CN110865005A

CN110865005A - 测定不同搅拌速率下的煤、岩体吸液速率的装置及方法

Info

Publication number: CN110865005A
Application number: CN201911093764.9A
Authority: CN
Inventors: 徐乐华; 刘佳男; 姜海纳
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2019-11-11
Filing date: 2019-11-11
Publication date: 2020-03-06
Anticipated expiration: 2039-11-11
Also published as: CN110865005B

Abstract

本发明公开了一种测定不同搅拌速率下的煤、岩体吸液速率的装置及方法。所述装置包括氦气供给装置、抽真空装置、反应釜装置、测定装置；其中氦气供给装置由高压氦气瓶和减压罐两部分组成，抽真空装置包括真空泵、缓冲罐、真空表三部分，反应釜装置包括反应釜、恒温箱和搅拌装置，测定装置包括第一量筒、第二量筒、水准管、升降器。测定方法为：注入溶液、测量反应釜的容积V_罐、煤样制备、测游离气体空间体积V_气、测定煤样在不同搅拌速率下的吸液速率v。本发明以不同搅拌速率模拟外界扰动强度来测定煤样或岩样的吸液速率，更加接近实际情况；测定过程中煤样处于完全封闭状态不受实验环境的影响，测定结果更加准确。

Description

测定不同搅拌速率下的煤、岩体吸液速率的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种测定不同搅拌速率下的煤、岩体吸液速率的装置及方法，主要应用于研究煤、岩体在不同搅拌速率条件下的吸液特性。

背景技术

近几十年来，矿井突水事故的骤增，严重威胁着人们的生命和财产安全，而矿井突水事故与煤岩体的吸水性有着密切的联系，分析不同煤、岩体的吸水量和吸水速率，对研究煤、岩体的吸水特性、强度特性及微观结构具有重要意义，进而为解决矿井突水事故提供理论依据。目前在煤、岩体吸水过程的测定方面，采取的主要方法是称重法，即将烘干的试样浸泡在水中一定时间后取出称重，然后再浸泡在水中，一段时间后再取出进行称重，直至重量不再增加为止。这种方法虽然能将试样的吸水过程测定出来，但是存在五个主要的问题，第一，无法保证试样吸水过程的连续性，这是与实际情况不一致的，第二，由于需要多次往复地将岩石从水中取出、称重和放入，很有可能对试样的表层和结构造成人为的破坏，第三，无法保证试样与水的充分均匀接触，导致试样吸水不充分，第四，测定时的温度，压力等外界环境条件与实际情况不同，第五，实际情况下煤岩体的吸水过程并不是稳定进行的，吸水过程会受到外界的扰动，扰动强度不同，吸液速率也可能存在差异。

发明内容

本发明旨在提供一种测定不同搅拌速率下的煤、岩体吸液速率的装置及方法，该测定装置应用范围广泛、可操作性强，可以自由拆分、组合不同的连接流程。测定方法简单准确，可测量不同温度、不同压力、不同搅拌速率下材料的吸液速率。

本发明测定原理为根据不同搅拌速率下煤样或岩样吸液后量筒液面变化情况准确测定煤样或岩样在不同搅拌速率下的吸液速率。

本发明提供了一种测定不同搅拌速率下的煤、岩体吸液速率的装置，包括氦气供给装置、抽真空装置、反应釜装置、测定装置；

其中氦气供给装置由高压氦气瓶和减压罐两部分组成，并通过管路相连接；

抽真空装置包括真空泵、缓冲罐、真空表三部分，缓冲罐用密封盖密封，密封盖上有三个通气孔，分别为管路一、管路二和压力表，管路一与真空泵相连，其上装有抽气阀，管路二与反应釜通过第二三通阀门与第一三通阀门相连；缓冲罐底部设有放液阀；

反应釜装置包括反应釜、恒温箱和搅拌装置，搅拌装置搅拌电机和搅拌片，搅拌电机与搅拌片相连，搅拌电机安装在反应釜的上方，搅拌片插在反应釜内；

反应釜上盖通过快开卡箍和反应釜固定，盖子底部与反应釜侧壁接触处设有密封圈，反应釜上盖一端设有进液口，中心设有孔，搅拌装置穿过该孔固定。

测定装置包括第一量筒、第二量筒、水准管、升降器；其中第一量筒的下部和水准管相通，上部通过第四三通阀门与氦气供给装置相通；第二量筒底部通过第一三通阀门与反应釜相连，上部通过第五三通阀门与供液口和水准管相连；第五三通阀门分别连接第二量筒、水准管和供液口。

进一步地，所述供液口在测定前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。

进一步的，所述氦气供给装置、抽真空装置、反应釜装置、测定装置四部分之间通过三通阀门及管路相连接。抽真空装置、反应釜装置能通过第二三通阀门与第一三通阀门相连通，氦气供给装置、测定装置能通过第三三通阀门和第四三通阀门相连通，反应釜装置、测定装置能通过第一三通阀门相连通。

进一步地，所述反应釜的有效尺寸为φ100×192mm，工作容积为1.5L，也可根据实际需要调整内部尺寸。反应釜耐压值为15MPa。

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2L。

本发明提供了采用上述装置测定不同搅拌速率下的煤、岩体吸液速率的方法，所述方法的具体操作步骤如下：

步骤1）、注入溶液：将第五三通阀门调至供液口与第二量筒连通状态，第一三通阀门调至第二量筒与反应釜不连通状态，然后通过供液口向第二量筒注入溶液，记录此时第二量筒的读数V₁，之后将第五三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）、测量反应釜的容积V_罐：将搅拌电机和搅拌片安装到反应釜中，用卡箍卡住并用真空胶带封装好放置在恒温器中，将第一三通阀门和第二三通阀门调到反应釜与缓冲罐连通的位置，打开缓冲罐上的抽气阀并开启真空泵，对反应釜抽真空，当反应釜内压力降到2Pa后关闭真空泵、抽气阀和第二三通阀门；打开高压氦气罐的阀门，调整第三三通阀门和第四三通阀门，使高压氦气罐经减压阀与第一量筒连通；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反应釜连通，使第一量筒内的氦气进入反应釜，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阀门，使第一量筒与供液口相通，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，反应釜的容积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）所测反应釜中，并用卡箍卡住并用真空胶带封装好，然后将反应釜放入真空烘干器内烘干；烘干完成后，将反应釜放入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反应釜与缓冲罐连通的位置，打开缓冲罐上的抽气阀并开启真空泵，对反应釜抽真空，当反应釜内压力降到2Pa后关闭真空泵、抽气阀和第二三通阀门；打开高压氦气罐的阀门，调整第三三通阀门和第四三通阀门，使高压氦气罐经减压阀与第一量筒连通；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；之后打开搅拌电机并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反应釜连通，使第一量筒内的氦气进入反应釜，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阀门，使第一量筒与供液口相通，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=V₅-V₄；

可知煤样体积V_煤=V_罐-V_气；

步骤5）、测定煤样在不同搅拌速率下的吸液速率v：将第一三通阀门和第二三通阀门调到反应釜与缓冲罐连通的位置，打开缓冲罐上的抽气阀并开启真空泵，对反应釜抽真空，当反应釜内压力降到2Pa后关闭真空泵、抽气阀和第二三通阀门；设置搅拌电机的转速为arpm调整第五三通阀门使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反应釜相通，打开搅拌电机，同时开启秒表计时记录第二量筒液面下降至不变所用时间，并记录第二量筒读数V₆；

由上述步骤可知，单位质量煤样在搅拌速率为a rpm下的吸液速率v为v=(V₁-V₆-V_气)/mt。

步骤6）、重新设置搅拌电机转速，重复步骤3）、步骤4）和步骤5），以测定不同搅拌速率下煤样的吸液速率。

进一步地，所述煤样的粒径为1mm，煤样体积能占到反应容器总体积的2/3以上。

进一步地，所述搅拌装置的搅拌转速60~200rpm可调，搅拌片可根据需要调整更换。

进一步地，真空烘干箱的烘干温度为100℃，烘干持续时间为12小时。

进一步地，真空泵抽真空速率为50L/min。

进一步地，恒温箱采用水浴加热方式，水浴温度在室温至95℃之间可调。

本发明的有益效果：

本发明以不同搅拌速率模拟外界扰动强度来测定煤样或岩样的吸液速率，更加接近实际情况；本发明测定过程中煤样处于完全封闭状态不受到实验环境的影响，测定结果更加准确。

附图说明

图1为煤岩体在不同搅拌速率条件下吸液速率测定装置的示意图；

图2为反应釜的剖面示意图；

图3为抽真空装置的结构示意图。

图中：1为高压氦气瓶，2为减压罐，3为真空泵，3-1抽气阀，3-2放气阀，3-3抽气管；4为缓冲罐，4-1密封盖，4-2放液阀；5为压力表，6为恒温箱，7为反应釜，7-1为反应釜上盖，7-2为进出液口，7-3为快开卡箍，7-4为密封圈；8为搅拌电机，9为搅拌片，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为阀门，20为供液口，21为溶液，22为煤样，23为水。

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：

如图1~3所示，一种测定不同搅拌速率下的煤、岩体吸液速率的装置，包括氦气供给装置、抽真空装置、反应釜装置、测定装置；

其中氦气供给装置由高压氦气瓶1和减压罐2两部分组成，并通过管路相连接；

抽真空装置包括真空泵3、缓冲罐4、真空表5三部分，缓冲罐4用密封盖密封，密封盖上有三个通气孔，分别为管路一、管路二和压力表插孔，管路一与真空泵3相连，其上装有抽气阀，管路二与反应釜7通过第二三通阀门15与第一三通阀门14相连；缓冲罐底部设有放液阀；

反应釜装置包括反应釜7、恒温箱6和搅拌装置，搅拌装置搅拌电机8和搅拌片9，搅拌电机8与搅拌片9相连，搅拌电机安装在反应釜7的上方，搅拌片9插在反应釜7内；

测定装置包括第一量筒10、第二量筒12、水准管11、升降器13；其中第一量筒10的下部和水准管11相通，上部通过第四三通阀门17与氦气供给装置相通；第二量筒12底部通过第一三通阀门14与反应釜相连，上部通过第五三通阀门18与供液口20和水准管11相连；第五三通阀门18分别连接第二量筒12、水准管11和供液口20。

进一步地，所述供液口20在测定前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，所述氦气供给装置、抽真空装置、反应釜装置、测定装置四部分之间通过三通阀门及管路相连接。抽真空装置、反应釜装置能通过第二三通阀门15与第一三通阀门14相连通，氦气供给装置、测定装置能通过第三三通阀门16和第四三通阀门17相连通，反应釜装置、测定装置能通过第一三通阀门14相连通。

进一步地，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2L。

测定粒径为5mm的烟煤在搅拌速率为50rpm下的吸水速率：

步骤1）、注入蒸馏水：将第五三通阀门18调至供液口20与第二量筒12连通状态，第一三通阀门14调至第二量筒12与反应釜7不连通状态，然后通过供液口20向第二量筒12注入一定量的蒸馏水，此时第二量筒12的读数为2000mL，之后将第五三通阀门18调至供液口20与水准管19相连通状态，通过供液口20向水准管11和第一量筒10内注入一定量的蒸馏水。最后通过升降器13升高水准管11的高度，直到第一量筒10中充满蒸馏水。

步骤2）、测量反应釜7的容积V_罐：将搅拌电机8和搅拌片9安装到反应釜7后，用卡箍卡住并用真空胶带封装好放置在恒温器6中，将第一三通阀门14和第二三通阀门15调到反应釜7与缓冲罐4连通的位置，打开缓冲罐4上的抽气阀并开启真空泵3，对反应釜7抽真空，当反应釜7内压力降到2Pa后关闭真空泵4、抽气阀和第二三通阀门15。打开高压氦气罐1的阀门，调整第三三通阀门16和第四三通阀门17，使高压氦气罐1经减压阀2与第一量筒10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500mL，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与反应釜7连通，使第一量筒10内的氦气进入反应釜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，记录此时第一量筒10的读数1987mL。最后关闭第三三通阀门16和阀门19，使第一量筒10与供液口20相通，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，反应釜7的容积V_罐为V_罐=1987-500=1487mL。

步骤3）、煤样制备：称取粒径为5mm的烟煤900克装入步骤2）、所测反应釜7中，并用卡箍卡住并用真空胶带封装好，然后将反应釜7放入真空烘干器内烘干。烘干完成后，将反应釜7放入恒温器6中并与管路连接。

进一步地，真空泵抽真空速率为50L/min。

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调到反应釜7与缓冲罐4连通的位置，打开缓冲罐4上的抽气阀并开启真空泵3，对反应釜7抽真空，当反应釜7内压力降到2Pa后关闭真空泵4、抽气阀和第二三通阀门15。打开高压氦气罐1的阀门，调整第三三通阀门16和第四三通阀门17，使高压氦气罐1经减压阀2与第一量筒10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，记录此时第一量筒10的读数500mL，然后关闭高压氦气罐1的阀门和第三三通阀门16。之后打开搅拌电机并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与反应釜7连通，使第一量筒10内的氦气进入反应釜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，记录此时第一量筒10的读数1241mL。最后关闭第三三通阀门16和阀门19，使第一量筒10与供液口20相通，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V_气=1241-500=741mL。

进一步的，可知煤样体积V_煤为1487-741=746mL。

步骤5）、测定煤样在搅拌速率为50rpm下的吸液速率v：将第一三通阀门14和第二三通阀门15调到反应釜7与缓冲罐4连通的位置，打开缓冲罐4上的抽气阀并开启真空泵3，对反应釜7抽真空，当反应釜7内压力降到2Pa后关闭真空泵4、抽气阀和第二三通阀门15。设置搅拌电机9的转速为50rpm调整第五三通阀门18使量筒上部与供液口9相通。调整第一三通阀门14使第二量筒12下部与反应釜相通，打开搅拌电机9，同时开启秒表计时记录第二量筒12液面下降至不变所用时间，并记录第二量筒12读数V₆。煤样吸水用时为16s，第二量筒12的读数为788mL。

由上述步骤可知，粒径为5mm的烟煤煤样在搅拌速率为50rpm下的吸液速率为v=(2000-788-741)/(900×16)=0.033mL/(g·s)。

Claims

1.一种测定不同搅拌速率下的煤、岩体吸液速率的装置，其特征在于：包括氦气供给装置、抽真空装置、反应釜装置、测定装置；

测定装置包括第一量筒、第二量筒、水准管、升降器；其中第一量筒的下部和水准管相通，上部通过第四三通阀门与氦气供给装置相通；第二量筒底部通过第一三通阀门与反应釜相连，上部通过第五三通阀门与供液口和水准管相连；第五三通阀门分别连接第二量筒、水准管和供液口；所述供液口在测定前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。

2.根据权利要求1所述的测定不同搅拌速率下的煤、岩体吸液速率的装置，其特征在于：抽真空装置、反应釜装置能通过第二三通阀门与第一三通阀门相连通，氦气供给装置、测定装置能通过第三三通阀门和第四三通阀门相连通，反应釜装置、测定装置能通过第一三通阀门相连通。

3.根据权利要求1所述的测定不同搅拌速率下的煤、岩体吸液速率的装置，其特征在于：所述反应釜的有效尺寸为φ100×192mm，工作容积为1.5L，反应釜耐压值为15MPa。

4.根据权利要求1所述的测定不同搅拌速率下的煤、岩体吸液速率的装置，其特征在于：反应釜顶部设有反应釜上盖，反应釜上盖通过快开卡箍和反应釜固定，盖子底部与反应釜侧壁接触处设有密封圈，反应釜上盖一端设有进液口，中心设有孔，搅拌装置穿过该孔固定。

5.根据权利要求1所述的测定不同搅拌速率下的煤、岩体吸液速率的装置，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2L。

6.一种测定不同搅拌速率下的煤、岩体吸液速率的方法，采用权利要求1~5任一项所述的装置，其特征在于操作步骤如下：

可知煤样体积V_煤=V_罐-V_气；

由上述步骤可知，单位质量煤样在搅拌速率为a rpm下的吸液速率v为v=(V₁-V₆-V_气)/mt；

7.根据权利要求6所述的测定不同搅拌速率下的煤、岩体吸液速率的方法，其特征在于：所述煤样的粒径为1mm，煤样体积能占到反应容器总体积的2/3以上。

8.根据权利要求6所述的测定不同搅拌速率下的煤、岩体吸液速率的方法，其特征在于：所述搅拌装置的搅拌电机转速为60~200rpm，真空泵抽真空速率为50L/min。

9.根据权利要求6所述的测定不同搅拌速率下的煤、岩体吸液速率的方法，其特征在于：真空烘干箱的烘干温度为100℃，烘干持续时间为12小时。

10.根据权利要求6所述的测定不同搅拌速率下的煤、岩体吸液速率的方法，其特征在于：恒温箱采用水浴加热方式，水浴温度在室温至95℃之间。