓦斯，采集气体涌出30s以内的试验数据。

7)标准块瓦斯膨胀能测定

卸下煤样罐，将煤样罐内的煤粉替换为同体积的圆柱状铁块，确保罐体密封性。打开真空泵，打开1号开关再次为仪器抽真空。煤样罐中压力值为-0.98KPa左右基本为真空状态，真空泵开启时间至少60分钟。关闭真空泵开关，关闭真空泵电源，关闭1、3号开关。

充入与放煤粒时一致的试验压力，重新启动采集软件记录2号传感器压力值。开启快速释放开关释放瓦斯，采集气体涌出30s以内的试验数据。

8)仪器保养与维护

测定完毕，关闭瓦斯气瓶，关闭减压阀，打开1-4开关，将真空泵、高压气瓶从试验设备拆除并妥善安置，关闭采集箱、电脑对整套仪器进行日常保养。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种精确测量初始瓦斯膨胀能的试验仪器，其特征在于，包括：

供气装置，所述供气装置包括内装有气体的参考罐；

吸附装置，所述吸附装置包括煤样罐，煤样罐与参考罐连通，参考罐内高压气体可被煤样罐内煤样吸附，煤样罐顶部设置与大气连通的气孔，在煤样罐顶部设置快速释放开关以实现煤样罐内气体的密封或释放，煤样罐设有多个排气口，每个排气口与一排气管连接；

采集控制模块，所述采集控制模块包括若干个压力传感器，压力传感器设于煤样罐、排气管和参考罐，各个排气管上设置的压力传感器所测压力的最大值不同；

负压抽放装置，所述负压抽放装置包括真空泵，真空泵与煤样罐连接；

工作台，供气装置、吸附装置和负压抽放装置均设于工作台。

2.如权利要求1所述的一种精确测量初始瓦斯膨胀能的试验仪器，其特征在于，在各个所述的排气管上均设置一个电磁阀。

3.如权利要求1或2所述的一种精确测量初始瓦斯膨胀能的试验仪器，其特征在于，还包括恒温水浴箱，所述煤样罐与参考罐均设置于恒温水浴箱内。

4.如权利要求2所述的一种精确测量初始瓦斯膨胀能的试验仪器，其特征在于，还包括控制单元，控制单元与所述的电磁阀、各个压力传感器分别单独连接。

5.如权利要求1所述的一种精确测量初始瓦斯膨胀能的试验仪器，其特征在于，所述参考罐的进气管路上设置减压阀，在减压阀之间设置气体过滤器。

6.一种精确测量初始瓦斯膨胀能的试验仪器的控制方法，其特征在于，包括如权利要求4所述的一种精确测量初始瓦斯膨胀能的试验仪器，

快速释放开关打开后，控制单元通过煤样罐上设置的压力传感器为第二压力传感器采集煤样罐内压力P₂，控制单元对第二压力传感器采集到的压力值P₂和第一排气管上的第一电磁阀启动值P_1阀进行对比，当P₂＜P_1阀时第一电磁阀打开，第一排气管上的第三传感器采集煤样罐压力大小P₃，控制单元对第三传感器采集到的压力值P₃和第二排气管上的第二电磁阀启动值P_2阀进行对比，当P₃＜P_2阀时第二电磁阀打开，设于第二排气管上的第四传感器采集煤样罐压力大小P₄。

7.一种精确测量初始瓦斯膨胀能的方法，其特征在于，根据煤样罐的体积、煤样罐的死空间计算煤样吸附的瓦斯体积。

8.如权利要求7所述的一种精确测量初始瓦斯膨胀能的方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)向煤样罐内充入设定质量的煤样；

2)向参考罐内冲入设定压力的安全气体后，查看参考罐上的压力传感器值是否平稳；

3)释放参考罐内安全气体，向参考罐内冲入设定压力的氦气，记录设于参考罐上压力传感器即第一传感器的压力值，连通参考罐与煤样罐，设定时间后，记录低一传感器的压力值，根据参考罐的体积与两次记录的第一传感器的压力值，计算煤样罐的死空间；

4)启动真空泵排出参考罐和煤样罐内的空气至整个试验仪器内部为真空状态，真空泵持续工作设定时间；

5)在步骤4)进行的同时，向参考罐内充入设定体积的甲烷，记录第一传感器的压力值，连通参考罐与煤样罐，煤样对甲烷进行吸附，设定时间后，记录煤样罐上第二压力传感器的压力值，根据煤样罐的体积、煤样罐的死空间及该步骤中记录的两个压力值计算煤样吸附的瓦斯体积；

6)关闭煤样罐与参考罐之间的开关，开启快速释放开关释放煤样罐内的甲烷，控制单元记录设定时间内排气管上压力传感器压力值；

7)将煤样罐内的煤样替换为与煤样同体积的铁块，重复步骤4)-步骤6)。