CN109632569A - 一种外加气体和水分对含瓦斯煤粒解吸效应影响的测定方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种外加气体和水分对含瓦斯煤粒解吸效应影响的测定方法及装置，属于低透气性煤层增透技术领域。该方法通过制取一定粒径的煤样方入煤样罐内，进行真空干燥、真空脱气、高纯度甲烷吸附平衡，保持相同压力将一定水量的水分和气体充入到煤样罐内搅拌，保持煤样罐温度恒定，使之再次吸附平衡；最后让煤样进行常压解吸，将气体通过气相色谱仪和压力传感器测定解吸气体种类和解吸量，判断外加气体和水分对煤粒解吸的影响程度。该方法及装置能够准确测定并计算外加气体和水分对煤粒的解吸量，研究外加不同气体种类和含水量对煤粒瓦斯解吸规律，且该测定装置较为简单、实用，具有广泛的应用价值。
Description
技术领域
本发明属于低透气性煤层增透技术领域，涉及一种外加气体和水分对含瓦斯煤粒解吸效应影响的测定方法及装置。
背景技术
煤矿瓦斯灾害事故是所有煤矿事故中发生最为频繁、伤害最大的事故之一，同时瓦斯也是一种清洁能源，从煤矿抽取的瓦斯气体能够制成天然气加以利用，采前预抽是解决瓦斯灾害事故的根本性措施之一。我国煤层的渗透性普遍低于世界主要产煤国家，同时随着矿井开采的不断深入，煤层透气性不断降低，瓦斯抽采难度进一步加大，大多数煤层均需要靠外在措施对其进行增透，不仅要提高煤层透气性，而且还需要促进煤层瓦斯的解吸。目前比较常用的增透技术措施主要有水力化和注气增产措施，水力化措施能够及时消除煤与瓦斯突出的可能性，而注气增产则可以通过气体间的置换作用来促进瓦斯由吸附态转化为游离态。瓦斯在煤层中以两种赋存状态存在，即吸附态和游离态，其中对煤层进行增透措施后煤层瓦斯的解吸量是可抽采瓦斯资源的重要组成部分，对其评估的准确性直接影响着水力化和注气增产措施在现场的试验。国内目前关于外加气体种类和水分含量对煤中瓦斯解吸规律相关的研究成果较少，不足以支撑在现场工业试验中注水量和所注气体种类的选取。
因此需要进行针对不同气体、不同含水量对煤粒瓦斯解吸实验的研究，以了解外加水分和气体对煤粒的解吸规律。而现有的瓦斯解吸实验方法针对煤粒解吸的实际情况存在着一下一些不足之处：
(1)现有的实验装置只有单纯地注水或者注气系统，无法做到两者同时注入，所得出的结论也比较单一，无法解释两者的共同作用，而在现场试验中，一般都是煤层注水和注气同时进行，因此需要了解外在注水和注气同时作用对含瓦斯煤解吸性能的影响。
(2)对于外在水注入煤粒方面，现有的实验系统采用的是水蒸气或者液态水直接注入，这就导致了外加水不能充分地润湿煤粒，实验可重复性较差，得出的结论没有充分的说服力，因此有必要采取一定措施使外加水分能够充分地润湿煤粒。
(3)在煤粒解吸数据采集方面，现有的实验装置采用的是利用量管测定气体体积的方式，而没有其他的装置来进行辅助，这样一来导致残留在铜管内部的气体没办法测算，造成实验较大误差，再则在一定温度下，注入的外在水在煤样罐密闭的空间里可能会形成水蒸气，影响实际解吸气体量。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种一种外加气体和水分对含瓦斯煤粒解吸效应影响的测定方法及装置，能够准确测定外加气体和水分对含瓦斯煤粒解吸的影响，为低渗透煤层现场注水和注气瓦斯增产提供理论支撑。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一方面，本发明提供一种外加气体和水分对含瓦斯煤粒解吸效应影响的测定方法，包括以下步骤：
步骤1)将从现场采集到的煤样利用振动筛分别筛成一定粒径的煤粒，分成几份相同质量的样品储存在试验瓶中；
步骤2)选取样品均匀地放在托盘中，并放在真空干燥箱中，保持100℃温度持续干燥4个小时；
步骤3)将煤样罐与瓦斯气体检测装置连接，检查该整套装置的气密性；
步骤4)将干燥好的煤样放入煤样罐中冷却，在恒温条件下利用真空泵对煤样罐中的样品持续脱气，使罐内压力降到预设压强以下；
步骤5)关闭真空泵，打开瓦斯气体，调节到一定气压，将瓦斯气体充入到煤样罐内；
步骤6)保持恒定温度，直到煤样罐内压力一直保持不变为止，视为样品达到吸附平衡状态；之后调节平流泵达到罐内吸附平衡状态的压力，充入一定水量，启动自动搅拌装置，以一定速度搅拌煤样罐内煤粒，使外加水分能够充分地润湿煤粒，之后开启另外一个高压气瓶，充入同等压力的外加气体；之后监测煤样罐内压力的变化，同时连接气相色谱仪，观察气体种类和含量，直到压力再次达到不变为止，视为再次达到平衡状态。
步骤7)拧开阀门，释放煤样罐内气体压力，使罐内压力成为常压，之后关闭阀门，监测煤样罐内压力的变化，测定解吸量，同时观察气相色谱仪，测定气体的种类和各组分含量。
进一步，在步骤6)中对外加水分和气体充入顺序的选择，利用平流泵充入水分充分润湿煤粒后，再充入外加气体，两者充入压力保持和煤样罐内瓦斯吸附平衡压力一致，排除压力对煤粒解吸效应的影响。
进一步，在步骤6)中自动搅拌装置的速度和时间能根据煤颗粒的大小进行随意调节，排除搅拌对解吸的影响。
进一步，在步骤7)中利用高精度传感器测量煤粒解吸后煤样罐内的压力，用下列公式进行换算：单位质量煤的游离瓦斯增量ΔQ表示为
式中：P2、P1为不同时间段煤样罐瓦斯压力MPa；Z为瓦斯气体压缩因子；T为煤样罐内温度，K；R为摩尔气体常数，8.314J/(mol·K)；m为煤样质量，g；V为煤样罐和加水罐剩余自由空间的体积，L。
进一步，气相色谱仪根据色谱原理，浓度的比值等于峰面积的比值，通过工作站对峰面积积分求得目标混合气体浓度为：
式中：S1为混合气体中气体一的浓度，S2为混合气体中气体二的浓度，C1为气体一代表的峰面面积，C2为气体二代表的峰面面积。
另一方面，本发明提供一种外加气体和水分对煤粒解吸效应影响的测定装置，包括依次连接的进气/水系统、煤粒解吸系统和气体信息采集测量系统；所述进气/水系统与煤样罐煤粒解吸系统连接，给煤样罐充入高浓度瓦斯气体、水分及不同种类的外加气体，气体信息采集测量系统用于实时监测煤样罐内气体的压力，测量煤粒解吸系统气体解吸量，组分种类和含量；
所述煤粒解吸系统包括恒温水浴装置，所述恒温水浴装置内设有煤样罐，还包括搅拌装置，所述搅拌装置包括电机，所述电机输出轴连接有搅拌杆，所述搅拌杆一端设有搅拌叶轮，所述搅拌叶轮设置在所述煤样罐内，所述煤样罐的灌口设有密封装置；
所述进气/水系统包括与所述煤样罐连接的甲烷高压气瓶和外加气体高压气瓶，所述甲烷高压气瓶和外加气体高压气瓶先连接有参考罐，再连接煤样罐，还包括与煤样罐连接的用于抽取吸附在煤粒中杂质气体的真空泵，以及用于提供进入煤样罐外加水的平流泵，所述真空泵连接管路上设有真空计；
所述气体信息采集测量系统包括与煤样罐连接的气相色谱仪，用于检测气体种类及组分含量，还包括两个压力传感器，所述压力传感器分别设置在煤样罐与气相色谱仪的连接管路上，以及煤样罐与参考罐的连接管路上，还包括与两个压力传感器连接，用于采集并显示传感器数据的显示系统。
进一步，所述搅拌杆与煤样罐的顶盖采用O型圈密封和填料密封。
本发明的有益效果在于：本发明提供的一种外加气体和水分对含瓦斯煤粒解吸效应影响的测定方法及装置，能够准确测定外加气体和水分对含瓦斯煤粒解吸的影响，在往煤粒住完水之后立即注入外加气体，以免水的作用过于明显，同时利用自动搅拌装置在煤样罐内对煤粒进行搅拌，使外加水分能够充分润湿煤粒，减小测量的相对误差，增加测量准确度，对于自动搅拌装置和煤样罐顶盖采用O型圈密封和填料密封相结合的方式，保持在转动过程中高度的气密性。在测量解吸含量采用测量气体压力的方式进行，提高测量精度，尽可能地减小留在连接装置间隙残余气体存在的误差。该方法及装置安装方便，成本低廉，通过恒温水浴装置可以测定温度对于在外加气体和水分条件下对于煤粒瓦斯解吸的影响。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明所述外加气体和水分对含瓦斯煤粒解吸效应影响的测定方法流程示意图；
图2为本发明所述外加气体和水分对含瓦斯煤粒解吸效应影响的测定装置的结构示意图。
附图标记：甲烷高压气瓶1、压力表2、阀门3、参考罐4、外加气体高压气瓶5、压力传感器6、真空计7、真空泵8、阀门9、阀门10、平流泵11、阀门12、阀门13、显示系统14、电机15、密封装置16、搅拌叶轮17、煤样罐18、恒温水浴装置19、阀门20、压力传感器21、阀门22、气相色谱仪23。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
一方面，本发明提供一种外加气体和水分对煤粒解吸效应影响的测定装置，包括依次连接的进气/水系统、煤粒解吸系统和气体信息采集测量系统；所述进气/水系统与煤样罐18煤粒解吸系统连接，给煤样罐18充入高浓度瓦斯气体、水分及不同种类的外加气体，气体信息采集测量系统用于实时监测煤样罐18内气体的压力，测量煤粒解吸系统气体解吸量，组分种类和含量；
所述煤粒解吸系统包括恒温水浴装置19，所述恒温水浴装置19内设有煤样罐18，还包括搅拌装置，所述搅拌装置包括电机15，所述电机15输出轴连接有搅拌杆，所述搅拌杆一端设有搅拌叶轮17，所述搅拌叶轮17设置在所述煤样罐18内，所述煤样罐18的灌口设有密封装置16；
所述进气/水系统包括与所述煤样罐18连接的甲烷高压气瓶1和外加气体高压气瓶5，所述甲烷高压气瓶1和外加气体高压气瓶5先连接有参考罐4，再连接煤样罐18，还包括与煤样罐18连接的用于抽取吸附在煤粒中杂质气体的真空泵8，以及用于提供进入煤样罐18外加水的平流泵11，所述真空泵8连接管路上设有真空计7；
所述气体信息采集测量系统包括与煤样罐18连接的气相色谱仪23，用于检测气体种类及组分含量，还包括两个压力传感器21，所述压力传感器21分别设置在煤样罐18与气相色谱仪23的连接管路上，以及煤样罐18与参考罐4的连接管路上，还包括与两个压力传感器21连接，用于采集并显示传感器数据的显示系统14。
可选地，所述搅拌杆与煤样罐18的顶盖采用O型圈密封和填料密封。
根据上述装置提供一种外加气体和水分对含瓦斯煤粒解吸效应影响的测定方法，包括以下步骤：
步骤1)将从现场采集到的煤样利用振动筛分别筛成一定粒径的煤粒，分成几份相同质量的样品储存在试验瓶中。在本实验中，粒径过大的煤粒解吸时间过长，而且间隙中的剩余体积不好计量且瓦斯解吸时间过长，粒径过小的煤粒在后面搅拌过程中易凝结成块状，影响实验结果。故在本实验中选取粒径为1-3mm的煤粒，而且根据煤样罐的规格，取每份煤粒质量为150g；
检查装置气密性，开启高纯度甲烷高压气瓶1，充入一定气压，拧开阀门3至参考罐4内，接通高精度压力传感器6至显示系统14，之后拧开阀门10、13将气体充入空煤样罐18内，拧开阀门20、22，气体输送至气相色谱仪，之后调节高压气瓶压力表读数至5MPa，待显示系统14两端压力传感器数值均显示5MPa为止，关闭甲烷高压气瓶1，开启电机15，调至最大转速搅拌30min左右，开启恒温水浴装置19。这样保持12h，显示屏两端读数为5±0.2MPa，证明气密性完好；
步骤2)选取样品均匀地放在托盘中，并放在真空干燥箱中，保持100℃温度持续干燥4个小时；
步骤3)打开阀门9及13，开启真空泵8；
步骤4)将干燥好的煤样放入煤样罐18中冷却2个小时，在恒温条件下利用真空泵对煤样罐18中的样品持续脱气4个小时，复合真空计7显示读数为4Pa；
脱气之后关闭相关阀门，步骤5)关闭真空泵8，打开纯度为99.99％的瓦斯气体，调节到一定气压，将瓦斯气体充入到煤样罐18内。直至吸附平衡，并记录吸附平衡压力；
步骤6)保持恒定温度，直到煤样罐18内压力一直保持不变为止，视为煤粒达到吸附平衡状态。之后调节平流泵11达到罐内吸附平衡状态的压力，充入一定水量，启动自动搅拌装置电机15，以一定速度搅拌煤样罐18内煤粒，使外加水分能够充分地润湿煤粒，之后开启外加气体高压气瓶5，充入同等压力的外加气体。之后监测煤样罐18内压力的变化，同时连接气相色谱仪23，观察气体种类和含量，直到压力再次达到不变为止，视为再次达到平衡状态。在此过程中，平流泵11充入的水压和外加气体高压气瓶5充入的气压需与吸附平衡压力保持一致，防止压力影响煤粒的解吸。同时应先充入水，后充入外加气体，之后利用搅拌装置对煤样罐18里煤粒进行搅拌，搅拌时间不宜过长，亦不能过短，本实验搅拌时间设定为30～60min，搅拌速度设为30转/min，过慢则使水分子不能够充分润湿煤粒，过快则使煤粒过于破碎，影响实验结果，在此次试验中，本次实验采用氮气作为外加气体，加入10mL水；
步骤7)拧开阀门，释放煤样罐18内气体压力2～3min,使罐内压力成为常压，之后关闭阀门，监测煤样罐18内压力的变化，记录显示系统14呈现的压力变化，同时观察气相色谱仪23，测定气体的种类和各组分含量。
最后，测定除煤和水之外煤样罐的剩余体积，以及连接至高精度压力传感器6、21铜管的内部的体积，两者体积之和即为加水后剩余自由空间的体积。
利用高精度压力传感器6、21测量煤粒解吸后煤样罐内的压力，用下列公式进行换算：单位质量煤的游离瓦斯增量ΔQ可表示为
式中：p1、p2为不同时间段煤样罐瓦斯压力MPa；Z为瓦斯气体压缩因子；T为煤样罐内温度，K；R为摩尔气体常数，8.314J/(mol·K)；m为煤样质量，g；V为煤样罐和加水罐剩余自由空间的体积，L。
气相色谱仪23根据色谱原理，浓度的比值等于峰面积的比值，通过工作站对峰面积积分求得目标混合气体浓度为：
式中：S1为混合气体中气体一的浓度，S2为混合气体中气体二的浓度，C1为气体一代表的峰面面积，C2为气体二代表的峰面面积。
在其他实例中，保持煤粒吸附平衡压力不变，只是改变注水量和外加气体种类，通过气相色谱仪23及显示屏压力的测算出在此条件下煤粒瓦斯真实的解吸量。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (7)
1.一种外加气体和水分对含瓦斯煤粒解吸效应影响的测定方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1)将从现场采集到的煤样利用振动筛分别筛成一定粒径的煤粒，分成几份相同质量的样品储存在试验瓶中；
步骤2)选取样品均匀地放在托盘中，并放在真空干燥箱中，保持100℃温度持续干燥4个小时；
步骤3)将煤样罐与瓦斯气体检测装置连接，检查该整套装置的气密性；
步骤4)将干燥好的煤样放入煤样罐中冷却，在恒温条件下利用真空泵对煤样罐中的样品持续脱气，使罐内压力降到预设压强以下；
步骤5)关闭真空泵，打开瓦斯气体，调节到一定气压，将瓦斯气体充入到煤样罐内；
步骤6)保持恒定温度，直到煤样罐内压力一直保持不变为止，视为样品达到吸附平衡状态；之后调节平流泵达到罐内吸附平衡状态的压力，充入一定水量，启动自动搅拌装置，以一定速度搅拌煤样罐内煤粒，使外加水分能够充分地润湿煤粒，之后开启另外一个高压气瓶，充入同等压力的外加气体；之后监测煤样罐内压力的变化，同时连接气相色谱仪，观察气体种类和含量，直到压力再次达到不变为止，视为再次达到平衡状态。
步骤7)拧开阀门，释放煤样罐内气体压力，使罐内压力成为常压，之后关闭阀门，监测煤样罐内压力的变化，测定解吸量，同时观察气相色谱仪，测定气体的种类和各组分含量。
2.根据权利要求1所述的外加气体和水分对含瓦斯煤粒解吸效应影响的测定方法，其特征在于：在步骤6)中对外加水分和气体充入顺序的选择，利用平流泵充入水分充分润湿煤粒后，再充入外加气体，两者充入压力保持和煤样罐内瓦斯吸附平衡压力一致，排除压力对煤粒解吸效应的影响。
3.根据权利要求1所述的外加气体和水分对含瓦斯煤粒解吸效应影响的测定方法，其特征在于：在步骤6)中自动搅拌装置的速度和时间能根据煤颗粒的大小进行随意调节，排除搅拌对解吸的影响。
4.根据权利要求1所述的外加气体和水分对含瓦斯煤粒解吸效应影响的测定方法，其特征在于：在步骤7)中利用高精度传感器测量煤粒解吸后煤样罐内的压力，用下列公式进行换算：单位质量煤的游离瓦斯增量ΔQ表示为
式中：P2、P1为不同时间段煤样罐瓦斯压力MPa；Z为瓦斯气体压缩因子；T为煤样罐内温度，K；R为摩尔气体常数，8.314J/(mol·K)；m为煤样质量，g；V为煤样罐和加水罐剩余自由空间的体积，L。
5.根据权利要求1所述的外加气体和水分对含瓦斯煤粒解吸效应影响的测定方法，其特征在于：气相色谱仪根据色谱原理，浓度的比值等于峰面积的比值，通过工作站对峰面积积分求得目标混合气体浓度为：
式中：S1为混合气体中气体一的浓度，S2为混合气体中气体二的浓度，C1为气体一代表的峰面面积，C2为气体二代表的峰面面积。
6.一种外加气体和水分对煤粒解吸效应影响的测定装置，其特征在于：包括依次连接的进气/水系统、煤粒解吸系统和气体信息采集测量系统；所述进气/水系统与煤样罐煤粒解吸系统连接，给煤样罐充入高浓度瓦斯气体、水分及不同种类的外加气体，气体信息采集测量系统用于实时监测煤样罐内气体的压力，测量煤粒解吸系统气体解吸量，组分种类和含量；
所述煤粒解吸系统包括恒温水浴装置，所述恒温水浴装置内设有煤样罐，还包括搅拌装置，所述搅拌装置包括电机，所述电机输出轴连接有搅拌杆，所述搅拌杆一端设有搅拌叶轮，所述搅拌叶轮设置在所述煤样罐内，所述煤样罐的灌口设有密封装置；
所述进气/水系统包括与所述煤样罐连接的甲烷高压气瓶和外加气体高压气瓶，所述甲烷高压气瓶和外加气体高压气瓶先连接有参考罐，再连接煤样罐，还包括与煤样罐连接的用于抽取吸附在煤粒中杂质气体的真空泵，以及用于提供进入煤样罐外加水的平流泵，所述真空泵连接管路上设有真空计；
所述气体信息采集测量系统包括与煤样罐连接的气相色谱仪，用于检测气体种类及组分含量，还包括两个压力传感器，所述压力传感器分别设置在煤样罐与气相色谱仪的连接管路上，以及煤样罐与参考罐的连接管路上，还包括与两个压力传感器连接，用于采集并显示传感器数据的显示系统。
7.根据权利要求1所述的外加气体和水分对煤粒解吸效应影响的测定装置，其特征在于：所述搅拌杆与煤样罐的顶盖采用O型圈密封和填料密封。
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