CN106770897B - 一种瓦斯抽采与煤自燃耦合致灾实验模拟装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤矿井下瓦斯抽采与煤自燃耦合致灾实验模拟装置及方法，包括耐压绝热密封罐、抽气注气装置和监测监控装置；所述抽气注气装置包括真空抽气泵和恒压注气装置，所述恒压注气装置包括带压力表的注气瓶、减压阀、隔爆洗气箱、气体干燥箱、恒温加热箱、稳压阀、压力表、流量计和两个气体开关阀；所述监测监控装置包括多个温度传感器、温度分析仪和气相色谱仪；所述耐压绝热密封罐内设置有煤样，所述抽气注气装置通过h形钢管将真空抽气泵和恒压注气装置分别与耐压绝热密封罐内的煤样连接；所述监测监控装置与耐压绝热密封罐连接。本发明可以真实准确地模拟煤矿井下瓦斯抽采过程中瓦斯抽采与煤自燃耦合致灾过程。
Description
技术领域
本发明涉及一种瓦斯抽采与煤自燃耦合致灾实验模拟装置，特别是一种煤矿井下瓦斯抽采与煤自燃耦合致灾实验模拟装置及方法。
背景技术
瓦斯是我国煤矿事故频发且严重的主要原因，随着煤矿采深和单井产量的增加，瓦斯涌出量越来越大，瓦斯突出和瓦斯爆炸愈来愈成为制约煤矿安全高效生产的最重要难题。目前，瓦斯抽采是解决瓦斯灾害最为有效的措施之一。而在瓦斯抽采的过程中，随着钻孔漏气量的增加和煤层瓦斯压力的降低，具有自燃倾向性的煤层自燃风险逐步升高。当瓦斯钻孔周围破碎煤体积聚足够热量且氧气浓度适宜时，煤体便开始燃烧，不但浪费地下煤炭资源，而且影响煤矿生产和安全。在煤体低温氧化的过程中煤体内部孔隙结构发生变化，局部煤体结构强度降低，同时煤体对瓦斯吸附能力降低，瓦斯解吸量增大，导致局部瓦斯压力升高，进而引发局部瓦斯突出事故，尤其是瓦斯抽放钻孔周围的瓦斯突出事故。
目前高校和研究所对瓦斯抽采与煤自燃耦合致灾机理的研究较少，成套的实验装置还不完善。理论分析和数值模拟分析存在很多理想性的假设，与井下煤层实际赋存状态差异太大；而直接去煤矿井下做实验不仅成本巨大，危险性高，并且每个煤矿瓦斯压力、煤质、应力状态也是单一的，偶然性概率太大。因此，为了更加深入探究瓦斯抽采与煤自燃耦合致灾机理和影响因素，设计一种煤矿井下瓦斯抽采与煤自燃耦合致灾过程模拟装置，并开展相应的模拟实验就显得尤为重要。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的技术不足，本发明提供一种煤矿井下瓦斯抽采与煤自燃耦合致灾过程模拟装置及方法，真实模拟煤矿井下瓦斯抽采与煤自燃耦合致灾过程。
技术方案：为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种瓦斯抽采与煤自燃耦合致灾实验模拟装置，包括耐压绝热密封罐、抽气注气装置和监测监控装置；
所述耐压绝热密封罐包括通过螺栓密封连接的隔热密封盖和真空保温腔体，所述隔热密封盖中部焊接两个钢质气管，其中第一钢质气管与第三压力表连接，第二钢质气管与监测监控装置连接；所述监测监控装置自靠近第二钢质气管开始由顺序连接的第五气体开关阀、第二稳压阀、第二压力表、第二流量计、气相色谱仪和第二隔爆洗气箱组成；
所述真空保温腔体内侧底部放置一个钢质镂空支架，于钢质镂空支架下方的真空保温腔体侧面焊接第三钢质气管，所述第三钢质气管顺序连接第四气体开关阀和抽气注气装置；所述抽气注气装置包括前端连接有第三气体开关阀的真空抽气泵和恒压注气装置，所述恒压注气装置自靠近第四气体开关阀开始包括顺序连接的第二气体开关阀、第一流量计、第一压力表、第一稳压阀、恒温加热箱、气体干燥箱、第一隔爆洗气箱、减压阀、第一气体开关阀和带压力表的注气瓶，所述带压力表的注气瓶内预先灌有实验要求浓度的瓦斯气体；
所述真空保温腔体内侧于钢质镂空支架上方、且与第三钢质气管相对的侧面上自上而下预制若干个传感器钻孔，传感器钻孔内壁预制螺纹，与带孔钢质密封塞螺旋对接，每个带孔钢质密封塞的孔内穿过一根硬质导线，硬质导线于耐压绝热密封罐内部一一对应的连接预设于耐压绝热密封罐内部的温度传感器，硬质导线于耐压绝热密封罐外部连接软质导线，软质导线另一端连接温度分析仪。
进一步的，所述第四气体开关阀、第三气体开关阀和第二气体开关阀之间的钢管连接呈h形。
进一步的，所述真空保温腔体是由304不锈钢焊接而成的双层结构，中部为1.5-2.5cm真空层。
进一步的，所述真空保温腔体内部铺设厚度为4-6cm的玻璃棉保温层。
进一步的，所述钢质镂空支架的高度为7-9cm，所述第三钢质气管距离真空保温腔体底部3-6cm，最低端传感器钻孔与真空保温腔体底面距离为14-16cm。
进一步的，所述传感器钻孔的个数为7-9个，相邻传感器钻孔之间的距离为9-11cm。
进一步的，所述隔热密封盖和真空保温腔体通过8-10个螺栓连接，并通过预设在真空保温腔体顶部的橡胶环密封。
进一步的，所述硬质导线与带孔钢质密封塞之间通过植筋胶密封。
根据所述的瓦斯抽采与煤自燃耦合致灾实验模拟装置实现的瓦斯抽采与煤自燃耦合致灾模拟装置的实验方法，包括以下步骤：
S1：将煤样放入耐压绝热密封罐内，待煤样放入完毕且压实后将防尘保温棉平铺在煤样表层，通过螺栓将隔热密封盖和真空保温腔体连接在一起；
S2：打开第二气体开关阀、第三气体开关阀和第四气体开关阀，启动真空抽气泵，对耐压绝热密封罐内的煤样抽真空10-14h，抽真空完毕后依次关闭第二气体开关阀、第三气体开关阀和真空抽气泵；
S3：打开温度分析仪和恒温加热箱，实时采集不同煤样温度数据，同时，实时调节恒温加热箱的加热温度，使得恒温加热箱的加热温度与最下端温度传感器所测量的煤样温度误差不超过±0.5℃；
S4：打开第一气体开关阀，在带压力表的注气瓶内预先灌有实验要求浓度的瓦斯气体，调节减压阀和稳压阀待气体达到实验要求的压力后，打开气体开关阀，向耐压绝热密封罐内充入瓦斯气体；
S5：待第一流量计示数为0时，打开第五气体开关阀和气相色谱仪，调节第二稳压阀至实验所需压力，实时采集实验过程中的各项实验数据；
S6：将经过第二隔爆洗气箱后符合燃烧浓度的废气点燃，不符合燃烧浓度的气体经通风橱排出实验室。
有益效果：本发明是基于瓦斯抽采与煤自燃现象的一种煤矿井下瓦斯抽采与煤自燃耦合致灾过程模拟装置及方法，其中：瓦斯抽采是解决瓦斯灾害最为有效的措施之一，而在具有自燃倾向性的煤层瓦斯抽采过程中常常伴随着煤自燃事故。本发明首次设计了一套完善的模拟煤矿井下含瓦斯煤层瓦斯抽采过程中瓦斯抽采与煤自燃耦合致灾过程模拟实验装置及使用方法。
本发明采用相似模拟的实验方法真实模拟了井下煤层瓦斯抽采过程中瓦斯抽采与煤自燃耦合致灾过程，与理论分析和数值模拟相比，更接近于井下煤层真实状态，实验数据的可靠性、科学性和精确性更高；且与现场实测相比，受外力影响较小，成本较低。同时实验过程中可通过调节瓦斯压力和浓度模拟不同煤层，适应性更广泛。采用中间带孔钢质密封塞通过螺纹与真空保温腔体连接，耐压能力更高，密封效果更好，同时，方便在实验过程随时取样测试；采用h形钢管分别连接真空抽气泵和恒压注气装置，在保证两个系统正常运转的同时节约了材料和施工时间。
附图说明
图1是煤矿井下瓦斯抽采与煤自燃耦合致灾实验模拟装置示意图；
图2是图1中耐压绝热密封罐的剖视图；
图3是图1中恒温加热箱内部结构示意图；
图中：1—耐压绝热密封罐，2—带压力表的注气瓶，3-1、3-2、3-3、3-4、3-5—气体开关阀，4—减压阀，5-1、5-2—隔爆洗气箱，6—气体干燥箱，7—恒温加热箱，7-1—风扇、7-2—电热丝、8-1、8-2—稳压阀，9-1、9-2、9-3—压力表，10-1、10-2—流量计，11—真空抽气泵，12—气相色谱仪，13—温度分析仪，14—带孔钢质密封塞，15—螺栓，16—软质导线，17—玻璃棉保温层，18—真空保温腔体，19—钻孔，20—防尘保温棉，21—温度传感器，22—硬质导线，23—传感器钻孔，24—钢质镂空支架，25—橡胶环，26—隔热密封盖，27—h形钢管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1，瓦斯抽采与煤自燃耦合致灾模拟装置，包括耐压绝热密封罐1、抽气注气装置和监测监控装置；所述抽气注气装置包括真空抽气泵11和恒压注气装置，所述恒压注气装置包括带压力表的注气瓶2、第一气体开关阀3-1、减压阀4、第一隔爆洗气箱5-1、气体干燥箱6、恒温加热箱7、第一稳压阀8-1、第一压力表9-1、第一流量计10-1和第二气体开关阀3-2；所述监测监控装置包括多个温度传感器21、温度分析仪13和气相色谱仪12；所述耐压绝热密封罐1内设置有煤样，所述抽气注气装置通过h形钢管27将真空抽气泵11和恒压注气装置分别与耐压绝热密封罐1内的煤样连接；所述监测监控装置与耐压绝热密封罐1连接。沿着气体流动方向，仪器连接顺序依次为带压力表的注气瓶2-第一气体开关阀3-1-减压阀4-第一隔爆洗气箱5-1-气体干燥箱6-恒温加热箱7-第一稳压阀8-1-第一压力表9-1-第一流量计10-1-第二气体开关阀3-2-第四气体开关阀3-4-耐压绝热密封罐1-第五气体开关阀3-5-第二稳压阀8-2-第二压力表9-2-第二流量计10-2-气相色谱仪12-第二隔爆洗气箱5-2。
如图2，所述耐压绝热密封罐1由隔热密封盖26和真空保温腔体18构成，所述隔热密封盖26中部预制两个直径为1.5cm钻孔，钻孔内焊接两个外径为1.5cm的钢质气管，其中一个气管与第三压力表9-3连接，另一气管与所述监测监控装置连接；所述真空保温腔体18是由304不锈钢焊接而成的双层结构，中部为2cm真空层；所述真空保温腔体18内部铺设厚度为5cm的玻璃棉保温层17和放置一个高度为8cm的钢质镂空支架24，在距离腔体底部5cm的位置预制一个直径为1.5cm的钻孔19，钻孔19内焊接一个外径为1.5cm的钢质气管，在与钻孔19相对一侧的腔体壁面上预制8个直径为2cm的传感器钻孔23，相邻传感器钻孔23之间的距离为10cm，最低端传感器钻孔23与真空保温腔体18底面距离为15cm，传感器钻孔23内壁预制螺纹，方便与带孔钢质密封塞14螺旋对接；所述隔热密封盖26和真空保温腔体18通过8个螺栓15连接，通过预设在真空保温腔体18顶部的橡胶环25密封。所述耐压绝热密封罐1内部预设若干温度传感器21，所述温度传感器21通过硬质导线22和软质导线16与温度分析仪13连接，所述硬质导线22与带孔钢质密封塞14之间通过植筋胶密封。
如图1和2，瓦斯抽采与煤自燃耦合致灾模拟装置的实验方法，包括以下步骤：
S1：依据实验要求的不同，将适量煤样放入耐压绝热密封罐1内，待煤样放入完毕且压实后将防尘保温棉20平铺在煤样表层，通过8个螺栓15将隔热密封盖26和真空保温腔体18连接在一起；
S2：打开第二气体开关阀3-2、第三气体开关阀3-3和第四气体开关阀3-4，启动真空抽气泵11，对耐压绝热密封罐1内的煤样抽真空12h，抽真空完毕后依次关闭第二气体开关阀3-2、第三气体开关阀3-3和真空抽气泵11；
S3：打开温度分析仪13和恒温加热箱7，实时采集不同煤样温度数据，同时，实时调节恒温加热箱7的加热温度，使得恒温加热箱7的加热温度与最下端温度传感器21所测量的煤样温度误差不超过±0.5℃；
S4：打开第一气体开关阀3-1，依据实验要求的不同，带压力表的注气瓶2内预先灌入实验要求浓度的瓦斯气体，调节减压阀4和第一稳压阀8-1待气体达到实验要求的压力后，打开第二气体开关阀3-2，向耐压绝热密封罐1内充入瓦斯气体；
S5：待第一流量计10-1示数为0时，打开第五气体开关阀3-5和气相色谱仪12，调节第二稳压阀8-2至实验所需压力，实时采集实验过程中的各项实验数据；
S6：将经过第二隔爆洗气箱5-2后符合燃烧浓度的废气点燃，不符合燃烧浓度的气体经通风橱排出实验室。
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 (9)
1.一种瓦斯抽采与煤自燃耦合致灾实验模拟装置，其特征在于：包括耐压绝热密封罐(1)、抽气注气装置和监测监控装置；
所述耐压绝热密封罐(1)包括通过螺栓(15)密封连接的隔热密封盖(26)和真空保温腔体(18)，所述隔热密封盖(26)中部焊接两个钢质气管，其中第一钢质气管与第三压力表(9-3)连接，第二钢质气管与监测监控装置连接；所述监测监控装置自靠近第二钢质气管开始由顺序连接的第五气体开关阀(3-5)、第二稳压阀(8-2)、第二压力表(9-2)、第二流量计(10-2)、气相色谱仪(12)和第二隔爆洗气箱(5-2)组成；
所述真空保温腔体(18)内侧底部放置一个钢质镂空支架(24)，于钢质镂空支架(24)下方的真空保温腔体侧面焊接第三钢质气管，所述第三钢质气管顺序连接第四气体开关阀(3-4)和抽气注气装置；所述抽气注气装置包括前端连接有第三气体开关阀(3-3)的真空抽气泵(11)和恒压注气装置，所述恒压注气装置自靠近第四气体开关阀(3-4)开始包括顺序连接的第二气体开关阀(3-2)、第一流量计(10-1)、第一压力表(9-1)、第一稳压阀(8-1)、恒温加热箱(7)、气体干燥箱(6)、第一隔爆洗气箱(5-1)、减压阀(4)、第一气体开关阀(3-1)和带压力表的注气瓶(2)，所述带压力表的注气瓶(2)内预先灌有实验要求浓度的瓦斯气体；
所述真空保温腔体(18)内侧于钢质镂空支架(24)上方、且与第三钢质气管相对的侧面上自上而下预制若干个传感器钻孔(23)，传感器钻孔(23)内壁预制螺纹，与带孔钢质密封塞(14)螺旋对接，每个带孔钢质密封塞(14)的孔内穿过一根硬质导线(22)，硬质导线(22)于耐压绝热密封罐内部一一对应的连接预设于耐压绝热密封罐内部的温度传感器(21)，硬质导线(22)于耐压绝热密封罐外部连接软质导线(16)，软质导线(16)另一端连接温度分析仪(13)。
2.根据权利要求1所述的一种瓦斯抽采与煤自燃耦合致灾实验模拟装置，其特征在于：所述第四气体开关阀(3-4)、第三气体开关阀(3-3)和第二气体开关阀(3-2)之间的钢管连接呈h形。
3.根据权利要求1所述的一种瓦斯抽采与煤自燃耦合致灾实验模拟装置，其特征在于：所述真空保温腔体(18)是由304不锈钢焊接而成的双层结构，中部为1.5-2.5cm真空层。
4.根据权利要求1所述的一种瓦斯抽采与煤自燃耦合致灾实验模拟装置，其特征在于：所述真空保温腔体(18)内部铺设厚度为4-6cm的玻璃棉保温层(17)。
5.根据权利要求1所述的一种瓦斯抽采与煤自燃耦合致灾实验模拟装置，其特征在于：所述钢质镂空支架(24)的高度为7-9cm，所述第三钢质气管距离真空保温腔体底部3-6cm，最低端传感器钻孔(23)与真空保温腔体(18)底面距离为14-16cm。
6.根据权利要求1所述的一种瓦斯抽采与煤自燃耦合致灾实验模拟装置，其特征在于：所述传感器钻孔(23)的个数为7-9个，相邻传感器钻孔(23)之间的距离为9-11cm。
7.根据权利要求1所述的一种瓦斯抽采与煤自燃耦合致灾实验模拟装置，其特征在于：所述隔热密封盖(26)和真空保温腔体(18)通过8-10个螺栓(15)连接，并通过预设在真空保温腔体(18)顶部的橡胶环(25)密封。
8.根据权利要求1所述的一种瓦斯抽采与煤自燃耦合致灾实验模拟装置，其特征在于：所述硬质导线(22)与带孔钢质密封塞(14)之间通过植筋胶密封。
9.根据权利要求1-8任一所述的瓦斯抽采与煤自燃耦合致灾实验模拟装置实现的瓦斯抽采与煤自燃耦合致灾模拟装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将煤样放入耐压绝热密封罐(1)内，待煤样放入完毕且压实后将防尘保温棉(20)平铺在煤样表层，通过螺栓(15)将隔热密封盖(26)和真空保温腔体(18)连接在一起；
S2：打开第二气体开关阀(3-2)、第三气体开关阀(3-3)和第四气体开关阀(3-4)，启动真空抽气泵(11)，对耐压绝热密封罐(1)内的煤样抽真空10-14h，抽真空完毕后依次关闭第二气体开关阀(3-2)、第三气体开关阀(3-3)和真空抽气泵(11)；
S3：打开温度分析仪(13)和恒温加热箱(7)，实时采集不同煤样温度数据，同时，实时调节恒温加热箱(7)的加热温度，使得恒温加热箱(7)的加热温度与最下端温度传感器(21)所测量的煤样温度误差不超过±0.5℃；
S4：打开第一气体开关阀(3-1)，在带压力表的注气瓶(2)内预先灌有实验要求浓度的瓦斯气体，调节减压阀(4)和稳压阀(8-1)待气体达到实验要求的压力后，打开第二气体开关阀(3-2)，向耐压绝热密封罐(1)内充入瓦斯气体；
S5：待第一流量计(10-1)示数为0时，打开第五气体开关阀(3-5)和气相色谱仪(12)，调节第二稳压阀(8-2)至实验所需压力，实时采集实验过程中的各项实验数据；
S6：将经过第二隔爆洗气箱(5-2)后符合燃烧浓度的废气点燃，不符合燃烧浓度的气体经通风橱排出实验室。
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