一种用于矿井瓦斯取样的便携式取样仪及控制方法技术

本发明专利技术公开了一种用于矿井瓦斯取样的便携式取样仪及控制方法，取样仪包括原料气源采集口、多路阀组Ⅰ、真空泵Ⅰ、三通换向阀、样本气体采集装置和样本气体制备装置。本便携式取样仪体积小、各装置容易装拆、便于携带、操作简单，可以很好地适应煤矿井下条件、解决在煤矿井下各地点将超低浓度瓦斯分离到目标浓度的取样难题，针对含超低浓度瓦斯的原样气体，可以实现原样气体被逐次吸附、并在多个储气罐内实现瓦斯浓度梯度提高，直至气体样本的瓦斯浓度达到采集要求，特别适用于对采空区、采煤工作面上隅角、回风巷和裂隙带等煤矿井下地点的瓦斯采样。

【技术实现步骤摘要】
一种用于矿井瓦斯取样的便携式取样仪及控制方法
本专利技术涉及一种瓦斯取样仪及控制方法，具体是一种适用于对采空区、采煤工作面上隅角、回风巷和裂隙带等煤矿井下地点的浓度低于1％以下的超低浓度瓦斯进行取样的便携式取样仪及控制方法，属于煤矿瓦斯灾害的防治与高效开发

技术介绍
煤层气俗称“瓦斯”，是指储存在煤层中以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主、部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体，是煤的伴生矿产资源，属非常规天然气。煤层气空气浓度达到5％～16％时，遇明火就会爆炸，这是煤矿瓦斯爆炸事故的根源。考虑到工作人员的健康和安全问题，《煤矿安全规程》规定，煤矿井下采煤工作面，回风巷道中的瓦斯浓度不得高于1％。由于煤矿井下通风需求等，采煤工作面上隅角、裂隙带、采空区等地方瓦斯浓度基本低于1％。随着科技发展以及对矿井安全的要求，需要对矿井瓦斯做相关分析测试。传统的做法是先通过瓦斯取样仪在矿井下不同地点采集不同的气体样品，再对气体样品进行分析测试。考虑到测试结果的精确性、可靠性，大部分分析手段对气体浓度要求较高，比如，同位素分析煤层瓦斯溯源技术，要求瓦斯气样中瓦斯浓度大于10％。而针对采空区、采煤工作面上隅角、回风巷和裂隙带等煤矿井下地点的浓度低于1％以下的超低浓度瓦斯，直接取样得到的样品无法直接用于分析测试。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提供一种用于矿井瓦斯取样的便携式取样仪及控制方法，可以在实现对符合分析测试要求的、含有高浓度瓦斯的煤层气进行采样的前提下，实现对含有浓度低于1％以下的超低浓度瓦斯的煤层气进行采样、并同步制备产出符合分析测试要求的气体样本，特别适用于对采空区、采煤工作面上隅角、回风巷和裂隙带等煤矿井下地点的瓦斯采样。为实现上述目的，本用于矿井瓦斯取样的便携式取样仪包括原料气源采集口、多路阀组Ⅰ、真空泵Ⅰ、三通换向阀、样本气体采集装置和样本气体制备装置；所述的多路阀组Ⅰ包括n+1个输入端口和一个输出端口、且n+1个输入端口分别通过截止阀Ⅰ与输出端口连通连接，原料气源采集口与多路阀组Ⅰ的一个输入端口连通连接，多路阀组Ⅰ的输出端口与真空泵Ⅰ的输入端连通连接，真空泵Ⅰ的输出端通过三通换向阀与样本气体采集装置和样本气体制备装置连接，样本气体采集装置的输出端上设有逆止阀，真空泵Ⅰ的输出端上还设有瓦斯浓度探测器，三通换向阀与样本气体制备装置连接的通路上还设有流量控制阀；所述的样本气体制备装置包括气体吸附部分和储气部分；气体吸附部分包括吸附罐，吸附罐内部填充有优先吸附氧气和/或氮气的吸附剂，吸附罐的输入端通过截止阀Ⅱ与流量控制阀的输出端连通连接，吸附罐的输出端通过截止阀Ⅲ与真空泵Ⅱ的输入端连通连接，吸附罐的输出端上还设有气体压力探测器；储气部分包括多路阀组Ⅱ和n个储气罐，多路阀组Ⅱ包括一个输入端口和n个输出端口、且n个输出端口分别通过截止阀Ⅳ与输入端口连通连接，多路阀组Ⅱ的输入端口与真空泵Ⅱ的输出端连通连接，n个储气罐的输入端分别与多路阀组Ⅱ的n个输出端口依次连通连接，n个储气罐的输出端分别与多路阀组Ⅰ的其他输入端口连通连接，且第一个储气罐至第n个储气罐的容积依次递减。作为本专利技术的进一步改进方案，本用于矿井瓦斯取样的便携式取样仪还包括电控装置，电控装置包括控制器、多路阀组控制回路、真空泵控制回路、瓦斯浓度判断回路、样本气体制备切换控制回路，所述的截止阀Ⅰ、三通换向阀、截止阀Ⅱ、流量控制阀、截止阀Ⅲ、截止阀Ⅳ均是电磁控制阀，所述的瓦斯浓度探测器是瓦斯浓度传感器，所述的气体压力探测器是气体压力传感器，控制器分别与截止阀Ⅰ、三通换向阀、截止阀Ⅱ、流量控制阀、截止阀Ⅲ、截止阀Ⅳ、瓦斯浓度传感器、气体压力传感器电连接。作为本专利技术的进一步改进方案，至少第一个储气罐的输出端上设有气体压力探测器。作为本专利技术的进一步改进方案，吸附罐设置为多个，多个吸附罐的输入端分别通过截止阀Ⅱ与流量控制阀的输出端连通连接，多个吸附罐的输出端分别通过截止阀Ⅲ与真空泵Ⅱ的输入端连通连接，多个吸附罐的输出端上还均设有气体压力探测器。作为本专利技术的进一步改进方案，吸附罐的规格为内径0.5～3厘米、长度0.3～0.6米的不锈钢管或PVC管。作为本专利技术的进一步改进方案，储气罐是柔性结构的集气袋或气囊。一种用于矿井瓦斯取样的便携式取样仪的控制方法，具体包括以下步骤：a.取样准备：先控制多路阀组Ⅰ上对应原料气源采集口的截止阀Ⅰ处于打开状态、其余的截止阀Ⅰ处于关闭状态，控制三通换向阀使其三个通路均处于关闭状态，控制截止阀Ⅱ处于打开状态，控制截止阀Ⅲ处于关闭状态，控制多路阀组Ⅱ的所有截止阀Ⅳ均处于关闭状态；b.气体采样：启动真空泵Ⅰ，当真空泵Ⅰ输出端上的瓦斯浓度探测器反馈原样气体中的瓦斯浓度大于设定的采样浓度值时，执行步骤b-1；当真空泵Ⅰ输出端上的瓦斯浓度探测器反馈原样气体中的瓦斯浓度小于或等于设定的采样浓度值时，执行步骤b-2；b-1.控制三通换向阀使真空泵Ⅰ的输出端与样本气体采集装置处于连通状态，原样气体进入样本气体采集装置进行采集封样；b-2.调整流量控制阀的输出流量至设定范围后，控制三通换向阀使真空泵Ⅰ的输出端与样本气体制备装置处于连通状态，原样气体进入吸附罐，当吸附罐输出端上的气体压力探测器反馈吸附罐内的绝对压力达到设定的压力数值后，先关闭截止阀Ⅱ和真空泵Ⅰ，打开截止阀Ⅲ和对应第一个储气罐的多路阀组Ⅱ上的截止阀Ⅳ后启动真空泵Ⅱ，完成第一遍吸附的气体样本进入第一个储气罐，至设定时间后，先关闭对应第一个储气罐的多路阀组Ⅱ上的截止阀Ⅳ和真空泵Ⅱ，再关闭多路阀组Ⅰ上对应原料气源采集口的截止阀Ⅰ、打开多路阀组Ⅰ上对应第一个储气罐的截止阀Ⅰ、控制三通换向阀使其三个通路均处于关闭状态、打开截止阀Ⅱ，最后启动真空泵Ⅰ；若真空泵Ⅰ输出端上的瓦斯浓度探测器反馈完成第一遍吸附的气体样本中的瓦斯浓度大于设定的采样浓度值，则控制三通换向阀使真空泵Ⅰ的输出端与样本气体采集装置处于连通状态，完成第一遍吸附的气体样本进入样本气体采集装置进行采集封样；若真空泵Ⅰ输出端上的瓦斯浓度探测器反馈完成第一遍吸附的气体样本中的瓦斯浓度小于或等于设定的采样浓度值，控制三通换向阀使真空泵Ⅰ的输出端与样本气体制备装置处于连通状态，完成第一遍吸附的气体样本重新进入吸附罐进行第二遍吸附，当吸附罐输出端上的气体压力探测器反馈吸附罐内的绝对压力达到二次设定的压力数值后，先关闭截止阀Ⅱ和真空泵Ⅰ，打开对应第二个储气罐的多路阀组Ⅱ上的截止阀Ⅳ后启动真空泵Ⅱ，完成第二遍吸附的气体样本进入第二个储气罐，以此类推，含超低浓度瓦斯的原样气体被逐次吸附、并在n个储气罐内实现瓦斯浓度梯度提高，直至真空泵Ⅰ输出端上的瓦斯浓度探测器反馈原样气体中的瓦斯浓度大于设定的采样浓度值后，控制三通换向阀使真空泵Ⅰ的输出端与样本气体采集装置处于连通状态，完成吸附的气体样本进入样本气体采集装置进行采集封样。作为本专利技术的进一步改进方案，至少第一个储气罐的输出端上设有气体压力探测器；步骤b-2中，完成第一遍吸附的气体样本进本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于矿井瓦斯取样的便携式取样仪，包括原料气源采集口(1)、真空泵Ⅰ(3)和样本气体采集装置(5)，其特征在于，还包括多路阀组Ⅰ(2)、三通换向阀(4)和样本气体制备装置(6)；/n所述的多路阀组Ⅰ(2)包括n+1个输入端口和一个输出端口、且n+1个输入端口分别通过截止阀Ⅰ与输出端口连通连接，原料气源采集口(1)与多路阀组Ⅰ(2)的一个输入端口连通连接，多路阀组Ⅰ(2)的输出端口与真空泵Ⅰ(3)的输入端连通连接，真空泵Ⅰ(3)的输出端通过三通换向阀(4)与样本气体采集装置(5)和样本气体制备装置(6)连接，样本气体采集装置(5)的输出端上设有逆止阀，真空泵Ⅰ(3)的输出端上还设有瓦斯浓度探测器，三通换向阀(4)与样本气体制备装置(6)连接的通路上还设有流量控制阀(7)；/n所述的样本气体制备装置(6)包括气体吸附部分和储气部分；气体吸附部分包括吸附罐(61)，吸附罐(61)内部填充有优先吸附氧气和/或氮气的吸附剂，吸附罐(61)的输入端通过截止阀Ⅱ(62)与流量控制阀(7)的输出端连通连接，吸附罐(61)的输出端通过截止阀Ⅲ(63)与真空泵Ⅱ(64)的输入端连通连接，吸附罐(61)的输出端上还设有气体压力探测器；储气部分包括多路阀组Ⅱ(65)和n个储气罐(66)，多路阀组Ⅱ(65)包括一个输入端口和n个输出端口、且n个输出端口分别通过截止阀Ⅳ与输入端口连通连接，多路阀组Ⅱ(65)的输入端口与真空泵Ⅱ(64)的输出端连通连接，n个储气罐(66)的输入端分别与多路阀组Ⅱ(65)的n个输出端口依次连通连接，n个储气罐(66)的输出端分别与多路阀组Ⅰ(2)的其他输入端口连通连接，且第一个储气罐(66)至第n个储气罐(66)的容积依次递减。/n...

【技术特征摘要】
1.一种用于矿井瓦斯取样的便携式取样仪，包括原料气源采集口(1)、真空泵Ⅰ(3)和样本气体采集装置(5)，其特征在于，还包括多路阀组Ⅰ(2)、三通换向阀(4)和样本气体制备装置(6)；
所述的多路阀组Ⅰ(2)包括n+1个输入端口和一个输出端口、且n+1个输入端口分别通过截止阀Ⅰ与输出端口连通连接，原料气源采集口(1)与多路阀组Ⅰ(2)的一个输入端口连通连接，多路阀组Ⅰ(2)的输出端口与真空泵Ⅰ(3)的输入端连通连接，真空泵Ⅰ(3)的输出端通过三通换向阀(4)与样本气体采集装置(5)和样本气体制备装置(6)连接，样本气体采集装置(5)的输出端上设有逆止阀，真空泵Ⅰ(3)的输出端上还设有瓦斯浓度探测器，三通换向阀(4)与样本气体制备装置(6)连接的通路上还设有流量控制阀(7)；
所述的样本气体制备装置(6)包括气体吸附部分和储气部分；气体吸附部分包括吸附罐(61)，吸附罐(61)内部填充有优先吸附氧气和/或氮气的吸附剂，吸附罐(61)的输入端通过截止阀Ⅱ(62)与流量控制阀(7)的输出端连通连接，吸附罐(61)的输出端通过截止阀Ⅲ(63)与真空泵Ⅱ(64)的输入端连通连接，吸附罐(61)的输出端上还设有气体压力探测器；储气部分包括多路阀组Ⅱ(65)和n个储气罐(66)，多路阀组Ⅱ(65)包括一个输入端口和n个输出端口、且n个输出端口分别通过截止阀Ⅳ与输入端口连通连接，多路阀组Ⅱ(65)的输入端口与真空泵Ⅱ(64)的输出端连通连接，n个储气罐(66)的输入端分别与多路阀组Ⅱ(65)的n个输出端口依次连通连接，n个储气罐(66)的输出端分别与多路阀组Ⅰ(2)的其他输入端口连通连接，且第一个储气罐(66)至第n个储气罐(66)的容积依次递减。


2.根据权利要求1所述的用于矿井瓦斯取样的便携式取样仪，其特征在于，用于矿井瓦斯取样的便携式取样仪还包括电控装置，电控装置包括控制器、多路阀组控制回路、真空泵控制回路、瓦斯浓度判断回路、样本气体制备切换控制回路，所述的截止阀Ⅰ、三通换向阀(4)、截止阀Ⅱ(62)、流量控制阀(7)、截止阀Ⅲ(63)、截止阀Ⅳ均是电磁控制阀，所述的瓦斯浓度探测器是瓦斯浓度传感器，所述的气体压力探测器是气体压力传感器，控制器分别与截止阀Ⅰ、三通换向阀(4)、截止阀Ⅱ(62)、流量控制阀(7)、截止阀Ⅲ(63)、截止阀Ⅳ、瓦斯浓度传感器、气体压力传感器电连接。


3.根据权利要求1或2所述的用于矿井瓦斯取样的便携式取样仪，其特征在于，至少第一个储气罐(66)的输出端上设有气体压力探测器。


4.根据权利要求1或2所述的用于矿井瓦斯取样的便携式取样仪，其特征在于，吸附罐(61)设置为多个，多个吸附罐(61)的输入端分别通过截止阀Ⅱ(62)与流量控制阀(7)的输出端连通连接，多个吸附罐(61)的输出端分别通过截止阀Ⅲ(63)与真空泵Ⅱ(64)的输入端连通连接，多个吸附罐(61)的输出端上还均设有气体压力探测器。


5.根据权利要求1或2所述的用于矿井瓦斯取样的便携式取样仪，其特征在于，吸附罐(61)的规格为内径0.5～3厘米、长度0.3～0.6米的不锈钢管或PVC管。


6.根据权利要求1或2所述的用于矿井瓦斯取样的便携式取样仪，其特征在于，储气罐(66)是柔性结构的集气袋或气囊。


7.一种如权利要求1所述的用于矿井瓦斯取样的便携式取样仪的控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
a.取样准备：先控制多路阀组Ⅰ(2)上对应原料气源采集口(1)的截止阀Ⅰ处于打开状态、其余的截止阀Ⅰ处于关闭状态，控制三通换向阀(4)使其三个通路均处于关闭状态，控制截止阀Ⅱ(62)处于打开状态，控制截止阀Ⅲ(63)处于关闭状态，控制多路阀组Ⅱ(65)的所有截止阀Ⅳ均处于关闭状态；
b.气体采样：启动真空泵Ⅰ(3)，当真空泵Ⅰ(3)输出端上的瓦斯浓度探测器反馈原样气体中的瓦斯浓度大于设定的采样浓度值时，执行步骤b-1；当真空泵Ⅰ(3)输出端上的瓦斯浓度探测器反馈原样气体中的瓦斯浓度小于或等于设定的采样浓度值时，执行步骤b-2；
b-1.控制三通换向阀(4)使真空泵Ⅰ(3)的输出端与样本气体采集装置(5)处于...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宏，周福宝，贺志宏，张杰，王鑫鑫，
申请(专利权)人：中国矿业大学，西山煤电集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32