一种实验室测定不同外加水分下瓦斯膨胀能的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开的实验室测定不同外加水分下瓦斯膨胀能的装置及方法，通过煤样罐以及与其管路连接的供气系统、背压系统和注水装置，能够实现对不同外加水分条件下瓦斯膨胀能大小的测定，且通过本方法可研究煤层采取水力化措施后，受水分影响的煤中瓦斯膨胀能的变化特性，对煤层防治煤与瓦斯突出具有一定意义，并且可以从能量角度揭示水力化措施降能消突机制，为丰富水力化措施消突理论、推广水力化措施提供基础支撑，从而保证煤矿的安全生产；当煤层采取水力化措施后，可根据水力化措施后，煤层含水率的增加以及煤层瓦斯压力的大小，计算煤层瓦斯膨胀能的降低情况，是否降低至突出所需的临界能量以下，并据此判断煤层在开采时突出危险性的大小。突出危险性的大小。突出危险性的大小。

【技术实现步骤摘要】
一种实验室测定不同外加水分下瓦斯膨胀能的装置及方法


[0001]本专利技术属于煤矿安全开采
，特别涉及一种实验室测定不同外加水分下瓦斯膨胀能的装置及方法。

技术介绍

[0002]煤炭是我国的主要能源，而在在煤炭生产过程中，遭受了瓦斯、水灾、火灾、矿压等灾害的威胁，其中瓦斯事故发生的次数多，死亡人数多，因此瓦斯被称为煤矿安全生产的“第一杀手”。矿井一旦发生煤与瓦斯突出事故，可能会危害工人安全、对煤矿企业的经济造成损失、井下设备被破坏、矿井通风体系被摧毁，甚而增加二次事故发生的概率，对煤矿企业的安全生产产生了巨大的影响。煤层开采深度的增加，煤与瓦斯突出的强度、规模也大幅度增大，对煤矿企业的安全生产提出了更高的要求。
[0003]为了防治煤矿开采过程中的煤与瓦斯突出灾害等瓦斯问题，不同矿井采取水力化技术措施进行防治，煤层采取水力化措施后，煤层中的水分得到明显的增加，增加的水分与煤中固有水分不同，属于外加水分。煤层的水分增加以后，影响了煤的力学性质以及煤中瓦斯的吸附解吸，对煤层消突具有一定的作用。而煤与瓦斯突出是一个能量释放的过程，是煤体中包含弹性应变能和煤中瓦斯膨胀能等突出潜能的释放，且瓦斯膨胀能为煤与瓦斯突出的主要能量来源，为煤与瓦斯突出提供了大部分能量，因此研究煤层采取水力化措施后，受水分影响的煤中瓦斯膨胀能的变化特性，对煤层防治煤与瓦斯突出具有一定意义。
[0004]目前，实验室瓦斯膨胀能时，多采用常压解吸的实验方法并且很少考虑不同外加水分条件下瓦斯膨胀能大小，且常压解吸的实验方式不能很好的还原煤与瓦斯突出过程中瓦斯解吸的过程，而煤与瓦斯突出发生时，瓦斯应处于降压环境进行解吸并参与煤与瓦斯突出。而采用降压解吸的方式计算不同外加水分条件下瓦斯膨胀能未有见到，因此提出逐级降压解吸方式下不同外加水分条件下各解吸阶段瓦斯膨胀能及不同吸附平衡压力下瓦斯膨胀能的计算方法十分必要。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种实验室测定不同外加水分下瓦斯膨胀能的装置及方法，用于实现对不同外加水分下瓦斯膨胀能的测定。
[0006]为解决以上技术问题，本专利技术采用的技术方案是：
[0007]一种实验室测定不同外加水分下瓦斯膨胀能的装置，所述装置包括煤样罐以及与其管路连接的供气系统、背压系统和注水装置，且各管路上均设有阀控制部件，而煤样罐放置于恒温水浴装置中并通过管路与背压系统的背压阀连接；
[0008]所述背压系统上还串联有解吸装置，且当解吸时，煤样罐中的气体压力达到背压系统的压力后才能从背压系统通过，并通过第四阀门进入解吸装置被收集起来。
[0009]所述供气系统包括并联设置的供气管路和真空管路，且供气管路包括依次连接设置的供气瓶、第一阀门以及压力表；
[0010]真空管路包括真空泵和第二阀门，且真空泵与第二阀门间的管路上还并联设有用于观测压力的真空计；
[0011]煤样罐与背压阀之间的管路上还连接设有收集支路，且收集支路包括第五阀门以及用于收集的气袋。
[0012]实验室测定不同外加水分下瓦斯膨胀能装置的方法，包括以下步骤：
[0013](1)将采集的煤矿煤样，粉碎和筛选，制成1
‑
3mm的粒煤煤样，去水分处理后，称取干燥样品装入煤样罐内并密封；
[0014](2)将煤样罐置入恒温水浴装置中，打开连接真空泵的第二阀门，关闭该系统与外界连接的其他阀门，打开系统内部的阀门；
[0015]随后运行真空泵，将煤样罐及管路内气压抽至真空状态并保持12h以上；
[0016](3)设置恒温水浴装置温度，打开并调接第一阀门向煤样罐内充气；充气完成后关闭第一阀门，并不断调节第二阀门，使煤样罐最终的瓦斯吸附平衡压力稳定在0.5N MPa，N≤5且取整数，并定义大气压为0MPa；
[0017](4)待煤样吸附平衡后，打开与注水装置相连的第三阀门，通过供气瓶向煤样罐内依次注入不同百分比含量的水分，同时打开连接背压系统的第四阀门，调节背压系统的背压压力为0.5N MPa，对煤样进行等压注水；
[0018](5)等压注水完成后，进行解吸实验
[0019]调节背压系统，将压力降低0.5MPa，关闭第四阀门，然后打开连接气袋的第五阀门，使游离气体进入气袋，当煤样罐压力表降低0.5MPa时，关闭第五阀门，并迅速打开第四阀门，使解吸的瓦斯进入解吸装置中的计量器，解吸过程中每30s读取计量器内的累计解吸量，直至背压系统在设定压力下1小时内的解吸量小于0.06mL/g时结束，视为此阶段煤样解吸完成；
[0020]然后再次降低0.5MPa，继续进行解吸实验，直到实验完成；
[0021](6)利用瓦斯膨胀能计算公式：
[0022][0023]计算出不同外加水分下，各个解吸阶段瓦斯膨胀能，将各个解吸阶段得瓦斯膨胀能相加，即可得到不同外加水分条件下不同吸附平衡压力下瓦斯膨胀能；
[0024]式中：W
‑
瓦斯膨胀能，J/g；P
C
‑
初始气体压力，MPa；V1‑
参与突出发动的瓦斯体积，M1；Pz
‑
最终瓦斯压力，MPa；n
‑
瓦斯气体多变指数，无量纲，取1.31；
[0025](7)对逐级降压解吸各个阶段瓦斯膨胀能W与外加水分x的数据进行拟合，得到指数函数关系：
[0026]W＝a+e
‑
bx
[0027]通过公式，可以利用含水率计算逐级降压解吸各阶段瓦斯膨胀能，并相加得到不同瓦斯吸附平衡压力下瓦斯膨胀能。
[0028]步骤(4)中依次注入1.37％、3.63％、4.56％、7.44％的水分。
[0029]步骤(5)中解吸实验的解吸顺序为2.5MPa
→
2MPa
→
1.5MPa
→
1MPa
→
0.5MPa
→
0Pa。
[0030]步骤(7)中2.5MPa
‑
2Mpa阶段，指数函数为：
[0031]W＝e
‑
0.0083x
‑
0.866；
[0032]2MPa
‑
1.5MPa阶段，指数函数为：
[0033]W＝e
‑
0.0087x
‑
0.859；
[0034]1.5MPa
‑
1.0MPa阶段，指数函数为：
[0035]W＝e
‑
0.0134x
‑
0.825；
[0036]1MPa
‑
0.5MPa阶段，指数函数为：
[0037]W＝e
‑
0.1249x
‑
0.832；
[0038]0.5MPa
‑
0MPa阶段，指数函数为：
[0039]W＝e
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种实验室测定不同外加水分下瓦斯膨胀能的装置，其特征在于：所述装置包括煤样罐以及与其管路连接的供气系统、背压系统和注水装置，且各管路上均设有阀控制部件，而煤样罐放置于恒温水浴装置中并通过管路与背压系统的背压阀连接；所述背压系统上还串联有解吸装置，且当解吸时，煤样罐中的气体压力达到背压系统的压力后才能从背压系统通过，并通过第四阀门进入解吸装置被收集起来。2.根据权利要求1所述的一种实验室测定不同外加水分下瓦斯膨胀能的装置及方法，其特征在于：所述供气系统包括并联设置的供气管路和真空管路，且供气管路包括依次连接设置的供气瓶、第一阀门以及压力表；真空管路包括真空泵和第二阀门，且真空泵与第二阀门间的管路上还并联设有用于观测压力的真空计；煤样罐与背压阀之间的管路上还连接设有收集支路，且收集支路包括第五阀门以及用于收集的气袋。3.基于权利要求2所述的一种实验室测定不同外加水分下瓦斯膨胀能装置的方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)将采集的煤矿煤样，粉碎和筛选，制成1
‑
3mm的粒煤煤样，去水分处理后，称取干燥样品装入煤样罐内并密封；(2)将煤样罐置入恒温水浴装置中，打开连接真空泵的第二阀门，关闭该系统与外界连接的其他阀门，打开系统内部的阀门；随后运行真空泵，将煤样罐及管路内气压抽至真空状态并保持12h以上；(3)设置恒温水浴装置温度，打开并调接第一阀门向煤样罐内充气；充气完成后关闭第一阀门，并不断调节第二阀门，使煤样罐最终的瓦斯吸附平衡压力稳定在0.5N MPa，N≤5且取整数，并定义大气压为0MPa；(4)待煤样吸附平衡后，打开与注水装置相连的第三阀门，通过供气瓶向煤样罐内依次注入不同百分比含量的水分，同时打开连接背压系统的第四阀门，调节背压系统的背压压力为0.5N MPa，对煤样进行等压注水；(5)等压注水完成后，进行解吸实验调节背压系统，将压力降低0.5MPa，关闭第四阀门，然后打开连接气袋的第五阀门，使游离气体进入气袋，当煤样罐压力表降低0.5MPa时，关闭第五阀门，并迅速打开第四阀门，使解吸的瓦斯进入解吸装置中的计量器，解吸过程中每30s读取计量器内的累计解吸量，直至背压系统在设定压力下1小时内的解吸量小于0.06mL/g时结束，视为此阶段煤样解吸完成；然后再次降低0.5MPa，继续进行解吸实验，直到实验完成；(6)利用瓦斯膨胀能计算公式：计算出不同外加水分下，各个解吸阶段瓦斯膨胀能，将各个解吸阶段得瓦斯膨胀能相加...

【专利技术属性】
技术研发人员：王林，王德璋，都海龙，陈向军，马鑫，时豪阳，冯帅龙，赵伞，闵瑞，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：