CN110749720A - 研究风流驱动煤体运移条件下瓦斯解吸规律模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种研究风流驱动煤体运移条件下瓦斯解吸规律的模拟实验装置中的第一煤样罐、多节螺旋状管路、第二煤样罐及其中间用于连接的管路构成了井下现场压风取样的相似模型，第一煤样罐的煤样相当于待取样的煤层，多节螺旋状管路相当于钻孔通道、第二煤样罐相当于孔口外的接样罐，再加上风流驱动模拟了井下压风取样的方式，最终达到与井下压风取煤样全过程的高度一致性；具备一份煤样、一次实验、研究两类解吸规律的功能，可为对比分析两类解吸规律提供更加准确、可靠的实验数据；该实验装置煤样瓦斯罐下端采用漏斗型设计，并且将高压气流的管子插入罐体，深入到漏斗型罐盖的出口位置，可以确保罐内煤样在阀门打开后顺利流出，并且无残留。

Description

研究风流驱动煤体运移条件下瓦斯解吸规律模拟实验装置

技术领域

本发明涉及一种研究风流驱动煤体运移条件下瓦斯解吸规律模拟实验装置，尤其是模拟井下压风取样条件下的瓦斯解吸实验装置。

背景技术

煤层瓦斯含量是矿井瓦斯综合防治的重要参数之一，在国内瓦斯含量的测定方法一般采用直接法测定瓦斯含量。

在直接法测定煤层瓦斯含量中，煤样的取样方式多种多样，其中压风即正压逆流取样方式具有取样时间短，取到的煤样纯度高等优点，在国内得到了普遍的应用。

压风取样方式相比于一般的钻屑法等取样方式，在推算瓦斯损失量上有了显著的提高，进而提高了瓦斯含量测定的准确性；但是此方法仍有不足之处，该取样方式整个过程是在风流驱动条件下进行，风流和风压都会对解吸规律有所影响，常规的瓦斯解吸规律并不适用于该条件下的解吸。

目前，压风取样技术虽然已经成熟，但是在压风风流条件下的瓦斯解吸规律还仍是空白，这就需要去研制出一种能够相似模拟井下压风条件的一套瓦斯解吸实验装置，来对其风流驱动条件下的煤样瓦斯解吸规律进行研究，所以研制出一种研究风流驱动煤体运移条件下瓦斯解吸规律模拟实验装置显得尤为迫切。

发明内容

本发明的目的是提供一种研究风流驱动煤体运移条件下瓦斯解吸规律的模拟实验装置，实现与现场井下压风取样方式上的相似模拟，能够在实验室进行风流驱动煤样运移条件下的瓦斯解吸。

本发明采用的技术方案是：一种研究风流驱动煤体运移条件下瓦斯解吸规律的模拟实验装置,包括高压瓦斯储气钢瓶、高压氮气储气钢瓶、瓦斯减压阀、瓦斯截止阀、氮气截止阀、截止阀、压力传感器、四通控制阀、真空泵截止阀、空气压缩机截止阀、气体流量计、空气压缩机、真空度压力传感器、真空度压力表、真空泵、充气罐、第一煤样罐、多节螺旋状管路、恒温水浴箱、出气口阀、第二煤样罐、三通接头、瓦斯浓度检测仪、高精度排水量筒、数据采集装置、电脑、温度控制器。

所述的高压瓦斯储气钢瓶的出气口连接耐高压管路，该耐高压管路设置一个分支管路连接至高压氮气储气钢瓶的出气口；所述高压瓦斯储气钢瓶的管路上沿出气方向依次安装减压阀、瓦斯截止阀；高压氮气储气钢瓶的管路上安装氮气截止阀。

所述充气罐、第一煤样罐、第二煤样罐之间分别通过耐高压管路连接；所述充气罐和第一煤样罐的进气口分别通过四通控制阀连接有四个方向的耐高压管路连接，充气罐的其中一个方向的管路连接高压瓦斯储气钢瓶、高压氮气储气钢瓶，且充气罐和第一煤样罐、高压瓦斯储气钢瓶之间分别安装有截止阀；所述第一煤样罐与充气罐的另一方向管路上分别安装压力传感器；所述第一煤样罐的第三方向的管路上顺次安装有空气压缩机截止阀和气体流量计，并连接至空气压缩机；所述四通控制阀处的管体上还分别连接有截止阀。

所述第二煤样罐的顶部设有三个耐高压管路，其中第一管路上顺次安装有瓦斯浓检测仪、三通控制阀和三通接头，所述三通控制阀通过耐高压管路连接气体流量计和截止阀，形成瓦斯总气体量检测支路；三通接头分出两个支路，一个支路顺次安装有截止阀和气体流量计，形成常压解吸气体流量检测支路；另一个支路安装有截止阀，并连接至高精度排水量筒；第二管路上安装截止阀，并通过多节螺旋状管路连接至第一煤样罐的底部出气口，第一煤样罐出气口处设有出气口阀；第三个管路上安装有压力传感器。

所述真空泵与真空度压力传感器连接，真空度压力传感器与真空压力表连接；所述真空泵的入气口设置两个管路，一路通过三通接头与第一煤样罐的第三方向的管路连接，连接处位于空气压缩机截止阀和第一煤样罐之间，管路上安装有真空泵截止阀；另一路通过三通接头与第二煤样罐的第一管路连接，管路上安装有真空泵截止阀。

以上所述的气体流量计、压力传感器、瓦斯浓度检测仪与数据采集装置连接，数据采集装置连接至电脑。

所述充气罐与第一煤样罐的外部以及第二煤样罐的外部分别设置恒温控箱，恒温箱连接温度控制器。

所述的多节螺旋状管路装置，与水平面呈10o的夹角放置；总共分为20节，一节为一圈，每个圈的直径为0.4m，再加上除了每圈管路长度外的多余管路长度，该螺旋状管路结构的总长度为60m；其中管路直径为42mm，与现场井下取煤样打钻的钻孔直径相对应；该多节螺旋状管路装置的管路材料选取耐高压的透明PVC皮管且管路内壁表面光滑。

所述的第一煤样罐下端采用漏斗型设计，在下端出气口处安装有出气口阀，并且将高压气流的管子插入罐体，深入到漏斗型罐底的出口位置。

以上所述瓦斯储气钢瓶、高压氮气储气钢瓶及其相关的减压阀、截止阀构成实验装置的充气单元；所述充气罐、第一煤样罐、第二煤样罐、高精度排水量筒及其相关的截止阀、控制阀、气体流量计和瓦斯浓度检测仪构成吸附-解吸单元；真空泵、真空度压力传感器、真空压力表以及真空泵截止阀构成脱气单元；所述空气压缩机、第一煤样罐、第二煤样罐、多节螺旋状管道以及相应的控制阀、截止阀构成风流驱动单元，其中的多节螺旋状管道作为风流驱动通道模拟装置；所述的恒温水浴箱和恒温控制器构成温度控制单元；所述的数据采集装置、电脑、压力传感器、气体流量计、瓦斯浓度检测仪构成数据采集与处理单元。

研究风流驱动煤体运移条件下瓦斯解吸规律的模拟实验方法,实验前需要在采掘工作面采集新鲜的煤样，封装好后带回实验室，对煤样进行粉碎、筛分，测定其煤样的工业分析、实验所需要吸附常数a、b值备用，具体步骤如下：

步骤1)自由空间体积的测定

在实验前充气罐、第一煤样罐、第二煤样罐的体积及其剩余体积进行测定,启动真空泵进行对第一煤样罐和充气罐进行抽真空，当真空度在10Pa以下持续3h以上，停止抽真空；读取高精度排水量筒初始量筒液面高度，打开安装于四通控制阀处管体上的截止阀，空气进入罐中，液面上升体积即各罐的体积；对于第二煤样罐及其连接处管路的体积的测定：启动真空泵对第二煤样罐及其连接处管路进行抽真空，当真空度在10Pa以下持续3h以上，停止抽真空；读取高精度排水量筒初始量筒液面高度，打开其管路上对应的截止阀，空气进入罐中，液面上升体积即第二煤样罐及其连接处管路的体积。

步骤2)气密性测定

使高压氮气储气钢瓶、充气罐、第一煤样罐、第二煤样罐之间的管路相通，将高压瓦斯储气钢瓶、空气压缩机、高精度排水量筒的管路以及真空泵与第二煤样罐之间的管路关闭；将氮气储气钢瓶1中的氮气冲入充气罐、第一煤样罐、第二煤样罐中，当压力值达到预定压力值后，关闭氮气截止阀停止充气，等待24h后，若上述三个罐中的压力值没有变化，则气密性良好。

步骤3)脱真空

关闭氮气供气管路，瓦斯供气管路，高精度排水量筒的管路以及总气体量检测支路和常压解吸气体流量检测支路，剩余的所有阀门和控制阀都处于打开状态，之后启动真空泵，打开真空泵截止阀，对其该装置进行抽真空，使其真空度保持10Pa以下三小以上停止。

步骤4)恒温控制操作

启动恒温控制器，先对第一恒温水浴箱和第二恒温水浴箱进行加热，待水浴箱温度达到设定温度后停止加热使其温度恒定。

步骤5)充气与瓦斯吸附

断开充气罐与第一煤样罐之间的管路连接，由高压瓦斯储气钢瓶向充气罐中充入瓦斯，达到预定瓦斯压力之后，关闭阀门；关闭空气压缩机的管路，由充气罐向第一煤样罐中充入瓦斯，通过反复向第一煤样罐充入瓦斯之后，关闭充气罐与第一煤样罐之间的管路，当吸附平衡瓦斯压力在预定的瓦斯压力值保持8h以上不变后即达到吸附平衡。

步骤6)风流驱动煤样运移模拟实验与常压解吸

在达到吸附平衡后，启动空气压缩机，按预先设定好的风压进行风流驱动，打开空气压缩机与第一煤样罐之间的管路，同时打开第一煤样罐底部的出气口阀，关闭常压解吸气体流量检测支路和高精度排量筒的管路，第一煤样罐中的煤样从高往低全部向多节螺旋状管路中流入，进来的压风风流则带动煤样在多节螺旋状管路中移动，最终流入第二煤样罐中，计算从煤样开始流动到全部流入第二煤样罐中所需要的时间；这个过程中瓦斯浓度检测仪器同时对流过的压风气流进行检测，记录瓦斯浓度的检测值，总气体量检测支路记录这个过程所流出的总气体量，来得出气体中所包含的瓦斯气体量；待第一煤样罐的压力传感器与第二煤样罐的压力传感器所示压力为0时并且煤样全部进入第二煤样罐中和瓦斯浓度检测仪检测的瓦斯浓度基本为0时，关闭第一煤样罐和第二煤样罐之间的连接，以及总气体量检测支路，打开常压解吸气体流量检测支路开始煤样的常压解吸，当解吸量低于常压解吸气体流量检测支路上的气体流量计的量程时，关闭该支路，打开高精度排量筒的管路，在高精度排水量筒上进行最后的常压解吸，观察并且记录解吸量随时间的变化情况。

步骤7)数据采集与处理

在常压解吸结束后，数据采集装置对瓦斯压力值变化值、恒温温度值、各气体流量计、瓦斯浓度检测仪中的数据进行收集，最后传输到电脑中，对其数据进行整理和分析。

在做完一次实验后，重复上述步骤，进行多组不同风压同一吸附平衡压力下的解吸实验与不同吸附平衡压力同一风压下的解吸实验，对风流驱动环境下煤样瓦斯解吸规律进行研究。

本发明装置具有如下优点：

1.本发明装置不同于普通的常规吸附解吸装置，其核心的地方在风流驱动通道相似模拟装置的添加，使得整套实验装置可以在具有风流驱动的环境下进行煤样解吸实验；在该装置中多节螺旋状管道装置长度为60m，管路的孔径直径为42mm，无论在孔径的大小上，还是管路的长度上，都达到与井下现场取煤样时钻孔孔径大小和钻孔深度大小的高度一致性，一般在井下取煤样时，选取的钻孔孔径大小一般为42mm，钻孔的深度一般在50-60m；上述该装置的多节螺旋状管道摆放的方式也对应模拟了井下取样打钻时钻孔方向的选取，该多节螺旋管道将与水平面呈仰角10o的方式进行摆放，角度与煤矿井下的钻孔角度一致,这样摆放利于风流进入该管路时有利于管路中煤样的移动，综上这些条件来达到与井下压风取样方式的同等效果。吸附平衡状态下的煤体在重力和气流压力作用下，进入螺旋式下降的管道，随后从该管道出口流出，在管道出口监测瓦斯浓度与气体流速，结合管道截面积，可以得出瓦斯解吸量随时间的变化规律；因此，本发明的模拟实验装置可用于研究风流驱动煤体运移条件下的瓦斯解吸规律，达到与井下压风取样方式的同等效果。

2.该装置中的吸附-解吸单元中包含了第一煤样罐、第二煤样罐；二者的作用有所区别，第一煤样罐中起到煤样的吸附平衡作用，由高压瓦斯储气钢瓶中的瓦斯充入充气罐中，之后由充气罐向煤样罐中反复充入瓦斯，最终达到设定吸附平衡压力；第二煤样罐则是起到煤样的常压解吸与气流排放的作用，二者中间用多节螺旋状管路进行连接，吹入的压风风流将第一煤样罐中的煤样吹入多节螺旋状管路中，煤样在其管路中移动最终流入第二煤样罐中，在第二煤样罐中进行煤样的常压解吸；并且压风风流的气体在上述管路中进行一系列流动后从第二煤样罐的进气口进入，从第二煤样罐的出气口流出，达到了将除瓦斯气体外压风气流气体全部排出的作用。上述这些装置的构建，为风流驱动环境下的瓦斯吸附解吸提供了良好的环境，解决了风流驱动环境下瓦斯的吸附解吸不能连贯进行的问题。煤样从管道流出后，进入第二煤样罐；第二煤样罐连接瓦斯解吸装置，可以分析常规静止条件下的煤样瓦斯解吸规律。因此，本发明具备一份煤样、一次实验、研究两类解吸规律的功能，可为对比分析两类解吸规律提供更加准确、可靠的实验数据。

3.该实验装置中的第一煤样罐、多节螺旋状管路、第二煤样罐及其中间用于连接的管路构成了井下现场压风取样的相似模型，第一煤样罐的煤样相当于待取样的煤层，多节螺旋状管路相当于钻孔通道、第二煤样罐相当于孔口外的接样罐，再加上风流驱动模拟了井下压风取样的方式，最终达到与井下压风取煤样全过程的高度一致性。

煤样瓦斯罐下端采用漏斗型设计，并且将高压气流的管子插入罐体，深入到漏斗型罐盖的出口位置；因此，本发明可以确保罐内煤样在阀门打开后顺利流出，并且无残留。

本发明的实验装置，可以高度模拟井下压风取样方式下的瓦斯解吸，对研究风流驱动煤样运移条件下的瓦斯解吸规律的研究具有重要意义；通过研究风流驱动煤样时的瓦斯解吸规律，提高了瓦斯损失量推算的准确性，可使得瓦斯含量的测定有进一步的提高，进一步完善了井下压风取样方式中瓦斯含量测定的不足之处。

附图说明

图1是本发明的装置结构示意图。

图中的符号说明如下：

1-高压氮气储气钢瓶；2-高压瓦斯储气钢瓶；3-瓦斯减压阀；4-瓦斯截止阀；5-氮气截止阀；6-第一截止阀；7-第一压力传感器；8-第一四通控制阀；9-第二截止阀；10-第二压力传感器；11-第二四通控制阀；12-第一真空泵截止阀；13-第一三通接头；14-空气压缩机截止阀；15-第一气体流量计；16-空气压缩机；17-真空度压力传感器；18-真空度压力表；19- 真空泵；20-充气罐；21-第一煤样罐；22-多节螺旋状管路；23-第一恒温水浴箱；24-出气口阀；25-第二真空泵截止阀；26-第三截止阀；27-第三压力传感器；28-第二煤样罐；29-第二恒温水浴箱；30-第二三通接头；31-瓦斯浓度检测仪；32-第三三通控制阀；33-第二气体流量计；34-第四截止阀；35-第三气体流量计；36-第五截止阀；37-第六截止阀；38-高精度排水量筒；39-数据采集装置；40-电脑；41-温度控制器；42-第三三通接头；43-第七截止阀； 44-第八截止阀；45-第九截止阀。

具体实施方式

一种研究风流驱动煤体运移条件下瓦斯解吸规律的模拟实验装置，如图1所示为本发明的实验装置结构示意图，该装置包括充气单元，吸附-解吸单元、风流驱动单元、脱气单元、恒温控制单元、数据采集与处理单元。该装置的安装按上述所述单元依次安装。

充气单元的安装，包括99.99％高纯度高压瓦斯储气钢瓶2，储气压力10MPa，减压阀3、瓦斯控制阀4、耐高压管、高压氮气储气钢瓶1、氮气控制阀5；高压瓦斯储气钢瓶2的出口通过耐高压管次连接有减压阀3、瓦斯控制阀4，该减压阀3最高耐压可达15MPa；高压氮气储气钢瓶1的出气口通过耐高压管连接有氮气控制阀5，该段耐高压管最大耐压为8MPa，其未端连接于瓦斯控制阀4右端的耐高压管上。

吸附解吸单元的安装，其单元包括第一压力传感器7、第二压力传感器10、第二气体流量计33、第三气体流量计35、高精度排水量筒38、第一截止阀6、第二截止阀9、第三截止阀26、第四截止阀34、第五截止阀36、第六截止阀37、第一四通控制阀8、第二四通控制阀11、第三三通控制阀32、第二三通接头30、瓦斯浓度检测仪31、充气罐20、第一煤样罐 21、第二煤样罐28；首先在充气罐20通过耐高压管与第一四通控制阀8连接起来，在左端利用耐高压管路与充气单元的耐高压管进行连接，耐高压管上安装有第一截止阀6，在右端口连接耐高压管；第一煤样罐21顶部安装第二四通控制阀11，在其左端将与充气罐20右端的耐高压管连接起来，右端口连接耐高压管；第二煤样罐28的上端接有耐高压管，并在其管路上安装第三截止阀26与第九截止阀45，左端口同样接有耐高压管，中间利用第二三通接头30连接，其管路上安装瓦斯浓度检测仪31，并将第三三通控制阀32通过耐高压管路与瓦斯浓度检测仪31连接；第三三通控制阀32下部端口接有耐高压出气管路，管路上安装有第二气体流量计33和第四截止阀34；在第三三通控制阀32左端口通过耐高压管与第三三通接头42连接，第三三通接头42上接口通过耐高压管与第三气体流量计35连接，中间安装有第五截止阀36；第三三通接头42下接口通过耐高压管与高精度排水量筒38连接，中间安装有第六截止阀37。

风流驱动单元的安装，该单元与吸附解吸单元重复的部件不再进行解释；首先空气压缩机16通过耐高压管与第一三通接头13的右端口进行连接，管路上安装有空气压缩机截止阀 14和第一气体流量计15；在第一煤样罐21的底部有出气口，该出气口的孔径直径为42mm，并且出口安装有出气口阀门24；将多节螺旋状结构管路22一端的接口与其出气口进行连接，另一端接口与第二煤样罐28耐高压管路进行连接。其中多节螺旋状结构管路22一节为一圈，总共20圈，每圈直径在40cm，管路直径为42mm。多节螺旋状结构管路的总长度为60m。多节螺旋状结构管路22的放置方式为仰角，与水平面呈10o角摆放。

真空脱气单元的安装，首先将真空泵19与真空度压力传感器17连接，真空度压力传感器17与真空度压力表18连接，然后在真空泵19的一处的抽真空口利用耐高压管与第一三通接头13的上接口连接，管路中间安装有第一真泵空截止阀12；同样在其另一处的抽真空口里耐高压管与第二三通接头30的上接头进行连接，管路中间安装有第二真空泵截止阀25。恒温控制单元的安装，将第一恒温水浴箱23安装在第一煤样罐21和充气罐20处，第二恒温水浴箱29安装在第二煤样罐28处，并且二者的都与恒温系统控制器41进行连接，达到对恒温水浴箱先加热后恒温的效果。

数据采集与处理单元的安装，第一压力传感器7、第二压力传感器10、第一气体流量计 15、第二气体流量计33、第三气体流量计35分别与数据采集装置39连接，数据采集装置39 再通过数据线与电脑40的数据传输接口连接。

风流驱动环境下煤样瓦斯解吸装置实验方法如下步骤：

实验前需要在采掘工作面采集新鲜的煤样，封装好后带回实验室，对煤样进行粉碎，筛分。测定其煤样的工业分析、吸附常数a、b值等实验所需要的参数。

(1)自由空间体积的测定

在实验前需要对该装置的充气罐20、第一煤样罐21、第二煤样罐28的体积及其剩余体积进行测定,可以将真空泵19与第一四通控制阀8和第二四通控制阀11连接，启动真空泵 19进行对第一煤样罐21和充气罐20进行抽真空，当真空度在10Pa以下持续3h以上即可停止抽真空，分别打开第七截止阀43与第八截止阀44依次与高精度排水量筒38连接，读取初始量筒液面高度，打开截止阀43、44，空气进入罐中，液面上升体积即各罐的体积；对于第二煤样罐28及其连接处管路的体积测定：关闭第四截止阀34、第五截止阀36、第六截止阀37、出气口阀24；打开第二真空泵截止阀25、第三截止阀26，启动真空泵19进行第二煤样罐28体积的测定及其连接处管路的抽真空，当真空度在10Pa以下持续3h以上即可停止抽真空；打开第九截止阀45(该截止阀只有在对第二煤样罐28体积的测定及其连接处管路的体积测定时才会打开，其他状态下处于关闭状态)与高精度排水量筒38连接，读取初始量筒液面高度；打开截止阀45，空气进入罐及其连接管路中，液面上升体积即第二煤样罐28及其连接处管路的体积。

(2)气密性测定

打开第一截止阀6、第二截止阀9、第三截止阀26、氮气截止阀5、第一四通控制阀8、第二四通控制阀11；关闭瓦斯钢瓶截止阀4、空气压缩机截止阀14、第三三通控制阀32、第二真空泵截止阀25；将氮气储气钢瓶1中的氮气冲入充气罐20、第一煤样罐21、第二煤样罐28中，当压力值达到预定压力值后，关闭氮气截止阀5停止充气，等待24h后，若上述三个罐中的压力值没有变化，则气密性良好。

(3)脱真空

关闭氮气截止阀5、瓦斯截止阀4、第四截止阀34、第五截止阀36、第六截止阀37，剩余的所有阀门和控制阀都处于打开状态，之后启动真空泵19，打开真空泵截止阀12、25，对其该装置进行抽真空，使其真空度保持10Pa以下三小以上即可停止抽真空。

(4)恒温控制操作

启动恒温控制器41，先对第一恒温水浴箱23和第二恒温水浴箱29进行加热，待水浴箱温度达到设定温度后停止加热使其温度恒定。

(5)充气与瓦斯吸附

关闭第二截止阀9；打开第一截止阀6、瓦斯截止阀4；开始由高纯度高压瓦斯储气钢瓶 2通过减压阀3向充气罐20中充入瓦斯，达到预定瓦斯压力之后，关闭第一截止阀6，打开第二截止阀9、第二四通控制阀11；关闭空气压缩机截止阀14和第一真空泵截止阀12；由充气罐20向第一煤样罐21中充入瓦斯，通过反复向第一煤样罐21充入瓦斯之后，关闭第二截止阀9，当吸附平衡瓦斯压力在预定的瓦斯压力值保持8h以上不变后即达到吸附平衡。

(6)风流驱动煤样运移模拟实验与常压解吸

在达到吸附平衡后，启动空气压缩机16，按预先设定好的风压进行风流驱动，打开空气压缩机截止阀14与第二四通控制阀11、第三三通控制阀32、第四截止阀34、第三截止阀26，同时打开第一煤样罐21底部的开关，关闭第五截止阀36、第六截止阀37；第一煤样罐21中的煤样从高往低全部向多节螺旋状管路22中流入，进来的压风风流则带动煤样在多节螺旋状管路22中移动，最终流入第二煤样罐28中，计算从煤样开始流动到全部流入第二煤样罐28 中所需要的时间；这个过程中瓦斯浓度检测仪器31同时对流过的压风气流进行检测，记录瓦斯浓度的检测值，第二气体流量计33记录这个过程所流出的总气体量，来得出气体中所包含的瓦斯气体量。待第二压力传感器10与第三压力传感器27所示压力为0时并且煤样全部进入第二煤样罐28中和瓦斯浓度检测仪31检测的瓦斯浓度基本为0时，关闭第三截止阀26、第四截止阀34，打开第五截止阀36开始煤样的常压解吸，当解吸量低于第三气体流量计35 的量程时，关闭第五截止阀36，打开第六截止阀37，在高精度排水量筒38上进行最后的常压解吸，观察并且记录解吸量随时间的变化情况。

(7)数据采集与处理

在常压解吸结束后，数据采集装置39对瓦斯压力值变化值、恒温温度值、各气体流量计、瓦斯浓度检测仪中的数据进行收集，最后传输到电脑40中，对其数据进行整理和分析。

在做完一次实验后，重复上述步骤，进行多组不同风压同一吸附平衡压力下的解吸实验与不同吸附平衡压力同一风压下的解吸实验，对风流驱动环境下煤样瓦斯解吸规律进行研究。

Claims (6)

1.一种研究风流驱动煤体运移条件下瓦斯解吸规律的模拟实验装置,包括高压瓦斯储气钢瓶、高压氮气储气钢瓶、瓦斯减压阀、瓦斯截止阀、氮气截止阀、截止阀、压力传感器、四通控制阀、真空泵截止阀、空气压缩机截止阀、气体流量计、空气压缩机、真空度压力传感器、真空度压力表、真空泵、充气罐、第一煤样罐、多节螺旋状管路、恒温水浴箱、出气口阀、第二煤样罐、三通接头、瓦斯浓度检测仪、高精度排水量筒、数据采集装置、电脑和温度控制器，其特征在于，

所述的高压瓦斯储气钢瓶的出气口连接耐高压管路，该耐高压管路设置一个分支管路连接至高压氮气储气钢瓶的出气口；所述高压瓦斯储气钢瓶的管路上沿出气方向依次安装减压阀、瓦斯截止阀；高压氮气储气钢瓶的管路上安装氮气截止阀；

所述充气罐、第一煤样罐、第二煤样罐之间分别通过耐高压管路连接；所述充气罐和第一煤样罐的进气口分别通过四通控制阀连接有四个方向的耐高压管路连接，充气罐的其中一个方向的管路连接高压瓦斯储气钢瓶、高压氮气储气钢瓶，且充气罐和第一煤样罐、高压瓦斯储气钢瓶之间分别安装有截止阀；所述第一煤样罐与充气罐的另一方向管路上分别安装压力传感器；所述第一煤样罐的第三方向的管路上顺次安装有空气压缩机截止阀和气体流量计，并连接至空气压缩机；所述四通控制阀处的管体上还分别连接有截止阀；

所述第二煤样罐的顶部设有三个耐高压管路，其中第一管路上顺次安装有瓦斯浓检测仪、三通控制阀和三通接头，所述三通控制阀通过耐高压管路连接气体流量计和截止阀，形成瓦斯总气体量检测支路；三通接头分出两个支路，一个支路顺次安装有截止阀和气体流量计，形成常压解吸气体流量检测支路；另一个支路安装有截止阀，并连接至高精度排水量筒；第二管路上安装截止阀，并通过多节螺旋状管路连接至第一煤样罐的底部出气口，第一煤样罐出气口处设有出气口阀；第三个管路上安装有压力传感器；

所述真空泵与真空度压力传感器连接，真空度压力传感器与真空压力表连接；所述真空泵的入气口设置两个管路，一路通过三通接头与第一煤样罐的第三方向的管路连接，连接处位于空气压缩机截止阀和第一煤样罐之间，管路上安装有真空泵截止阀；另一路通过三通接头与第二煤样罐的第一管路连接，管路上安装有真空泵截止阀；

以上所述的气体流量计、压力传感器、瓦斯浓度检测仪与数据采集装置连接，数据采集装置连接至电脑；

所述充气罐与第一煤样罐的外部以及第二煤样罐的外部分别设置恒温控箱，恒温箱连接温度控制器。

2.根据权利要求1所述的一种研究风流驱动煤体运移条件下瓦斯解吸规律的模拟实验装置,其特征在于，所述的多节螺旋状管路装置，与水平面呈10°的夹角放置。

3.根据权利要求1所述的一种研究风流驱动煤体运移条件下瓦斯解吸规律的模拟实验装置,其特征在于，总共分为20节，一节为一圈，每个圈的直径为0.4m，再加上除了每圈管路长度外的多余管路长度，该螺旋状管路结构的总长度为60m；其中管路直径为42mm，与现场井下取煤样打钻的钻孔直径相对应。

4.根据权利要求1所述的一种研究风流驱动煤体运移条件下瓦斯解吸规律的模拟实验装置,其特征在于，所述多节螺旋状管路装置的管路材料选取耐高压的透明PVC皮管且管路内壁表面光滑。

5.根据权利要求1所述的一种研究风流驱动煤体运移条件下瓦斯解吸规律的模拟实验装置,其特征在于，所述的第一煤样罐下端采用漏斗型设计，在下端出气口处安装有出气口阀，并且将高压气流的管子插入罐体，深入到漏斗型罐底的出口位置。

6.利用权利要求1～5任意一项权利要求所述的装置进行研究风流驱动煤体运移条件下瓦斯解吸规律的模拟实验方法,实验前需要在采掘工作面采集新鲜的煤样，封装好后带回实验室，对煤样进行粉碎、筛分，测定其煤样的工业分析、实验所需要吸附常数a、b值备用，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1)自由空间体积的测定

在实验前对充气罐、第一煤样罐、第二煤样罐的体积及其剩余体积进行测定,启动真空泵进行对第一煤样罐和充气罐进行抽真空，当真空度在10Pa以下持续3h以上，停止抽真空；读取高精度排水量筒初始量筒液面高度，打开安装于四通控制阀处管体上的截止阀，空气进入罐中，液面上升体积即各罐的体积；对于第二煤样罐及其连接处管路的体积的测定：启动真空泵对第二煤样罐及其连接处管路进行抽真空，当真空度在10Pa以下持续3h以上，停止抽真空；读取高精度排水量筒初始量筒液面高度，打开其管路上对应的截止阀，空气进入罐中，液面上升体积即第二煤样罐及其连接处管路的体积；

步骤2)气密性测定

使高压氮气储气钢瓶、充气罐、第一煤样罐、第二煤样罐之间的管路相通，将高压瓦斯储气钢瓶、空气压缩机、高精度排水量筒的管路以及真空泵与第二煤样罐之间的管路关闭；将氮气储气钢瓶1中的氮气冲入充气罐、第一煤样罐、第二煤样罐中，当压力值达到预定压力值后，关闭氮气截止阀停止充气，等待24h后，若上述三个罐中的压力值没有变化，则气密性良好；

步骤3)脱真空，关闭氮气供气管路，瓦斯供气管路，高精度排水量筒的管路以及总气体量检测支路和常压解吸气体流量检测支路，剩余的所有阀门和控制阀都处于打开状态，之后启动真空泵，打开真空泵截止阀，对其该装置进行抽真空，使其真空度保持10Pa以下三小以上停止；

步骤4)恒温控制操作，启动恒温控制器，对第一恒温水浴箱和第二恒温水浴箱进行加热，待水浴箱温度达到设定温度后停止加热使其温度恒定；

步骤5)充气与瓦斯吸附，断开充气罐与第一煤样罐之间的管路连接，由高压瓦斯储气钢瓶向充气罐中充入瓦斯，达到预定瓦斯压力之后，关闭阀门；关闭空气压缩机的管路，由充气罐向第一煤样罐中充入瓦斯，通过反复向第一煤样罐充入瓦斯之后，关闭充气罐向第一煤样罐之间的管路，当吸附平衡瓦斯压力在预定的瓦斯压力值保持8h以上不变后即达到吸附平衡；

步骤6)风流驱动煤样运移模拟实验与常压解吸，在达到吸附平衡后，启动空气压缩机，按预先设定好的风压进行风流驱动，打开空气压缩机与第一煤样罐之间的管路，同时打开第一煤样罐底部的出气口阀，关闭常压解吸气体流量检测支路和高精度排量筒的管路，第一煤样罐中的煤样从高往低全部向多节螺旋状管路中流入，进来的压风风流则带动煤样在多节螺旋状管路中移动，最终流入第二煤样罐中，计算从煤样开始流动到全部流入第二煤样罐中所需要的时间；这个过程中瓦斯浓度检测仪器同时对流过的压风气流进行检测，记录瓦斯浓度的检测值，总气体量检测支路记录这个过程所流出的总气体量，来得出气体中所包含的的瓦斯气体量；待第一煤样罐的压力传感器与第二煤样罐的压力传感器所示压力为0时并且煤样全部进入第二煤样罐中和瓦斯浓度检测仪检测的瓦斯浓度基本为0时，关闭第一煤样罐和第二煤样罐之间的连接，以及总气体量检测支路，打开常压解吸气体流量检测支路开始煤样的常压解吸，当解吸量低于常压解吸气体流量检测支路上的气体流量计的量程时，关闭该支路，打开高精度排量筒的管路，在高精度排水量筒上进行最后的常压解吸，观察并且记录解吸量随时间的变化情况；

步骤7)数据采集与处理

在常压解吸结束后，数据采集装置对瓦斯压力值变化值、恒温温度值、各气体流量计、瓦斯浓度检测仪中的数据进行收集，最后传输到电脑中，对其数据进行整理和分析；

在做完一次实验后，重复上述步骤，进行多组不同风压同一吸附平衡压力下的解吸实验与不同吸附平衡压力同一风压下的解吸实验，对风流驱动环境下煤样瓦斯解吸规律进行研究。

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