CN209485908U - 一种煤层瓦斯含量测试的实验教学装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种煤层瓦斯含量测试的实验教学装置，包括实验装置本体，实验装置本体主要由上位机、瓦斯解吸仪、储气罐以及煤样罐组成。与现有技术相比，本实用新型主要用于煤层瓦斯含量实验教学，有效的解决了实验室煤体不含有瓦斯、无法进行煤层瓦斯含量测试操作训练的难题；本装置给放散完瓦斯的煤样注入瓦斯气体，实现各个阶段瓦斯含量的测试；主要包括煤样的井下解吸瓦斯量测试、煤样的损失瓦斯量计算、煤样粉碎前解吸瓦斯量测试、煤样粉碎后解吸瓦斯量测试、常压不可解吸瓦斯量计算，最终计算得到真实的煤层瓦斯含量；能够让学生亲自动手操作，更好地掌握煤层瓦斯含量的测试流程、计算方法，为矿井瓦斯防治理论与技术打好坚实的基础。

Description

一种煤层瓦斯含量测试的实验教学装置

技术领域

本实用新型涉及煤层瓦斯含量测试技术领域，更具体的说是涉及一种煤层瓦斯含量测试的实验教学装置。

背景技术

我国是一个煤炭资源大国，同时也是煤炭生产及消费大国，煤炭在一次能源生产和消费中比重分别占77％和66％。在我国可采煤炭资源中，有将近5成以上的煤层为高瓦斯煤层或者煤与瓦斯突出煤层。深部开采煤层的突出危险性及突出发生强度要较浅部煤层大的多，我国瓦斯事故发生与开采深度呈现正相关。据国家安监总局公布数据统计，2011-2015我国煤矿共发生瓦斯事故155起，死亡1228人，见表1：

表12011-2015年我国煤矿瓦斯事故统计

从表1可以看出，近五年我国煤矿瓦斯事故发生起数和死亡人数总体均呈现下降趋势，事故起数由2011年的49起减少至2015年的13起，下降了73.5％；死亡人数由374减少至84人，下降了77.5％。由此可以看出，我国煤矿瓦斯事故整体上趋于稳定减少状态。但是我国煤矿瓦斯事故的形式依然不容乐观，煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸等恶性事故一旦发生后果极其严重。

在遏制矿井瓦斯重特大事故与矿井瓦斯防治过程中，煤层瓦斯含量的准确测试、掌握矿井准确的瓦斯赋存占有极其重要地位。2009年《防治煤与瓦斯突出规定》颁布实施，指出煤层瓦斯含量是煤与瓦斯突出危险性预测、区域瓦斯治理效果检验的关键指标之一。煤层瓦斯含量也是矿井通风设计、瓦斯抽采系统设计、工作面瓦斯涌出量预测、瓦斯赋存规律研究以及瓦斯抽采效果验证的必测参数与基础参数，直接关系到矿井建设与生产的安全。因此煤层瓦斯含量准确快速测试是防治矿井瓦斯事故的基础。

煤层瓦斯含量是一个现场测试的过程，测试煤样在离开煤体以后就开始不断解吸瓦斯气体，直至数小时、数十小时后全部解吸结束。我国安全工程类本科生开设的专业课《矿井瓦斯防治与利用》中，有一个很重要的实验教学是煤层瓦斯含量测试实验教学。现有的实验教学主要以现场测试装备为依托，简单讲解一下仪器与测试流程，由于实验室没有含有瓦斯的煤体，所以很难做到让学生亲自上手操作、测试；且煤层瓦斯含量测试步骤繁多，测试复杂，计算难度大(煤矿现场完整测试一个煤层瓦斯含量一般需要一周时间)，很难达到实验教学的目的。

现有技术一的技术方案：

现有的煤层瓦斯含量测试实验装置，主要以现场的煤层瓦斯含量测试装备为依托，进行仪器讲解和测试、计算的讲解。由于实验室没有含有瓦斯的煤体，固很难做到让学生动手操作。现有设备及测定方法认为:煤层瓦斯含量由煤样损失瓦斯量Q1、煤样自然解吸瓦斯量Q2、煤样粉碎解吸瓦斯量Q3及残存瓦斯量Q4等4部分组成。Q1指取样过程中损失的瓦斯量；Q2指在常压状态下，煤样井下解吸瓦斯量Q21与煤样运送到实验室在粉碎前所解吸的瓦斯量Q22之和；Q3指在常压状态下，煤样在粉碎机中粉碎到95％，煤样粒度小于0.25mm的过程中所解吸瓦斯量；Q4指在常压状态下，粉碎解吸后仍残存在煤样中不可解吸的瓦斯量。

现有技术一的缺点：

现有瓦斯含量测定装置主要针对现场应用，无法全面、真实的开展实验教学。现有装备分为井下测定装置和地面测定装置组成，具体分为井下取芯与井下解吸系统、地面瓦斯解吸系统、称重系统、煤样粉碎解吸系统、水分测定系统和数据处理系统。主要服务于煤样损失瓦斯量、煤样自然解吸瓦斯量、煤样粉碎解吸瓦斯量及残存瓦斯量。

由于实验室没有含瓦斯的煤体，所有现有设备无法满足实验教学需要；首先，由于没有含有瓦斯的煤体，无法实现煤样损失瓦斯量计算；无法实现煤样自然解吸瓦斯量的测定；无法实现煤样粉碎解吸瓦斯量测定；其次，无法实现煤层瓦斯含量整个流程的实际操作，且煤层瓦斯含量计算是一个非常复杂的计算过程，由于缺项不能进行煤层瓦斯含量计算，达不到实验教学目的。

因此，如何提供一种能给煤体注入瓦斯的充气装置、能完整模拟煤层瓦斯含量测试流程的煤层瓦斯含量测试的实验教学装置是本领域技术人员亟需解决的问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种具有操作过程简单、学生可自动手操作、满足实验教学需要、测试结果精准等特点的煤层瓦斯含量测试的实验教学装置。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种煤层瓦斯含量测试的实验教学装置，包括：实验装置本体，所述实验装置本体主要由用于煤层瓦斯含量测试步骤提示、煤样瓦斯气体注入控制、以及煤层瓦斯含量自动计算的上位机、用于测试从煤样中解吸出的瓦斯气体体积的瓦斯解吸仪、储气罐以及煤样罐组成；其中，所述上位机由电脑主机和显示器组成；在所述瓦斯解吸仪的两侧对应设置有瓦斯气体入口和瓦斯气体出口；所述煤样罐通过硅胶管与瓦斯气体入口链接；其特征在于，还包括：在所述煤样罐的上端安装有压力传感器和电磁阀；所述储气罐上从右至左依次安装有出口针阀、精密压力表、压力传感器和入口针阀；所述压力传感器用于将压力数据上传给数据采集板卡与PLC控制系统，上传到数据采集板卡与PLC控制系统的压力数据通过液晶显示屏显示出来。

优选的，在上述一种煤层瓦斯含量测试的实验教学装置中，所述煤样罐并列设置有4个，每个煤样罐注气口上均设置有所述压力传感器和电磁阀。

优选的，在上述一种煤层瓦斯含量测试的实验教学装置中，所述压力传感器用于监测每一个煤样罐中瓦斯气体的压力；所述电磁阀用于控制每一个煤样罐与高压气体的连通、关闭，并且通过电磁阀控制煤样罐中煤样注入瓦斯的时间。

优选的，在上述一种煤层瓦斯含量测试的实验教学装置中，4个煤样罐的压力数值通过数据线传给数据采集板卡与PLC控制系统，且数据采集板卡与PLC控制系统能够控制4个煤样罐上端电磁阀的开启、关闭。

优选的，在上述一种煤层瓦斯含量测试的实验教学装置中，所述数据采集板卡与PLC控制系统的一端通过数据线与排风扇、瓦斯浓度传感器、电磁阀和压力传感器连接；另一端连接有液晶显示屏。

优选的，在上述一种煤层瓦斯含量测试的实验教学装置中，所述排风扇、瓦斯浓度传感器与数据采集板卡与PLC控制系统组成闭环系统，用于监测整个充气系统是否有危险气体瓦斯泄漏。

优选的，在上述一种煤层瓦斯含量测试的实验教学装置中，若瓦斯浓度传感器监测到实验装置本体中有瓦斯气体泄漏，则把泄露的瓦斯浓度数据传给数据采集板卡及PLC系统，数据采集板卡及PLC系统分析判断是否超过风排扇开启阀值；若超过排风扇开启阀值，则排风扇打开；若瓦斯浓度低于排风扇开启阀值，则排风扇处于关闭状态。

优选的，在上述一种煤层瓦斯含量测试的实验教学装置中，所述液晶显示屏用于显示整个充气系统的原理图、时时充气状态、充气压力数值。

优选的，在上述一种煤层瓦斯含量测试的实验教学装置中，在所述储气罐上安装有高压气管，所述高压气管用于外接高压瓦斯钢瓶，使钢瓶中的气体进入储气罐中进行储存。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本实用新型主要用于煤层瓦斯含量实验教学，有效的解决了实验室煤体不含有瓦斯、无法进行煤层瓦斯含量测试操作训练的难题；本装置给放散完瓦斯的煤样注入瓦斯气体，实现各个阶段瓦斯含量的测试；主要包括煤样的井下解吸瓦斯量测试、煤样的损失瓦斯量计算、煤样粉碎前解吸瓦斯量测试、煤样粉碎后解吸瓦斯量测试、常压不可解吸瓦斯量计算，最终计算得到真实的煤层瓦斯含量；本实用新型能够让学生亲自动手操作，更好地掌握煤层瓦斯含量的测试流程、计算方法，为矿井瓦斯防治理论与技术打好坚实的基础。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本实用新型的结构示意图。

图2附图为本实用新型的煤样罐与瓦斯解吸仪连接示意图。

图3附图为现有技术的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型实施例公开了一种具有操作过程简单、学生可自动手操作、满足实验教学需要、测试结果精准等特点的煤层瓦斯含量测试的实验教学装置。

请参阅附图1、附图2、附图3，为本实用新型公开的一种煤层瓦斯含量测试的实验教学装置，具体包括：

实验装置本体1，所述实验装置本体1主要由用于煤层瓦斯含量测试步骤提示、煤样瓦斯气体注入控制、以及煤层瓦斯含量自动计算的上位机2、用于测试从煤样中解吸出的瓦斯气体体积的瓦斯解吸仪3、储气罐4以及煤样罐5组成；其中，所述上位机2由电脑主机和显示器组成；在所述瓦斯解吸仪3的两侧对应设置有瓦斯气体入口31和瓦斯气体出口32；所述煤样罐5通过硅胶管33与瓦斯气体入口31链接；其特征在于，还包括：在所述煤样罐5的上端安装有压力传感器51和电磁阀52；所述储气罐4上从右至左依次安装有出口针阀41、精密压力表42、压力传感器51和入口针阀43；所述压力传感器51用于将压力数据上传给数据采集板卡与PLC控制系统6，上传到数据采集板卡与PLC控制系统6的压力数据通过液晶显示屏7显示出来。

本实用新型提供了一种煤层瓦斯含量测试的实验教学装置，主要用于煤层瓦斯含量实验教学，有效的解决了实验室煤体不含有瓦斯、无法进行煤层瓦斯含量测试操作训练的难题。主要有以下几个保护点：

1、本实用新型公开的实验装置主体，可以通过储气罐分别给4个煤样罐进行充气，每一个煤岩罐前安装电磁阀和压力传感器，可以控制充气时间与充气压力，使煤样吸附饱和瓦斯气体；

2、本实验装置可以在实验室进行实操训练，可以完成各阶段煤层瓦斯含量的测试，主要包括煤样的井下解吸瓦斯量测试、煤样的损失瓦斯量计算、煤样粉碎前解吸瓦斯量测试、煤样粉碎后解吸瓦斯量测试、常压不可解吸瓦斯量计算，最终计算得到真实的煤层瓦斯含量。

为了进一步优化上述技术方案，所述煤样罐5并列设置有4个，每个煤样罐5注气口上均设置有所述压力传感器51和电磁阀52。

为了进一步优化上述技术方案，所述压力传感器43用于监测每一个煤样罐5中瓦斯气体的压力；所述电磁阀52用于控制每一个煤样罐5与高压气体的连通、关闭，并且通过电磁阀52控制煤样罐5中煤样注入瓦斯的时间。

为了进一步优化上述技术方案，4个煤样罐5的压力数值通过数据线8传给数据采集板卡与PLC控制6系统，且数据采集板卡与PLC控制系统6能够控制4个煤样罐上端电磁阀52的开启、关闭。

为了进一步优化上述技术方案，所述数据采集板卡与PLC控制系统6的一端通过数据线8与排风扇61、瓦斯浓度传感器62、电磁阀52和压力传感器51连接；另一端连接有液晶显示屏7。

为了进一步优化上述技术方案，所述排风扇61、瓦斯浓度传感器62与数据采集板卡与PLC控制系统6组成闭环系统，用于监测整个充气系统是否有危险气体瓦斯泄漏。

为了进一步优化上述技术方案，若瓦斯浓度传感器62监测到实验装置本体1中有瓦斯气体泄漏，则把泄露的瓦斯浓度数据传给数据采集板卡及PLC系统6，数据采集板卡及PLC系统6分析判断是否超过风排扇61开启阀值；若超过排风扇61开启阀值，则排风扇61打开；若瓦斯浓度低于排风扇61开启阀值，则排风扇61处于关闭状态。

为了进一步优化上述技术方案，所述液晶显示屏7用于显示整个充气系统的原理图、时时充气状态、充气压力数值。

为了进一步优化上述技术方案，在所述储气罐4上安装有高压气管44，所述高压气管44用于外接高压瓦斯钢瓶，使钢瓶中的气体进入储气罐4中进行储存。

为了进一步优化上述技术方案，具体实施例为：

(1)制作煤样：将煤粉碎成1-3mm颗粒，装入煤样罐(大于500g)，将煤样罐罐盖与罐体拧紧，将4个煤样罐分别接入实验教学装置主体中准备充气；

(2)煤样吸附瓦斯：高压气管与瓦斯钢瓶连接，打开高压气体入口针阀，将储气罐充入瓦斯约1.0MPa；打开气体总阀门，从上位机设置1-4#煤样罐吸附瓦斯时间(单位：min)，吸附结束后报警提示；

(3)模拟煤样的井下解吸瓦斯量(X₁)：将瓦斯解吸仪灌满水，记下水体凹液面刻度；取下样煤样罐，打开煤样罐阀门，使煤样罐处于卸压状态，记录取下时间(t₁)；将充好瓦斯的煤样罐快速接到瓦斯解吸仪，记录开始解吸时间(t₂)(相当于现场打钻煤样的暴露时间t₀＝t₂-t₁)；解吸30min，每分钟记一次读数，记录时间、解吸体积，填入瓦斯含量记录表(得到V₁’)，关闭煤样罐阀门；详细记录解吸时温度、气压等参数；

(4)损失瓦斯量的计算(X₂)：根据煤样的井下瓦斯解吸量，根据法计算损失瓦斯量(可放在粉碎解吸后计算)，(得到V₂’)；法：在解吸最初一段时间内，煤样解吸瓦斯量与解吸时间的1/2次方呈线性关系，通过该线性特征推算煤样从煤体剥落到开始解吸时间段内的损失瓦斯量；

(5)粉碎前自然瓦斯解吸量(X₃)：将瓦斯解吸仪灌水，记录初始刻度；打开煤样罐阀门，开始解吸(现场测试一般解吸8小时以上，实验室可以进行30min即可)；当解吸一段时间后，在5min内瓦斯解吸仪内不再有气泡冒出时解吸完毕，读取并记录解吸仪页面终止读数；打开煤样罐，将煤样倒入煤样盆中，进一步去除矸石等非煤物质，然后放置在天平上秤煤样的总重m；记录总重m，气温、气压；将上述数据填入瓦斯含量记录表，(得到V₃’)；

(6)煤样粉碎后解吸瓦斯量(X₄)：从煤样中称取两份150g煤样；将其中一份倒入粉碎机中，拧紧罐盖保证不漏气，粉碎机出气孔与瓦斯解吸仪连接；粉碎解析30s，读取瓦斯解吸仪初始、最终刻度(得到V₄₁’)；第二份同样采用上述步骤，粉碎解吸，读取瓦斯解吸仪初始、最终刻度(得到V₄₂’)；若前后两次解吸瓦斯体积差距较大，称取第三份粉碎机解吸；

(7)不可解吸瓦斯量(X_b)：

按照下式(1)进行计算：

式中：

X_b——煤在标准大气压力下的不可解析瓦斯量，单位：ml/g；

a——煤的瓦斯吸附常数，试验温度下煤的极限吸附量，ml/g；

b——煤的瓦斯吸附常数，Mpa-1；

Ad——煤的灰分，％；

M_ad——煤的水分，％；

π——煤的孔隙率，ml/ml；

γ——煤的容重，g/ml；

(8)各阶段气体体积校正：按(2式)将瓦斯解析过程中各个阶段的的量管读数换算成标准状态下体积；

式中：

V_t0——换算为标准状态下的气体体积，cm3；

V_t——T时刻时量管内气体体积读数，cm3；

P₁——大气压力，KPa；

t_w——量管内水温，℃；

h_w——量管内水柱高度，mm；

P₂——t_w时水的饱和蒸汽压(见附录1)，KPa；

按照(2)式将工况体积V1’换算成标况体积V₁；

工况体积V₂’换算成标况体积V₂；

工况体积V₃’换算成标况体积V₃；

工况体积V₄₁’换算成标况体积V₄₁；

工况体积V₄₂’换算成标况体积V₄₂；

(9)各阶段煤体瓦斯含量计算：

煤样的井下解吸瓦斯量X₁，单位为立方厘米每克(cm³/g)；

煤样的损失瓦斯量X₂，单位为立方厘米每克(cm³/g)；

煤样粉碎前解吸瓦斯量X₃，单位为立方厘米每克(cm³/g)；

煤样粉碎后解吸瓦斯量X₄，单位为立方厘米每克(cm³/g)，其中m₀＝150g；

常压不可解吸瓦斯量X_b，单位为立方厘米每克(cm³/g)；

(10)计算煤层瓦斯含量数值：煤层瓦斯含量X＝Wa+Wc＝X₁+X₂+X₃+X₄+X_b，单位为立方厘米每克(cm³/g)，或者立方米每吨(m³/t)，即标准状态下单位质量的煤中含有的瓦斯气体体积。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种煤层瓦斯含量测试的实验教学装置，包括：实验装置本体，所述实验装置本体主要由用于煤层瓦斯含量测试步骤提示、煤样瓦斯气体注入控制、以及煤层瓦斯含量自动计算的上位机、用于测试从煤样中解吸出的瓦斯气体体积的瓦斯解吸仪、储气罐以及煤样罐组成；其中，所述上位机由电脑主机和显示器组成；在所述瓦斯解吸仪的两侧对应设置有瓦斯气体入口和瓦斯气体出口；所述煤样罐通过硅胶管与瓦斯气体入口链接；其特征在于，还包括：在所述煤样罐的上端安装有压力传感器和电磁阀；所述储气罐上从右至左依次安装有出口针阀、精密压力表、压力传感器和入口针阀；所述压力传感器用于将压力数据上传给数据采集板卡与PLC控制系统，上传到数据采集板卡与PLC控制系统的压力数据通过液晶显示屏显示出来。

2.根据权利要求1所述的一种煤层瓦斯含量测试的实验教学装置，其特征在于，所述煤样罐并列设置有4个，每个煤样罐注气口上均设置有所述压力传感器和电磁阀。

3.根据权利要求2所述的一种煤层瓦斯含量测试的实验教学装置，其特征在于，所述压力传感器用于监测每一个煤样罐中瓦斯气体的压力；所述电磁阀用于控制每一个煤样罐与高压气体的连通、关闭，并且通过电磁阀控制煤样罐中煤样注入瓦斯的时间。

4.根据权利要求3所述的一种煤层瓦斯含量测试的实验教学装置，其特征在于，4个煤样罐的压力数值通过数据线传给数据采集板卡与PLC控制系统，且数据采集板卡与PLC控制系统能够控制4个煤样罐上端电磁阀的开启、关闭。

5.根据权利要求4所述的一种煤层瓦斯含量测试的实验教学装置，其特征在于，所述数据采集板卡与PLC控制系统的一端通过数据线与排风扇、瓦斯浓度传感器、电磁阀和压力传感器连接；另一端连接有液晶显示屏。

6.根据权利要求5所述的一种煤层瓦斯含量测试的实验教学装置，其特征在于，所述排风扇、瓦斯浓度传感器与数据采集板卡与PLC控制系统组成闭环系统，用于监测整个充气系统是否有危险气体瓦斯泄漏。

7.根据权利要求6所述的一种煤层瓦斯含量测试的实验教学装置，其特征在于，所述液晶显示屏用于显示整个充气系统的原理图、时时充气状态、充气压力数值。

8.根据权利要求7所述的一种煤层瓦斯含量测试的实验教学装置，其特征在于，在所述储气罐上安装有高压气管，所述高压气管用于外接高压瓦斯钢瓶，使钢瓶中的气体进入储气罐中进行储存。