CN114371096A - 一种井下煤样残余瓦斯含量快速测定方法与装置 - Google Patents

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Abstract

一种井下煤样残余瓦斯含量快速测定方法与装置，利用井下压缩气源作为动力源带动气动马达、联轴器、偏心轴、偏心转子的转动，从而破碎煤样，有效避免常规刀片破碎中火花的出现和电动机防爆难的问题，带有液位计的解吸量筒能够自动计量煤样破碎后的解吸量，温度传感器能实时记录煤样的温度变化，装置安全防爆，操作便捷，可以快速且准确测得煤样的残余瓦斯量。本发明能够在现场直接破碎煤样，防止瓦斯在运输过程中的损失，在井下破碎10～20min并记录瓦斯解吸数据，同时考虑破碎过程中煤样温度的变化规律，建立基于煤样瓦斯解吸规律的非等温扩散数学模型来计算残余瓦斯含量，提高了参数测定效率以及测定结果的精确性。

Description

一种井下煤样残余瓦斯含量快速测定方法与装置
技术领域
本发明涉及一种煤层瓦斯量测定方法，具体是一种井下煤样残余瓦斯含量快速测定方法与装置，属于瓦斯测定技术领域。
背景技术
煤层残余瓦斯含量是预测矿井瓦斯涌出量、进行煤层瓦斯抽采设计、评价瓦斯抽采达标、评估煤层突出危险性的重要基础数据。目前煤样残余瓦斯量的测定需要将煤样带至地面实验室破碎后进行测定，此过程中破碎罐质量较大、携带笨重、耗时长，另外在运输中瓦斯易散失，导致测量精度下降。
在已公开的专利文献中，比如中国发明专利2021年1月1日公开的一种公开号为CN212275388的“一种瓦斯含量精准测量装置”，由底部破碎电机带动侧壁破碎轮和破碎叶片分级破碎煤样，破碎过程易产生电火花，结构复杂，且设备所需电能无法在井下方便获取；中国发明专利2017年6月27日公开的一种公开号为CN106896034A的“煤样破碎过程瓦斯损失量测定实验系统及方法”中的实验系统包括碎煤仓、型煤仓、抽真空系统、压力加载系统、气体加载系统、直线电机控制系统、数字型质量流量计和气体收集系统，该实验系统体积大、结构复杂，另外操作流程繁琐、耗时长，无法快速得出测定结果。
发明内容
本发明的目的是提供一种井下煤样残余瓦斯含量快速测定方法与装置，可以实现在井下直接破碎煤样，并自动测量煤样破碎后的瓦斯解吸量，进而在井下快速测得煤样残余瓦斯含量，为煤矿瓦斯管理、抽采达标评判、突出危险性评估提供依据。
为了实现上述目的，本发明提供一种井下煤样残余瓦斯含量快速测定方法，包括如下步骤：
①煤矿井下现场采集煤样，将待测煤样装入破碎罐中，并将解吸量筒充满水，液位计复位归零；
②连接井下压缩气源，打开针阀Ⅰ、针阀Ⅱ，启动煤样破碎装置，井下压缩气源的气体经过针阀Ⅰ通入气管带动气动马达旋转，气动马达带动偏心轴转动，偏心轴带动偏心转子转动，随着偏心转子的转动，偏心转子与破碎罐罐壁间的距离逐渐减小，煤样被挤压破碎；煤样破碎过程中，煤样中残余的瓦斯解吸释放出来，通过烧结板过滤网过滤其中所携带的煤尘，被过滤后的瓦斯经过针阀Ⅱ和气管从解吸量筒进气口进入，将解吸量筒中等量体积的水从解吸量筒出液口排出；液位高度下降后，液位计浮子的位置也发生位移，这一位移信号被转化为气体体积信号后传送给主机存储并显示，从而获取不同时刻t对应的破碎罐中瓦斯累计解吸量V(t)；
③在整个破碎过程中温度传感器实时监测破碎罐中煤样的温度变化，并将温度数据传输至主机，得到煤样破碎过程中不同时刻的t对应的煤样温度T(t)；
④破碎10～20min后，解吸结束，关掉井下压缩气源，断开与解吸设备连接的管路，关闭针阀Ⅱ、针阀Ⅰ，取出破碎罐中的煤样，称其重量m，然后基于瓦斯累计解吸量数据与时间的函数关系V(t)以及煤样温度与时间的函数关系T(t)，建立破碎罐中瓦斯解吸的非等温扩散模型：
Figure BDA0003466805660000021
式中：Df为有效扩散系数；
r0为煤粒的当量半径；
D0为初始扩散系数；
ΔE和R分别为解吸活化能和气体吸附常数；
V0为煤样的极限解吸量；
⑤采用贝叶斯法或者非线性共轭梯度法进行参数估计，确定初始扩散系数D0和煤粒的当量半径r0；
⑥通过主机内嵌的残余量计算软件，进行数据拟合，自动计算出煤样残余瓦斯含量并显示结果，确定整个破碎过程中瓦斯解吸曲线，得到标准状况下单位质量煤样的残余瓦斯含量：
Figure BDA0003466805660000022
式中：m为煤样总质量；
p1为井下取样地点的大气压力；
T1为井下取样地点的环境温度；
p0为标准大气压力。
一种实现上述权利要求所述方法的井下煤样残余瓦斯含量快速测定装置，包括偏心转子、联轴器、气动马达、井下压缩气源、解吸量筒，为了保证煤样在破碎过程中不产生大量电火花，本发明选择使用井下压缩气源，以气体作为动力驱动装置，气动马达进气口通过气管与井下压缩气源连接，并在气管上设置针阀Ⅰ；为了保证煤样能够被正常挤压破碎，本发明通过偏心轴与偏心转子偏心连接，完成煤样与破碎罐罐壁的挤压，在破碎罐中设置有偏心转子，偏心转子的偏心轴通过联轴器与气动马达连接，破碎罐底部安装有车氏密封，破碎罐整体固定在支架上，破碎罐顶部出气口安装有烧结板过滤网，并通过气管连接至针阀Ⅱ的进口，针阀Ⅱ的出口通过气管连接解吸量筒进气口，解吸量筒出气口设置在解吸量筒的底端，在解吸量筒中设置液位计，液位计通过解吸量筒中水位置的变化而上下移动；温度传感器安装在破碎罐上方，温度传感器、液位计均与主机连接。
为了保证煤样充足与破碎顺利进行，破碎罐可装煤样大于200g，最大耐压大于0.5MPa。
为了保证煤样充分破碎，气动马达进气流量大于1m3/min，转速为5000r/min-20000r/min。
为了保证数据精确，温度传感器的测量精度不低于0.1℃。
与现有技术相比，本发明使用气动偏心破碎方式，气源在井下含量丰富，能够为破碎装置提供充足动力，且有效的避免了常规电动刀片破碎中电火花的出现和防爆难的问题；偏心破碎结构能够对煤样进行挤压破碎，使其破碎充分，促进解析，并且具有使用周期长、便于检修和维护等优点，具有良好的使用价值；车氏密封保证了破碎罐的密封性，防止瓦斯泄露，确保测量数据的准确性；本发明能够在现场直接破碎煤样，防止瓦斯在运输过程中的损失，煤样在井下破碎10～20min并记录瓦斯解吸数据，同时考虑破碎过程中煤样温度的变化规律，建立基于煤样瓦斯解吸规律的非等温扩散数学模型来计算残余瓦斯含量，提高了参数测定效率以及测定结果的精确性。
附图说明
图1是本发明测定装置的结构示意图；
图2为偏心破碎装置的俯视图。
图中：1、井下压缩气源，2、针阀Ⅰ，3、气动马达进气口，4、气动马达出气口，5、气动马达，6、支架，7、联轴器，8、车氏密封，9、偏心转子，10、偏心轴，11、破碎罐，12、烧结板过滤网，13、针阀Ⅱ，14、主机，15、解吸量筒，16、液位计，17、解吸量筒进气口，18、解吸量筒出液口，19、温度传感器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1和图2所示，一种井下煤样残余瓦斯含量快速测定方法，煤样残余瓦斯含量与瓦斯解吸规律存在一定的数学关系，通过井下测量10～20min煤样瓦斯解吸数据，建立煤样瓦斯解吸规律的数学模型，进一步可精确计算残余瓦斯含量，本发明包括如下步骤：
①煤矿井下现场采集煤样，将待测煤样装入破碎罐11中，并将解吸量筒15充满水，液位计16复位归零；
②连接井下压缩气源1，打开针阀Ⅰ2、针阀Ⅱ13，启动煤样破碎装置，井下压缩气源1的气体经过针阀Ⅰ2通入气管带动气动马达5旋转，气动马达5带动偏心轴10转动，偏心轴10带动偏心转子9转动，随着偏心转子9的转动，偏心转子9与破碎罐11罐壁间的距离逐渐减小，煤样被挤压破碎；煤样破碎过程中，煤样中残余的瓦斯解吸释放出来，通过烧结板过滤网12过滤其中所携带的煤尘，被过滤后的瓦斯经过针阀Ⅱ13和气管从解吸量筒进气口17进入，将解吸量筒15中等量体积的水从解吸量筒出液口18排出；液位高度下降后，液位计16浮子的位置也发生位移，这一位移信号被转化为气体体积信号后传送给主机14存储并显示，从而获取不同时刻t对应的破碎罐11中瓦斯累计解吸量V(t)；
③在整个破碎过程中温度传感器19实时监测破碎罐11中煤样的温度变化，并将温度数据传输至主机14，得到煤样破碎过程中不同时刻的t对应的煤样温度T(t)；
④破碎10～20min后，解吸结束，关掉井下压缩气源1，断开与解吸设备连接的管路，关闭针阀Ⅱ13、针阀Ⅰ2，取出破碎罐11中的煤样，称其重量m，然后基于瓦斯累计解吸量数据与时间的函数关系V(t)以及煤样温度与时间的函数关系T(t)，建立破碎罐11中瓦斯解吸的非等温扩散模型：
Figure BDA0003466805660000041
式中：Df为有效扩散系数；
r0为煤粒的当量半径；
D0为初始扩散系数；
ΔE和R分别为解吸活化能和气体吸附常数；
V0为煤样的极限解吸量；
n为求和自变量，为1-∞的中间量；
⑤采用贝叶斯法或者非线性共轭梯度法进行参数估计，确定初始扩散系数D0和煤粒的当量半径r0；
⑥通过主机14内嵌的残余量计算软件，进行数据拟合，自动计算出煤样残余瓦斯含量并显示结果，确定整个破碎过程中瓦斯解吸曲线，得到标准状况下单位质量煤样的残余瓦斯含量：
Figure BDA0003466805660000051
式中：m为煤样总质量；
p1为井下取样地点的大气压力；
T1为井下取样地点的环境温度；
p0为标准大气压力。
一种井下煤样残余瓦斯含量快速测定装置，包括偏心转子9、联轴器7、气动马达5、井下压缩气源1、解吸量筒15，气动马达进气口3通过气管与井下压缩气源1连接，并在气管上设置针阀Ⅰ2；破碎罐11中设置有偏心转子9，偏心转子9的偏心轴10通过联轴器7与气动马达5连接，破碎罐11底部安装有车氏密封8，破碎罐11整体固定在支架6上，破碎罐11顶部出气口安装有烧结板过滤网12，并通过气管连接至针阀Ⅱ13的进口，针阀Ⅱ13的出口通过气管连接解吸量筒进气口17，解吸量筒出气口18设置在解吸量筒15的底端，在解吸量筒15中设置液位计16，液位计16通过解吸量筒15中水位置的变化而上下移动；温度传感器19安装在破碎罐11上方用来测量破碎罐中煤样的温度，温度传感器19、液位计16均与主机14连接；
瓦斯气体进入解吸量筒15后，将内部的液体从解吸量筒出液口18排出，期间液位计16通过浮子的位置变化将位移信号转化为气体体积信号，并通过信号线传送给主机14；温度传感器19实时将破碎罐11中的煤样温度变化数据传递给主机14。
破碎罐11内部可装煤样大于200g，最大耐压大于0.5MPa。
气动马达5进气流量大于1m3/min，转速为5000r/min-20000r/min。
温度传感器19的测量精度不低于0.1℃。
本发明能够在现场直接破碎煤样，防止瓦斯在运输过程中的损失，在井下破碎10～20min并记录瓦斯解吸数据，同时考虑破碎过程中煤样温度的变化规律，建立基于煤样瓦斯解吸规律的非等温扩散数学模型来计算残余瓦斯含量，提高了参数测定效率以及测定结果的精确性。

Claims (5)

1.一种井下煤样残余瓦斯含量快速测定方法，其特征在于，包括如下步骤：
①煤矿井下现场采集煤样，将待测煤样装入破碎罐(11)中，并将解吸量筒(15)充满水，液位计(16)复位归零；
②连接井下压缩气源(1)，打开针阀Ⅰ(2)、针阀Ⅱ(13)，启动煤样破碎装置，井下压缩气源(1)的气体经过针阀Ⅰ(2)通入气管带动气动马达(5)旋转，气动马达(5)带动偏心轴(10)转动，偏心轴(10)带动偏心转子(9)转动，随着偏心转子(9)的转动，偏心转子(9)与破碎罐(11)罐壁间的距离逐渐减小，煤样被挤压破碎；煤样破碎过程中，煤样中残余的瓦斯解吸释放出来，通过烧结板过滤网(12)过滤其中所携带的煤尘，被过滤后的瓦斯经过针阀Ⅱ(13)和气管从解吸量筒进气口(17)进入，将解吸量筒(15)中等量体积的水从解吸量筒出液口(18)排出；液位高度下降后，液位计(16)浮子的位置也发生位移，这一位移信号被转化为气体体积信号后传送给主机(14)存储并显示，从而获取不同时刻t对应的破碎罐(11)中瓦斯累计解吸量V(t)；
③在整个破碎过程中温度传感器(19)实时监测破碎罐(11)中煤样的温度变化，并将温度数据传输至主机(14)，得到煤样破碎过程中不同时刻的t对应的煤样温度T(t)；
④破碎10～20min后，解吸结束，关掉井下压缩气源(1)，断开与解吸设备连接的管路，关闭针阀Ⅱ(13)、针阀Ⅰ(2)，取出破碎罐(11)中的煤样，称其质量m，然后基于瓦斯累计解吸量数据与时间的函数关系V(t)以及煤样温度与时间的函数关系T(t)，建立破碎罐(11)中瓦斯解吸的非等温扩散模型：
Figure FDA0003466805650000011
式中：Df为有效扩散系数；
r0为煤粒的当量半径；
D0为初始扩散系数；
ΔE和R分别为解吸活化能和气体常数；
V0为煤样的极限解吸量；
⑤采用贝叶斯法或者非线性共轭梯度法进行参数估计，确定初始扩散系数D0和煤粒的当量半径r0；
⑥通过主机(14)内嵌的残余量计算软件，进行数据拟合，自动计算出煤样残余瓦斯含量并显示结果，确定整个破碎过程中瓦斯解吸曲线，得到标准状况下单位质量煤样的残余瓦斯含量：
Figure FDA0003466805650000021
式中：m为煤样总质量；
p1为井下取样地点的大气压力；
T1为井下取样地点的环境温度；
p0为标准大气压力。
2.一种实现上述权利要求所述方法的井下煤样残余瓦斯含量快速测定装置，其特征在于，包括偏心转子(9)、联轴器(7)、气动马达(5)、井下压缩气源(1)、解吸量筒(15)，气动马达进气口(3)通过气管与井下压缩气源(1)连接，并在气管上设置针阀Ⅰ(2)；破碎罐(11)中设置有偏心转子(9)，偏心转子(9)的偏心轴(10)通过联轴器(7)与气动马达(5)连接，破碎罐(11)底部安装有车氏密封(8)，破碎罐(11)整体固定在支架(6)上，破碎罐(11)顶部出气口安装有烧结板过滤网(12)，并通过气管连接至针阀Ⅱ(13)的进口，针阀Ⅱ(13)的出口通过气管连接解吸量筒进气口(17)，解吸量筒出气口(18)设置在解吸量筒(15)的底端，在解吸量筒(15)中设置液位计(16)，液位计(16)通过解吸量筒(15)中水位置的变化而上下移动；温度传感器(19)安装在破碎罐(11)上方，温度传感器(19)、液位计(16)均与主机(14)连接。
3.根据权利要求2所述的一种井下煤样残余瓦斯含量快速测定装置，其特征在于，破碎罐(11)内部煤样大于200g，最大耐压大于0.5MPa。
4.根据权利要求3所述的一种井下煤样残余瓦斯含量快速测定装置，其特征在于，气动马达(5)进气流量大于1m3/min，转速为5000r/min-20000r/min。
5.根据权利要求3所述的一种井下煤样残余瓦斯含量快速测定装置，其特征在于，温度传感器(19)的测量精度不低于0.1℃。
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