一種煤粒特定放散壓力下解吸規(guī)律測(cè)定儀器及測(cè)定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及礦業(yè)工程、安全工程科研技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于進(jìn)行不同壓差、 特定放散壓力下的煤粒解吸規(guī)律測(cè)定儀器及測(cè)定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著國家對(duì)資源需求的日益增加，資源開采強(qiáng)度不斷加大，煤與瓦斯突出事故逐 漸成為影響煤礦安全形勢(shì)持續(xù)好轉(zhuǎn)的主要災(zāi)害事故。"十二五"規(guī)劃提出，以有效防范和遏 制重特大瓦斯事故為目標(biāo)，強(qiáng)力推進(jìn)瓦斯抽采達(dá)標(biāo)、落實(shí)防治煤與瓦斯突出的"兩個(gè)四位一 體"措施，積極推廣瓦斯防治先進(jìn)適用技術(shù)。在與瓦斯的長期斗爭中，我國煤礦已經(jīng)探索形 成了"以煤層瓦斯含量測(cè)定為基礎(chǔ)，以瓦斯危險(xiǎn)程度預(yù)測(cè)（瓦斯涌出量預(yù)測(cè)與瓦斯突出危 險(xiǎn)性預(yù)測(cè)）為依據(jù)，以瓦斯防治措施為手段"的瓦斯治理模式。在瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)中， 利用煤對(duì)瓦斯解吸規(guī)律所確定的鉆肩瓦斯解吸指標(biāo)&和△h被廣泛應(yīng)用，在煤與瓦斯突出 預(yù)測(cè)中起到了至關(guān)重要的作用。因此研究并掌握煤的瓦斯解吸規(guī)律，對(duì)于煤與瓦斯突出預(yù) 測(cè)、煤層瓦斯壓力和含量的預(yù)測(cè)以及估算采動(dòng)落煤的瓦斯涌出等都有著重大的理論指導(dǎo)意 義。
[0003] 關(guān)于煤的瓦斯解吸規(guī)律，英國、前蘇聯(lián)、西德、波蘭、法國、澳大利亞、日本以及我國 煤炭科學(xué)研究總院撫順分院、重慶分院和河南理工大學(xué)等進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和理論模型簡 化研究，并取得了豐碩的成果。但由于煤粒瓦斯解吸條件的多樣性、復(fù)雜性，問題仍未得到 圓滿解決，如何測(cè)定和掌握特定環(huán)境下的瓦斯解吸規(guī)律是解決當(dāng)前煤礦生產(chǎn)不可回避的問 題之一。
[0004] 目前，針對(duì)煤粒瓦斯解吸規(guī)律，已開展了大量的研究工作，研制了一系列測(cè)定裝 置，現(xiàn)狀如下：
[0005] (1)申請(qǐng)?zhí)枮?01310216701. 4的中國專利公開了一種構(gòu)造煤瓦斯解吸初期規(guī)律 實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置包括吸附-解吸單元、溫度控制單元、真空抽氣單元、高壓充氣單元、瓦斯 放散速度測(cè)定單元等，能夠?qū)崿F(xiàn)煤樣瓦斯解吸初期速度和解吸量的測(cè)定，提高了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 采集的反應(yīng)時(shí)間和數(shù)據(jù)采集精度，能夠準(zhǔn)確的反映出瓦斯解吸初期的動(dòng)態(tài)過程。但該裝置 只能采集瓦斯解吸初期數(shù)據(jù)，且無法準(zhǔn)確測(cè)量實(shí)時(shí)的瓦斯解吸量。
[0006] (2)申請(qǐng)?zhí)枮?00810150953. 0的中國專利公開了一種煤層氣高壓解吸儀裝置，可 以有效的觀測(cè)煤層氣的解吸過程，測(cè)試解吸壓力、解吸量、損失氣量等多個(gè)參數(shù)。但該裝置 采用氣體計(jì)量儀測(cè)量解吸氣量，精度低。
[0007] (3)《煤礦安全》2007年7月份第36卷7期由曹垚林、富向、蔣清華發(fā)表的"WT-2000 型瓦斯放散速度測(cè)定儀的研制及其在淮南礦區(qū)的應(yīng)用"（第19~22頁）一文中第2節(jié)中公 開了WT-2000型瓦斯放散速度測(cè)定儀，該儀器利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)、傳感器、工業(yè)監(jiān)控技術(shù)， 可實(shí)現(xiàn)高壓吸附下向常壓下空間放散的瓦斯放散量、放散速度的連續(xù)監(jiān)控。但放散過程中 放散空間壓力會(huì)逐漸升高，對(duì)放散速度產(chǎn)生一定的影響。
[0008] (4)《遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）》2012年10月份第31卷5期由秦躍 平、王健、羅維、王亞茹發(fā)表的"定壓動(dòng)態(tài)瓦斯解吸規(guī)律實(shí)驗(yàn)"（第581~585頁）一文中第2 節(jié)中公開了煤粒瓦斯解吸實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置主要由通氣裝置、溫度控制系統(tǒng)、等溫吸附系統(tǒng) 和數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)四部分組成，能夠?qū)崿F(xiàn)恒溫定壓條件下的瓦斯放散量實(shí)時(shí)測(cè)試。但 該裝置的常壓放散條件需要通過樣品罐與參考罐連續(xù)多次導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)，常壓放散條件誤差較 大。
[0009] 綜合分析上述單位的解吸規(guī)律測(cè)定儀器，還存在以下不足之處：
[0010] 1.上述儀器在瓦斯解吸過程中均未對(duì)煤樣進(jìn)行溫度檢測(cè)，無法實(shí)現(xiàn)瓦斯解吸過程 中的溫度變化測(cè)定；
[0011] 2.上述儀器對(duì)瓦斯解吸量的測(cè)定均采用人工讀數(shù)或流量計(jì)的方式，誤差大，精度 低，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)瓦斯解吸量的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確測(cè)定；
[0012] 3.上述儀器對(duì)瓦斯解吸規(guī)律的測(cè)定均為常壓放散條件（部分儀器仍無法保證常 壓放散環(huán)境的恒定、準(zhǔn)確），無法實(shí)現(xiàn)高壓放散條件下的瓦斯解吸規(guī)律測(cè)定。
[0013] 為了更好地測(cè)定和掌握高壓放散環(huán)境下的瓦斯解吸規(guī)律，需要研制一種煤粒特定 放散壓力下解吸規(guī)律測(cè)定儀器及測(cè)定方法，以便更好的指導(dǎo)煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)、煤層瓦斯 壓力和含量的預(yù)測(cè)以及估算采動(dòng)落煤的瓦斯涌出。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明公開了一種用于進(jìn)行不同壓差、特定放散壓 力下的煤粒解吸規(guī)律測(cè)定儀器及測(cè)定方法，實(shí)現(xiàn)特定放散壓力下解吸規(guī)律的測(cè)定。
[0015] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的具體方案如下：
[0016] -種煤粒特定放散壓力下解吸規(guī)律測(cè)定儀器，包括依次相連的煤樣罐、穩(wěn)壓罐及 氣體計(jì)量罐，煤樣罐進(jìn)氣口與真空脫氣裝置相連，煤樣罐出氣口與穩(wěn)壓罐進(jìn)氣口相連，穩(wěn)壓 罐出氣口與氣體計(jì)量罐連接；所述煤樣罐的進(jìn)氣口連接有溫度測(cè)量裝置，煤樣罐、穩(wěn)壓罐及 氣體計(jì)量罐均與壓力測(cè)量裝置相連；
[0017] 連接在煤樣罐上的溫度測(cè)量裝置采集罐內(nèi)溫度隨時(shí)間變化，即可獲得瓦斯解吸過 程中的溫度變化規(guī)律；連接在氣體計(jì)量罐上的壓力測(cè)量裝置采集罐內(nèi)壓力隨時(shí)間的變化， 根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程（Pv=nRT)可推算出罐內(nèi)實(shí)時(shí)氣體量，根據(jù)罐內(nèi)實(shí)時(shí)氣體量隨時(shí)間 變化，即可得到某時(shí)間段內(nèi)受游離瓦斯影響情況下的煤粒瓦斯放散量、放散速度；
[0018] 為消除游離瓦斯對(duì)解吸規(guī)律測(cè)定的影響，將煤樣罐內(nèi)煤樣換成相同體積的鐵塊， 以保證罐內(nèi)瓦斯體積、瓦斯量與上述試驗(yàn)相同，再次利用連接在氣體計(jì)量罐上的壓力測(cè)量 裝置采集罐內(nèi)壓力隨時(shí)間的變化，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程（Pv=nRT)可推算出罐內(nèi)實(shí)時(shí)氣 體量，根據(jù)罐內(nèi)實(shí)時(shí)氣體量隨時(shí)間變化，即可得到某時(shí)間段內(nèi)游離瓦斯放散量、放散速度；
[0019] 將得到的某時(shí)間段受游離瓦斯影響情況下的煤粒瓦斯放散量、放散速度與得到的 相同時(shí)間段內(nèi)游離瓦斯放散量、放散速度作差，即可消除游離瓦斯對(duì)解吸規(guī)律測(cè)定的影響， 得到該時(shí)間段內(nèi)煤粒瓦斯解吸量、解吸速度。
[0020] 理想氣體狀態(tài)方程：Pv=nRT，其中p為氣體計(jì)量罐內(nèi)氣體壓強(qiáng)，v為氣體計(jì)量罐 內(nèi)氣體體積，η為物質(zhì)的量，R為普適氣體常量，T為絕對(duì)溫度，T的單位為開爾文，字母為K， 數(shù)值為攝氏溫度加273. 15,如0°C即為273. 15Κ。（當(dāng)ρ，V，η，Τ的單位分別采用Pa(帕斯 卡），m3(立方米），mol，K時(shí)，R的數(shù)值為 8. 31X/(mol*K)。
[0021] 進(jìn)一步的，煤樣罐進(jìn)氣口接有球閥，煤樣罐出氣口通過電磁閥與穩(wěn)壓罐一端相連， 實(shí)現(xiàn)煤樣罐與穩(wěn)壓罐之間的瞬時(shí)連接、斷開，穩(wěn)壓罐另一端通過安全溢流閥與氣體計(jì)量罐 連接。
[0022] 進(jìn)一步的，煤樣罐、穩(wěn)壓罐罐體均接有大量程壓力傳感器，可實(shí)現(xiàn)罐內(nèi)壓力監(jiān)控； 氣體計(jì)量罐內(nèi)裝有精密壓力傳感器，可實(shí)現(xiàn)罐內(nèi)壓力實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確采集，并根據(jù)理想氣體狀態(tài) 方程（Pv=nRT)推算出罐內(nèi)實(shí)時(shí)氣體量。
[0023] 進(jìn)一步的，所述的煤樣罐、穩(wěn)壓罐、氣體計(jì)量罐為碳鋼材質(zhì)罐體，可耐壓32MPa。
[0024] 所述的球閥為適用于氣體的碳鋼材質(zhì)球閥，可耐高溫、高壓。
[0025] 所述的電磁閥為適用于氣體的碳鋼雙向電磁閥，流量大，應(yīng)答時(shí)間短，降低了閥門 對(duì)試驗(yàn)的影響。
[0026] 所述的安全溢流閥為彈簧式安全溢流閥，可通過調(diào)節(jié)螺絲并借助管路中的壓力傳 感器設(shè)置壓力，調(diào)節(jié)穩(wěn)壓罐溢出壓力。
[0027] 利用上述一種煤粒特定放散壓力下解吸規(guī)律測(cè)定儀器的煤粒特定放散壓力下解 吸規(guī)律測(cè)定方法，主要包括特定放散壓力下煤粒瓦斯解吸量、解吸速度、溫度變化測(cè)定方法 及特定放散壓力下煤粒瓦斯放散初速度測(cè)定方法兩部分；具體測(cè)定方法如下：
[0028] 1)對(duì)整套測(cè)定儀器進(jìn)行氣密性檢查；
[0029] 2)稱取符合測(cè)定條件的煤樣裝入煤樣罐，將整套測(cè)定儀器放入恒溫水浴中，煤樣 罐進(jìn)氣口依次連接真空表和真空栗，對(duì)整套測(cè)定儀器進(jìn)行真空脫氣處理；
[0030] 3)煤樣罐進(jìn)氣口連接高壓甲烷氣瓶，對(duì)煤樣罐、穩(wěn)壓罐充氣，直至穩(wěn)壓罐壓力達(dá)到 預(yù)定壓力時(shí)，關(guān)閉電磁閥；
[0031] 4)繼續(xù)對(duì)煤樣罐充氣，直至煤樣罐內(nèi)煤樣完全吸附時(shí)，關(guān)閉煤樣罐進(jìn)氣口閥門；
[0032] 5)打開電磁閥，啟動(dòng)煤粒瓦斯解吸過程，同時(shí)連接在煤樣罐上的溫度傳感器采集 罐內(nèi)溫度隨時(shí)間變化，即可獲得瓦斯解吸過程中的溫度變化規(guī)律；連接在氣體計(jì)量罐上的 壓力傳感器采集罐內(nèi)壓力隨時(shí)間的變化，經(jīng)過推算可得到某時(shí)間段內(nèi)受游離瓦斯影響情況 下的煤粒瓦斯放散量、放散速度；
[0033] 6)將煤樣罐內(nèi)煤樣換成相同重量的鐵塊，重復(fù)步驟2~5,即可得到某時(shí)間段內(nèi)游 離瓦斯放散量、放散速度；
[0034] 7)將步驟5得到某時(shí)間段內(nèi)受游離瓦斯影響情況下的煤粒瓦斯放散量、放散速度 與步驟6得到的相同時(shí)間段內(nèi)游離瓦斯放散量、放散速度作差，即可得到該時(shí)間段內(nèi)煤粒 瓦斯解吸量、解吸速度；
[0035] 8)重復(fù)上述步驟1~7,控制電磁閥在解吸開始第一設(shè)定時(shí)間時(shí)關(guān)閉，記錄 氣體計(jì)量罐內(nèi)壓力HI(mmHg)，第二設(shè)定時(shí)間時(shí)打開，第三設(shè)定時(shí)間時(shí)關(guān)閉，記錄氣體計(jì) 量罐內(nèi)壓力H2(mmHg)，依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《煤的瓦斯放散初速度指標(biāo)測(cè)定方法》提供公式
即可得到特定放散壓力下瓦斯放散初速度； t
[0036]ΔP為以mmHg為單位的瓦斯放散初速度指標(biāo)，V。為規(guī)定的變?nèi)葑儔貉b置放散空 間體積（汞柱計(jì)液面壓差為〇時(shí)），單位為毫升（mL)，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為28mL(對(duì)應(yīng)3. 5g 煤粉），此處取mL;r為規(guī)定的變?nèi)葑儔貉b置的汞柱計(jì)內(nèi)截面半徑，單位 為毫米（mm)，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為3mm;V為氣體計(jì)量罐空間體積，單位為毫升（mL)，理論值為
[0037] 9)測(cè)定完畢，依次打開氣體計(jì)量罐出氣口閥門、煤樣罐進(jìn)氣口閥門、電磁閥，將高 壓氣體釋放，將煤樣罐內(nèi)鐵塊取出，并妥善處理真空栗、高壓氣瓶輔助設(shè)備。
[0038] 進(jìn)一步的，步驟2)中需要滿足的測(cè)定條件為100g粒度為1~3mm的煤樣。
[0039] 本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)對(duì)瓦斯解吸量的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確測(cè)定，能有效消除游離瓦斯對(duì)瓦斯解吸 量測(cè)定的影響，為煤粒瓦斯解吸提供穩(wěn)定的高壓放散條件，并且結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、自動(dòng) 化程度高、制作成本低，該測(cè)定儀器及測(cè)試方法，可實(shí)現(xiàn)特