CN110501256A - 一种瓦斯定压解吸试验装置与方法 - Google Patents

Abstract

一种瓦斯定压解吸试验装置与方法，包括真空泵、充气装置、解吸装置、解吸测量装置、恒温控制装置和恒压调节阀；恒压调节阀包括测试阀入口、测试阀出口、阀门入口、阀门出口、阀球、弹簧、带孔压盖、螺纹、密封圈、螺旋调压把手和阀体外壳。本发明利用恒压调节阀维持样品罐中瓦斯解吸环境压力，而新解吸出来的瓦斯则通过阀体进入量筒，样品罐中压力保持不变。通过螺旋调压把手调节弹簧压缩量，改变阀体贯通阈值，重新设定瓦斯解吸环境压力。该装置和方法可测量瓦斯定压环境中的解吸速率和解吸量，揭示环境压力对解吸的影响规律，填补瓦斯定压解吸试验方面的空白，完善突出两相流理论研究，为突出事故灾变控风和灾后救援措施的制定提供理论指导。

Description

一种瓦斯定压解吸试验装置与方法

技术领域

本发明的装置与方法涉及煤矿瓦斯解吸试验领域，特别涉及一种结构简单、操作可行的瓦斯定压环境解吸的试验装置与方法。

背景技术

煤炭仍然是现今国家最主要的能源之一，而随着开采深度的不断增加，“三高一低”的复杂地质条件越来越常见，导致我国煤与瓦斯突出事故更加难以预防和治理。在煤与瓦斯突出过程中，抛出的煤粉和高压瓦斯共同形成一种气固两相流，其传播过程中高压瓦斯膨胀能不断释放，同时新解吸的瓦斯不断补充消耗的瓦斯膨胀能，因此两相流体具有较大的动能和传播距离。研究煤粉在两相流中的解吸规律对于分析其传播衰减规律，制定灾变控风措施及灾后救援方案具有重大指导意义。煤粉-瓦斯气固两相流中煤粉被高压瓦斯包裹并携带前进，煤粉周围环境压力相对于原岩煤体中的瓦斯压力有所降低，但在两相流传播过程中压力是逐渐减小至大气压水平。因此突出过程中煤粉解吸是在非常压下的解吸，瓦斯压力梯度较常压解吸时较小，与普通常压解吸规律明显不同，但当前不存在可以保持瓦斯在非常压定压环境解吸的试验装置和方法，再者非常压定压解吸规律对两相流传播过程中的瓦斯膨胀能补充定量计算至关重要。

基于上述现状，迫切需要提出一种瓦斯定压解吸试验装置与方法，测量瓦斯在非常压下的定压解吸速率和解吸量，分析解吸环境压力对瓦斯解吸的影响规律，完善煤粉-瓦斯气固两相流衰减理论研究，为突出事故灾变控风和灾后救援措施的制定提供理论指导。

发明内容

本发明针对现有技术装置的缺陷，提出了一种结构简单，操作可行，试验数据准确，能够维持瓦斯在非常压定压环境解吸的试验装置和方法，该装置与方法主要利用了一种恒压调节阀的装置。

针对上述问题，本发明设计技术方案如下：一种瓦斯定压解吸试验装置，包括真空泵、充气装置、解吸装置、解吸测量装置、恒温控制装置和恒压调节阀；所述充气装置包括高压甲烷瓶、放气阀、减压阀和三通阀，三通阀分别连接高压甲烷瓶、真空泵和样品罐；所述解吸装置包括样品罐、压力表和截止阀，截止阀连接样品罐和外界大气；所述解吸测量装置包括量筒和针阀，量筒通过橡皮管连接恒压调节阀出口，所述恒压调节阀的阀门入口连接针阀和样品罐；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；所述恒压调节阀包括测试阀入口、测试阀出口、阀门入口、阀门出口、阀球、弹簧、带孔压盖、螺纹、密封圈、螺旋调压把手和阀体外壳，所述螺旋调压把手旋转推动压盖在螺纹上移动，调节弹簧变形量，改变贯通压力阈值，螺旋调压把手与外界之间通过密封圈封闭。

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瓦斯定压解吸试验方法。利用恒压调节阀维持样品罐中瓦斯解吸环境压力，而新解吸出来的瓦斯则通过阀体进入量筒，样品罐中压力保持不变。通过螺旋调压把手调节弹簧压缩量，改变阀体贯通阈值，重新设定瓦斯解吸环境压力。该方法可测量瓦斯定压环境中的解吸速率和解吸量，揭示环境压力对解吸的影响规律，推动突出两相流理论研究，为突出事故灾变控风和灾后救援措施的制定提供理论指导。

为实现上述目的，本发明提供的一种瓦斯定压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)恒压调节阀阈值设定：关闭阀门入口和阀门出口，打开测试阀入口和测试阀出口，使用高压甲烷瓶通过减压阀减压至设计解吸环境压力值后接入测试阀入口，调节螺旋调压把手至测试阀出口开始出气的临界位置，关闭测试阀入口和出口并打开阀门入口和出口；

(3)样品制备：开启恒温控制装置，设置恒温水浴温度，保持温度不变，将待测试煤样放入样品罐中，并密封完好；

(4)真空脱气：对样品罐进行真空脱气，关闭放气阀、截止阀和针阀，打开真空泵与样品罐连接三通阀，观察压力表，启动真空泵抽出样品罐中气体，并维持负压表压力小于20Pa三小时以上；

(5)煤样充气吸附平衡：三通阀转换为高压甲烷瓶与样品罐连通，打开高压甲烷瓶放气阀和减压阀，对样品罐充入甲烷并达到设计吸附平衡压力，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：快速打开截止阀，将样品罐中甲烷放入大气中，观察压力表示数，待降低至设计解吸环境压力值时关闭截止阀，打开针阀，观察并记录量筒测得解吸量随时间变化数据。

作为优选，所述恒压调节阀阈值设定采用预先标定阀体阈值的方法，即在螺旋调节把手侧边设置刻度标尺，标定把手位置对应阈值的方法。

与现有技术相比，本发明的优点与有益效果在于：首先本发明可维持瓦斯解吸环境压力，得到瓦斯定压解吸规律；其次本发明可调节瓦斯解吸环境压力，研究瓦斯在不同压力环境中的解吸规律，所用装置和方法简单可靠；测试阀入口和出口的设计保证了在不拆卸阀体的情况下设定或检测阀体阈值，方便简洁。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明装置组成部分中的恒压调节阀的结构示意图。

其中，1.高压甲烷瓶；2.放气阀；3.减压阀；4.三通阀；5.真空泵；6.压力表；7.截止阀；8.针阀；9.恒压调节阀；10.恒温水浴槽；11.样品罐；12.加热器；13.水浴对流装置；14.冷冻器；15.温度显示器；16.温控装置；17.量筒；901.测试阀入口；902.测试阀出口；903.阀体外壳；904.阀球；905.弹簧；906.开孔；907.压盖；908.螺纹；909.密封圈；910.螺旋调压把手；911.阀门入口；912.阀门出口。

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，本发明的一种瓦斯定压解吸试验装置，包括真空泵5、充气装置、解吸装置、解吸测量装置、恒温控制装置和恒压调节阀9；所述充气装置包括高压甲烷瓶1、放气阀2、减压阀3和三通阀4，三通阀4分别连接高压甲烷瓶1、真空泵5和样品罐11；所述解吸装置包括样品罐11、压力表6和截止阀7，截止阀7连接样品罐11和外界大气；所述解吸测量装置包括量筒17和针阀8，量筒通过橡皮管连接恒压调节阀9出口，恒压调节阀9的阀门入口连接针阀8和样品罐11；所述恒温控制装置包括恒温水浴槽10、加热器12、冷冻器14、温控装置16、水浴对流装置13、温度显示器15，温控装置16与加热器12、冷冻器14之间电气连接；

如图2所示，恒压调节阀9包括测试阀入口901、测试阀出口902、阀门入口911、阀门出口912、阀球904、弹簧905、开孔906、压盖907、螺纹908、密封圈909、螺旋调压把手910和阀体外壳903，所述弹簧905限制阀球904移动，超过弹簧设定阻力，阀体贯通并卸压，维持入口压力，所述螺旋调压把手910旋转推动压盖907在螺纹908上移动，调节弹簧905变形量，改变贯通压力阈值，螺旋调压把手910与外界之间有密封圈909封闭。

水浴对流装置13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。

本发明提供的一种瓦斯定压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11中充入高压气体，稳压24h，观测压力表6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)恒压调节阀阈值设定：关闭阀门入口911和阀门出口912，打开测试阀入口901和测试阀出口902，打开高压甲烷瓶放气阀2通过减压阀3减压至设计解吸环境压力值0.1MPa后接入测试阀入口901，调节螺旋调压把手910至测试阀出口902开始出气的临界位置，关闭测试阀入口901和测试出口902并打开阀门入口911和阀门出口912；

(3)样品制备：开启恒温控制装置，设置恒温水浴温度30℃，保持不变，将筛选出的粒径在0.074-0.2mm的煤样放入样品罐11中，并密封完好；

(4)真空脱气：对样品罐11真空脱气，关闭放气阀2、截止阀7和针阀8，打开真空泵5与样品罐11连接三通阀4，观察压力表6，启动真空泵5抽出样品罐11中气体，并维持负压表压力小于20Pa三小时以上；

(5)煤样充气吸附平衡：三通阀4转换为高压甲烷瓶1与样品罐11连通，打开高压甲烷瓶放气阀2和减压阀3，对样品罐11充入甲烷并达到设计吸附平衡压力0.1MPa，观察压力表6，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：快速打开截止阀7，将样品罐中甲烷放入大气中，观察压力表6示数，待降低至设计解吸环境压力值0.1MPa时关闭截止阀7，打开针阀8，观察并记录量筒17测得解吸量随时间变化数据。

上述恒压调节阀阈值设定也可采用预先标定阀体阈值的方法，即在螺旋调节把手侧边设置刻度标尺，标定把手位置对应阈值的方法。

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 (4)

1.一种瓦斯定压解吸试验装置，其特征在于：所述瓦斯定压解吸试验装置包括真空泵、充气装置、解吸装置、解吸测量装置、恒温控制装置和恒压调节阀；所述充气装置包括高压甲烷瓶、放气阀、减压阀和三通阀，三通阀分别连接高压甲烷瓶、真空泵和样品罐；所述解吸装置包括样品罐、压力表和截止阀，截止阀连接样品罐和外界大气；所述解吸测量装置包括量筒和针阀，量筒通过橡皮管连接恒压调节阀出口，所述恒压调节阀的阀门入口连接针阀和样品罐；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；所述恒压调节阀包括测试阀入口、测试阀出口、阀门入口、阀门出口、阀球、弹簧、带孔压盖、螺纹、密封圈、螺旋调压把手和阀体外壳。

2.根据权利要求1所述的恒压调节阀，其特征在于：阀门入口侧压力与样品罐中压力一致，压力值的大小均为阀门设置阈值，当瓦斯解吸进行，阀门入口侧压力超过阀门阈值，所述恒压调节阀的阀体贯通，多余瓦斯进入所述解吸测量装置，阀门入口侧压力降低至阀门设置阈值，阀球关闭，如此往复，样品罐中压力始终维持在设置压力水平。

3.根据权利要求1和权利要求2所述的恒压调节阀，其特征在于：通过螺旋调压把手旋转推动带孔压盖在螺纹上移动，调节弹簧的变形量，改变贯通压力阈值，螺旋调压把手与外界之间用密封圈密封，防止阀体外壳漏气；测试阀入口和测试阀出口与阀门出口和阀门入口并联平行，在不拆卸阀体的情况下，可对恒压调节阀阈值进行重新设定或检测。

4.根据权利要求1所述的一种瓦斯定压解吸试验装置的试验方法，其特征包括以下操作步骤：

(1)装置气密性检测：试验前对样品罐中充入高压气体，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)恒压调节阀阈值设定：关闭阀门入口和阀门出口，打开测试阀入口和测试阀出口，使用高压甲烷瓶通过减压阀减压至设计解吸环境压力值后接入测试阀入口，调节螺旋调压把手至测试阀出口开始出气的临界位置，关闭测试阀入口和出口并打开阀门入口和出口；

(3)样品制备：开启恒温控制装置，设置恒温水浴温度，保持温度不变，将待测试煤样放入样品罐中，并密封完好；

(4)真空脱气：对样品罐进行真空脱气，关闭放气阀、截止阀和针阀，打开真空泵与样品罐连接三通阀，观察压力表，启动真空泵抽出样品罐中气体，并维持负压表压力小于20Pa三小时以上；

(5)煤样充气吸附平衡：三通阀转换为高压甲烷瓶与样品罐连通，打开高压气瓶放气阀和减压阀，对样品罐充入甲烷并达到设计吸附平衡压力，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：快速打开截止阀，将样品罐中甲烷放入大气中，观察压力表示数，待降低至设计解吸环境压力值时关闭截止阀，打开针阀，观察并记录量筒测得解吸量随时间变化数据。