CN110455670B - 一种考虑初始解吸的煤粉瓦斯解吸试验装置与方法 - Google Patents

Abstract

一种考虑初始解吸的煤粉瓦斯解吸试验装置与方法，包括真空脱气装置、充气装置、解吸装置、解吸测量装置和恒温控制装置；所述解吸装置包括两个相同容积的样品罐a和a′、两个相同容积的参考罐b和b′以及截止阀；所述解吸测量装置包括U型压差计、截止阀。传统解吸规律试验，是从游离瓦斯释放后压力表示数为零时开始测量瓦斯解吸速率及解吸量，存在较大误差。本发明利用甲烷与氦气的粉煤吸附特性的差异—氦气无吸附特性，模拟甲烷与氦气的解吸过程，同步解吸过程中甲烷气体量比氦气气体量多出的部分即为解吸瓦斯量，并以U型压差计同步测量。此方法可测量包括卸压阶段解吸的瓦斯解吸速率和解吸量，准确揭示粉煤瓦斯解吸规律。

Description

一种考虑初始解吸的煤粉瓦斯解吸试验装置与方法

技术领域

本发明属于一种瓦斯解吸模拟试验方法技术领域，特别涉及一种考虑初始卸压阶段解吸的煤粉瓦斯解吸规律试验装置与方法。

背景技术

煤与瓦斯突出是地应力、瓦斯及煤体力学性质共同作用，在采掘过程中短时向作业空间涌出大量煤与瓦斯的动力现象。在突出准备和启动阶段，煤体内的地应力和瓦斯压力、瓦斯含量是突出的主要动力源。而在突出发展阶段，煤块的进一步破碎和运输主要是依靠高压瓦斯的膨胀能。这一过程中的膨胀能主要来自两方面，一是突出孔洞周边游离和已经解吸的瓦斯，这部分膨胀能直接参与煤体的粉化和搬运；另一部分来自不断从煤体中解吸新产生的瓦斯。煤体中吸附瓦斯含量约占瓦斯总含量的90％，其解吸效率对瓦斯膨胀能补充影响很大。

煤体粉化后粒径减小，瓦斯扩散路径缩短，瓦斯解吸效率会大大提高。突出事故现场大比例的粒径小于100μm(狂粉)的存在证明了瓦斯快速解吸对突出发展的重要作用。前人在进行解吸规律试验研究时，从游离瓦斯释放后压力表示数为零时开始测量瓦斯解吸速率及解吸量。而实际上从容器中压力开始降低，就会有部分瓦斯从煤粉表面及浅部大孔隙吸附位中解吸出来，并且在瓦斯解吸中破碎程度越大，初期解吸速度越大，所占比例越大。因此，传统试验方法存在较大误差。即使存在考虑初始卸压阶段瓦斯解吸的情况，也仅仅是收集卸压气体，与自由空间气体量对比，获得此阶段解吸总量，以此补偿后续解吸瓦斯量。上述方法不能反映卸压阶段的瓦斯解吸速率，仅是瓦斯解吸量的补偿。

基于上述现状，本发明提出一种考虑初始解吸的煤粉瓦斯解吸试验装置与方法，对初期卸压阶段的粉煤解吸速率和解吸量进行间接测量，完善粉煤快速解吸规律的研究。

发明内容

本发明针对现有技术装置上述缺点，提出了一种结构简单，性能可靠，试验数据准确，能够获得包括初始卸压阶段的瓦斯解吸速率和解吸量的试验装置和方法，该装置与方法主要利用了不同气体的煤粉吸附特性差异。

针对上述问题，本发明设计技术方案如下：一种考虑初始解吸的煤粉瓦斯解吸试验装置，包括真空脱气装置、充气装置、解吸装置、解吸测量装置和恒温控制装置；所述真空脱气装置包括真空泵、真空压力表，真空泵通过真空压力表、针阀与样品罐a、样品罐a′、参考罐b、参考罐b′相连；所述充气装置包括高压甲烷瓶、高压氦气瓶、放气阀、减压阀和压力表，高压甲烷瓶与样品罐a相连，高压氦气瓶与样品罐a′相连；所述解吸装置包括样品罐a、样品罐a′、参考罐b、参考罐b′和截止阀，样品罐a与参考罐b之间通过截止阀相连，样品罐a′与参考罐b′之间通过截止阀相连；所述解吸测量装置包括U型压差计、截止阀，U型压差计两端分别通过橡皮管连接参考罐b和参考罐b′上截止阀出口；所述恒温控制装置包括恒温水浴槽、加热器、冷冻器、温控装置、水浴对流装置、温度显示器，温控装置与加热器、冷冻器之间电气连接。

样品罐a和样品罐a′容积相同，参考罐b和参考罐b′容积相同，保证两份煤样在相同的环境下解吸。

水浴对流装置采用电能动力的螺旋扇叶，推动水流流动，促进水浴内热量对流，防止局部温度过高或过低，实现温度控制的目的。

温控装置采用计算机或集成电路或PLC，均为已有技术，不再赘述具体结构及工作方式。

本发明的目的还在于提供一种使用上述装置的考虑初始解吸的煤粉瓦斯解吸试验方法。利用甲烷与氦气的粉煤吸附特性的差异—氦气无吸附特性，模拟甲烷与氦气的解吸过程，同步解吸过程中甲烷气体量比氦气气体量多出的部分即为解吸瓦斯量。此方法可测量包括卸压阶段解吸的瓦斯解吸速率和解吸量，准确研究粉煤解吸规律，为现场瓦斯灾害治理提供理论指导。

为实现上述目的，本发明提供的一种考虑初始解吸的煤粉瓦斯解吸试验方法具体步骤如下：

(1)试验前对样品罐a和样品罐a′、参考罐b和参考罐b′中充入高压气体，稳压24h，观测压力表变化；若压力无变化，可进行后续步骤；若压力降低，则找出泄露位置，密封后重新进行气密性检测；

(2)容器体积标定：开启恒温控制装置，设置恒温水浴温度，保持不变，使用真空充氦法测量样品罐容积V₁、参考罐容积V₂以及样品罐去除煤样后的自由空间体积V_d；

(3)样品制备：将同一煤样混合均匀后，称取相同份量的粉煤两份，分别放入两样品罐中，并密封完好；

(4)真空脱气：关闭高压瓶的放气阀、截止阀，打开样品罐a和a′的针阀，关闭参考罐b和b′的针阀，启动真空泵抽出样品罐a和样品罐a′中气体，并维持负压表压力小于20Pa三小时以上；为确保充分解吸，即解吸完成时样品罐a和样品罐a′内压力接近标准大气压P₀，在解吸前对参考罐b和参考罐b′进行抽真空处理，其内压力均达到P_x，如下式，此时关闭样品罐a和a′的针阀，打开参考罐b和b′的针阀。式中P_eq为吸附平衡压力，V_d为样品罐自由空间体积，V₂为参考罐容积，

(5)煤样充气吸附平衡：关闭针阀，打开甲烷和氦气高压气瓶放气阀及减压阀，分别对样品罐a和样品罐a′充入甲烷和氦气，使样品罐a和样品罐a′中达到相同的平衡压力，观察压力表，压力降低时采用补气的方式维持12h以上，即达到吸附平衡状态；

(6)解吸过程模拟及数据记录：同时打开样品罐a和样品a′、参考罐b和参考罐b′上的截止阀，保证同步解吸，记录U型压差计示数ΔP随时间的变化值，直至读数基本无变化为止。解吸瓦斯量Δn利用下式计算，式中R为通用气体常数，取值8.314J/(mol·K)；T为实验温度，

(P₁-P₂)(V_d+V₂)＝(n₁-n₂)RT，

ΔP(V_d+V₂)＝ΔnRT，

作为优选，所述煤样充气吸附平衡中选用氦气作为对比解吸气体，因为煤样对氦气无吸附特性，解吸卸压过程中进入参考罐中的气体均为自由空间中的游离气体。

与现有技术相比，本发明的优点与有益效果在于：首先本发明测量了解吸初始卸压阶段的瓦斯解吸速率和瓦斯解吸量，使得解吸规律试验数据更加准确；本发明利用氦气无吸附性的特点，同步解吸获得解吸速率的方法，并以U型压差计同步测量，方法直观可靠；发明中参考罐预抽真空，使得解吸后环境压力接近标准大气压，保证了瓦斯的充分解吸。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

其中，1.高压氦气瓶；2.高压甲烷瓶；3.放气阀；4.减压阀；5.放气阀；6.减压阀；7-8.压力表；9-12.针阀；13.真空压力表；14.真空泵；15.温度显示器；16.温控装置；17.加热器；18.水浴对流装置；19.冷冻器；20.样品罐a；21参考罐b；22.样品罐a′；21参考罐b′；24-27.截止阀；28.U型压差计；29.恒温水浴槽。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，本发明的一种考虑初始解吸的煤粉瓦斯解吸试验装置，包括真空脱气装置、充气装置、解吸装置、解吸测量装置和恒温控制装置；所述真空脱气装置包括真空泵14、真空压力表13，真空泵通过真空压力表与样品罐20、样品罐21、参考罐22、参考罐23相连，并设置针阀9-12；所述充气装置包括高压甲烷瓶1、高压氦气瓶2、放气阀3和5、减压4和6、压力表7和8，高压甲烷瓶1与样品罐20相连，高压氦气瓶2与样品罐22相连；所述解吸装置包括两个相同容积的样品罐20和22、两个相同容积参考罐21和23，以及截止阀24和26，样品罐与参考罐之间均通过截止阀相连，控制解吸过程的开始与停止；所述解吸测量装置包括U型压差计28、截止阀25和27，U型压差计28两端分别通过橡皮管连接两个参考罐上截止阀25、27出口；所述恒温控制装置包括恒温水浴槽29、加热器17、冷冻器19、温控装置16、水浴对流装置18、温度显示器15，所述温控装置与加热器、冷冻器之间电气连接。

水浴对流装置18采用电能动力的螺旋扇叶，推动水流流动，促进水浴内热量对流，防止局部温度过高或过低，实现温度控制的目的。

温控装置16采用计算机或集成电路或PLC，均为已有技术，不再赘述具体结构及工作方式。

本发明提供的一种考虑初始解吸的煤粉瓦斯解吸试验方法具体步骤如下：

(1)装置气密性检测：试验前对样品罐20、22和参考罐21、23中充入高压气体，稳压24h，观测压力表变化；若压力无变化，可进行后续步骤；若压力降低，则找出泄露位置，密封后重新进行气密性检测；

(2)容器体积标定：开启恒温控制装置，设置恒温水浴温度为30℃，保持不变，使用真空充氦法测量样品罐容积V₁、参考罐容积V₂以及样品罐去除煤样后的自由空间体积V_d；

(3)样品制备：筛选粒径在0.074-0.2mm的煤样，混合均匀后称取相同份量的粉煤两份140g，分别放入两样品罐20和22中，并密封完好；

(4)真空脱气：先对样品罐20和22真空脱气，关闭放气阀3和5、截止阀24-27，打开样品罐针阀9和11，关闭参考罐针阀10和12，启动真空泵14抽出样品罐20和22中气体，并维持负压表压力小于20Pa三小时以上；为确保充分解吸，即解吸完成时样品罐内压力接近标准大气压P₀，在解吸前对参考罐21和23进行抽真空处理，其内压力均达到P_x，如下式，此时关闭样品罐针阀24和26，打开参考罐针阀25和27。式中P_eq为吸附平衡压力，V_d为样品罐自由空间体积，V₂为参考罐容积，

(5)煤样充气吸附平衡：关闭针阀9和11，打开甲烷和氦气高压气瓶放气阀3和5及减压阀4和6，分别对样品罐20和22充入甲烷和氦气，使样品罐中达到相同的平衡压力0.74MPa，观察压力表，压力降低时采用补气的方式维持12h以上，即达到吸附平衡状态；

(6)解吸过程模拟及数据记录：同时打开截止阀24-27，保证同步解吸，记录U型压差计28示数ΔP随时间的变化值，直至读数基本无变化为止。解吸瓦斯量Δn利用下式计算，式中R为通用气体常数，取值8.314J/(mol·K)；T为实验温度，

在本发明的技术方案中，采用无吸附性的氦气作为参照气体，也可使用其他无吸附性气体代替。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (3)

1.一种考虑初始解吸的煤粉瓦斯解吸试验装置，其特征在于：包括真空脱气装置、充气装置、解吸装置、解吸测量装置和恒温控制装置；所述真空脱气装置包括真空泵、真空压力表，真空泵通过真空压力表、针阀与样品罐a、样品罐a′、参考罐b、参考罐b′相连；所述充气装置包括高压甲烷瓶、高压氦气瓶、放气阀、减压阀和压力表，高压甲烷瓶与样品罐a相连，高压氦气瓶与样品罐a′相连；所述解吸装置包括样品罐a、样品罐a′、参考罐b、参考罐b′和截止阀，样品罐a与参考罐b之间通过截止阀相连，样品罐a′与参考罐b′之间通过截止阀相连；所述解吸测量装置包括U型压差计、截止阀，U型压差计两端分别通过橡皮管连接参考罐b和参考罐b′上截止阀出口；所述恒温控制装置包括恒温水浴槽、加热器、冷冻器、温控装置、水浴对流装置、温度显示器，温控装置与加热器、冷冻器之间电气连接。

2.根据权利要求1所述的一种考虑初始解吸的煤粉瓦斯解吸试验装置，其特征在于：样品罐a和样品罐a′容积相同，参考罐b和参考罐b′容积相同，保证两份煤样在相同的环境下解吸。

3.根据权利要求1所述的一种考虑初始解吸的煤粉瓦斯解吸试验装置的试验方法，其特征包括以下步骤：

(1)装置气密性检测：试验前对样品罐a和样品罐a′、参考罐b和参考罐b′中充入高压气体，稳压24h，观测压力表变化；若压力无变化，可进行后续步骤；若压力降低，则找出泄露位置，密封后重新进行气密性检测；

(2)容器容积标定：开启恒温控制装置，设置恒温水浴温度，保持不变，使用真空充氦法测量样品罐容积V₁、参考罐容积V₂以及样品罐去除煤样后的自由空间体积V_d；

(3)样品制备：将同一煤样混合均匀后，称取相同份量的粉煤两份，分别放入样品罐a和样品罐a′中，并密封完好；

(4)真空脱气：关闭高压瓶放气阀、截止阀，打开样品罐a和a′的针阀，关闭参考罐b和b′的针阀，启动真空泵抽出样品罐a和样品罐a′中气体，并维持负压表压力小于20Pa三小时以上；为确保充分解吸，即解吸完成时样品罐a和样品罐a′内压力接近标准大气压P₀，在解吸前对参考罐b和参考罐b′进行抽真空处理，其内压力均达到P_x，如下式，此时关闭样品罐a和a′的针阀，打开参考罐b和b′的针阀，式中P_eq为吸附平衡压力，V_d为样品罐自由空间体积，V₂为参考罐容积，

(5)煤样充气吸附平衡：关闭针阀，打开甲烷和氦气高压气瓶放气阀及减压阀，分别对样品罐a和样品罐a′充入甲烷和氦气，使样品罐a和样品罐a′中达到相同的平衡压力，观察压力表，压力降低时采用补气的方式维持12h以上，即达到吸附平衡状态；

(6)解吸过程模拟及数据记录：同时打开样品罐a和样品罐a′、参考罐b和参考罐b′上的截止阀，保证同步解吸，记录U型压差计示数ΔP随时间的变化值，直至读数基本无变化为止，解吸瓦斯量Δn利用下式计算，式中R为通用气体常数，取值8.314J/(mol·K)；T为实验温度，

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