CN110849767B - 一种溶液对煤体内瓦斯解吸能力的测定装置及测定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种溶液对煤体内瓦斯解吸能力的测定装置及测定方法，主要应用于煤矿瓦斯灾害防治领域。所述装置由气体供给部分、煤样预处理部分、测定装置部分构成；其中气体供给部分包括高压氦气罐、高压甲烷气罐和减压罐三部分，并通过管路相连接；煤样预处理部分包括真空泵、真空计、超级恒温器、煤样罐、真空干燥箱四部分，测定模块包括第一量筒、第二量筒、水准管、升降器、供液口及阀门。测定方法包括：1）注入溶液；2）测量煤样罐的容积V罐；3）煤样制备；4）测游离气体空间体积V气5）煤样吸附甲烷；6）水解吸煤样中的甲烷。本发明测量装置结构简单，方法简便，测定结果准确；可同时测得煤样可吸附瓦斯量和水解吸瓦斯压力。
Description
技术领域
本发明涉及一种水及酸碱溶液对煤体内瓦斯解吸能力的测定装置及测定方法，主要应用于煤矿瓦斯灾害防治领域。
背景技术
近几十年来，矿井突水事故的骤增，严重威胁着人民的生命和财产安全，同时又由于煤体对水的吸附能力强于瓦斯，故矿井水灾可能会导致矿井瓦斯突出超限，造成二次灾害。因此研究水及酸碱溶液对煤体内瓦斯解吸能力对防治矿井瓦斯灾害提供理论依据。另外对于瓦斯抽采技术的发展具有重要意义。
发明内容
本发明旨在提供一种溶液对煤体内瓦斯解吸能力的测定装置及测定方法，该方法可操作性强，简单易行，可用于水及各类酸碱溶液对煤体内瓦斯气体解吸能力的测定。
本发明提供了一种溶液对煤体内瓦斯解吸能力的测定装置，由气体供给部分、煤样预处理部分、测定装置部分构成；其中气体供给部分包括高压氦气罐、高压甲烷气罐和减压罐三部分，并通过管路相连接；煤样预处理部分包括真空泵、真空计、超级恒温器、煤样罐、真空干燥箱四部分，测定时煤样罐放置在超级恒温器中，并与真空泵通过第一三通阀门和第二三通阀门相连接；测定模块由瓦斯压力表、第一量筒、第二量筒、水准管、升降器、供液口及阀门组成。其中第一量筒和水准管下部相通，上部通过第五三通阀门与气体管路相通。第二量筒底部通过第一三通阀门与煤样罐相连，上部通过第四三通阀门与供液口和水准管相连。瓦斯压力表与煤样罐相连。
进一步地，所述供液口在测定前用作向量筒及水准管中注液，测定过程中用来使第二量筒或水准管与大气相连通。
进一步地，所述气体供给部分、煤样预处理部分、测定装置部分之间通过第一三通阀门、第二三通阀门和第三三通阀门及管路相连接。
进一步地，所述煤样罐为50~100ml，由316不锈钢铸造而成。
进一步地，所述第一量筒、第二量筒、水准管均为透明玻璃管，第一量筒和第二量筒的量程均为100~300ml。
本发明提供了一种溶液对煤体内瓦斯解吸能力的测定方法，具体操作步骤如下：
步骤1）、注入溶液：将第四三通阀门调至供液口与第二量筒相连通状态，第一三通阀门调至第二量筒与煤样罐不连通状态，然后通过供液口向第二量筒注入一定量的溶液，记录此时第二量筒读数V1；之后将第四三通阀门调至供液口与水准管相连通状态，通过供液口向水准管和第一量筒内注入一定量的溶液。最后通过升降器升高水准管的高度，直到第一量筒中充满溶液。
步骤2）、测量煤样罐的容积V罐：将煤样罐用真空胶带封装好放置在超级恒温器中，将第一三通阀门和第二三通阀门调到煤样罐与真空泵连通的位置，开启真空泵对煤样罐和瓦斯气囊进行抽真空，当煤样罐内压力达到2Pa后关闭真空泵和第二三通阀门。打开高压氦气罐的阀门，调整第三三通阀门和第五三通阀门，使高压氦气罐经减压罐与第一量筒相连通。通过升降器降低水准管的高度，使氦气进入第一量筒，记录此时第一量筒的读数V2，然后关闭高压氦气罐的阀门和第三三通阀门。之后按顺序分别将第一三通阀门、第二三通阀门和第三三通阀门调至第一量筒与煤样罐连通，使第一量筒内的氦气进入煤样罐，调整水准管的高度，使第一量筒的液面与水准管的液面相平，记录此时第一量筒的读数V3；最后关闭第三三通阀门和水准管阀门，使第一量筒与供液口相连通，升高水准管的高度，排出第一量筒中的多余氦气。由上述步骤可知，煤样罐容积V罐为第一量筒两次读数之差，即V罐=V3-V2。
步骤3）、煤样制备：称取待测煤样m克装入步骤2）、所测煤样罐中，并用真空胶带封装好，然后将煤样罐放入真空烘干器内烘干；烘干完成后，将煤样罐放入超级恒温器中并与管路连接。
步骤4）、测游离气体空间体积V气：将第一三通阀门和第二三通阀门调到煤样罐与真空泵连通的位置，开启真空泵对煤样罐进行抽真空，当煤样罐内压力达到2Pa后关闭真空泵和第二三通阀门。打开高压氦气罐的阀门，调整第三三通阀门和第五三通阀门，使高压氦气罐经减压罐与第一量筒相连通。通过升降器降低水准管的高度，使氦气进入第一量筒，记录此时第一量筒的读数V4，然后关闭高压氦气罐的阀门和第三三通阀门。之后按顺序分别将第一三通阀门、第二三通阀门和第三三通阀门调至第一量筒与煤样罐连通，使第一量筒内的氦气进入煤样罐，调整水准管的高度，使第一量筒的液面与水准管的液面相平，记录此时第一量筒的读数V5。最后关闭第三三通阀门和水准管阀门，使第一量筒与供液口相连通，升高水准管的高度，排出第一量筒中的多余氦气。由上述步骤可知，游离气体空间体积V气为第一量筒两次读数之差，即V气=V4-V5；
进一步地，可知煤样体积V煤=V罐-V气。
步骤5）、煤样吸附甲烷：重新调整第一三通阀门和第二三通阀门至煤样罐与真空泵连通状态，对煤样罐进行抽真空，直到煤样罐内压力达到2Pa为止。调整第三三通阀门、第五三通阀门，使减压罐与第一量筒连通，调整阀门和第四三通阀门，使水准管与供液口连通。打开，高压甲烷气罐阀门，调整水准管高度，使甲烷气体进入第一量筒，记录此时第一量筒的读数V6。按顺序调整第一三通阀门、第二三通阀门和第三三通阀门，使煤样罐与第一量筒连通，甲烷气体进入煤样罐。调整水准管的高度，使第一量筒的液面与水准管的液面相平，记录此时第一量筒的读数V7以及瓦斯压力表读数P1。由上述步骤可知，煤样罐内甲烷气体体积V甲为量筒两次读数之差，即V甲=V6-V7。进一步的，可知单位质量煤样吸附瓦斯量Q吸=(V甲+V煤-V罐)/m。
步骤6）、水解吸煤样中的甲烷：调整第四三通阀门使第二量筒上部与供液口相通。调整第一三通阀门使第二量筒下部与煤样罐相通，同时开启秒表计时，记录第二量筒读数V8，瓦斯压力表读数P2。
由上述步骤可知，水解吸瓦斯压力为P=P2-P1。
进一步地，真空烘干箱烘干温度为100℃，烘干持续时间为12~15小时。
进一步地，超级恒温器为水浴加热，温度保持在30℃。
本发明的有益效果：
（1）测量装置结构简单，方法简便，测定结果准确；
（2）本发明可通过改变煤样种类或粒径和溶液，以测定不同溶液对煤样中瓦斯的解吸能力，以模拟实际矿井中不同水质对煤体瓦斯解吸能力；
（3）可同时测得煤样可吸附瓦斯量和水解吸瓦斯压力。
附图说明
图1为水对煤体中瓦斯解吸能力的测定装置。
图中：1为高压氦气罐，2为高压甲烷气罐，3为减压罐，4为真空泵，5为真空计，6为超级恒温器，7为煤样罐，8为瓦斯压力表，9为供液口，10为第一量筒，11为水准管，12为第二量筒，13为升降器，14为第一三通阀门，15为第二三通阀门，16为第三三通阀门，17为第四三通阀门，18为第五三通阀门，19为水准管阀门。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例1：
本发明提供了一种水对煤体内瓦斯解吸能力的测定装置，如图1所示，由气体供给部分、煤样预处理部分、测定装置部分构成；其中气体供给部分包括高压氦气罐1、高压甲烷气罐2和减压罐3三部分，并通过管路相连接；煤样预处理部分包括真空泵4、真空计5、超级恒温器6、煤样罐7、真空干燥箱四部分，测定时煤样罐7放置在超级恒温器6中，并与真空泵4通过第一三通阀门14和第二三通阀门15相连接；测定模块由、瓦斯压力表8、第一量筒10、第二量筒12、水准管11、升降器13、供液口9及阀门组成。其中第一量筒10和水准管11下部相通，上部通过第五三通阀门18与气体管路相通。第二量筒12底部通过第一三通阀门14与煤样罐相连，上部通过第四三通阀门17与供液口9和水准管11相连。瓦斯压力表8与煤样罐相连。
进一步的，所述供液口9在测定前用作向量筒及水准管中注液，测定过程中用来使第二量筒12或水准管11与大气相连通。
进一步的，所述气体供给部分、煤样预处理部分、测定装置部分之间通过第一三通阀门14、第二三通阀门15和第三三通阀门16及管路相连接。
进一步的，所述煤样罐7为50~100ml，由316不锈钢铸造而成。
进一步的，所述第一量筒10、第二量筒12、水准管11均为透明玻璃管，第一量筒10和第二量筒12的量程均为100~300ml。
进一步的，真空烘干箱烘干温度为100℃，烘干持续时间为12小时。
进一步的，超级恒温器6为水浴加热，温度保持在30℃。
以下通过具体实例，测定水对粒径为2mm的烟煤中瓦斯的解吸能力。
步骤1）、注入溶液：将第四三通阀门17调至供液口9与第二量筒12相连通状态，三通阀门14调至第二量筒12与煤样罐7不连通状态，然后通过供液口9向第二量筒12注入一定量的溶液，此时第二量筒12读数为91ml。之后将第四三通阀门17调至供液口9与水准管11相连通状态，通过供液口9向水准管11和第一量筒10内注入一定量的溶液。最后通过升降器13升高水准管11的高度，直到第一量筒10中充满溶液。
步骤2）、测量煤样罐7的容积V罐：将煤样罐7用真空胶带封装好放置在超级恒温器6中，将第一三通阀门14和第二三通阀门15调到煤样罐7与真空泵4连通的位置，开启真空泵4对煤样罐7和瓦斯气囊8进行抽真空，当煤样罐7内压力达到2Pa后关闭真空泵4和第二三通阀门15。打开高压氦气罐1的阀门，调整第三三通阀门16和第五三通阀门18，使高压氦气罐1经减压罐3与第一量筒10相连通。通过升降器13降低水准管11的高度，使氦气进入第一量筒10，此时第一量筒10的读数为43ml，然后关闭高压氦气罐1的阀门和第三三通阀门16。之后按顺序分别将第一三通阀门14、第二三通阀门15和第三三通阀门16调至第一量筒10与煤样罐7连通，使第一量筒10内的氦气进入煤样罐7，调整水准管11的高度，使第一量筒10的液面与水准管11的液面相平，此时第一量筒10的读数为94ml。最后关闭第三三通阀门16和水准管阀门19，使第一量筒10与供液口9相连通，升高水准管11的高度，排出第一量筒10中的多余氦气。由上述步骤可知，煤样罐7容积V罐为51ml。
步骤3）、煤样制备：称取粒径为2mm的烟煤煤样40g装入步骤2）、所测煤样罐7中，并用真空胶带封装好，然后将煤样罐7放入真空烘干器内烘干。烘干完成后，将煤样罐7放入超级恒温器6中并与管路连接。
步骤4）、测游离气体空间体积V气：将第一三通阀门14和第二三通阀门15调到煤样罐7与真空泵4连通的位置，开启真空泵4对煤样罐7进行抽真空，当煤样罐7内压力达到2Pa后关闭真空泵4和第二三通阀门15。打开高压氦气罐1的阀门，调整第三三通阀门16和第五三通阀门18，使高压氦气罐1经减压罐3与第一量筒10相连通。通过升降器13降低水准管11的高度，使氦气进入第一量筒10，此时第一量筒10的读数为40ml，然后关闭高压氦气罐1的阀门和第三三通阀门16。之后按顺序分别将第一三通阀门14、第二三通阀门15和第三三通阀门16调至第一量筒10与煤样罐7连通，使第一量筒10内的氦气进入煤样罐7，调整水准管11的高度，使第一量筒10的液面与水准管11的液面相平，此时第一量筒10的读数为68ml。最后关闭第三三通阀门16和水准管阀门19，使第一量筒10与供液口9相连通，升高水准管11的高度，排出第一量筒10中的多余氦气。由上述步骤可知，游离气体空间体积V气为18ml。
进一步的，可知煤样体积V煤为33ml。
步骤5）、煤样吸附甲烷：重新调整第一三通阀门14和第二三通阀门15至煤样罐7与真空泵4连通状态，对煤样罐进行抽真空，直到煤样罐内压力达到2Pa为止。调整第三三通阀门16、第五三通阀门18，使减压罐与第一量筒10连通，调整水准管阀门19和第四三通阀门17，使水准管11与供液口9连通。打开，高压甲烷气罐2阀门，调整水准管11高度，使甲烷气体进入第一量筒10，此时第一量筒10的读数为40ml。按顺序调整第一三通阀门14、第二三通阀门15和第三三通阀门16，使煤样罐与第一量筒10连通，甲烷气体进入煤样罐7。调整水准管11的高度，使第一量筒10的液面与水准管11的液面相平，此时第一量筒10的读数为74ml，瓦斯压力表8读数为100.2kPa。由上述步骤可知，煤样罐6内甲烷气体体积V甲为34ml。由上述步骤可知，煤样吸附瓦斯量为0.4m3/t。
步骤6）、水解吸煤样中的甲烷：调整第四三通阀门17使第二量筒12上部与供液口9相通。调整第一三通阀门14使第二量筒12下部与煤样罐相通，同时开启秒表计时，记录第二量筒12读数88ml，瓦斯压力表8读数101.4kPa。
由上述步骤可知，水解吸瓦斯压力为P=1.2kPa。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种溶液对煤体内瓦斯解吸能力的测定方法，其特征在于：该方法的实施采用一种溶液对煤体内瓦斯解吸能力的测定装置，该测定装置由气体供给部分、煤样预处理部分、测定装置部分构成；其中气体供给部分包括高压氦气罐、高压甲烷气罐和减压罐三部分，并通过管路相连接；煤样预处理部分包括真空泵、真空计、超级恒温器、煤样罐、真空干燥箱四部分，测定时煤样罐放置在超级恒温器中，并与真空泵通过第一三通阀门和第二三通阀门相连接；测定模块由瓦斯压力表、第一量筒、第二量筒、水准管、升降器、供液口及阀门组成；其中第一量筒和水准管下部相通，上部通过第五三通阀门与气体管路相通；第二量筒底部通过第一三通阀门与煤样罐相连，上部通过第四三通阀门与供液口和水准管相连；瓦斯压力表与煤样罐相连；
溶液对煤体内瓦斯解吸能力的测定方法，具体操作步骤如下：
步骤1）、注入溶液：将第四三通阀门调至供液口与第二量筒相连通状态，第一三通阀门调至第二量筒与煤样罐不连通状态，然后通过供液口向第二量筒注入溶液，记录此时第二量筒读数V1；之后将第四三通阀门调至供液口与水准管相连通状态，通过供液口向水准管和第一量筒内注入溶液；最后通过升降器升高水准管的高度，直到第一量筒中充满溶液；
步骤2）、测量煤样罐的容积V罐：将煤样罐用真空胶带封装好放置在超级恒温器中，将第一三通阀门和第二三通阀门调到煤样罐与真空泵连通的位置，开启真空泵对煤样罐和瓦斯气囊进行抽真空，当煤样罐内压力达到2Pa后关闭真空泵和第二三通阀门；打开高压氦气罐的阀门，调整第三三通阀门和第五三通阀门，使高压氦气罐经减压罐与第一量筒相连通；通过升降器降低水准管的高度，使氦气进入第一量筒，记录此时第一量筒的读数V2，然后关闭高压氦气罐的阀门和第三三通阀门；之后按顺序分别将第一三通阀门、第二三通阀门和第三三通阀门调至第一量筒与煤样罐连通，使第一量筒内的氦气进入煤样罐，调整水准管的高度，使第一量筒的液面与水准管的液面相平，记录此时第一量筒的读数V3；最后关闭第三三通阀门和水准管阀门，使第一量筒与供液口相连通，升高水准管的高度，排出第一量筒中的多余氦气；由上述步骤可知，煤样罐容积V罐为第一量筒两次读数之差，即V罐=V3-V2；
步骤3）、煤样制备：称取待测煤样m克装入步骤2）、所测煤样罐中，并用真空胶带封装好，然后将煤样罐放入真空烘干器内烘干；烘干完成后，将煤样罐放入超级恒温器中并与管路连接；
步骤4）、测游离气体空间体积V气：将第一三通阀门和第二三通阀门调到煤样罐与真空泵连通的位置，开启真空泵对煤样罐进行抽真空，当煤样罐内压力达到2Pa后关闭真空泵和第二三通阀门；打开高压氦气罐的阀门，调整第三三通阀门和第五三通阀门，使高压氦气罐经减压罐与第一量筒相连通；通过升降器降低水准管的高度，使氦气进入第一量筒，记录此时第一量筒的读数V4，然后关闭高压氦气罐的阀门和第三三通阀门；之后按顺序分别将第一三通阀门、第二三通阀门和第三三通阀门调至第一量筒与煤样罐连通，使第一量筒内的氦气进入煤样罐，调整水准管的高度，使第一量筒的液面与水准管的液面相平，记录此时第一量筒的读数V5；最后关闭第三三通阀门和水准管阀门，使第一量筒与供液口相连通，升高水准管的高度，排出第一量筒中的多余氦气；由上述步骤可知，游离气体空间体积V气为第一量筒两次读数之差，即V气=V4-V5；
可知煤样体积V煤=V罐-V气；
步骤5）、煤样吸附甲烷：重新调整第一三通阀门和第二三通阀门至煤样罐与真空泵连通状态，对煤样罐进行抽真空，直到煤样罐内压力达到2Pa为止；调整第三三通阀门、第五三通阀门，使减压罐与第一量筒连通，调整阀门和第四三通阀门，使水准管与供液口连通；打开，高压甲烷气罐阀门，调整水准管高度，使甲烷气体进入第一量筒，记录此时第一量筒的读数V6；按顺序调整第一三通阀门、第二三通阀门和第三三通阀门，使煤样罐与第一量筒连通，甲烷气体进入煤样罐；调整水准管的高度，使第一量筒的液面与水准管的液面相平，记录此时第一量筒的读数V7以及瓦斯压力表读数P1；由上述步骤可知，煤样罐内甲烷气体体积V甲为量筒两次读数之差，即V甲=V6-V7；得出单位质量煤样吸附瓦斯量Q吸=(V甲+V煤-V罐)/m；
步骤6）、水解吸煤样中的甲烷：调整第四三通阀门使第二量筒上部与供液口相通；调整第一三通阀门使第二量筒下部与煤样罐相通，同时开启秒表计时，记录第二量筒读数V8，瓦斯压力表读数P2；
由上述步骤得出，水解吸瓦斯压力为P=P2-P1。
2.根据权利要求1所述的溶液对煤体内瓦斯解吸能力的测定方法，其特征在于：所述供液口在测定前用作向量筒及水准管中注液，测定过程中用来使第二量筒或水准管与大气相连通。
3.根据权利要求1所述的溶液对煤体内瓦斯解吸能力的测定方法，其特征在于：所述气体供给部分、煤样预处理部分、测定装置部分之间通过第一三通阀门、第二三通阀门和第三三通阀门及管路相连接。
4.根据权利要求1所述的溶液对煤体内瓦斯解吸能力的测定方法，其特征在于：所述煤样罐为50~100ml，由316不锈钢铸造而成。
5.根据权利要求1所述的溶液对煤体内瓦斯解吸能力的测定方法，其特征在于：所述第一量筒、第二量筒、水准管均为透明玻璃管，第一量筒和第二量筒的量程均为100~300ml。
6.根据权利要求1所述的溶液对煤体内瓦斯解吸能力的测定方法，其特征在于：真空烘干箱烘干温度为100℃，烘干持续时间为12~15小时。
7.根据权利要求1所述的溶液对煤体内瓦斯解吸能力的测定方法，其特征在于：超级恒温器为水浴加热，温度保持在30℃。
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