CN107478559B - 一种模拟瓦斯在不同粒径大小煤样中运移的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟瓦斯在不同粒径大小煤样中运移的装置及方法。该装置包括瓦斯气缸、空气气缸、第一煤样罐和第二煤样罐，所述瓦斯气缸、空气气缸、第一煤样罐和第二煤样罐分别与真空泵连接，连接管路上设有流量计和阀门，连接管路为真空高压管；所述瓦斯气缸、空气气缸、第一煤样罐和第二煤样罐位于温度为25℃~30℃的恒温缸中。该装置能够模拟瓦斯在相同煤体、不同破碎程度中的运移情况；根据煤的破碎程度不同而改变瓦斯在煤样罐中的压强，来测定瓦斯在不同粒径煤样中的流量及运移速度，得出瓦斯在不同粒径大小的煤样中运移规律。本发明清楚的观察并记录到模拟实验中瓦斯的运移速度，为比较瓦斯在不用破碎程度煤样中运移情况提供理论依据。
Description
技术领域
本发明属于煤矿瓦斯检测技术领域，涉及一种模拟瓦斯在不同粒径大小煤样中运移的装置及方法。
背景技术
煤与瓦斯突出是在地应力、瓦斯压力以及煤的物理力学性质共同作用下的结果。其中煤的粒径属于煤的物理力学性质范畴，采煤过程中，煤与瓦斯突出是煤矿井下最严重的自然灾害，研究治理煤与瓦斯突出对于煤矿安全生产具有重要作用。而吸附解吸是煤层瓦斯最基本的运移模式之一，了解煤的吸附解吸规律对我国煤矿瓦斯灾害防治具有重要意义。
初始释放瓦斯膨胀能指标被认为能综合反映地应力、瓦斯压力和煤体强度对煤与瓦斯突出的效果。而对于煤的粒径如何影响初始释放瓦斯膨胀能，并最终影响煤层的突出危险性，国内外尚未有人对此进行研究。因此，该项研究有助于人们解释破碎至不同程度的煤体的突出危险性及其变化规律。
因此，需要一种实验装置，能够模拟瓦斯在相同煤体、不同破碎程度中的运移情况。
发明内容
本发明旨在提供一种模拟瓦斯在不同粒径大小煤样中运移的装置及方法，提供一种瓦斯在不同粒径大小的煤样中运移规律。通过模拟试验，清楚的观察并记录到模拟实验中瓦斯的运移速度，为比较瓦斯在不同破碎程度煤样中运移情况提供理论依据。
本发明提供了一种模拟瓦斯在不同粒径大小煤样中运移的装置，包括瓦斯气缸、空气气缸、第一煤样罐和第二煤样罐，两个煤样罐并列设置，所述瓦斯气缸、空气气缸、第一煤样罐和第二煤样罐分别与真空泵连接，连接管路上设有流量计和阀门，在空气气缸和第一煤样罐之间安装第一流量计，通往第一煤样罐的支路上安装第二流量计，通往第二煤样罐的支路上安装第三流量计，所述连接管路为真空高压管；所述瓦斯气缸、空气气缸、第一煤样罐和第二煤样罐位于温度为25℃～30℃的恒温缸中。
本发明提供了一种模拟瓦斯在不同粒径大小煤样中运移的方法，根据煤的破碎程度不同而改变瓦斯在煤样罐中的压强，来测定瓦斯在不同粒径煤样中的流量及运移速度，得出瓦斯在不同粒径大小的煤样中运移规律。
上述模拟瓦斯在不同粒径大小煤样中运移的方法，包括如下步骤：
(1)制作煤样：
得到粒径分别为0.20～0.25mm和1.00～1.30mm的煤样1和煤样2。通过鄂式破碎机，筛分机和二分器等工具，将初始煤样破碎，筛选出符合要求的粒径的煤样。
(2)第一次抽真空：
称取相同质量的不同粒径范围的煤样，分别装入煤样罐中，并标记为第一煤样罐和第二煤样罐，启动真空泵抽真空；通过读取真空表读数，待达到试验要求的真空度(本实验要求的真空度为5410～20Pa。真空度是指处于真空状态下的气体稀薄程度。从真空泵所读得的数值称真空度，计算方法为：真空度＝大气压强-绝对压强)后，关闭真空泵；
(3)测定死空间：
根据氦气不吸附瓦斯或者少量吸附瓦斯的特性，用氦气进行游离瓦斯空间的测定，得到第一煤样罐和第二煤样罐的游离瓦斯空间，分别记为V1-V0，V2-V0(V0代表“氦气进入密闭量筒后的初始状态体积”)；
(4)第二次抽真空：
启动真空泵抽真空，打开阀门A，关闭阀门B,C；通过读取真空表读数，待达到试验要求的真空度后，关闭真空泵；
(5)注气：
利用注气装置，对第一煤样罐和第二煤样罐注入空气，使两边的气压相等，然后注入瓦斯，记录瓦斯气缸的压强为P瓦，体积为V瓦，读取第一流量计、第二流量计、第三流量计的示数n1、n2、n3，记录第一煤样罐和第二煤样罐此时的压强P1、P2；
(6)数据处理：
根据关系式PV＝nRTz得出n吸附的值，然后根据n吸附＝abPHbP得出n～p的关系，从而得出瓦斯在不同粒径大小的煤样中的运移规律。
所述测定死空间的具体操作方法为：将四通阀的第一阀门与盛有水的烧杯相连，第二阀门与密闭量筒相连、保持烧杯和密闭量筒液面相平，降低烧杯的高度，将密闭量筒中的空气排出；将四通阀的第三阀门与氦气罐连接，通过改变烧杯的高度，使氦气进入密闭量筒中，并记下液面V0；关闭第三阀门，打开第四阀门，使其与第一煤样罐连接，改变烧杯高度，使得密闭量筒中的氦气充满第一煤样罐，记下此时密闭量筒示数V1，则V1-V0即为游离瓦斯所在空间体积；按照上述步骤，同理可得第二煤样罐中游离瓦斯所在空间的体积V2-V0。
注气：将瓦斯气缸、空气气缸、第一煤样罐、第二煤样罐和真空泵分别用真空高压管连接好，记瓦斯气缸的压强为P瓦，体积为V瓦；在空气气缸和第一煤样罐之间安装第一流量计，通往第一煤样罐的支路上安装第二流量计，通往第二煤样罐的支路上安装第三流量计，形成注气系统。关闭阀门A，打开阀门B，使第一煤样罐和第二煤样罐的压强相等即P10＝P20；打开阀门C，使足够的瓦斯通入到第一煤样罐和第二煤样罐中，分别记录第一流量计、第二流量计、第三流量计的示数n1、n2、n3，并将气缸内剩余气体的量记为n剩余，记录第一煤样罐和第二煤样罐此时的压强P1,P2。
上述实验过程中，系统处于温度为25℃～30℃的恒温水浴中。
进一步，整个实验进行的过程中，要时刻监测监控流量计、压力表的示数变化，保证实验安全高效的进行。
本发明的有益效果：
本发明通过模拟试验，清楚地观察并记录到模拟实验中瓦斯的运移速度，为比较瓦斯在不用破碎程度煤样中运移情况提供理论依据。
附图说明
图1是测定死空间的装置。
图2是模拟瓦斯在不同粒径大小煤样中运移的装置。
图中1为第一阀门，2为第二阀门，3为第三阀门，4为第四阀门，5为烧杯，6为密闭量筒，7为氦气罐，8为第一煤样罐，9为第二煤样罐；10为瓦斯气缸，11为空气气缸，12为真空泵，13为第一流量计，14为第二流量计，15为第三流量计。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
图1是测定死空间的装置。如图1所示，四通阀的第一阀门1与盛有水的烧杯5相连，第二阀门2与密闭量筒6相连，第三阀门3与氦气罐7连接，通过改变烧杯的高度，使氦气进入密闭量筒中；关闭第三阀门3，打开第四阀门4，使其与第一煤样罐8连接，关闭第四阀门4，打开第三阀门3，使其与第二煤样罐9连接。
利用图1所示装置及PV＝nRTz求出的n游离为图2装置中注入游离瓦斯物质的量。
图2是模拟瓦斯在不同粒径大小煤样中运移的装置，包括瓦斯气缸、空气气缸、第一煤样罐和第二煤样罐，两个煤样罐并列设置，将瓦斯气缸10、空气气缸11、第一煤样罐8、第二煤样罐9和真空泵12分别用真空高压管连接好，连接管路上设有流量计和阀门，在空气气缸11和第一煤样罐8之间安装第一流量计13，通往第一煤样罐8的支路上安装第二流量计14，通往第二煤样罐9的支路上安装第三流量计15，将整个系统处于温度为25℃～30℃的恒温水浴中。
所述瓦斯气缸、空气气缸、第一煤样罐和第二煤样罐分别与真空泵连接，在空气气缸和第一煤样罐之间安装第一流量计，通往第一煤样罐的支路上安装第二流量计，通往第二煤样罐的支路上安装第三流量计，形成注气系统。各部件之间的连接管路为真空高压管；所述瓦斯气缸、空气气缸、第一煤样罐和第二煤样罐位于温度为25℃～30℃的恒温缸中。
将瓦斯气缸、空气气缸、第一煤样罐、第二煤样罐和真空泵分别用真空高压管连接好，形成注气系统。将整个系统处于恒温水浴中。
采用上述装置模拟瓦斯在不同粒径大小煤样中运移的方法，包括以下步骤：
制作煤样：按照《煤矿安全规程》，称取同一矿井中质量为M＝30kg的煤体制作成粒径为0.20-0.25mm和1.00-1.30mm的煤样，分别标记为煤样1和煤样2。具体制作步骤如下：(1)煤样粒度大于25㎜时，无论煤量多少先破碎到全部通过25㎜方孔筛，掺和均匀后用对锥四分法缩分出不少于60㎏的煤样。(2)将缩分出不少于60㎏的煤样继续破碎，使之全部通过13㎜方孔筛，掺和均匀后，用相应的二分器分出不少于15㎏的煤样。(3)将缩分出不少于15㎏的煤样再继续破碎，使之全部通过6㎜方孔筛，掺和均匀后，再用相应的二分器分出不少于7.5㎏的煤样。(4)将缩分出不少于7.5㎏的煤样继续破碎，使之全部通过3㎜方孔筛，掺和均匀后，用相应的二分器分出不少于3.75㎏的煤样，同时也可从弃样中缩分出0.5㎏煤样作为存查样。(5)将缩分出的不少于3.75㎏的煤样，再进一步破碎，使之全部通过1㎜方孔筛，掺和均匀后，用相应的二分器缩分出不少于0.1㎏的煤样，同时从弃样中缩分出0.5㎏煤样作为存查煤样。(6)将缩分出的不少于0.1㎏煤样烘干后全部磨细到粒度小于0.2㎜作为分析试样。
抽真空：称取相同质量的不同粒径范围的煤样，分别装入煤样罐中，并标记为第一煤样罐和第二煤样罐，启动真空泵抽真空；通过读取真空表读数，待达到5410～20Pa之后，关闭真空泵。
测定死空间：如附图1所示：将四通阀的第一阀门与盛有水的烧杯相连，第二阀门与密闭量筒相连、保持烧杯和密闭量筒液面相平，降低烧杯的高度，将密闭量筒中的空气排出；将四通阀的第三阀门与氦气罐连接，通过改变烧杯的高度，使氦气进入密闭量筒中，并记下液面V0；关闭第三阀门，打开第四阀门，使其与第一煤样罐连接，改变烧杯高度，使得密闭量筒中的氦气充满第一煤样罐，记下此时密闭量筒示数V1，则V1-V0即为游离瓦斯所在空间体积；按照上述步骤，同理可得第二煤样罐中游离瓦斯所在空间的体积V2-V0。
抽真空：启动真空泵抽真空，打开阀门A，关闭阀门B,C；通过读取真空表读数，待达到5410～20Pa之后，关闭真空泵。
注气：将瓦斯气缸、空气气缸、第一煤样罐、第二煤样罐和真空泵分别用真空高压管连接好，记瓦斯气缸的压强为P瓦，体积为V瓦；在空气气缸和第一煤样罐之间安装第一流量计，通往第一煤样罐的支路上安装第二流量计，通往第二煤样罐的支路上安装第三流量计，形成注气系统。关闭阀门A，打开阀门B,使第一煤样罐和第二煤样罐的压强相等即P10＝P20；打开阀门C，使足够的瓦斯通入到第一煤样罐和第二煤样罐中，分别记录第一流量计、第二流量计、第三流量计的示数n1,n2,n3，并将气缸内剩余气体的量记为n剩余，记录第一煤样罐和第二煤样罐此时的压强P1,P2。
保证整个系统处于温度为25℃～30℃的恒温水浴中；
整个实验进行的过程中，要时刻监测监控流量计，压强表的示数的变化，保证实验安全高效的进行。两次抽真空没有区别。
计算公式：
PV＝nRTz
其中：n——物质的量,单位mol；
R——理想气体常数:R＝8.31415926～8.31425927,单位J/(mol·K)；
T——绝对温度,单位K；
P——气体压强,单位Pa；
V——气体体积，单位m3；
z——压缩因子，用来校正实际气体与理想气体的偏差。
z＝Vm真实/Vm理想
理想气体z＝1；实际气体，若z<1说明它比理想气体易压缩，若z>1说明它比理想气体难压缩。
根据上述过程所得出的P瓦、P1、P2、V瓦、V1-V0、V2-V0,其中T为恒温水浴的温度，查表可得；
由此可得：n瓦、n游离1、n游离2
n瓦＝n游离1+n游离2+n吸附+n剩余
进而可以求出：n吸附。
又因为：
n吸附＝abP/1+bP
其中：n——物质的量,单位mol；
a、b——吸附常数；
P——煤层瓦斯绝对压力,单位MPa。
所以可得：
1/n＝1/ab×1/P+1/a
即对于每一个P，都有一个n与之相对应，则根据不同的P可以在n-P图上画出不同的点，将这些点拟合成一条曲线，得到它的数学表达式，则可以得到n和P的关系，并比较n1,n2,n3的大小关系，就可以近似得出瓦斯在不同粒径大小的煤样中运移规律。
Claims (2)
1.一种模拟瓦斯在不同粒径大小煤样中运移的方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）制作煤样：
得到粒径分别为0.20~0.25mm和1.00~1.30mm的煤样一和煤样二；
（2）第一次抽真空：
称取相同质量的不同粒径范围的煤样，分别装入煤样罐中，并标记为第一煤样罐和第二煤样罐，启动真空泵抽真空；通过读取真空表读数，待达到试验要求的真空度后，关闭真空泵；
（3）测定死空间：
根据氦气不吸附瓦斯或者少量吸附瓦斯的特性，用氦气进行游离瓦斯空间的测定，所述测定死空间的具体操作方法为：将四通阀的第一阀门与盛有水的烧杯相连，第二阀门与密闭量筒相连，保持烧杯和密闭量筒液面相平，降低烧杯的高度，将密闭量筒中的空气排出；将四通阀的第三阀门与氦气罐连接，通过改变烧杯的高度，让氦气进入密闭量筒中，并记下液面V0；关闭第三阀门，打开第四阀门，使其与第一煤样罐连接，改变烧杯高度，使得密闭量筒中的氦气充满第一煤样罐，记下此时密闭量筒示数V1，则V1-V0即为游离瓦斯在第一煤样罐的空间体积；按照上述步骤，同理可得第二煤样罐中游离瓦斯所在空间的体积V2-V0；
（4）第二次抽真空：
启动真空泵抽真空；通过读取真空表读数，待达到试验要求的真空度后，关闭真空泵；
（5）注气：
将瓦斯气缸、空气气缸、第一煤样罐、第二煤样罐和真空泵分别用真空高压管连接好，记瓦斯气缸的压强为P瓦，体积为V瓦；在空气气缸和第一煤样罐之间安装第一流量计，通往第一煤样罐的支路上安装第二流量计，通往第二煤样罐的支路上安装第三流量计，形成注气系统；首先使第一煤样罐和第二煤样罐的压强相等即P10=P20；然后使足够的瓦斯通入到第一煤样罐和第二煤样罐中，分别记录第一流量计、第二流量计、第三流量计的示数n1、n2、n3，并将气缸内剩余气体的量记为n剩余，记录第一煤样罐和第二煤样罐此时的压强P1、P2；
（6）数据处理：
根据关系式PV=nRTz得出n吸附的值，然后根据n吸附=abP/(1+bP)得出n~p的关系，从而得出瓦斯在不同粒径大小的煤样中的运移规律；
上式中：n——物质的量,单位 mol；
R——理想气体常数:R=8.31415926~8.31425927,单位 J/（mol·K）；
T——绝对温度,单位 K；
P——气体压强,单位 Pa；
V——气体体积，单位 m3；
z——压缩因子，用来校正实际气体与理想气体的偏差；
a、b——吸附常数；
P——煤层瓦斯绝对压力,单位 MPa；
上述方法采用了模拟瓦斯在不同粒径大小煤样中运移的装置，该装置包括瓦斯气缸、空气气缸、第一煤样罐和第二煤样罐，两个煤样罐并列设置，所述瓦斯气缸、空气气缸、第一煤样罐和第二煤样罐分别与真空泵连接，连接管路上设有流量计和阀门，在空气气缸和第一煤样罐之间安装第一流量计，通往第一煤样罐的支路上安装第二流量计，通往第二煤样罐的支路上安装第三流量计，所述连接管路为真空高压管；所述瓦斯气缸、空气气缸、第一煤样罐和第二煤样罐位于温度为25℃~30℃的恒温缸中。
2.根据权利要求1所述的模拟瓦斯在不同粒径大小煤样中运移的方法，其特征在于：系统处于温度为25℃~30℃的恒温水浴中。
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