CN205138940U

CN205138940U - 一种测试煤体瓦斯吸附解吸热效应实验系统

Info

Publication number: CN205138940U
Application number: CN201520900218.2U
Authority: CN
Inventors: 杨涛; 聂百胜; 陈学习; 陈鹏
Original assignee: North China Institute of Science and Technology
Current assignee: North China Institute of Science and Technology
Priority date: 2015-11-12
Filing date: 2015-11-12
Publication date: 2016-04-06
Anticipated expiration: 2025-11-12

Abstract

本实用新型涉及一种适用于研究一种测试煤体瓦斯吸附解吸热效应实验系统。该系统包括总管路、供瓦斯装置、供氦气装置、负压抽放装置、吸附装置、解吸集气系统、测压系统和测温系统。瓦斯装置与供氦气装置通过三通连接到总管路上。吸附装置、负压抽放装置通过四通与总管路连通。本实用新型的实验系统不仅可以进行不同煤体粒度、煤种、瓦斯压力等条件下的煤体瓦斯吸附、解吸实验，深入分析煤粒瓦斯解吸扩散规律，还能够对整个煤体吸附解吸实验过程中的煤体内部温度变化规律进行连续准确测量，为研究煤体瓦斯吸附解吸过程中的温度变化及热效应提供了实验基础，对于研究煤层瓦斯突出防治具有重要意义。

Description

一种测试煤体瓦斯吸附解吸热效应实验系统

技术领域

本实用新型涉及一种煤样瓦斯吸附解吸实验系统，具体涉及一种适用于研究一种测试煤体瓦斯吸附解吸热效应实验系统。

背景技术

煤与瓦斯突出过程是极其复杂的，目前尚没有提出统一的突出机理。研究煤体瓦斯解吸扩散规律，对于煤与瓦斯突出预测、煤层瓦斯含量预测等具有很重要的现实意义。研究表明：在煤层中，影响瓦斯解吸扩散的因素有很多：微观上有煤的分子结构、煤体内部孔隙特征、煤和瓦斯气体的物理化学性质等；宏观上有煤样粒度、煤的破坏类型、煤体内原始瓦斯含量、吸附平衡压力等。煤体在瓦斯吸附和解吸过程中，煤体温度会发生变化。近年来，许多研究者开始了对煤体瓦斯解吸过程规律进行了研究，并相继开发了测试煤岩吸附量以及吸附解吸变形的技术和实验装置，但未有一种能够准确监测煤体瓦斯吸附解吸过程中煤体温度变化的实验系统。因此，有必要设计一种能够监测煤体瓦斯吸附解吸热效应的实验系统。

发明内容

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种测试煤体瓦斯吸附解吸热效应实验系统，其能够对煤体瓦斯吸附、解吸实验过程中的温度变化进行实时精确测量，对于全面研究煤体瓦斯吸附、解吸扩散规律及机理具有重要意义。

本实用新型通过下述技术方案来实现：

一种测试煤体瓦斯吸附解吸热效应实验系统，包括总管路、供瓦斯装置、供氦气装置、负压抽放装置、吸附装置、解吸集气系统、测压系统和测温系统。

供瓦斯装置包括高压瓦斯瓶，高压瓦斯瓶的出口装有第一压力计和第一球阀。

供氦气装置包括高压氦气瓶，高压氦气瓶的出口装有第二压力计和第二球阀；所述供瓦斯装置与供氦气装置通过三通连接到总管路上。

负压抽放装置包括真空泵、真空计、第三球阀和分支连接管，所述真空泵、真空计和第三球阀通过分支连接管依次串联连通。

吸附装置包括样品罐、参照罐、主进气管、支进气管、第一针阀和第二针阀，所述样品罐、参照罐、第一针阀和第二针阀通过支进气管串联连通。主进气管一端通过三通与第一针阀、第二针阀之间的支进气管连通；主进气管另一端通过四通与总管路、负压抽放装置的分支连接管连通。

解吸集气系统包括升降台、位于升降台上部的龙头瓶、顶部和底部封闭的量筒、集气管、第四球阀、排气管和第五球阀。量筒的底部通过软管与龙头瓶的下部连通，量筒的顶部设有集气口和排气口。集气管的一端与第四球阀、量筒顶部集气口连通，集气管的另一端与总管路连通。第五球阀通过排气管与量筒连通。

测压系统包括位于支进气管内靠近样品罐、参照罐进口处的两个压力传感器和控制台；压力传感器通过导线与控制台连接。

测温系统包括位于样品罐内部的温度传感器、数据采集仪和计算机。温度传感器、数据采集仪和计算机通过导线串联连接。

上述的样品罐的容积为参照罐的1.5～3倍。样品罐主要由罐体和罐盖组成。

上述罐体和罐盖之间设有“O”型密封圈。

上述罐体内部的侧壁和底部均设有隔热装置。

上述罐盖上设有高压进气口和用于通过测温系统导线的空心螺栓。空心螺栓采用硅橡胶密封。

上述的罐盖的下部设有过滤装置。过滤装置由多层海绵或者无纺布组成。

上述的样品罐和参照罐均放置在恒温箱中。

本实用新型的有益效果：

本实用新型的实验系统不仅可以进行不同煤体粒度、煤种、瓦斯压力等条件下的煤体瓦斯吸附、解吸实验，深入分析煤粒瓦斯解吸扩散规律，还能够对整个煤体吸附解吸实验过程中的煤体内部温度变化规律进行连续准确测量，为研究煤体瓦斯吸附解吸过程中的温度变化及热效应提供了实验基础，对于研究煤层瓦斯突出防治具有重要意义。

附图说明

附图1是本实用新型一种测试煤体瓦斯吸附解吸热效应实验系统的结构示意图；

附图2是本实用新型中样品罐的结构示意图；

图中：1-高压瓦斯瓶；11-第一压力计；12-第一球阀；2-真空泵；21-第三球阀；22-分支连接管；23-真空计；3-解吸集气系统；31-升降台；32-龙头瓶；33-量筒；34-集气管；35-第四球阀；36-第五球阀；37-排气管；40-样品罐；41-参照罐；42-主进气管；43-支进气管；44-第一针阀；45-第二针阀；400-罐体；401-罐盖；402-隔热装置；403-空心螺栓；404-高压进气口；405-过滤装置；406-密封圈；5-恒温箱；60-温度传感器；61-压力传感器；62-数据采集仪；63-计算机；64-控制台；7-高压氦气瓶；71-第二压力计；72-第二球阀。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作更进一步的说明，以便本领域内的技术人员了解本实用新型。

一种测试煤体瓦斯吸附解吸热效应实验系统，包括总管路、供瓦斯装置、供氦气装置、负压抽放装置、吸附装置、解吸集气系统3、测压系统和测温系统。

供瓦斯装置包括高压瓦斯瓶1，高压瓦斯瓶1的出口装有第一压力计11和第一球阀12。

供氦气装置包括高压氦气瓶7，高压氦气瓶7的出口装有第二压力计71和第二球阀72；所述供瓦斯装置与供氦气装置通过三通连接到总管路上。

负压抽放装置包括真空泵2、真空计23、第三球阀21和分支连接管22，所述真空泵2、真空计23和第三球阀21通过分支连接管22依次串联连通。

吸附装置包括样品罐40、参照罐41、主进气管42、支进气管43、第一针阀44和第二针阀45，所述样品罐40、参照罐41、第一针阀44和第二针阀45通过支进气管43串联连通。主进气管42一端通过三通与第一针阀44、第二针阀45之间的支进气管43连通；主进气管42另一端通过四通与总管路、负压抽放装置的分支连接管22连通。

解吸集气系统3包括升降台31、位于升降台31上部的龙头瓶32、顶部和底部封闭的量筒33、集气管34、第四球阀35、排气管37和第五球阀36。量筒33的底部通过软管与龙头瓶32的下部连通，量筒33的顶部设有集气口和排气口。集气管34的一端与第四球阀35、量筒33顶部集气口连通，集气管34的另一端与总管路连通。第五球阀36通过排气管37与量筒33连通。

测压系统包括位于支进气管43内靠近样品罐40、参照罐41进口处的两个压力传感器61和控制台64；压力传感器61通过导线与控制台64连接。

测温系统包括位于样品罐40内部的温度传感器60、数据采集仪62和计算机63。温度传感器60、数据采集仪62和计算机63通过导线串联连接。

样品罐40的容积为参照罐41的1.5～3倍。样品罐40主要由罐体400和罐盖401组成。罐体400和罐盖401之间设有“O”型密封圈406。罐体400内部的侧壁和底部均设有隔热装置402。罐盖401上设有高压进气口404和用于通过测温系统导线的空心螺栓403。空心螺栓403采用硅橡胶密封。罐盖401的下部设有过滤装置405。过滤装置405由多层海绵或者无纺布组成。样品罐40和参照罐41均放置在恒温箱5中。

在使用该实验系统试验时，包括以下几个步骤：

(1)实验前准备

选取井下工作面的新鲜煤样进行严密封装后送至实验室，将新鲜煤样粉碎、筛分成所需的粒度，分别选取相应粒度的煤样进行工业分析、真密度和视密度等参数的测定。

(2)实验系统的气密性检测

a.将未装煤样的煤样罐40和参照罐41与整体实验系统相连；

b.打开测压系统；

c.充氦气。充气前应确保系统中所有阀门处于关闭状态。充气时首先打开高压氦气瓶7出气口的第二球阀72，将高压氦气瓶7出口压力设定为一定值，然后依次打开第一针阀44和第二针阀45，而后关闭所有阀门；

d.持续6h以上，观察测压系统控制台64的样品罐40和参照罐41压力值变化情况。若压力值降低明显，则说明系统存在漏气点，必须对各个部分进行排查并处理；若压力没有明显变化，则说明系统气密性良好，重复步骤c和d，直至压力达到或超过实验所需最高瓦斯压力。

(3)装煤样

将制备好的煤样称重后装入样品罐40、参照罐41内，盖好罐盖401并拧紧螺丝确保密封。为减少样品罐40体内自由空间体积，应尽量将样品罐40装满压实。

(4)样品罐自由空间体积标定

样品罐40中的自由空间体积主要包括：气体管路和阀门内部空间体积；样品罐内未充满煤样的剩余空间部分；样品罐内煤颗粒间的孔、裂隙。

样品罐40自由空间体积测试步骤如下：

a.设定温度。调整设定恒温箱5的温度至30℃；

b.真空脱气。确保所有阀门处于关闭状态，开启真空泵2，按顺序打开第三球阀21、第一针阀44和第二针阀45，对样品罐40和参照罐41真空脱气4h后，关闭第三球阀21、第一针阀44和第二针阀45，关停真空泵2；

c.充氦气。打开测压系统，打开高压氦气瓶7出口第二球阀72，并调整压力到某一定值，打开第一针阀44，此时参照罐41和样品罐40的压力值分别记为P₁和P₂，关闭第三球阀21；

d.导通参照罐41和样品罐40。打开第一针阀44和第二针阀45，此时样品罐40和参照罐41接通，参照罐41和样品罐40的压力值相同，记为P_平。

f.重复步骤c和步骤d共3～4次，便可得到关于样品罐40压力的多组气体状态方程，这些方程联立便可以求出样品罐40的自由空间体积。

样品罐自由空间体积V₀可由下式计算得到：

式中：V₀——样品罐40内自由空间体积，cm³；

V_r——参照罐41体积，cm³；

T_平——吸附平衡后的温度，K；

T₁——参照罐41初始温度，K；

T₂——样品罐40初始温度，K；

P_平——吸附平衡后的压力，MPa；

P₁——参照罐41的初始压力，MPa；

P₂——样品罐40的初始压力，MPa；

Z₁——参照罐41内最初气体压缩因子，无量纲；

Z₂——样品罐40内最初气体压缩因子，无量纲。

Z_平——样品罐40与参照罐41平衡时气体压缩因子，无量纲；

K——体积比，无量纲；

(5)瓦斯吸附实验

瓦斯吸附实验主要操作步骤如下：

a.抽真空。开启真空泵2，打开第三球阀21、第一针阀44和第二针阀45，保持其他阀门处于关闭状态，对样品罐40抽真空4h后，关闭第三球阀21、第一针阀44和第二针阀45；

c.充瓦斯。打开测温系统和测压系统，将高压瓦斯瓶1出口第一球阀12，并调整压力到某一定值，然后缓慢打开第一针阀44，使参照罐41压力达到预定值，关闭第一球阀12，缓慢打开第二针阀45，持续充气12h，并记录并保存温度和压力值。

根据参照罐41和样品罐40的平衡压力及温度，计算不同平衡压力点的吸附量。

利用公式：

PV＝nZRT

式中：P为压力，MPa；V为体积，cm³；n为摩尔数；Z为气体的压缩因子；R为气体常数；T为温度，K。

可分别求出平衡前系统内气体的摩尔数n₁和平衡后系统内气体的摩尔数n₂，则煤样吸附气体的摩尔数n为：

n＝n₁-n₂

式中：n₁为平衡前系统内气体的摩尔数；n₂为平衡后系统内气体的摩尔数。

吸附气体的总体积V_总：

V_总＝n×22.4×1000

吸附量V：

V＝V_总/M

式中：M为煤样重量，g；V_总为吸附气体的总体积，cm³；V为吸附量，cm³/g。

(6)瓦斯解吸实验

样品罐40和参照罐41同时解吸。对于样品罐40，其他阀门处于关闭状态，打开第二针阀45和第四球阀35，此时解吸集气系统3中的量筒33内液面会迅速降低，调节载有龙头瓶32的升降台31，使量筒33内液面和龙头瓶32内液面处于同一水平面，记录量筒33内瓦斯体积随时间变化情况。瓦斯解吸的初始阶段，解吸速度非常快，对初始阶段的解吸过程进行录像保存，解吸实验结束后再回放录像读取解吸初始阶段的瓦斯体积和时间。记录并保存整个过程的温度变化和压力变化情况。

(7)对不同种类、不同粒度的煤样，重复步骤(1)～(6)依次进行瓦斯吸附解吸实验，对得到的温度、压力及解吸量进行数据处理。

在瓦斯解吸扩散实验过程中，需要对解吸集气系统3收集的气体进行标准状态校正，换算到温度0℃，压强101.325KPa下。具体公式：

V_{S T P} = \frac{273.15 \times P_{m} \times V_{m}}{101.325 \times (273.15 + T_{m})} - - - (2.6)

式中：T_m大气温度，单位为℃；P_m为大气压力，单位为KPa；V_m为气体体积，单位为ml；V_STP标准状态下的气体体积，单位为ml。

(8)以上实验步骤测试煤样温度变化量和解吸量，根据建立的预测模型可以计算极限解吸量Q_max。上述公式中，D——扩散系数，m²/s；r₀——煤颗粒的粒径，m；Q_t为瓦斯累计解吸量，ml；Q_max为瓦斯极限解吸量，ml；a为试验参数，实验测试确定，无量纲。

以上实施方式仅用以说明本实用新型而并非限制本实用新型所描述的技术方案；因此尽管本说明书参照上述的各个实施方式对本实用新型已进行了详细的说明，但是本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本实用新型进行修改或者等同替换；而一切不脱离本实用新型的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims

1.一种测试煤体瓦斯吸附解吸热效应实验系统，包括总管路、供瓦斯装置、供氦气装置、负压抽放装置、吸附装置、解吸集气系统(3)和测压系统，所述的供瓦斯装置包括高压瓦斯瓶(1)，所述的高压瓦斯瓶(1)的出口装有第一压力计(11)和第一球阀(12)；

所述的供氦气装置包括高压氦气瓶(7)，所述的高压氦气瓶(7)的出口装有第二压力计(71)和第二球阀(72)；所述供瓦斯装置与供氦气装置通过三通连接到总管路上；

所述负压抽放装置包括真空泵(2)、真空计(23)、第三球阀(21)和分支连接管(22)，所述真空泵(2)、真空计(23)和第三球阀(21)通过分支连接管(22)依次串联连通；

所述吸附装置包括样品罐(40)、参照罐(41)、主进气管(42)、支进气管(43)、第一针阀(44)和第二针阀(45)，所述样品罐(40)、参照罐(41)、第一针阀(44)和第二针阀(45)通过支进气管(43)串联连通；所述主进气管(42)一端通过三通与第一针阀(44)、第二针阀(45)之间的支进气管(43)连通，所述主进气管(42)另一端通过四通与总管路、负压抽放装置的分支连接管(22)连通；

所述解吸集气系统(3)包括升降台(31)、位于升降台(31)上部的龙头瓶(32)、顶部和底部封闭的量筒(33)、集气管(34)、第四球阀(35)、排气管(37)和第五球阀(36)；所述量筒(33)的底部通过软管与龙头瓶(32)的下部连通；所述量筒(33)的顶部设有集气口和排气口；所述集气管(34)的一端与第四球阀(35)、量筒(33)顶部集气口连通，所述集气管(34)的另一端与总管路连通；所述第五球阀(36)通过排气管(37)与量筒(33)连通；

所述测压系统包括位于支进气管(43)内靠近样品罐(40)、参照罐(41)进口处的两个压力传感器(61)和控制台(64)；所述压力传感器(61)通过导线与控制台(64)连接；

其特征在于，所述测试煤体瓦斯吸附解吸热效应实验系统还包括测温系统；

所述测温系统包括位于样品罐(40)内部的温度传感器(60)、数据采集仪(62)和计算机(63)，所述温度传感器(60)、数据采集仪(62)和计算机(63)通过导线串联连接。

2.如权利要求1所述的一种测试煤体瓦斯吸附解吸热效应实验系统，其特征在于，所述的样品罐(40)的容积为参照罐(41)的1.5～3倍。

3.如权利要求2所述的一种测试煤体瓦斯吸附解吸热效应实验系统，其特征在于，所述样品罐(40)包括罐体(400)和罐盖(401)。

4.如权利要求3所述的一种测试煤体瓦斯吸附解吸热效应实验系统，其特征在于，所述罐体(400)和罐盖(401)之间设有“O”型密封圈(406)。

5.如权利要求4所述的一种测试煤体瓦斯吸附解吸热效应实验系统，其特征在于，所述罐体(400)内部的侧壁和底部均设有隔热装置(402)。

6.如权利要求5所述的一种测试煤体瓦斯吸附解吸热效应实验系统，其特征在于，所述罐盖(401)上设有高压进气口(404)和用于通过测温系统导线的空心螺栓(403)。

7.如权利要求6所述的一种测试煤体瓦斯吸附解吸热效应实验系统，其特征在于，所述的空心螺栓(403)由硅橡胶密封。

8.如权利要求7所述的一种测试煤体瓦斯吸附解吸热效应实验系统，其特征在于，所述的罐盖(401)的下部设有过滤装置(405)。

9.如权利要求8所述的一种测试煤体瓦斯吸附解吸热效应实验系统，其特征在于，所述的过滤装置(405)由多层海绵或者无纺布组成。

10.如权利要求9所述的一种测试煤体瓦斯吸附解吸热效应实验系统，其特征在于，所述的样品罐(40)和参照罐(41)均位于恒温箱(5)中。