CN106908347A - 一种向有一定压力的吸附状态的煤体中定量加入水分的实验装置及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种向有一定压力的吸附状态的煤体中定量加入水分的实验装置，包括两高压钢瓶，两高压钢瓶通过平衡罐连接有充气管路，所述充气管路为三条，分别连接有第一煤样罐、参考罐、第二煤样罐，所述第一煤样罐、第二煤样罐分别通过高压注水管路依次连接有高压球阀、单向阀、计量泵和注液泵，所述第一煤样罐、第二煤样罐还分别通过放散管路连接有固定空间，放散管路上以及固定空间内均安装有压力传感器，所述管路上设有放散阀门。本发明可以精确控制加液量，实现高压加液，除注水外，实现全过程电脑控制，控制精度高、实验结果精确性高，并且可以模拟完整、真实的井下煤体环境，充分满足实验室测定一定压力下的吸附状态的煤体加液实验的要求。
Description
技术领域
本发明涉及煤体瓦斯吸附解吸测定技术领域，具体涉及一种向有一定压力的吸附状态的煤体中定量加入水分的实验装置及使用方法。
背景技术
目前，随着煤矿开采中煤层深度和强度的增加，采煤工作越来越困难和具有危险性，而且煤层及瓦斯赋存地质条件复杂、煤层透气性低、瓦斯含量高且压力大，给煤矿的生产带来极大隐患，严重制约了矿井生产能力的发挥，因此往往需要在采煤的同时进行瓦斯抽采工作，为了提高抽采率可以实施煤层增透抽采措施，而进行增透抽采措施前，必须对煤体的原始放散性能有一定程度的认识和了解，并且对煤体的瓦斯放散性能的研究可以找到一种在一定程度上抑制瓦斯放散的技术手段，来预防和治理井下瓦斯超限。
在实验室中测定瓦斯放散性能的装置大多数缺乏灵活性，只能测定某一种或几种特定条件下的煤体瓦斯放散性能，不利于开展探索性研究。对于外加水分的煤体瓦斯放散性能的测定装置，其缺点是显而易见的。实验室中一般的外加液体的装置，一般都是先加液体后脱气，或者是先低压加液体再充入高压气体，这些都会使得水分在脱气的过程中流失，影响实验结果的转缺陷，亦或者外加液体的量不能精确控制，达不到需要的实验要求，不能真正实现与井下条件一致的实验室环境，此外煤样罐不均匀加液的问题也没有得到有效的解决。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种向有一定压力的吸附状态的煤体中定量加入水分的实验装置及使用方法，可以精确控制加液量，实现高压加液，除注水外，实现全过程电脑控制，控制精度高、实验结果精确性高，并且可以模拟完整、真实的井下煤体环境，充分满足实验室测定一定压力下的吸附状态的煤体加液实验的要求，同时设计保证了参数的合理性和科学性，提高了实验的可靠性。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种向有一定压力的吸附状态的煤体中定量加入水分的实验装置，包括两高压钢瓶，两高压钢瓶通过平衡罐连接有充气管路，所述充气管路为三条，分别连接有第一煤样罐、参考罐、第二煤样罐，所述第一煤样罐、第二煤样罐分别通过高压注水管路依次连接有高压球阀、单向阀、计量泵和注液泵，所述第一煤样罐、第二煤样罐还分别通过放散管路连接有固定空间，所述放散管路上以及固定空间内均安装有压力传感器，所述放散管路上设有放散阀门，所述固定空间设置于恒温水浴内，所述恒温水浴内设有温度传感器、加热器和搅拌器，所述第一煤样罐、参考罐、第二煤样罐均安装在箱体内，且均置于恒温水浴内，恒温水浴位于箱体内，所述固定空间通过脱气管路连接有真空泵，所述脱气管路上设有脱气阀门，所述平衡罐上设有减压阀，每条充气管路上均设有电磁阀；所述第一煤样罐、参考罐、第二煤样罐通过管路连接，且每条管路上均设有一电磁阀。
其中，所述第一煤样罐、第二煤样罐构造一致，除了外部搅拌器和放水阀外，参考罐和其余两个罐的内部结构是一致的；所述第一煤样罐内套接有一煤样杯，煤样杯内设有一搅拌杆，搅拌杆上端穿过煤样罐旋盖通过联轴器连接有一调速电机；煤样杯上端安装有一喷淋环，所述喷淋环通过高压注水管路依次连接有高压球阀、单向阀、计量泵和注液泵，煤样杯底部为滤网结构，且煤样杯底部与煤样罐底部之间存在一段空隙，用于暂时储存注入的水，使得煤样不至于浸泡在水中。
其中，所述煤样罐底部设有一放水管，所述防水管上安装有一放水阀。
其中，所述搅拌杆与煤样罐旋盖之间采用Y型密封，所述搅拌杆上设有若干搅拌叶片。
其中，还包括一计算机控制系统，计算机控制系统包括计算机及其配套软件、电路；计算机通过信号线与高压球阀、单向阀、计量泵、注液泵、压力传感器、恒温水浴、温度传感器、加热器、搅拌器、真空泵、减压阀、放散阀门、脱气阀门、电磁阀和调速电机相连。
其中，所述高压钢瓶分别为高压瓦斯瓶、高压氦气瓶。
上述一种向有一定压力的吸附状态的煤体中定量加入水分的实验装置的使用方法，包括如下步骤：
步骤101、将制好的煤样装入煤样杯中，将煤样杯放入煤样罐，并旋紧煤样盖；
步骤102、向整体系统中充入一定压力的气体，关闭电磁阀后，观察压力变送器数值是否变化；
步骤103、气密性检查合格后，将提前注入缓冲罐内的一定压力的标定气体氦气注入参考罐，平衡后参考罐压力P1，再打开第一煤样罐与参考罐之间的电磁阀，使得参考罐和煤样罐气体贯通，平衡后压力为P2参考罐体积设为V1计算煤样罐的体积设为V，则有
计算机自动计算得出参考罐的体积，之后关闭第一煤样罐的阀门，打开第二煤样罐与参考罐之间的电磁阀，当参考罐压力和煤样罐压力达到平衡时，求出第二煤样罐的体积；
步骤二、脱气后充气等待煤样吸附平衡
步骤201、此时在计算机上输入实验时间，实验室温度，实验室大气压力，脱气温度，吸附温度，固定空间温度，脱气时间；
步骤202、在计算机上点击脱气，此时脱气管路及对应的阀门打开，对整体装置进行脱气，达到设定的脱气时间之后自动关闭；
步骤203、向平衡罐中充入所需压力的甲烷气体，注入第一煤样罐，然后对平衡罐补气至上述相同压力，再注入第二煤样罐，等待煤样罐吸附平衡；
步骤三、向煤样罐中注水
步骤301、当系统判定煤样达到吸附平衡状态后，开始注水；首先在计量泵上输入需要注入的水分的量，后打开调速电机带动搅拌杆转动，再打开注水管路上的阀门，进行注水；
步骤302、达到计量泵设置的数值后，计量泵自动关闭，此时先关闭注水管道上的阀门，再关闭水泵，调速电机在注水完成后5分自动关闭，全过程记录其中的压力变化情况；
步骤四、煤样向固定空间做放散过程
步骤401、注水完成后，煤样需要经历又一个平衡的过程，此时当煤样达到平衡状态后，即可开始放散实验；
步骤402、打开第一煤样罐上的放散阀门，此时第一煤样罐中的甲烷气体向真空管路和固定空间解吸出来，直到煤样罐或者固定空间中的瓦斯压力变化不明显时，第一煤样罐的放散结束，关闭第一煤样罐的放散阀门，记录全过程第一煤样罐和固定空间压力的变化情况；
步骤403、打开真空泵和脱气阀门对固定空间和管路进行脱气，脱气时间5min，结束后关闭脱气阀门和真空泵，打开第二煤样罐上的放散阀门，进行放散实验，与第一煤样罐的操作一致；
步骤五、记录数据并复原装置
步骤501、整理全过程记录的数据并汇集成图表的形式输出；
步骤502、打开煤样罐，取出煤样并恢复实验装置。
其中，吸附平衡判定条件为10min内煤样罐内的压力变化不超过1％。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明高压注水条件下的瓦斯放散性能测定实验装置，结构清晰，设计合理，装配使用方便。
2、本发明中的加水煤样罐，由搅拌器、喷淋环、煤样杯、放水阀以及配套的注水装置组成，满足了在一定压力的条件下，向平衡状态的煤样中加水的操作过程，并且实现了煤样与水分的充分混合，这种先吸附平衡后加水的方法更加贴近煤矿井下的实际条件，能够较真实地反映煤样的煤样加水后的放散性能的变化情况。
3、本发明很好的解决了在实验室中测定煤样外加水分条件下的瓦斯放散特性。解决了水分的流失、注水量偏差以及不均匀加液的问题。
4、本发明可以有效地进行煤体瓦斯放散性能测定实验，比较准确地测定在不同温度、不同水分、不同吸附压力等条件下的煤体瓦斯放散性能。
5、本发明每进行一次实验都要进行一次煤样罐的体积标定，保证了固定空间体积测定的实时性和准确性，从而保证了在后期进行压力体积换算时实验结果的准确性。
6、本发明可以自动判定煤样的吸附平衡状态，当在10min中内煤样罐的压力变化不超过1％时，就认为煤样罐中达到了吸附平衡状态。
7、本发明中煤样罐的温度和固定空间的温度采用两个水浴分别调节，可以实现变温放散实验，更加接近井下的真实条件。
8、本发明中，除注水过程中需要人为控制注水量，其他都实现了利用计算机软件全程操作，软件的使用降低了实验中的人为误差，各个开关的控制实现了实时与精准，数据记录与处理全部由计算机完成，避免了误差的产生，提高了实验的准确性。
9、本发明在计算和数据处理中均采用多次测量取平均值的方法，减小了测量和记录误差，提高了实验的精确性。
10、本发明体积标定中采用惰性气体氦气，该气体与固体接触时附着较少，提高体积标定的准确性。参考罐的使用也在很大程度上提高了装煤后煤样罐体积的测定准确度。
综上所述，本发明结构合理，能够较为真实的反映煤体在煤矿井下的瓦斯放散情况，满足了在实验室中测定一个或多个不同因素对瓦斯放散特性影响的实验要求，实现了放散过程操作的全自动化，减少了人为因素对实验的影响，实时的数据监控与采集也在一定程度上保证了测定结果准确可靠。
附图说明
图1为本发明实施例一种向有一定压力的吸附状态的煤体中定量加入水分的实验装置的结构示意图。
图2为本发明实施例中第一煤样罐、第二煤样罐的连接结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例提供了一种向有一定压力的吸附状态的煤体中定量加入水分的实验装置，包括两高压钢瓶1，两高压钢瓶1通过平衡罐2连接有充气管路，所述充气管路为三条，分别连接有第一煤样罐5、参考罐7、第二煤样罐6，所述第一煤样罐5、第二煤样罐6分别通过高压注水管路依次连接有高压球阀14、单向阀15、计量泵17和注液泵16，所述第一煤样罐5、第二煤样罐6还分别通过放散管路连接有固定空间，所述放散管路上以及固定空间内均安装有压力传感器13，所述放散管路上设有放散阀门，所述固定空间设置于恒温水浴12内，所述恒温水浴12内设有温度传感器8、加热器9和搅拌器10，所述第一煤样罐5、参考罐7、第二煤样罐6均安装在箱体11内，且均置于恒温水浴12内，恒温水浴12位于箱体11内，所述固定空间通过脱气管路连接有真空泵18，所述脱气管路上设有脱气阀门，所述平衡罐2上设有减压阀3，每条充气管路上均设有电磁阀4；所述第一煤样罐5、参考罐7、第二煤样罐6通过管路连接，且每条管路上均设有一电磁阀。
如图2所示，所述第一煤样罐5、第二煤样罐6构造一致，所述第一煤样罐5内套接有一煤样杯57，煤样杯57内设有一搅拌杆，搅拌杆上端穿过煤样罐旋盖通过联轴器55连接有一调速电机54；煤样杯57上端安装有一喷淋环56，所述喷淋环56通过高压注水管路依次连接有高压球阀14、单向阀15、计量泵17和注液泵16，煤样杯51底部为滤网结构59，且煤样杯底部与煤样罐底部之间存在一段空隙，用于暂时储存注入的水，使得煤样不至于浸泡在水中，所述煤样罐底部设有一放水管，所述防水管上安装有一放水阀510，所述搅拌杆与煤样罐旋盖之间采用Y型密封，所述搅拌杆上设有若干搅拌叶片57。
还包括一计算机控制系统，计算机控制系统包括计算机及其配套软件、电路；计算机通过信号线与高压球阀14、单向阀15、计量泵17、注液泵16、压力传感器13、恒温水浴12、温度传感器8、加热器9、搅拌器10、真空泵18、减压阀3、放散阀门、脱气阀门、电磁阀4和调速电机54相连。
所述高压钢瓶分别为高压瓦斯瓶、高压氦气瓶。主要仪器参数规格如下：真空泵：西安双塔真空设备有限公司生产，2XZ-4型，极限压力6×10-2Pa，抽气速率为4L/s，功率550W；压力传感器：精度等级：±0.1％，量程：0-7Mpa，介质：气体或液体，工作温度：-40--+100℃；电磁阀：耐压压力：0-5Mpa温度≤80℃，控制方式：常闭，材质：不锈钢；高压瓦斯瓶及氦气瓶：压力13±0.5Mpa，，纯度99.99％；平衡罐：自主设计，不锈钢材质，耐压15Mpa；煤样罐：自主设计，不锈钢材质，耐压5Mpa；煤样罐调速搅拌器：功率50W电压220V可调转速0-300r/Min参考罐：自主设计，不锈钢材质，耐压5Mpa；放散的固定空间：自主设计，不锈钢材质，耐压5Mpa，体积为300ml左右；恒温水浴：自主设计，搅拌加热升温，温差±1℃。整个实验系统的气路连接均采用内径φ4的306不锈钢管，以减少实验误差，保证结果的精确性和可靠性；增压计量泵：流量1L/h，压力5Mpa；所述计算机控制系统包括计算机及其配套软件、电路等，该系统主要从实验开始到结束全过程控制设备中的各个子系统，实现对整个实验过程的自动化精准控制。
本发明实施例还提供了上述一种向有一定压力的吸附状态的煤体中定量加入水分的实验装置的使用方法，包括如下步骤：
步骤101、将制好的煤样装入煤样杯中，将煤样杯放入煤样罐，并旋紧煤样盖；
步骤102、向整体系统中充入一定压力的气体，关闭电磁阀后，观察压力变送器数值是否变化；
步骤103、气密性检查合格后，将提前注入缓冲罐内的一定压力的标定气体氦气注入参考罐，平衡后参考罐压力P1，再打开第一煤样罐的与参考罐之间的电磁阀，使得参考罐和煤样罐气体贯通，平衡后压力为P2参考罐体积设为V1计算煤样罐的体积设为V，则有
计算机自动计算得出参考罐的体积，之后关闭第一煤样罐的阀门，打开第二煤样罐与参考罐之间的电磁阀，当参考罐压力和煤样罐压力达到平衡时，求出第二煤样罐的体积；
步骤二、脱气后充气等待煤样吸附平衡
步骤201、此时在计算机上输入实验时间，实验室温度，实验室大气压力，脱气温度，吸附温度，固定空间温度，脱气时间；
步骤202、在计算机上点击脱气，此时脱气管路及对应的阀门打开，对整体装置进行脱气，达到设定的脱气时间之后自动关闭；
步骤203、向平衡罐中充入所需压力的甲烷气体，注入第一煤样罐，然后对平衡罐补气至上述相同压力，再注入第二煤样罐，等待煤样罐吸附平衡；
步骤三、向煤样罐中注水
步骤301、当系统判定煤样达到吸附平衡状态后，开始注水；首先在计量泵上输入需要注入的水分的量，后打开调速电机带动搅拌杆转动，再打开注水管路上的阀门，进行注水；
步骤302、达到计量泵设置的数值后，计量泵自动关闭，此时先关闭注水管道上的阀门，再关闭水泵，调速电机在注水完成后5分自动关闭，全过程记录其中的压力变化情况；
步骤四、煤样向固定空间做放散过程
步骤401、注水完成后，煤样需要经历又一个平衡的过程，此时当煤样达到平衡状态后，即可开始放散实验；
步骤402、打开第一煤样罐上的放散阀门，此时第一煤样罐中的甲烷气体向真空管路和固定空间解吸出来，直到煤样罐或者固定空间中的瓦斯压力变化不明显时，第一煤样罐的放散结束，关闭第一煤样罐的放散阀门，记录全过程第一煤样罐和固定空间压力的变化情况；
步骤403、打开真空泵和脱气阀门对固定空间和管路进行脱气，脱气时间5min，结束后关闭脱气阀门和真空泵，打开第二煤样罐上的放散阀门，进行放散实验，与第一煤样罐的操作一致；
步骤五、记录数据并复原装置
步骤501、整理全过程记录的数据并汇集成图表的形式输出；
步骤502、打开煤样罐，取出煤样并恢复实验装置。
其中，吸附平衡判定条件为10min内煤样罐内的压力变化不超过1％。
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，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种向有一定压力的吸附状态的煤体中定量加入水分的实验装置，其特征在于，包括两高压钢瓶(1)，两高压钢瓶(1)通过平衡罐(2)连接有充气管路，所述充气管路为三条，分别连接有第一煤样罐(5)、参考罐(7)、第二煤样罐(6)，所述第一煤样罐(5)、第二煤样罐(6)分别通过高压注水管路依次连接有高压球阀(14)、单向阀(15)、计量泵(17)和注液泵(16)，所述第一煤样罐(5)、第二煤样罐(6)还分别通过放散管路连接有固定空间，所述放散管路上以及固定空间内均安装有压力传感器(13)，所述放散管路上设有放散阀门，所述固定空间设置于恒温水浴(12)内，所述恒温水浴(12)内设有温度传感器(8)、加热器(9)和搅拌器(10)，所述第一煤样罐(5)、参考罐(7)、第二煤样罐(6)均安装在箱体(11)内，且均置于恒温水浴(12)内，恒温水浴(12)位于箱体(11)内，所述固定空间通过脱气管路连接有真空泵(18)，所述脱气管路上设有脱气阀门，所述平衡罐(2)上设有减压阀(3)，每条充气管路上均设有电磁阀(4)；所述第一煤样罐(5)、参考罐(7)、第二煤样罐(6)通过管路连接，且每条管路上均设有一电磁阀。
2.如权利要求1所述的一种向有一定压力的吸附状态的煤体中定量加入水分的实验装置，其特征在于，所述第一煤样罐(5)、第二煤样罐(6)构造一致，所述第一煤样罐(5)内套接有一煤样杯(57)，煤样杯(57)内设有一搅拌杆，搅拌杆上端穿过煤样罐旋盖通过联轴器(55)连接有一调速电机(54)；煤样杯(57)上端安装有一喷淋环(56)，所述喷淋环(56)通过高压注水管路依次连接有高压球阀(14)、单向阀(15)、计量泵(17)和注液泵(16)，煤样杯(51)底部为滤网结构(59)，且煤样杯底部与煤样罐底部之间存在一段空隙，用于暂时储存注入的水，使得煤样不至于浸泡在水中。
3.如权利要求2所述的一种向有一定压力的吸附状态的煤体中定量加入水分的实验装置，其特征在于，所述煤样罐底部设有一放水管，所述放水管上安装有一放水阀(510)。
4.如权利要求2所述的一种向有一定压力的吸附状态的煤体中定量加入水分的实验装置，其特征在于，所述搅拌杆与煤样罐旋盖之间采用Y型密封，所述搅拌杆上设有若干搅拌叶片(57)。
5.如权利要求1所述的一种向有一定压力的吸附状态的煤体中定量加入水分的实验装置，其特征在于，还包括一计算机控制系统，计算机控制系统包括计算机及其配套软件、电路；计算机通过信号线与高压球阀(14)、单向阀(15)、计量泵(17)、注液泵(16)、压力传感器(13)、恒温水浴(12)、温度传感器(8)、加热器(9)、搅拌器(10)、真空泵(18)、减压阀(3)、放散阀门、脱气阀门、电磁阀(4)和调速电机(54)相连。
6.如权利要求1所述的一种向有一定压力的吸附状态的煤体中定量加入水分的实验装置，其特征在于，所述高压钢瓶分别为高压瓦斯瓶、高压氦气瓶。
7.如权利要求1所述的一种向有一定压力的吸附状态的煤体中定量加入水分的实验装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤101、将制好的煤样装入煤样杯中，将煤样杯放入煤样罐，并旋紧煤样盖；
步骤102、向整体系统中充入一定压力的气体，关闭电磁阀后，观察压力变送器数值是否变化；
步骤103、气密性检查合格后，将提前注入缓冲罐内的一定压力的标定气体(氦气)注入参考罐，平衡后参考罐压力P1，再打开第一煤样罐与参考罐之间的电磁阀，使得参考罐和煤样罐气体贯通，平衡后压力为P2(参考罐体积设为V1)计算煤样罐的体积设为V，则有
计算机自动计算得出参考罐的体积，之后关闭第一煤样罐的阀门，打开第二煤样罐与参考罐之间的电磁阀，当参考罐压力和煤样罐压力达到平衡时，求出第二煤样罐的体积；
步骤二、脱气后充气等待煤样吸附平衡
步骤201、此时在计算机上输入实验时间，实验室温度，实验室大气压力，脱气温度，吸附温度，固定空间温度，脱气时间；
步骤202、在计算机上点击脱气，此时脱气管路及对应的阀门打开，对整体装置进行脱气，达到设定的脱气时间之后自动关闭；
步骤203、向平衡罐中充入所需压力的甲烷气体，注入第一煤样罐，然后对平衡罐补气至上述相同压力，再注入第二煤样罐，等待煤样罐吸附平衡；
步骤三、向煤样罐中注水
步骤301、当系统判定煤样达到吸附平衡状态后，开始注水；首先在计量泵上输入需要注入的水分的量，后打开调速电机带动搅拌杆转动，再打开注水管路上的阀门，进行注水；
步骤302、达到计量泵设置的数值后，计量泵自动关闭，此时先关闭注水管道上的阀门，再关闭水泵，调速电机在注水完成后5分自动关闭，全过程记录其中的压力变化情况；
步骤四、煤样向固定空间做放散过程
步骤401、注水完成后，煤样需要经历又一个平衡的过程，此时当煤样达到平衡状态后，即可开始放散实验；
步骤402、打开第一煤样罐上的放散阀门，此时第一煤样罐中的甲烷气体向真空管路和固定空间解吸出来，直到煤样罐或者固定空间中的瓦斯压力变化不明显时，第一煤样罐的放散结束，关闭第一煤样罐的放散阀门，记录全过程第一煤样罐和固定空间压力的变化情况；
步骤403、打开真空泵和脱气阀门对固定空间和管路进行脱气，脱气时间5min，结束后关闭脱气阀门和真空泵，打开第二煤样罐上的放散阀门，进行放散实验，与第一煤样罐的操作一致；
步骤五、记录数据并复原装置
步骤501、整理全过程记录的数据并汇集成图表的形式输出；
步骤502、打开煤样罐，取出煤样并恢复实验装置。
8.如权利要求7所述的一种向有一定压力的吸附状态的煤体中定量加入水分的实验装置的使用方法，其特征在于，吸附平衡判定条件为10min内煤样罐内的压力变化不超过1％。
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