CN111648817A - 模拟变温变压的煤样瓦斯解吸装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟变温变压的煤样瓦斯解吸装置，包括瓦斯解吸机构、与瓦斯解吸结构连通设置的背压机构、与背压机构连接设置的称量机构、与瓦斯解吸结构连接设置的充气机构以及与瓦斯解吸机构连接设置的抽真空机构；所述瓦斯解吸机构包括两个相互连通设置的参照罐和煤样罐，所述参照罐同时连通充气机构和抽真空机构，所述煤样罐与背压机构相连通。本技术方案的解吸装置，通过恒温水浴精确设置煤样的解吸环境温度，通过背压加载罐精确设置煤样解吸的环境压力，可用于不同环境温度和背压组合条件下的煤样的瓦斯解吸规律研究，可依据变温变压条件下瓦斯解吸理论，实现地面全空气反循环钻探取样测定煤层瓦斯含量的技术。
Description
技术领域
本发明涉及煤层瓦斯含量测定技术领域，具体涉及一种模拟变温变压的煤样瓦斯解吸装置及测量方法。
背景技术
煤层瓦斯含量是反映煤层瓦斯赋存情况的重要参数之一，是计算煤层瓦斯储量、预测矿井瓦斯涌出量、进行瓦斯抽采设计、评价煤与瓦斯突出危险性和瓦斯治理抽采达标的重要依据。根据瓦斯含量测定工艺区别，一般分为直接法和间接法；根据测定空间的不同，一般分为地面测定和井下测定。目前，煤矿井下采用直接法测定煤层瓦斯含量技术相对成熟，误差可控制在7％以内；地面测定也大多采用直接法，但在取样过程中瓦斯损失量补偿不准确，造成瓦斯含量测定误差范围20％～30％。同时，以往的瓦斯含量地面测定的取样方法均采用绳索取芯的方式，取样速度慢、成功率低，而采用以全空气反循环的钻探取样方法，可使孔底钻屑以＞15m/s的速度快速上返至地面，但由于钻屑在双壁钻杆中心管内输送过程经历了沿程温度和压力的变化，因此，在变温变压条件下煤样瓦斯解吸规律的研究是确保地面井全空气反循环取样过程瓦斯损失量精准补偿的前提。
为此，需要一种新型的模拟变温变压的煤样瓦斯解吸装置，可建立不同的温度和压力组合条件下的含瓦斯煤样解吸环境，研究该环境下煤样的瓦斯解吸规律，创建变温变压取样环境下煤样瓦斯损失量补偿模型，进而为采用地面全空气反循环取样准确测定煤层瓦斯含量提供理论支撑。
发明内容
有鉴于此，本技术方案的模拟变温变压的煤样瓦斯解吸装置，能够通过恒温水浴精确设置煤样的解吸环境温度，通过背压加载罐精确设置煤样解吸的环境压力，可用于不同环境温度和背压组合条件下的煤样的瓦斯解吸规律研究，进而用于创建变温变压条件下煤样瓦斯损失量补偿模型，最终可依据变温变压条件下瓦斯解吸理论，实现地面全空气反循环钻探取样测定煤层瓦斯含量的技术。
一种模拟变温变压的煤样瓦斯解吸装置，包括瓦斯解吸机构、与瓦斯解吸结构连通设置的背压机构、与背压机构连接设置的称量机构、与瓦斯解吸结构连接设置的充气机构以及与瓦斯解吸机构连接设置的抽真空机构；所述瓦斯解吸机构包括两个相互连通设置的参照罐和煤样罐，所述参照罐同时连通充气机构和抽真空机构，所述煤样罐与背压机构相连通。
进一步，所述背压机构包括瓦斯解吸罐、背压加载罐、设置于背压加载罐内的活塞连杆组件以及与瓦斯解吸罐连通设置的储水槽；所述瓦斯解吸罐与背压加载罐单向连通设置，所述瓦斯解吸罐与煤样罐连通，瓦斯解吸罐上设置有用于将储水槽内的水抽到瓦斯解吸罐内的抽水泵。
进一步，所述活塞连杆组件包括设置于背压加载罐内的活塞头、与活塞头连接设置并穿出背压加载罐的活塞杆以及设置于活塞杆端部的托盘；所述背压加载罐顶部设置有背压导流管。
进一步，所述充气机构包括甲烷充气罐、氦气充气罐、以及用于与参照罐连通的充气管；所述甲烷充气罐和氦气充气罐并联设置且甲烷充气罐和氦气充气罐通过充气管同时与参照罐连通，所述甲烷充气罐和充气管以及氦气充气罐与充气管之间均设置有可供气体导通的充气控制阀。
进一步，所述抽真空机构包括真空机、与真空机连接并连通充气管的真空管以及设置于真空管上的真空控制阀；所述充气管上还设置有用于释放气体的卸放管以及控制卸放管开启的排气控制阀。
进一步，还包括恒温水槽，所述参照罐和煤样罐设置于恒温水槽内，所述参照罐和煤样罐之间设置有连接控制阀，所述充气管与参照罐之间设置有进气总阀，煤样罐与瓦斯解吸罐之间设置有出气总阀。
进一步，所述称量机构包括数据采集仪以及设置于数据采集仪上的称量皿，所述背压导流管与称量皿连通设置。
进一步，包括以下测量步骤：
S1：设置解吸温度和背压环境；调节恒温水槽的温度环境；选定托盘内砝码的质量确定背压环境；
S2：将经过干燥后的粒状煤样装满煤样罐，将氦气罐与充气管之间的充气控制阀以及排气控制阀开启，其余阀门关闭，充入氦气进行管路清洗；
S3：待S2步骤完成后，打开真空控制阀、进气总阀和连接控制阀，其余控制阀全部关闭，使用真空机对参照罐、煤样罐进行脱气；
S4：脱气完成后，关闭真空阀和连接控制阀，保持进气总阀开启，打开氦气罐与充气管之间的充气控制阀，在恒温水槽温度T条件下将参照罐充入氦气至压力P1，关闭进气总阀，打开连接控制阀，直至参照罐和煤样罐的压力均稳定至P2；根据已知参照罐体积V，装入煤样的煤样罐自由空间死体积计算公式为：V死＝(P1-P2)V/P2；
S5：打开排气控制阀，释放参照罐和煤样罐内残余氦气，卸放完毕后，关闭除真空阀、进气总阀和连接控制阀以外的阀门，使用真空机对参照罐和煤样罐进行第二次脱气；
S6：步骤S5第二次脱气完毕后，关闭真空阀和连接控制阀，保持进气总阀开启，打开甲烷充气罐和充气管之间的充气控制阀，将参照罐充入所需平衡压力的甲烷；关闭阀门进气总阀，打开连接控制阀，使煤样罐中的煤样吸附甲烷，直至参照罐和煤样罐内压力平衡；
S7：重复S6的过程，对参照罐反复充入甲烷，直至最终参照罐和煤样罐压力达到所需平衡压力；煤样罐内所有瓦斯含量减去自由空间瓦斯含量即为煤样吸附的瓦斯量；
S8：吸附平衡后，关闭连接控制阀，开启出气总阀，煤样解吸的瓦斯气体进入瓦斯解吸罐，将容器内的水通过单向阀排入背压加载罐内，背压加载罐内单位时间溢出的水的体积即为煤样罐内瓦斯解吸速度；
S9：背压加载罐内溢出的水自然流入称量皿内，通过单位时间自动计量容器内水的增加质量，换算为单位时间的水的体积。
本发明的有益效果是：
(1)本发明能够通过恒温水浴精确设置煤样的解吸环境温度，通过背压加载罐精确设置煤样解吸的环境压力，可用于不同环境温度和背压组合条件下的煤样的瓦斯解吸规律研究，进而用于创建变温变压条件下煤样瓦斯损失量补偿模型，最终可依据变温变压条件下瓦斯解吸理论，实现地面全空气反循环钻探取样测定煤层瓦斯含量技术的研究目的。
(2)本发明采用参照罐和煤样罐的组合方式，采用氦气对满载煤样的煤样罐自由空间死体积进行计量后，再进行煤样的瓦斯吸附平衡，可精准测定煤样的瓦斯吸附量，为创建变温变压条件下煤样瓦斯损失量补偿模型提供了装备和技术支撑。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明结构示意图。
具体实施方式
图1为本发明模拟变温变压的煤样瓦斯解吸装置结构示意图；如图所示，一种模拟变温变压的煤样瓦斯解吸装置，包括瓦斯解吸机构、与瓦斯解吸结构连通设置的背压机构、与背压机构连接设置的称量机构、与瓦斯解吸结构连接设置的充气机构以及与瓦斯解吸机构连接设置的抽真空机构；所述瓦斯解吸机构包括两个相互连通设置的参照罐14和煤样罐19，所述参照罐14同时连通充气机构和抽真空机构，所述煤样罐19与背压机构相连通。本发明能够通过恒温水浴精确设置煤样的解吸环境温度，通过背压加载罐29精确设置煤样解吸的环境压力，可用于不同环境温度和背压组合条件下的煤样的瓦斯解吸规律研究，进而用于创建变温变压条件下煤样瓦斯损失量补偿模型，最终可依据变温变压条件下瓦斯解吸理论，实现地面全空气反循环钻探取样测定煤层瓦斯含量技术的研究目的。
本实施例中，所述背压机构包括瓦斯解吸罐22、背压加载罐29、设置于背压加载罐29内的活塞连杆组件以及与瓦斯解吸罐22连通设置的储水槽27；所述瓦斯解吸罐22与背压加载罐29单向连通设置(通过单向阀28)，所述瓦斯解吸罐22与煤样罐14连通，瓦斯解吸罐22上设置有用于将储水槽27内的水抽到瓦斯解吸罐22内的抽水泵24。单向阀28只能将瓦斯解吸罐22内的水导向导通流入背压加载罐29内，瓦斯解吸罐22上通过管路23与抽水泵24连接，阀门25打开时，抽水泵24可以将储水槽27内的水通过导管26吸入背压加载罐29内进行补充。
本实施例中，所述活塞连杆组件包括设置于背压加载罐29内的活塞头30、与活塞头30连接设置并穿出背压加载罐29的活塞杆31以及设置于活塞杆31端部的托盘32；所述背压加载罐顶部设置有背压导流管34。活塞头30与背压加载罐29之间设置有密封环，活塞杆31可在密闭的背压加载罐29往复运动，托盘32上通过装放指定的砝码33进而实现背压的控制，活塞杆31向上运动进而使得背压加载罐29内的水通过背压导流管34流出。
本实施例中，所述充气机构包括甲烷充气罐1、氦气充气罐3、以及用于与参照罐14连通的充气管5；所述甲烷充气罐1和氦气充气罐3并联设置且甲烷充气罐1和氦气充气罐3通过充气5管同时与参照罐14连通，所述甲烷充气罐1和充气管5以及氦气充气罐3与充气管5之间均设置有可供气体导通的充气控制阀(图中的2和4)进气管5上还设置有压力传感器12和温度传感器17，两个并联设置的充气罐均可向参照罐14充气，用以实现不同的作用。
本实施例中，所述抽真空机构包括真空机10、与真空机连接并连通充气管的真空管8以及设置于真空管8上的真空控制阀9；所述充气管5上还设置有用于释放气体的卸放管6以及控制卸放管开启的排气控制阀7。真空机10用于实现抽真空作用，提高试验准确性。排气控制阀7及时将试验的气体排出去，提高试验的精准度。
本实施例中，还包括恒温水槽15，所述参照罐14和煤样罐19设置于恒温水槽15内，所述参照罐14和煤样罐19之间设置有连接控制阀20，所述充气管5与参照罐14之间设置有进气总阀11，煤样罐17与瓦斯解吸罐22之间设置有出气总阀18。煤样罐17与瓦斯解吸罐22之间的管路上也布置有压力传感器16和温度传感器18，便于实时观察，控制变量。
本实施例中，所述称量机构包括数据采集仪36以及设置于数据采集仪上的称量皿35，所述背压导流管34与称量皿35连通设置，数据采集仪即用现有的电子秤等称量设备均可。
本实施例中，包括以下测量步骤：
S1：设置解吸温度和背压环境；调节恒温水槽的温度环境；选定托盘内砝码的质量确定背压环境；通过恒温水槽15调节试验温度，通过砝码调节背压压力。
S2：将经过干燥后的粒状煤样装满煤样罐19，将氦气罐3与充气管5之间的充气控制阀4开启以及排气控制阀7开启，其余阀门(即除了充气控制阀4以及排气控制阀7以外的发明)关闭，充入氦气进行管路清洗；
S3：待S2步骤完成后，打开真空控制阀9、进气总阀11和连接控制阀20，其余控制阀全部关闭，使用真空机10对参照罐14、煤样罐19进行脱气；
S4：脱气完成后，关闭真空阀9和连接控制阀20，保持进气总阀11开启，打开氦气罐3与充气管之间的充气控制阀4，在恒温水槽15温度T条件下将参照罐14充入氦气至压力P1，关闭进气总阀11，打开连接控制阀20，经过一段时间后，直至参照罐14和煤样罐19的压力均稳定至P2；根据已知参照罐14体积V，则装入煤样的煤样罐19自由空间死体积计算公式为：V死＝(P1-P2)V/P2；
S5：打开排气控制阀7，释放参照罐14和煤样罐19内残余氦气，卸放完毕后，关闭除真空阀9、进气总阀11和连接控制阀20以外的阀门(即除了9、11和20开启，其余阀门均关闭)，使用真空机10对参照罐14和煤样罐19进行第二次脱气；
S6：步骤S5第二次脱气完毕后，关闭真空阀9和连接控制阀20，保持进气总阀11开启，打开甲烷充气罐1和充气管之间的充气控制阀2，将参照罐14充入所需平衡压力的甲烷；关闭进气总阀11，打开连接控制阀20，使煤样罐19中的煤样吸附甲烷，直至参照罐14和煤样罐19内压力平衡；
S7：重复S6的过程，对参照罐14反复充入甲烷，直至最终参照罐14和煤样罐19压力达到所需平衡压力；煤样罐内所有瓦斯含量减去自由空间瓦斯含量(自由空间瓦斯含量即平衡压力下步骤S4中V死空间内的瓦斯量)即为煤样吸附的瓦斯量；
S8：吸附平衡后，关闭连接控制阀20，开启出气总阀18，煤样解吸的瓦斯气体进入瓦斯解吸罐22，将容器内的水通过单向阀28排入背压加载罐29内，背压加载罐29内单位时间溢出的水的体积即为煤样罐内瓦斯解吸速度；
S9：背压加载罐29内溢出的水自然流入称量皿35内，通过单位时间自动计量容器内水的增加质量，换算为单位时间的水的体积。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种模拟变温变压的煤样瓦斯解吸装置，其特征在于：包括瓦斯解吸机构、与瓦斯解吸结构连通设置的背压机构、与背压机构连接设置的称量机构、与瓦斯解吸结构连接设置的充气机构以及与瓦斯解吸机构连接设置的抽真空机构；所述瓦斯解吸机构包括两个相互连通设置的参照罐和煤样罐，所述参照罐同时连通充气机构和抽真空机构，所述煤样罐与背压机构相连通。
2.根据权利要求1所述的模拟变温变压的煤样瓦斯解吸装置，其特征在于：所述背压机构包括瓦斯解吸罐、背压加载罐、设置于背压加载罐内的活塞连杆组件以及与瓦斯解吸罐连通设置的储水槽；所述瓦斯解吸罐与背压加载罐单向连通设置，所述瓦斯解吸罐与煤样罐连通，瓦斯解吸罐上设置有用于将储水槽内的水抽到瓦斯解吸罐内的抽水泵。
3.根据权利要求2所述的模拟变温变压的煤样瓦斯解吸装置，其特征在于：所述活塞连杆组件包括设置于背压加载罐内的活塞头、与活塞头连接设置并穿出背压加载罐的活塞杆以及设置于活塞杆端部的托盘；所述背压加载罐顶部设置有背压导流管。
4.根据权利要求3所述的模拟变温变压的煤样瓦斯解吸装置，其特征在于：所述充气机构包括甲烷充气罐、氦气充气罐、以及用于与参照罐连通的充气管；所述甲烷充气罐和氦气充气罐并联设置且甲烷充气罐和氦气充气罐通过充气管同时与参照罐连通，所述甲烷充气罐和充气管以及氦气充气罐与充气管之间均设置有可供气体导通的充气控制阀。
5.根据权利要求4所述的模拟变温变压的煤样瓦斯解吸装置，其特征在于：所述抽真空机构包括真空机、与真空机连接并连通充气管的真空管以及设置于真空管上的真空控制阀；所述充气管上还设置有用于释放气体的卸放管以及控制卸放管开启的排气控制阀。
6.根据权利要求5所述的模拟变温变压的煤样瓦斯解吸装置，其特征在于：还包括恒温水槽，所述参照罐和煤样罐设置于恒温水槽内，所述参照罐和煤样罐之间设置有连接控制阀，所述充气管与参照罐之间设置有进气总阀，煤样罐与瓦斯解吸罐之间设置有出气总阀。
7.根据权利要求6所述的模拟变温变压的煤样瓦斯解吸装置，其特征在于：所述称量机构包括数据采集仪以及设置于数据采集仪上的称量皿，所述背压导流管与称量皿连通设置。
8.一种模拟变温变压的煤样瓦斯测量方法，其特征在于利用权利要求7所述的装置进行测量，包括以下步骤：
S1：设置解吸温度和背压环境；调节恒温水槽的温度环境；选定托盘内砝码的质量确定背压环境；
S2：将经过干燥后的粒状煤样装满煤样罐，将氦气罐与充气管之间的充气控制阀以及排气控制阀开启，其余阀门关闭，充入氦气进行管路清洗；
S3：待S2步骤完成后，打开真空控制阀、进气总阀和连接控制阀，其余控制阀全部关闭，使用真空机对参照罐、煤样罐进行脱气；
S4：脱气完成后，关闭真空阀和连接控制阀，保持进气总阀开启，打开氦气罐与充气管之间的充气控制阀，在恒温水槽温度T条件下将参照罐充入氦气至压力P1，关闭进气总阀，打开连接控制阀，直至参照罐和煤样罐的压力均稳定至P2；根据已知参照罐体积V，装入煤样的煤样罐自由空间死体积计算公式为：V死＝(P1-P2)V/P2；
S5：打开排气控制阀，释放参照罐和煤样罐内残余氦气，卸放完毕后，关闭除真空阀、进气总阀和连接控制阀以外的阀门，使用真空机对参照罐和煤样罐进行第二次脱气；
S6：步骤S5第二次脱气完毕后，关闭真空阀和连接控制阀，保持进气总阀开启，打开甲烷充气罐和充气管之间的充气控制阀，将参照罐充入所需平衡压力的甲烷；关闭进气总阀，打开连接控制阀，使煤样罐中的煤样吸附甲烷，直至参照罐和煤样罐内压力平衡；
S7：重复S6的过程，对参照罐反复充入甲烷，直至最终参照罐和煤样罐压力达到所需平衡压力；煤样罐内所有瓦斯含量减去自由空间瓦斯含量即为煤样吸附的瓦斯量；
S8：吸附平衡后，关闭连接控制阀，开启出气总阀，煤样解吸的瓦斯气体进入瓦斯解吸罐，将容器内的水通过单向阀排入背压加载罐内，背压加载罐内单位时间溢出的水的体积即为煤样罐内瓦斯解吸速度；
S9：背压加载罐内溢出的水自然流入称量皿内，通过单位时间自动计量容器内水的增加质量，换算为单位时间的水的体积。
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