CN108918339B - 用于研究工作面前方煤体瓦斯吸附平衡特性的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于研究工作面前方煤体瓦斯吸附平衡特性的实验装置，包括第一压力表、联接管、盖子、长方体容器、瓦斯气体注入系统、普通充气系统、瓦斯含量测试系统、胶体注入系统、测点配置系统及实验煤样；开始测定之前，内壳里面的瓦斯气体可自由出入，确保整个系统瓦斯流场的平衡，内壳里面的瓦斯压力与通过钢管监测到的瓦斯压力一致；在开始测定之后，内壳里面的瓦斯气体被长期完全密封，确保在瓦斯含量测定期间，没有气体逃逸出去；因此，可同时获取所有测点的瓦斯压力和含量。从而判断各点的煤样瓦斯吸附平衡特性，并最终绘制出工作面前方煤体瓦斯吸附平衡特性的分布状况，为准确掌握采掘工作面前方真实的煤层瓦斯赋存状况提供科学方法。

Description

用于研究工作面前方煤体瓦斯吸附平衡特性的实验装置

技术领域

本发明涉及一种实验装置，特别是关于一种用于研究工作面前方煤体瓦斯吸附平衡特性的实验装置。

背景技术

众所周知，煤对瓦斯具有吸附能力，瓦斯在煤体内通常以两种形态存在，即吸附态和游离态。在吸附达到平衡条件下，游离瓦斯约占10-20%，吸附瓦斯约占80-90%。

游离瓦斯的无规则运动，对外产生力的作用，在宏观上表现为瓦斯压力；瓦斯压力是评价煤与瓦斯突出危险性的重要指标。

在采掘工作面前方，由于采掘作业空间的存在，使得煤壁暴露，并且煤体内的瓦斯会向作业空间方向涌出；这就使得采掘工作面前方煤体内的瓦斯处于流动状态，原有的吸附平衡状态被打破，游离瓦斯和吸附瓦斯在数量上的比例关系也将发生改变。

从理论上讲，这种吸附平衡状态被打破的程度不是恒定，它随瓦斯流动时间和距煤壁的距离而变化，即具有时空特性。

目前，有关煤对瓦斯的吸附平衡特性方面的研究，主要集中在静止环境下不同参数（包括温度、煤样特性、吸附气体种类、电磁场合外力扰动等）条件对吸附平衡的影响；而有关瓦斯流动条件下的吸附平衡特性研究成果比较少。

在采掘工作面前方，随着瓦斯流动时间的延长，煤体对瓦斯的吸附平衡相继被打破，为准确掌握采掘工作面前方煤体对瓦斯的吸附平衡状态，以便对瓦斯灾害做出更为准确的预判；探索出一种能够用于研究工作面前方煤体瓦斯吸附平衡特性分布状况的实验装置就显得尤为迫切。

发明内容

本发明所要解决的主要技术问题是提供一种用于研究工作面前方煤体瓦斯吸附平衡特性的实验装置。

解决上述技术问题的技术方案是：

一种用于研究工作面前方煤体瓦斯吸附平衡特性的实验装置，包括第一压力表、联接管、盖子、长方体容器、瓦斯气体注入系统、普通充气系统、瓦斯含量测试系统、胶体注入系统、测点配置系统及实验煤样；所述长方体容器横向设置，其一侧面设置为盖子，盖子的中心设有联接管，联接管的远端连接第一压力表，近端伸入至长方体容器内部；长方体容器内沿其长度均布多个测点配置系统，所述测点配置系统分别包括内壳、外壳、透气孔、透气孔密封装置、瓦斯注入管路；所述内壳和外壳的截面均为U形结构，外壳套合在内壳的外部，且分别与长方体容器密封固连，在内壳和长方体容器之间形成存储空间，内壳和外壳之间形成气体通道；所述存储空间和长方体容器内填满煤样；所述气体通道的内、外侧壁分别沿其高度设有多个透气孔；所述透气孔密封装置包括设置在气体通道顶部的环形气囊和对应每个气体通道内侧壁的透气孔设置的密封叶片；所述存储空间设有瓦斯检测口，环形气囊设有充气口，气体通道设有胶体注入口；所述气体通道的下方设置瓦斯注入管路，管路的顶端距离气体通道留有一段距离，底端伸出至长方体容器外部，并连接有第二压力表和瓦斯进气口；所述瓦斯检测口、高压进气口、胶体注入口和瓦斯进气口分别设有阀门，瓦斯检测口连接瓦斯含量测试系统，充气口连接普通充气系统，胶体注入口连接胶体注入系统，瓦斯进气口连接瓦斯气体注入系统；环形气囊非充气状态下，密封叶片保持在打开状态，瓦斯气体由瓦斯注入管路通入长方体容器内的煤样中，并通过透气孔进入 存储空间的煤样内；环形气囊膨胀状态下挤压密封叶片，密封叶片顺次挤压闭合，将透气孔密封，瓦斯气体保留存储空间的煤样中。

所述密封叶片的内表面涂有起密封作用的弹性胶皮，当叶片在外力作用下闭合时，密封住透气孔，内壳里面的瓦斯气体不能经其透气孔流出。

所述密封叶片为弧形弹性片，能够在环形气囊的挤压下变形。

所述内壳和外壳均为半椭圆形壳体。

所述所述瓦斯检测口、充气口、胶体注入口、瓦斯进气口分别通过高压胶管连接瓦斯含量测试系统、普通充气系统、连接胶体注入系统、瓦斯气体注入系统。

一种用于研究工作面前方煤体瓦斯吸附平衡特性的实验方法，包括如下步骤：

步骤1）提前将煤样放置在长方体容器和五个测定配置系统的内壳里面，并关闭所有阀门和盖子，然后打开五个测点配置系统的瓦斯进气阀门，通过瓦斯气体注入系统向煤样内注入高压瓦斯气体，并等待吸附平衡，作为模拟工作面前方瓦斯尚未释放的煤体；

步骤2）依次打开第一压力表和盖子，长方体容器内煤样中的瓦斯将向开口方向涌出，模拟正常生产环境下的工作面前方煤体；

步骤3）五个测定配置系统的第二压力表随时记录该测定点的瓦斯压力数据；

步骤4）密封叶片初始处于张开状态，内壳里面的瓦斯气体通过内壳和外壳的透气孔自由出入，确保在每个测点位置，内壳里面的瓦斯压力与外面的一致；

步骤5）环形气囊初始处于松散状态，当通过普通充气系统输入高压气体后，瞬间膨胀，挤压密封叶片，迫使叶片闭合，并且上一级叶片在闭合时压迫相邻的下一级叶片，使得所有密封叶片在瞬间内处于闭合状态，内壳里面的瓦斯气体处于密封状态；

步骤6）通过胶体注入系统向气体通道内注入胶体，并让其压迫已经处于闭合状态的密封叶片，确保存储空间内的瓦斯长期被完全密封；

步骤7）通过瓦斯含量测试系统可测试不同测点的瓦斯含量，并对比该测点在密封叶片闭合瞬间的气体压力，得出该测点的煤样瓦斯吸附平衡状态；再根据所有测点的瓦斯吸附平衡状态及第一压力表和盖子开启后的瓦斯释放时间，得出工作面前方煤体瓦斯吸附平衡特性的分布状况。

本发明的有益效果是：

本发明可为矿井瓦斯防治方面的科学研究提供一种研究工作面前方煤体瓦斯吸附平衡特性的实验装置，通过同时检测工作面前方不同地点的瓦斯压力和含量，并判断个点的煤样瓦斯吸附平衡特性，并最终绘制出工作面前方煤体瓦斯吸附平衡特性的分布状况，从而可为煤矿工程技术人员准确掌握采掘工作面前方真实的煤层瓦斯赋存状况提供科学方法。应用本发明装置，可以对采掘工作面前方的瓦斯灾害做出更为准确的预判，有利于矿井的安全生产。

本发明的测点配置系统，在开始测定之前，内壳里面的瓦斯气体可自由出入，可确保整个系统瓦斯流场的平衡，内壳里面的瓦斯压力与通过钢管监测到的瓦斯压力一致；在开始测定之后，内壳里面的瓦斯气体被长期完全密封，可确保在瓦斯含量测定期间，没有气体逃逸出去；因此，可同时获取所有测点的瓦斯压力和含量（注：因测定时间需要，瓦斯含量数据出来的稍微晚点），是本发明的核心技术。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2为测点配置系统的结构示意图。

图中标记如下：压力表1、联接管2、盖子3、长方体容器4、瓦斯气体注入系统5、普通充气系统6、瓦斯含量测试系统7、胶体注入系统8、测点配置系统9-13、高压胶管13-1、压力表13-2、钢管13-3、阀门13-4、高压胶管13-5、6、7、阀门13-8、13-9、13-10、环形气囊13-11、密封叶片13-12、内壳13-13、外壳13-14、透气孔13-15、存储空间13-16、气体通道13-17、煤样14。

具体实施方式

一种用于研究工作面前方煤体瓦斯吸附平衡特性的实验装置，包括第一压力表1、联接管2、盖子3、长方体容器4、瓦斯气体注入系统5、普通充气系统6、瓦斯含量测试系统7、胶体注入系统8、测点配置系统9-13及实验煤样14；所述长方体容器4横向设置，其一侧面设置为盖子3，盖子3的中心设有联接管2，联接管2的远端连接第一压力表1，近端伸入至长方体容器4内部；长方体容器4内沿其长度均布多个测点配置系统9-13；测点配置系统9-13是一致的，均包括十四个组成部分，只是位置不同；以测点配置系统13为例，包括内壳13-13、外壳13-14、透气孔13-15、透气孔密封装置、瓦斯注入管路；所述内壳13-13和外壳13-14的截面均为顶部开口的壳体，外壳13-14套合在内壳13-13的外部，且顶端开口分别与长方体容器4密封固连，在内壳13-13和长方体容器4之间形成存储空间13-16，内壳13-13和外壳13-14之间形成气体通道13-17；所述存储空间13-16和长方体容器4内填满煤样14；所述气体通道13-17的内、外侧壁分别沿其高度设有多个透气孔13-15；所述透气孔密封装置包括设置在气体通道13-17顶部的环形气囊13-11和对应每个气体通道13-17内侧壁的透气孔13-15设置的密封叶片13-12；所述存储空间13-16设有瓦斯检测口，环形气囊13-11设有充气口，气体通道设有胶体注入口；所述气体通道13-17的下方设置瓦斯注入管路，管路的顶端距离气体通道13-17留有一段距离，底端伸出至长方体容器4外部，并连接有第二压力表13-2和瓦斯进气口；所述瓦斯检测口、高压进气口、胶体注入口和瓦斯进气口分别设有阀门13-9、13-10、13-8、13-4，瓦斯检测口连接瓦斯含量测试系统7，充气口连接普通充气系统6，胶体注入口连接胶体注入系统8，瓦斯进气口连接瓦斯气体注入系统5；环形气囊13-11非充气状态下，密封叶片13-12保持在打开状态，瓦斯气体由瓦斯注入管路通入长方体容器4内的煤样14中，并通过透气孔13-15进入 存储空间13-16的煤样14内；环形气囊13-11膨胀状态下挤压密封叶片13-12，密封叶片13-12顺次挤压闭合，将透气孔13-15密封，瓦斯气体保留在存储空间13-16的煤样14中。

所述密封叶片13-12的内表面涂有起密封作用的弹性胶皮，当叶片在外力作用下闭合时，密封住透气孔13-15，内壳13-13里面的瓦斯气体不能经其透气孔13-15流出。

所述密封叶片13-12为弧形弹性片，能够在环形气囊13-11的挤压下变形。

所述瓦斯检测口、充气口、胶体注入口、瓦斯进气口分别通过高压胶管13-6、13-7、13-5、13-1连接瓦斯含量测试系统7、普通充气系统6、连接胶体注入系统8、瓦斯气体注入系统5。

所述瓦斯注入管路主要为竖直钢管13-3，底端连接横向进气管。

一种用于研究工作面前方煤体瓦斯吸附平衡特性的实验方法，包括如下步骤：

步骤1）提前将煤样放置在长方体容器4和五个测定配置系统9-13的内壳13-13里面，并关闭所有阀门和盖子3，然后打开五个测点配置系统9-13的瓦斯进气阀门，通过瓦斯气体注入系统5向煤样14内注入高压瓦斯气体，并等待吸附平衡，作为模拟工作面前方瓦斯尚未释放的煤体；

步骤2）依次打开第一压力表1和盖子3，长方体容器4内煤样中的瓦斯将向开口方向涌出，模拟正常生产环境下的工作面前方煤体；

步骤3）五个测定配置系统9-13的第二压力表13-2随时记录该测定点的瓦斯压力数据；

步骤4）叶片初始处于张开状态，内壳13-13里面的瓦斯气体通过13-15透气孔自由出入，确保在每个测点位置，内壳13-13里面的瓦斯压力与外面的一致；

步骤5）环形气囊13-11初始处于松散状态，当通过普通充气系统6输入高压气体后，瞬间膨胀，挤压密封叶片13-12，迫使叶片闭合，并且上一级叶片在闭合时压迫相邻的下一级叶片，使得所有叶片在瞬间内处于闭合状态，内壳13-13里面的瓦斯气体处于密封状态；

步骤6）通过胶体注入系统8向气体通道13-17内注入胶体，并让其压迫已经处于闭合状态的叶片，确保存储空间13-16内的瓦斯长期被完全密封；

步骤7）通过瓦斯含量测试系统7测试不同测点的瓦斯含量，并对比该测点在密封叶片13-12闭合瞬间的气体压力，得出该测点的煤样瓦斯吸附平衡状态；再根据所有测点的瓦斯吸附平衡状态及第一压力表1和盖子3开启后的瓦斯释放时间，得出工作面前方煤体瓦斯吸附平衡特性的分布状况。

以测点配置系统13为例，其联接方式如下：高压胶管13-1与钢管13-3通过变径接头联接，联接方式为螺纹联接；压力表13-2与钢管13-3通过螺纹联接；阀门13-4与钢管13-3也通过螺纹联接；钢管13-3直接插入长方体容器4内部，采用密封圈密封；高压胶管13-5、13-6、13-7与长方体容器4均通过变径接头联接，联接方式为螺纹联接；阀门13-8、13-9、13-10与高压胶管13-5、13-6、13-7均采用插销式联接，外加细铁丝固定；内壳13-13和外壳13-14提前凿好透气孔13-15，直接焊接在长方体容器4内部；环形气囊13-11在焊接好内壳13-13后，直接套好，并将进气口与高压胶管13-7相连，联接方式为插销式联接，外加细铁丝固定；密封叶片13-12直接敷设在内壳13-13表面，联接方式为铰连接。

第一压力表1和联接管2通过螺纹联接；联接管2直接插入长方体容器4内部，采用密封圈密封；盖子3与长方体容器4采用法兰盘联接；瓦斯气体注入系统5、普通充气系统6、瓦斯含量测试系统7和胶体注入系统8与各测点配置系统9-13的高压胶管13-1、13-5、13-6、13-7之间均采用插销式联接，外加细铁丝固定。

实验煤样提前放置在长方体容器4和各个内壳13-13里面。

实施例1

测点配置系统以13为例，高压胶管13-1、13-5、13-6、13-7为耐压胶管，内径6mm，壁厚2mm，长约3m；压力表13-2为普通机械压力表；钢管13-3不锈钢钢管，内径10mm，壁厚2mm，纵向长0.5m，横向长0.2m；阀门13-4、8、9、10为截止阀；环形气囊13-11的制作材料为普通塑料，内径200mm，外径300mm；密封叶片13-12为塑料片，呈椭圆形，长轴150mm，短轴100mm；内壳13-13和外壳13-14的制作材料均为不锈钢，直接焊接在长方体容器4内，均呈半椭球形，长半轴分别为300mm和400mm，短半轴分别为100mm和150mm，上面均凿有透气孔13-15，孔径1mm，数量分为为24个和30个。

压力表1为普通机械压力表；联接管2不锈钢钢管，内径10mm，壁厚2mm，长200mm；长方体容器4的制作材料为不锈钢，壁厚2mm，长5m，宽和高均为1m；盖子3的制作材料为不锈钢，壁厚2mm，宽和高均为1m。

瓦斯气体注入系统5为高压瓦斯气瓶，并配有减压阀和多分支流出系统；普通充气系统6为高压氮气罐，并配有减压阀和多分支流出系统；瓦斯含量测试系统7为可解吸瓦斯含量测试系统（DGC型）；胶体注入系统8为一个注浆压力泵和胶体。

本发明的工作过程如下：

首先将各测点的配置系统安置在长方体容器4内，并将实验煤样14倒入长方体容器4和各内壳13-13里面。

盖上密封盖子3，插入联接管2，联接压力表1；将各高压胶管分别与各测点的配置系统和瓦斯气体注入系统5、普通充气系统6、瓦斯含量测试系统7和胶体注入系统8相联接。

关闭联接普通充气系统6、瓦斯含量测试系统7和胶体注入系统8的管路阀门13-8、13-9、13-10，打开联接瓦斯气体注入系统5的管路阀门13-4。

上述准备工作做好后，打开瓦斯气体注入系统5，向煤样注入瓦斯气体，并等待吸附平衡，即各压力表显示的瓦斯压力一致，并且2小时内基本不变。

关闭联接瓦斯气体注入系统5的管路阀门13-4，先打开压力表1，初始释放瓦斯，然后进一步打开盖子3，释放瓦斯，并观察其余各压力表的数据变化。

记录各压力表的瓦斯压力，打开联接普通充气系统6的管路阀门13-7，让环形气囊13-11膨胀，并压迫密封叶片13-12，使得所有叶片瞬间闭合。

打开联接胶体注入系统8的管路阀门13-8，注入胶体；打开联接瓦斯含量测试系统7的管路阀门13-9，测定瓦斯含量。

待瓦斯含量测定完毕，对比分析个点的瓦斯压力与含量，分析该点的煤样瓦斯吸附平衡特性，并总结吸附平衡特性随其距开口位置即盖子3的分布状况。

Claims (6)

1.一种用于研究工作面前方煤体瓦斯吸附平衡特性的实验装置，其特征在于，包括第一压力表、联接管、盖子、长方体容器、瓦斯气体注入系统、普通充气系统、瓦斯含量测试系统、胶体注入系统、测点配置系统及实验煤样；所述长方体容器横向设置，其一侧面设置为盖子，盖子的中心设有联接管，联接管的远端连接第一压力表，近端伸入至长方体容器内部；长方体容器内沿其长度均布多个测点配置系统，所述测点配置系统分别包括内壳、外壳、透气孔、透气孔密封装置、瓦斯注入管路；所述内壳和外壳的截面均为U形结构，外壳套合在内壳的外部，且分别与长方体容器密封固连，在内壳和长方体容器之间形成存储空间，内壳和外壳之间形成气体通道；所述存储空间和长方体容器内填满煤样；所述气体通道的内、外侧壁分别沿其高度设有多个透气孔；所述透气孔密封装置包括设置在气体通道顶部的环形气囊和对应每个气体通道内侧壁的透气孔设置的密封叶片；所述存储空间设有瓦斯检测口，环形气囊设有充气口，气体通道设有胶体注入口；所述气体通道的下方设置瓦斯注入管路，管路的顶端距离气体通道留有一段距离，底端伸出至长方体容器外部，并连接有第二压力表和瓦斯进气口；所述瓦斯检测口、高压进气口、胶体注入口和瓦斯进气口分别设有阀门，瓦斯检测口连接瓦斯含量测试系统，充气口连接普通充气系统，胶体注入口连接胶体注入系统，瓦斯进气口连接瓦斯气体注入系统；环形气囊非充气状态下，密封叶片保持在打开状态，瓦斯气体由瓦斯注入管路通入长方体容器内的煤样中，并通过透气孔进入 存储空间的煤样内；环形气囊膨胀状态下挤压密封叶片，密封叶片顺次挤压闭合，将透气孔密封，瓦斯气体保留存储空间的煤样中。

2.根据权利要求1所述的一种用于研究工作面前方煤体瓦斯吸附平衡特性的实验装置，其特征在于，所述密封叶片的内表面涂有起密封作用的弹性胶皮，当叶片在外力作用下闭合时，密封住透气孔，内壳里面的瓦斯气体不能经其透气孔流出。

3.根据权利要求1所述的一种用于研究工作面前方煤体瓦斯吸附平衡特性的实验装置，其特征在于，所述密封叶片为弧形弹性片，能够在环形气囊的挤压下变形。

4.根据权利要求1所述的一种用于研究工作面前方煤体瓦斯吸附平衡特性的实验装置，其特征在于，所述内壳和外壳均为半椭圆形壳体。

5.根据权利要求1所述的一种用于研究工作面前方煤体瓦斯吸附平衡特性的实验装置，其特征在于，所述瓦斯检测口、充气口、胶体注入口、瓦斯进气口分别通过高压胶管连接瓦斯含量测试系统、普通充气系统、连接胶体注入系统、瓦斯气体注入系统。

6.利用权利要求1-5任意一项权利要求所述的实验装置的一种用于研究工作面前方煤体瓦斯吸附平衡特性的实验方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1）提前将煤样放置在长方体容器和五个测定配置系统的内壳里面，并关闭所有阀门和盖子，然后打开五个测点配置系统的瓦斯进气阀门，通过瓦斯气体注入系统向煤样内注入高压瓦斯气体，并等待吸附平衡，作为模拟工作面前方瓦斯尚未释放的煤体；

步骤2）依次打开第一压力表和盖子，长方体容器内煤样中的瓦斯将向开口方向涌出，模拟正常生产环境下的工作面前方煤体；

步骤3）五个测定配置系统的第二压力表随时记录该测定点的瓦斯压力数据；

步骤4）密封叶片初始处于张开状态，内壳里面的瓦斯气体通过内壳和外壳的透气孔自由出入，确保在每个测点位置，内壳里面的瓦斯压力与外面的一致；

步骤5） 环形气囊初始处于松散状态，当通过普通充气系统输入高压气体后，瞬间膨胀，挤压密封叶片，迫使叶片闭合，并且上一级叶片在闭合时压迫相邻的下一级叶片，使得所有叶片在瞬间内处于闭合状态，内壳里面的瓦斯气体处于密封状态；

步骤6） 通过胶体注入系统向气体通道内注入胶体，并让其压迫已经处于闭合状态的密封叶片，确保存储空间内的瓦斯长期被完全密封；

步骤7） 通过瓦斯含量测试系统可测试不同测点的瓦斯含量，并对比该测点在密封叶片闭合瞬间的气体压力，得出该测点的煤样瓦斯吸附平衡状态；再根据所有测点的瓦斯吸附平衡状态及第一压力表和盖子开启后的瓦斯释放时间，得出工作面前方煤体瓦斯吸附平衡特性的分布状况。