CN209589750U - 可控水分的含瓦斯煤体高压吸附/解吸试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种可控水分的含瓦斯煤体高压吸附/解吸试验装置，属于含瓦斯煤体试验领域。该装置包括抽真空系统、充气系统、恒温系统和控制水分的瓦斯吸附/解吸测试系统；本实用新型的可控水分测试罐利用饱和无机盐溶液保持密闭空间湿度原理，成功解决了由于试验时间过长或者试验条件的改变等导致煤体中水分发生变化的问题。本实用新型包括抽真空系统、充气系统、恒温系统、控制水分的瓦斯吸附/解吸测试系统，整体结构简单，操作方便，使用效果明显，且成本较低。

Description

可控水分的含瓦斯煤体高压吸附/解吸试验装置

技术领域

本实用新型属于含瓦斯煤体试验领域，涉及一种可控水分的含瓦斯煤体高压吸附/解吸试验装置。

背景技术

瓦斯(煤层气)是煤炭生成过程中的伴生物，是腐植型有机物在成煤过程中生成并赋存于煤层及煤系地层的一种天然气体，其主要成份是甲烷。瓦斯是引发煤矿生产安全事故的重要隐患。瓦斯以游离状态和吸附状态两种形式赋存于煤层中。在煤层开采中，受到井下采动作业的影响，导致煤层瓦斯不断释放，从而造成煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸、瓦斯窒息等危害，其严重威胁着我国煤炭行业安全健康发展。从能源的角度来讲，瓦斯是一种一种洁净、方便、高效的新型能源。因此，准确掌握煤层的瓦斯吸附/解吸特性是防止煤矿安全事故发生以及煤层气高效开发利用的关键所在。

众所周知，煤体是一种孔隙和裂隙同时存在的一种多孔介质。原始煤层的赋存环境是由煤体、瓦斯、水分三相共存的有机系统。煤中的水主要以自由水和内在水两种形式存在。自由水主要存在于煤体裂隙中，内在水主要以多分子层物理吸附和凝聚等方式赋存于煤体孔隙中，孔隙越发达，内在水含量也越大。

目前，有关水分对含瓦斯煤体吸附/解吸特征影响分析主要以实验室研究为主，关于含水率煤样的制作主要包括以下注水法和饱和外置饱和盐溶液法。

所述注水法。该类方法将液态水侵入煤样中，通过注入的液态水的质量来控制煤样中的水分含量，从而完成不同含水率煤样的制作。如中国专利文献CN201010580065授权的《外加水分对含瓦斯煤体解吸特性的测试装置及方法》。

所述外置饱和盐溶液法。该类方法原理是利用饱和盐溶液控制试验罐中煤样水分含量。如中国专利CN201711091105公示的《一种预吸附水分煤样的瓦斯吸附解吸特性测试装置及其测试方法》，该专利首先将一定温度(60℃)的蒸馏水和一定量的盐(K2SO4)颗粒混合，配置成一定温度条件下饱和溶液，然后再饱和盐溶液倒入玻璃真空皿并恢复至室温，最终形成相对湿度一定的环境，然后将装有饱和盐溶液的真空皿与装有煤样的测试罐连通，让煤样吸附水分，进而获得不同含水率的测试煤样。

综上所述，两种含水率煤样的制作方式都能准确获得试验刚开始时的煤样含水率，但是它们都忽略了随着试验条件的改变，煤样的含水率也会发生变化。例如测试罐的中煤样的水分随着吸附/解吸时间的增加以及吸附/解吸温度的变化而变化，尤其是高温条件下，煤样中液态水分子将逐渐发生汽化，导致煤体瓦斯量测试结果误差较大。因此，上述两种方法无法保证在整个试验过程中煤样中的水分保持某一固定值。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种结构简单、测试方法简便，能有效地控制吸附水分煤样的瓦斯吸附/解吸特性测试装置。

为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

可控水分的含瓦斯煤体高压吸附/解吸试验装置，包括抽真空系统、充气系统、恒温系统和控制水分的瓦斯吸附/解吸测试系统；

所述抽真空系统包括真空泵、与真空泵相连的真空计和真空管路，以及连接所述真空管路上的第一阀门；所述真空泵上安装真空计；所述真空泵一侧与真空管路连接，所述真空管路末端安装第一阀门；所述第一阀门一端与真空管路连接，另一端与第四高压三通连接；

所述充气系统包括高压氦气充气系统和高压甲烷充气系统；所述的氦气充气系统包括高压氦气瓶、第一减压阀和第一高精度压力传感器；所述的高压氦气瓶、第一减压阀和第一高精度压力传感器之间依次利用高压管路进行连接，并最终达到第一高压三通；所述的甲烷充气系统包括高压甲烷气瓶、减压阀和第二高精度压力传感器；所述的高压甲烷气瓶、第二减压阀和第二高精度压力传感器之间依次利用高压管路进行连接，并最终达到第一高压三通；所述第一高压三通第一气路连接氦气充气系统；第二气路连接甲烷充气系统；第三气路连接第二高压三通；所述第二高压三通第一气路连接所述第一高压三通；第二气路连接第二阀门，并最终通向控制水分参考罐内；第三气路连接第三高精度压力传感器；所述第三高精度压力传感器连接第三高压三通；所述第三高压三通第一气路连接所述的第三高精度压力传感器；第二气路连接第三阀门，并最终通向控制水分测试罐；第三气路连接第四高压三通；所述第四高压三通第一气路与所述第三高压三通连接，第二气路与所述第一阀门连接，进入真空系统；第三气路与第四阀门连接，并最终通向大气；

所述恒温水浴系统包括恒温水槽和循环水系统；所述恒温水槽包括槽、加热管、温度传感器、温度调节仪和隔板组成；所述温度调节仪布置在槽体外部，通过导线与加热管和温度传感器连接，进而控制温度；所述隔板布置在槽体的下部，用于管理分隔槽体，所述的加热管、温度传感器均布置在隔板下方，所述隔板上方面安置控制水分参照罐和控制水分测试罐；所述循环水系统由水循环泵和循环管路组成；所述的恒温水浴系统中分别包含2个水循环泵和循环管路，分别布置在槽体两侧深部和浅部，形成均匀稳定的水浴温度；

所述控制水分的瓦斯吸附/解吸测试系统包括两个结构相同，容积大小相等的控制水分参考罐、控制水分测试罐，第二阀门、第三阀门、第五阀门、第五高压三通、高温高压湿度计、量筒和锥形瓶，第三高精度压力传感器；所述控制水分参考罐放置在所述夹板上，所述控制水分参考罐上部连接第二阀门，所述第二阀门连接所述的第二高压三通；所述控制水分测试罐同样放置在在所述夹板上，所述控制水分测试罐与所述第五高压三通第一气路连接，所述第五高压三通第二气路与第三阀门连接，所述第三阀门与所述第三高压三通第二气路连接；所述第五高压三通第三气路与高压高温湿度计连接，所述高压高温湿度计与所述第五阀门连接，所述第五阀门与所述量筒连接，所述量筒与所述锥形瓶连接；

所述控制水分参考罐和控制水分测试罐是两个结构相同，容积大小相等试验罐体；关于所述罐体的结构组成分析，以控制水分测试罐为例进行分析；所述控制水分测试罐包括底座，饱和盐溶液存放腔体、限位装置、筛网装置、煤样测试腔体、罐体密封盖体、高压进出气口、第一密封圈、第二密封圈组成；所述控制水分测试罐的底部是所述底座，放置在所述夹板上；所述底座上部设置所述饱和盐溶液存放腔体；所述饱和盐溶液存放腔体上部设置向内凸出的限位装置，所述限位槽上方安装可拆卸的过滤装置；所述饱和盐溶液存放腔体上部安装第一密封圈；所述第一密封圈上方安装煤样测试腔体；所述的饱和盐溶液存放腔体上部与所述煤样测试腔体之间采用螺栓连接；所述煤样测试腔体顶部安装第二密封圈，所述第二密封圈上端安装罐体密封盖体，所述罐体密封盖体中部安装高压进出气口；所述煤样测试腔体上部与罐体密封盖体采用螺栓连接。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型的可控水分测试罐利用饱和无机盐溶液保持密闭空间湿度原理，成功解决了由于试验时间过长或者试验条件的改变等导致煤体中水分发生变化的问题。本实用新型包括抽真空系统、充气系统、恒温系统、控制水分的瓦斯吸附/解吸测试系统，整体结构简单，操作方便，使用效果明显，且成本较低。

附图说明

为了使本实用新型的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本实用新型提供如下附图进行说明：

图1为一种可控水分的含瓦斯煤体高压吸附/解吸试验装置结构示意图；

图2为一种控制水分参考罐装置结构示意图；

附图标记：1-真空泵；2-真空计；3-真空管路；4-高压氦气瓶；5-高压甲烷气瓶；6-第一减压阀；7-第二减压阀；8-高压管路；9-第一高精度压力传感器；10-第二高精度压力传感器；11-第一高压三通；12-第二高压三通；13-第三高压三通；14-第四高压三通；15-第五高压三通；16-槽体；17-加热管；18-温度传感器；19-温度调节仪；20-隔板；21-水循环泵；22-循环管路；23-控制水分参考罐；24-控制水分测试罐；25-高温高压湿度计；26-量筒；27-锥形瓶；28-第三高精度压力传感器；F1-第一阀门；F2-第二阀门；F3-第三阀门；F4-第四阀门；F5-第五阀门；231-底座；232-饱和盐溶液存放腔体；233-限位装置；234-筛网装置；235-煤样测试腔体；236-罐体密封盖体；237-高压进出气口；238-第一密封圈；239-第二密封圈。

具体实施方式

下面将结合附图，对本实用新型的优选实施例进行详细的描述。

如图1所示，一种可控水分条件下的含瓦斯煤体高压吸附/解吸试验装置其包括抽真空系统、充气系统、恒温系统、控制水分的瓦斯吸附/解吸测试系统。

抽真空系统包括真空泵1、与真空泵相连的真空计2和真空管路3，以及连接真空管路3上的第一阀门F1。真空泵1上安装了真空计2；真空泵一侧与真空管路3连接，真空管路末端安装了第一阀门F1；第一阀门F1一端与真空管路3连接，另一端与第四高压三通14连接。抽真空系统用于对整个系统进行抽真空脱气处理。

充气系统包括高压氦气充气系统和高压甲烷充气系统。氦气充气系统主要包括高压氦气瓶4、第一减压阀6和第一高精度压力传感器9。高压氦气瓶4、第一减压阀6和第一高精度压力传感器9之间依次利用高压管路8进行连接，并最终达到第一高压三通11。甲烷充气系统主要包括高压甲烷气瓶5、减压阀7和第二高精度压力传感器10。高压甲烷气瓶5、第二减压阀7和第二高精度压力传感器10之间依次利用高压管路8进行连接，并最终达到第一高压三通11。第一高压三通11第一气路连接氦气充气系统；第二气路连接甲烷充气系统；第三气路连接第二高压三通12。第二高压三通12第一气路连接所述第一高压三通11；第二气路连接第二阀门F2，并最终通向控制水分参考罐23内；第三气路连接第三高精度压力传感器28。第三高精度压力传感器28连接第三高压三通13。第三高压三通13第一气路连接第三高精度压力传感器28；第二气路连接第三阀门F3，并最终通向控制水分测试罐24；第三气路连接第四高压三通14。第四高压三通14第一气路与所述第三高压三通13连接，第二气路与所述第一阀门F1连接，进入真空系统；第三气路与第四阀门F4连接，并最终通向大气。充气系统用于提供不同压力的测试气体。

恒温水浴系统包括恒温水槽和循环水系统。恒温水槽主要包括槽体16、加热管17、温度传感器18、温度调节仪19和隔板20组成。温度调节仪19布置在槽体16外部，通过导线与加热管17和温度传感器19连接，进而控制温度；隔板20布置在槽体16的下部，用于管理分隔槽体16，加热管17、温度传感器18均布置在隔板20下方，隔板20上方安置控制水分参照罐23和控制水分测试罐24。循环水系统主要有水循环泵21和循环管路22组成。恒温水浴系统中分别包含了2个水循环泵21和循环管路22，分别布置在槽体16两侧深部和浅部，形成均匀稳定的水浴温度。恒温水浴系统用于提供不同的试验模拟温度。

控制水分的瓦斯吸附/解吸测试系统主要包括两个结构相同，容积大小相等的控制水分参考罐23、控制水分测试罐24，第二阀门F2、第三阀门F3、第五阀门F5、第五高压三通15、高温高压湿度计25、量筒26和锥形瓶27，第三高精度压力传感器28。控制水分参考罐23放置在所述夹板20上，控制水分参考罐23上部连接第二阀门F2，第二阀门F2连接第二高压三通12。控制水分测试罐24同样放置在在夹板20上，控制水分测试罐24与第五高压三通15第一气路连接，第五高压三通15第二气路与第三阀门F3连接，第三阀门F3与第三高压三通13第二气路连接；第五高压三通15第三气路与高温高压湿度计26连接，高温高压湿度计26与第五阀门F5连接，第五阀门F5与量筒26连接，量筒26与锥形瓶27连接。控制水分的瓦斯吸附/解吸测试系统利用饱和盐溶液调节密闭空间水分原理，通过选择不同的饱和盐溶液为试验提供不同的湿度条件。

控制水分参考罐23和控制水分测试罐24是两个结构相同，容积大小相等试验罐体。关于罐体的结构组成分析，以控制水分测试罐23为例进行描述。控制水分测试罐23主要包括底座231，饱和盐溶液存放腔体232、限位装置233、筛网装置234、煤样测试腔体235、罐体密封盖体236、高压进出气口237、第一密封圈238、第二密封圈239组成。控制水分测试罐23的底部是底座231，放置在夹板20上；底座231上部设置饱和盐溶液存放腔体232；饱和盐溶液存放腔体232上部设置了向内凸出的限位装置233，限位槽233上方安装了可拆卸的过滤装置234；饱和盐溶液存放腔体232上部安装了第一密封圈238；第一密封圈238上方安装了煤样测试腔体235；饱和盐溶液存放腔体232上部与煤样测试腔体235之间采用螺栓连接；煤样测试腔体235顶部安装了第二密封圈239，第二密封圈239上端安装了罐体密封盖体236，罐体密封盖体236中部安装了高压进出气口237；煤样测试腔体234上部与罐体密封盖体235采用螺栓连接。

上述可控水分的含瓦斯煤体高压吸附/解吸试验装置的测试方法包括如下步骤：

(a)样品制作。首先将原煤破碎，然后利用筛子对试验煤粉进行筛选。特别需要注意，由于控制水分测试罐安装了筛网，因此试验用煤粉的目数必须大于控制水分测试罐中筛网的目数，避免试验过程中煤粉掉入盐溶液中，影响试验精度。

(2)饱和盐溶液配制及安放。根据拟开展的试验条件，选择合适的无机盐颗粒(例如，试验水分20％左右时，可选择氯化钠无机盐颗粒)，将一定温度的蒸馏水和一定量的某一种无机盐颗粒混合，配制饱和无机盐溶液，然后将饱和无机盐溶液倒入控制水分参考罐23和控制水分测试罐24中的饱和盐溶液存放腔体中，并将筛网装置安置在罐体的上部，最后拧紧螺栓。

(3)测试试样放置。将一定质量的煤粉放入控制水分测试罐24煤样测试腔体中，控制水分参考罐23中不添加测试煤样，并拧紧螺栓。然后让参考罐和测试罐放置到恒温水浴隔板20上，最后连接各气体管路。

(4)气密性检测。连接所有试验相关管路，关闭第一阀门F1、第四阀门F4和第五阀门F5，打开第二阀门F2和第三阀门F3，然后打开高压氦气瓶4以及第一减压阀6向测试系统中充入7MPa左右高压氦气。一段时间后关闭第一减压阀6，观察第一高精度压力传感器9的压力变化情况。气密性检验完成后，打开第四阀门F4，将系统内的氦气排出。

(5)温度控制。在安放有罐体23和24的水槽16中加水，水必须完全淹没参考罐23和测试罐24才能停止加水；利用温度调节仪19设定好水浴温度，并启动循环水泵21。

(6)真空脱气。待水浴温度到达设定温度一定时间后，关闭第四阀门F4，打开第一阀门F1，开启真空泵1，对系统进行抽真空；待真空度达到4.0Pa以下时，仍保持抽真空状态一定时间。

(7)自由体积计算。打开高压氦气瓶4和第一减压阀6，向参考罐23缓慢充入约3MPa的氦气后关闭高压氦气瓶4和第一减压阀6，记录第三高精度压力传感器28的读数，随后缓慢打开第三阀门F3，使气体进入控制水分测试罐24，第三高精度压力传感器28的读数稳定后再次记录，可计算出控制水分测试罐24的自由体积。

(8)二次抽真空。打开第四阀门F4，放出试验系统内的氦气；然后关闭第四阀门F4，打开第一阀门F1、第二阀门F2和第三阀门F3，并开启真空泵1，对试验系统进行第二次抽真空作业，待真空度达到4.0Pa以下时，仍保持抽真空状态3小时以上。

(9)水分吸附。依次关闭第一阀门F1和真空泵1，然后利用高温高压湿度传感器25监测控制水分测试罐中湿度，控制水分测试罐24中煤样吸附水分的时间不得低于5天，保障煤样充分吸附水分。

(10)关闭第三阀门F3，打开高压甲烷气瓶5和第二减压阀7，使一定压力的甲烷气体进入水分控制参考罐23，然后关闭高压甲烷气瓶5和第二减压阀7，并记录第三高精度压力传感器28的数据。

(11)缓慢打开第三阀门F3，让水分控制参考罐23中的甲烷气体进入控制水分测试罐24中，使甲烷气体与一定水分煤样发生吸附，吸附平衡12小时后且第三高精度压力传感器28压力数据不变时，记录相关压力数据，然后根据吸附前后压力变化值以及所述体积测试值进而计算出该吸附平衡压力条件下的甲烷吸附量，然后关闭第三阀门F3。

(12)打开高压甲烷气瓶5和第二减压阀7，逐级增加吸附气体压力，并且依次重复步骤(10)～(11)，可绘制一定温度和水分条件下的煤体吸附瓦斯曲线。

(13)完成吸附试验后，关闭第二阀门F2，打开第五阀门F5，释放了出来一定量的甲烷气体后关闭第五阀门F5，利用量筒26与锥形瓶27测量释放甲烷气体的体积。然后同时让水分控制吸附罐24中的煤样与瓦斯重新吸附，吸附时间不低于12小时，并利用第三高精度压力传感器28记录吸附平衡后压力值。

(14)重复步骤(13)，逐级释放水分控制测试罐24中甲烷气体，得到一定温度和湿度条件下的煤体解吸瓦斯曲线。

(15)当进行下一个温度等级测试时，依次重复上述步骤(9)～(14)，进而获得一定水分和不同温度条件下的煤体吸附/解吸瓦斯曲线。

(16)当进行下一水分等级测试时，根据所需水分条件，选择合适的无机盐颗粒，然后重复上述步骤(2)～(15)。

本实用新型通过控制水分的吸附/解吸系统选择不同的饱和盐溶液改变煤样中的含水量；并能保证试验条件一定时，试验过程中煤样的水分始终保持恒定值，成功避免了由于试验时间的延长导致水分的挥发对试验结果的影响。该实用新型可以研究煤样在不同水分含量对的瓦斯吸附/解吸特性影响，能较好地反应原始煤层尤其是高含水煤层的瓦斯吸附/解吸演化规律，不仅有利于煤层瓦斯灾害的有效防治，也有利于煤层气资源的开发利用，整体结构简单，操作方便，使用效果明显，且成本较低。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本实用新型进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本实用新型权利要求书所限定的范围。

Claims (1)

1.可控水分的含瓦斯煤体高压吸附/解吸试验装置，其特征在于：包括抽真空系统、充气系统、恒温系统和控制水分的瓦斯吸附/解吸测试系统；

所述抽真空系统包括真空泵、与真空泵相连的真空计和真空管路，以及连接所述真空管路上的第一阀门；所述真空泵上安装真空计；所述真空泵一侧与真空管路连接，所述真空管路末端安装第一阀门；所述第一阀门一端与真空管路连接，另一端与第四高压三通连接；

所述充气系统包括高压氦气充气系统和高压甲烷充气系统；所述的氦气充气系统包括高压氦气瓶、第一减压阀和第一高精度压力传感器；所述的高压氦气瓶、第一减压阀和第一高精度压力传感器之间依次利用高压管路进行连接，并最终达到第一高压三通；所述的甲烷充气系统包括高压甲烷气瓶、减压阀和第二高精度压力传感器；所述的高压甲烷气瓶、第二减压阀和第二高精度压力传感器之间依次利用高压管路进行连接，并最终达到第一高压三通；所述第一高压三通第一气路连接氦气充气系统；第二气路连接甲烷充气系统；第三气路连接第二高压三通；所述第二高压三通第一气路连接所述第一高压三通；第二气路连接第二阀门，并最终通向控制水分参考罐内；第三气路连接第三高精度压力传感器；所述第三高精度压力传感器连接第三高压三通；所述第三高压三通第一气路连接所述的第三高精度压力传感器；第二气路连接第三阀门，并最终通向控制水分测试罐；第三气路连接第四高压三通；所述第四高压三通第一气路与所述第三高压三通连接，第二气路与所述第一阀门连接，进入真空系统；第三气路与第四阀门连接，并最终通向大气；

所述恒温系统包括恒温水槽和循环水系统；所述恒温水槽包括槽、加热管、温度传感器、温度调节仪和隔板组成；所述温度调节仪布置在槽体外部，通过导线与加热管和温度传感器连接，进而控制温度；所述隔板布置在槽体的下部，用于管理分隔槽体，所述的加热管、温度传感器均布置在隔板下方，所述隔板上方面安置控制水分参照罐和控制水分测试罐；所述循环水系统由水循环泵和循环管路组成；所述恒温系统中分别包含2个水循环泵和循环管路，分别布置在槽体两侧深部和浅部，形成均匀稳定的水浴温度；

所述控制水分的瓦斯吸附/解吸测试系统包括两个结构相同，容积大小相等的控制水分参考罐、控制水分测试罐，第二阀门、第三阀门、第五阀门、第五高压三通、高温高压湿度计、量筒和锥形瓶，第三高精度压力传感器；所述控制水分参考罐放置在夹板上，所述控制水分参考罐上部连接第二阀门，所述第二阀门连接所述的第二高压三通；所述控制水分测试罐同样放置在所述夹板上，所述控制水分测试罐与所述第五高压三通第一气路连接，所述第五高压三通第二气路与第三阀门连接，所述第三阀门与所述第三高压三通第二气路连接；所述第五高压三通第三气路与高压高温湿度计连接，所述高压高温湿度计与所述第五阀门连接，所述第五阀门与所述量筒连接，所述量筒与所述锥形瓶连接；

所述控制水分参考罐和控制水分测试罐是两个结构相同，容积大小相等试验罐体；关于所述罐体的结构组成分析，以控制水分测试罐为例进行分析；所述控制水分测试罐包括底座，饱和盐溶液存放腔体、限位装置、筛网装置、煤样测试腔体、罐体密封盖体、高压进出气口、第一密封圈、第二密封圈组成；所述控制水分测试罐的底部是所述底座，放置在所述夹板上；所述底座上部设置所述饱和盐溶液存放腔体；所述饱和盐溶液存放腔体上部设置向内凸出的限位装置，所述限位装置上方安装可拆卸的过滤装置；所述饱和盐溶液存放腔体上部安装第一密封圈；所述第一密封圈上方安装煤样测试腔体；所述的饱和盐溶液存放腔体上部与所述煤样测试腔体之间采用螺栓连接；所述煤样测试腔体顶部安装第二密封圈，所述第二密封圈上端安装罐体密封盖体，所述罐体密封盖体中部安装高压进出气口；所述煤样测试腔体上部与罐体密封盖体采用螺栓连接。