煤樣瓦斯吸附解吸的伺服測量試驗(yàn)系統(tǒng)與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于瓦斯吸附解吸測量裝置技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種煤樣瓦斯吸附解吸的伺服測量試驗(yàn)系統(tǒng)與方法。
【背景技術(shù)】
[0002]煤體瓦斯解吸規(guī)律為煤層瓦斯含量與壓力測定、煤與瓦斯突出預(yù)測和煤層氣資源勘探開發(fā)等提供了理論依據(jù)。目前人們對煤體的吸附解吸規(guī)律進(jìn)行了大量的研究，一方面根據(jù)瓦斯解吸規(guī)律計(jì)算損失瓦斯量，另一方面根據(jù)瓦斯解吸規(guī)律尋求突出危險(xiǎn)預(yù)測指標(biāo)及其臨界值?，F(xiàn)階段煤體瓦斯解吸規(guī)律的研究方法主要采用吸附-解吸實(shí)驗(yàn)方法，而研究煤體的瓦斯解吸初期規(guī)律主要是測量煤樣瓦斯的解吸速率和解吸量，目前煤樣瓦斯解吸速率和解吸量的測定裝置是瓦斯解吸儀，該設(shè)備的技術(shù)已經(jīng)很成熟，而瓦斯解吸量的測量大部分采用標(biāo)有刻度的量筒，使用這類裝置尚存在以下不足之處:1、試驗(yàn)人員要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力來記錄數(shù)據(jù)，通過人工讀數(shù)所存在的誤差大，而且不能實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù);2、在讀取量筒內(nèi)液體體積的刻度時(shí)，由于排水法而造成量筒內(nèi)液面的波動，會影響試驗(yàn)人員讀取數(shù)據(jù)，尤其是瓦斯初始解吸階段瓦斯解吸量較大時(shí)，實(shí)驗(yàn)人員很難精確讀取數(shù)據(jù);3、目前用排水法測量氣體體積，當(dāng)氣體的壓力大于一個(gè)大氣壓時(shí)才能把水排出，使得煤樣解吸出來的瓦斯氣體大于一個(gè)大氣壓，此時(shí)的瓦斯氣體體積會發(fā)生變化，存在誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提供了一種試驗(yàn)操作簡便，試驗(yàn)數(shù)據(jù)精確，能夠?qū)崟r(shí)自動采集數(shù)據(jù)，并且確保煤樣解吸出的瓦斯氣體在一個(gè)大氣壓條件下的煤樣瓦斯吸附解吸的伺服測量試驗(yàn)系統(tǒng)。
[0004]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:煤樣瓦斯吸附解吸的伺服測量試驗(yàn)系統(tǒng)，包括瓦斯供給裝置、抽真空裝置、瓦斯吸附裝置、瓦斯解吸測量裝置和電控裝置；瓦斯供給裝置包括高壓瓦斯罐和充氣罐，高壓瓦斯罐與充氣罐之間通過導(dǎo)氣管連通，高壓瓦斯罐的出氣端設(shè)有開關(guān)閥門，高壓瓦斯罐與充氣罐之間的導(dǎo)氣管上沿瓦斯流通方向依次串聯(lián)設(shè)有減壓閥、第一氣壓表、第一三通閥門和第一閥門；抽真空裝置包括真空栗和真空計(jì)，真空栗通過導(dǎo)氣管與第一三通閥門連通，真空計(jì)設(shè)在真空栗與第一三通閥門之間的導(dǎo)氣管上，真空計(jì)與真空栗之間的導(dǎo)氣管上設(shè)有第二閥門；瓦斯吸附裝置包括煤樣罐，充氣罐與煤樣罐之間通過導(dǎo)氣管連通，充氣罐與煤樣罐之間的導(dǎo)氣管上沿瓦斯流通方向依次串聯(lián)設(shè)有第二氣壓表、第三閥門、第二三通閥門、第四閥門和第三氣壓表；瓦斯解吸測量裝置包括儲水容器、集水容器、電子天平、伺服電機(jī)、固定支架和導(dǎo)水管，儲水容器呈密閉結(jié)構(gòu)，儲水容器頂部設(shè)有進(jìn)水管，進(jìn)水管上設(shè)有進(jìn)水閥門，儲水容器頂端通過導(dǎo)氣管與第二三通閥門連通，儲水容器與第二三通閥門之間的導(dǎo)氣管上設(shè)有第五閥門，儲水容器上連接有數(shù)字壓力計(jì)，儲水容器底部設(shè)有排水管，排水管與導(dǎo)水管連通，導(dǎo)水管為軟管并設(shè)置在固定支架內(nèi)，固定支架底端固定連接在伺服電機(jī)的輸出軸上，伺服電機(jī)通過導(dǎo)線連接有伺服驅(qū)動器，集水容器上部敞口并位于導(dǎo)水管出口處的下方，集水容器設(shè)置在電子天平上，數(shù)字壓力計(jì)、伺服驅(qū)動器和電子天平分別通過導(dǎo)線與電控裝置連接。
[0005]電控裝置采用計(jì)算機(jī)或單片機(jī)或PLC或集成電路。
[0006]本發(fā)明的目的還在于提供一種煤樣瓦斯吸附解吸的伺服測量試驗(yàn)系統(tǒng)的試驗(yàn)方法，將瓦斯解吸氣體的體積測量轉(zhuǎn)化為液態(tài)水體積的測量，并實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)精確自動采集，為研究煤體瓦斯吸附解吸規(guī)律，提供更加可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，從而理論指導(dǎo)煤體與瓦斯突出預(yù)測、煤層氣藏開發(fā)等現(xiàn)實(shí)難題。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明的煤樣瓦斯吸附解吸的伺服測量試驗(yàn)系統(tǒng)的試驗(yàn)方法依次包括以下步驟:
(1)在井下采掘工作面上鉆取塊狀新鮮煤樣，進(jìn)行嚴(yán)密封裝后送至地面實(shí)驗(yàn)室，將新鮮煤樣粉碎、篩分成不同的粒度，檢查試驗(yàn)系統(tǒng)確保試驗(yàn)系統(tǒng)連接可靠，并用氦氣檢查試驗(yàn)系統(tǒng)的氣密性確保試驗(yàn)系統(tǒng)氣密性良好；
(2)在煤樣罐中裝填煤樣；
(3)打開進(jìn)水閥門通過進(jìn)水管向儲水容器中注滿液態(tài)水，然后關(guān)閉進(jìn)水閥門；
(4)關(guān)閉開關(guān)閥門、減壓閥和第五閥門，打開第一閥門、第二閥門、第三閥門和第四閥門，啟動真空栗對充氣罐、煤樣罐以及連接充氣罐和煤樣罐的導(dǎo)氣管進(jìn)行脫氣處理，直到真空計(jì)顯示20Pa六個(gè)小時(shí)以上關(guān)閉真空栗，同時(shí)關(guān)閉第二閥門和第三閥門；
(5)開啟高壓瓦斯罐的開關(guān)閥門，根據(jù)第一氣壓表調(diào)節(jié)減壓閥，通過高壓瓦斯罐向充氣罐充入瓦斯氣體，當(dāng)?shù)诙鈮罕淼氖緮?shù)達(dá)到充氣罐的預(yù)定壓力值時(shí)，關(guān)閉開關(guān)閥門和第一閥門，打開第三閥門開始進(jìn)行瓦斯吸附試驗(yàn)，通過充氣罐向煤樣罐中充入瓦斯氣體，煤樣充分吸附直至吸附平衡，當(dāng)?shù)诙鈮罕淼氖緮?shù)連續(xù)三個(gè)小時(shí)不變且吸附時(shí)間大于十個(gè)小時(shí)，煤樣達(dá)到吸附平衡；
(6)瓦斯吸附試驗(yàn)完成后，關(guān)閉第三閥門，打開第五閥門，開始進(jìn)行瓦斯解吸試驗(yàn)，解吸出來的瓦斯氣體通過導(dǎo)氣管進(jìn)入儲水容器的上部，使儲水容器頂部瓦斯壓力升高，數(shù)字壓力計(jì)將檢測到的解吸瓦斯氣體壓力升高后的值實(shí)時(shí)傳輸給電控裝置，電控裝置通過控制伺服驅(qū)動器使得伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動，導(dǎo)水管及固定支架跟隨伺服電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，儲水容器內(nèi)的液態(tài)水經(jīng)排水管及導(dǎo)水管排出流入到集水容器內(nèi)，導(dǎo)水管內(nèi)的水位和儲水容器中的水位由于相連通而始終位于同一平面上，實(shí)現(xiàn)解吸瓦斯氣體保持在一個(gè)大氣壓下，電子天平將集水容器內(nèi)液態(tài)水的質(zhì)量增加值及集水容器內(nèi)液態(tài)水的累積質(zhì)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給電控裝置，電控裝置同時(shí)將電子天平傳輸?shù)脑囼?yàn)數(shù)據(jù)換算成瓦斯解吸量和解吸速率并實(shí)時(shí)顯示出來，實(shí)現(xiàn)了瓦斯解吸速率和瓦斯解吸量數(shù)據(jù)的自動采集和實(shí)時(shí)顯示；
(7)整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，煤樣最終的瓦斯解吸量為試驗(yàn)測得的瓦斯解吸量減去試驗(yàn)系統(tǒng)死空間和煤樣內(nèi)部空隙空間的體積。
[0008]在步驟(I)中檢測試驗(yàn)系統(tǒng)氣密性之后對試驗(yàn)系統(tǒng)的死空間的體積V進(jìn)行標(biāo)定，將充氣罐和煤樣罐進(jìn)行抽真空處理，第一閥門和第三閥門之間的導(dǎo)氣管與充氣罐的總體積設(shè)Sv1，第三閥門與第二三通閥門之間的導(dǎo)氣管、第五閥門與第二三通閥門之間的導(dǎo)氣管、煤樣罐與第二三通閥門之間的導(dǎo)氣管和煤樣罐的總體積設(shè)為v2，關(guān)閉第二閥門、第三閥門、第四閥門和第五閥門，打開第一閥門，向充氣罐內(nèi)充入壓力為P1的氦氣，當(dāng)?shù)诙鈮罕矸€(wěn)定后，關(guān)閉第一閥門，打開第三閥門和第四閥門，氦氣由充氣罐進(jìn)入到煤樣罐，當(dāng)?shù)诙鈮罕矸€(wěn)定后，記下第二氣壓表示數(shù)P2，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程可得P1V1= P2CVi+ V2);在煤樣罐內(nèi)放入體積為Vo的鋁柱，將充氣罐和煤樣罐進(jìn)行抽真空處理，關(guān)閉第二閥門、第三閥門、第四閥門和第五閥門，打開第一閥門，向充氣罐內(nèi)充入壓力為P3的氦氣，當(dāng)?shù)诙鈮罕矸€(wěn)定后，關(guān)閉第一閥門，打開第三閥門和第四閥門，氦氣由充氣罐進(jìn)入到煤樣罐，當(dāng)?shù)诙鈮罕矸€(wěn)定后，記下第二氣壓表示數(shù)P4，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程可得P3V1= P4(VdV2-Vo),從而計(jì)算出V1和V2的值，試驗(yàn)系統(tǒng)的死空間的體積V=VdV2。
[0009]在步驟(2)中裝填完煤樣之后對煤樣內(nèi)部的空隙空間的體積V?L?行標(biāo)定，煤樣罐內(nèi)的煤樣質(zhì)量為m，煤樣的視密度為Pt?，煤樣的視體積V視=m/pm，將充氣罐和煤樣罐進(jìn)行抽真空處理，關(guān)閉第二閥門、第三閥門、第四閥門和第五閥門，打開第一閥門，向充氣罐內(nèi)充入壓力為P5的氦氣，當(dāng)?shù)诙鈮罕矸€(wěn)定后，關(guān)閉第一閥門，打開第三閥門和第四閥門，氦氣由充氣罐進(jìn)入到煤樣罐，當(dāng)?shù)诙鈮罕矸€(wěn)定后，記下第二氣壓表示數(shù)P6，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程可得P5V1= P6(V-V視+V孔)，從而計(jì)算出煤樣內(nèi)部的空隙空間的體積V孔。
[0010]采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
1、本發(fā)明的煤樣瓦斯吸附解吸的伺服測量試驗(yàn)系統(tǒng)包括瓦斯供給裝置、抽真空裝置、瓦斯吸附裝置、瓦斯解吸測量裝置和電控裝置，瓦斯供給裝置利用高壓瓦斯罐提供瓦斯氣體，通過減壓閥將瓦斯壓力調(diào)節(jié)到試驗(yàn)所需的壓力大小，并充入充氣罐內(nèi)，利用充氣罐向煤樣中注入瓦斯氣體，這樣使得煤樣充分吸附瓦斯直至達(dá)到吸附平衡;抽真空裝置利用真空栗對