本发明涉及矿井开采领域，特别是涉及一种多功能煤吸附/解吸瓦斯参数测定试验装置及方法。
背景技术：
我国是世界上发生瓦斯灾害最严重的国家之一，瓦斯事故严重威胁井下工作人员的安全，制约着煤矿的安全生产。煤吸附常数的测定对于掌握煤的吸附特性、指导煤层气地面排采有重要的意义。煤吸附瓦斯含量受温度、压力、煤阶、含水率、比表面积等的影响，对于温度、压力、含水率都可以避免其影响，而比表面积受到煤颗粒大小的影响无法避免。通常测定的煤吸附常数a，b值根据MT/T752-1997《煤甲烷吸附量测定方法》规定取0.17～0.25mm间的煤颗粒进行测试，因颗粒状煤与块状煤的比表面积不同，用颗粒状的煤测出的煤吸附常数a，b值来预测块状煤层的瓦斯含量存在的一定误差，预测值不科学。
煤与瓦斯突出的过程通常伴随着煤体的变形和破坏，煤体的变形量是影响煤体失稳的重要指标之一。在生产过程中，煤体不断向工作面涌出瓦斯，煤体在解吸瓦斯的过程中将产生变形，进而可能诱发煤与瓦斯突出，因此煤吸附/解吸瓦斯过程中煤体变形量也是一个重要的参数。
目前的试验仪器只能测量煤的吸附常数a，b值，无法同时完成在同一瓦斯压力、温度条件下颗粒煤体吸附量及块状煤体变形量的测定试验，尚不能对粒状煤和块状煤吸附量进行对比探究。
因此，有必要设计一种更好的煤吸附/解吸瓦斯参数测定试验装置，以解决上述问题。
技术实现要素：
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种可以测定不同粒径煤样的吸附/解吸量、煤样的吸附常数a，b值、以及块状煤吸附解吸瓦斯过程的变形量的多功能煤吸附/解吸瓦斯参数测定试验装置及方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种多功能煤吸附/解吸瓦斯参数测定试验装置，包括高压气瓶、充气室、颗粒状煤吸附室、块状煤吸附室、数据采集仪及计算机，所述充气室通过第一管路分别连接于所述高压气瓶、真空泵和背压阀，所述高压气瓶与所述充气室之间的所述第一管路上设有减压阀和第一阀门，所述真空泵与所述充气室之间设有第二阀门，所述背压阀与所述充气室之间设有第三阀门，所述充气室安装有第一压力表，所述充气室的一侧通过第二管路连接于所述颗粒状煤吸附室，另一侧通过第三管路连接于所述块状煤吸附室，所述第二管路上设有第二压力表和第四阀门，所述第三管路上设有第三压力表和第五阀门，所述数据采集仪连接于第一压力表、第二压力表、第三压力表及所述块状煤吸附室，用于采集数据，并将数据传输给所述计算机。
进一步，所述充气室、所述颗粒状煤吸附室及所述块状煤吸附室放置于水浴箱内，所述水浴箱连接于所述数据采集仪。
进一步，所述第一阀门、所述第二阀门、所述第三阀门、所述第四阀门及所述第五阀门为气动针型阀，所述气动针型阀与所述减压阀、所述背压阀及所述真空泵的开关集成于阀门控制器，所述阀门控制器与所述计算机相连。
进一步，所述块状煤吸附室内放置有块状煤样，所述块状煤样上粘贴有应变片，所述应变片连接于所述数据采集仪。
进一步，所述颗粒状煤吸附室或/和所述块状煤吸附室包括缸体，所述缸体的上方设有缸盖，所述缸盖与所述缸体顶面之间设有圆盖，所述圆盖上安装有航空插头，所述缸盖将所述圆盖与所述缸体螺接锁紧。
进一步，所述缸体的顶部边缘与所述圆盖之间设有密封圈，所述缸体内设有整流过滤网用于将煤样与进气口隔开。
一种采用上述多功能煤吸附/解吸瓦斯参数测定试验装置的方法，包括：
步骤一：制作煤样，制备颗粒状煤样或/和块状煤样，分别放置于所述颗粒状煤吸附室或/和所述块状煤吸附室内；
步骤二：打开所述高压气瓶，向所述计算机内输入煤样的质量、真密度、视密度、含水率，设置程序参数，使所述计算机执行如下步骤：
(a)打开所述第二阀门及所述第四阀门或/和所述第五阀门，启动所述真空泵脱气，脱气一定时间后，关闭所述第二阀门及所述第四阀门或/和所述第五阀门，关闭所述真空泵；
(b)打开所述第一阀门，调节所述减压阀，向所述充气室内充气，使所述充气室内压力为P1，关闭所述第一阀门和所述减压阀，打开所述第四阀门或/和所述第五阀门，向所述颗粒状煤吸附室或/和所述块状煤吸附室内充气，使充气压力为P2时，关闭所述第四阀门或/和所述第五阀门；
(c)所述颗粒状煤样或/和所述块状煤样分别在所述颗粒状煤吸附室或/和所述块状煤吸附室内吸附，吸附达到平衡后，记录所述第二压力表和所述第三压力表的数值；
所述计算机根据所述颗粒状煤吸附室或/和所述块状煤吸附室内瓦斯压力的变化，计算出煤样吸附量、煤样吸附常数。
进一步，所述块状煤样上垂直的粘贴有应变片，所述应变片连接于所述数据采集仪，在测量所述块状煤样吸附量时，所述数据采集仪测得所述煤样的变形量，并通过改变吸附压力和温度进行多组试验，测得块状煤样吸附量与变形量的关系。
进一步，在测量所述块状煤样变形量时，步骤二(c)后，打开所述背压阀，逐渐降低所述背压阀的压力，记录压力降低为P3、P4……各压力下解吸平衡时对应的块状煤样的变形量，测得块状煤样变梯度解吸煤体的变形量。
进一步，所述第四阀门或所述第五阀门同时打开时，所述充气室同时向所述颗粒状煤吸附室和所述块状煤吸附室内充气，所述试验装置测量相同质量的比表面积不同的煤样在相同条件下的吸附量；所述第四阀门关闭，所述第五阀门打开时，所述充气室单独向所述块状煤吸附室内充气，测量所述块状煤样的吸附量、变形量及其关系；所述第四阀门打开，所述第五阀门关闭时，所述充气室单独向所述颗粒状煤吸附室内充气，测量所述颗粒状煤样的吸附量和吸附常数。
本发明的有益效果：
充气室的两端分别连接于颗粒状煤吸附室和块状煤吸附室，试验装置可以测定在相同瓦斯压力、相同温度条件下不同粒径煤样吸附瓦斯量，探究不同粒径对煤样瓦斯吸附量的影响，可以对整个颗粒状煤体和块状煤体的瓦斯含量进行更为精确的预测；通过块状煤吸附室可以测得块状煤的吸附/解吸量和变形量，分析煤体吸附/解吸量与煤体变形之间的关系，预测煤层开采过程中因瓦斯涌出造成煤体变形量，为预防煤与瓦斯突出提供可靠的依据；还可以测定颗粒状煤和块状煤的吸附常数，测试结果更精确科学。
附图说明
图1为本发明多功能煤体吸附/解吸瓦斯参数测定试验装置的结构示意图；
图2为图1中颗粒状煤吸附室和块状煤吸附室的剖视图；
图中，1—高压气瓶、2—减压阀、3—第一阀门、4—第一管路、5—真空泵、6—第二阀门、7—背压阀、8—第三阀门、9—充气室、10—第一压力表、11—第二管路、12—第二压力表、13—第四阀门、14—颗粒状煤吸附室、15—第三管路、16—第三压力表、17—第五阀门、18—块状煤吸附室、19—应变片、20—导线、21—数据采集线、22—计算机、23—阀门控制器、24—水浴箱、25—缸体、26—缸盖、27—圆盖、28—航空插头、29—密封圈、30—整流过滤网、31—进气口、32—块状煤样、33—颗粒状煤样。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
如图1，本发明提供一种多功能煤体吸附/解吸瓦斯参数测定试验装置，包括高压气瓶1、充气室9、颗粒状煤吸附室14、块状煤吸附室18、数据采集仪20及计算机22，高压气瓶1通过第一管路4连接至充气室9，充气室9的两侧分别连通至颗粒状煤吸附室14和块状煤吸附室18。
充气室9通过第一管路4分别连接于高压气瓶1、真空泵5和背压阀7，在本实施例中，高压气瓶1内装的是甲烷气体，真空泵5用于抽去充气室9、颗粒状煤吸附室14和块状煤吸附室18内的气体，背压阀7可实现变梯度降低气体压力。高压气瓶1与充气室9之间的第一管路4上设有减压阀2和第一阀门3，减压阀2用于调节进入充气室9内的气体压力，第一阀门3则用于控制第一管路4打开或关闭。真空泵5与充气室9之间设有第二阀门6，第二阀门6用于控制真空泵5的开关，背压阀7与充气室9之间设有第三阀门8，第三阀门8用于控制背压阀7的开关。打开第一阀门3后，从高压气瓶1出来的气体经减压阀2调节压力后向充气室9内充气，通过充气室9作为中间容纳区，可以使充入颗粒状煤吸附室14和块状煤吸附室18的气体保持平稳的状态。
充气室9安装有第一压力表10，用于监测充气室9内的气体压力，充气室9的一侧通过第二管路11连接于颗粒状煤吸附室14，另一侧通过第三管路15连接于块状煤吸附室18，第二管路11上设有第二压力表12和第四阀门13，第二压力表12用于监测颗粒状煤吸附室14内的气体压力，第四阀门13用于控制第二管路11的接通或关闭。第三管路15上设有第三压力表16和第五阀门17，第三压力表16用于监测块状煤吸附室18内的气体压力，第五阀门17用于控制第三管路15的接通或关闭。数据采集仪20连接于第一压力表10、第二压力表12、第三压力表16及块状煤吸附室18，用于采集数据，并将数据传输给计算机22。
优选的，第一阀门3、第二阀门6、第三阀门8、第四阀门13及第五阀门17均为气动针型阀，背压阀7为气动背压阀，可实现变梯度降压，气动针型阀与减压阀2、气动背压阀及真空泵5的开关集成于阀门控制器23，阀门控制器23与计算机22相连，通过计算机程序可以控制这些阀门或开关打开或关闭，实现试验过程的全自动、程序化控制。
充气室9、颗粒状煤吸附室14及块状煤吸附室18放置于水浴箱24内，水浴箱24连接于数据采集仪20，可控制水浴箱24内的温度，从而为充气室9、颗粒状煤吸附室14及块状煤吸附室18提供温度环境，一般的，水浴箱24控制温度范围为10℃～80℃，温度设定后可自动调节。
颗粒状煤吸附室14内放置有直径0.17～0.25mm的煤粉，块状煤吸附室18内放置有边长为20mm的方形块状煤样，块状煤样18上粘贴有应变片19，应变片19呈T型粘贴，应变片19通过导线21连接于数据采集仪20，从而采集煤样的变形量。
如图1及图2，颗粒状煤吸附室14和块状煤吸附室18的结构基本相同，颗粒状煤吸附室14或/和块状煤吸附室18包括缸体25，缸体25的上方设有缸盖26，缸盖26与缸体25顶面之间设有圆盖27，圆盖27上安装有航空插头28，供应变片19上连接的导线21引出，缸盖26螺接于缸体25的顶部，从而将圆盖27与缸体25锁紧，缸体25的顶部边缘与圆盖27之间设有密封圈29，使两者之间密封起来，防止气体泄露。缸体25内于煤样的上方设有整流过滤网30，整流过滤网30位于进气口31与煤样之间，防止气流紊乱，避免气体吹起颗粒状煤。
本发明多功能煤体吸附/解吸瓦斯参数测定试验装置通过高压气瓶1向充气室9内充气，再通过充气室9向颗粒状煤吸附室14或/和块状煤吸附室18内充气，可以测定在相同气体压力、温度条件下颗粒状煤样33和块状煤样32的吸附/解吸量以及块状煤样32的变形量，测定两者的吸附常数，同一试验装置多功能使用，试验器材结构简单，节省成本。
采用上述多功能煤体吸附/解吸瓦斯参数测定试验装置进行颗粒状煤样和块状煤样吸附量测定试验、块状煤样吸附量与变形量的关系、煤样的吸附常数a，b值的测定试验、块状煤变梯度降压解吸时煤体变形量的测定试验，其试验方法大致包括：
步骤一：制作煤样，制备颗粒状煤样33或/和块状煤样32，分别放置于颗粒状煤吸附室14或/和块状煤吸附室18内。
步骤二：打开高压气瓶1，向计算机22内输入煤样的质量、真密度、视密度、含水率，设置程序参数，使所述计算机自动执行试验步骤，从而测定所需参数，并通过数据采集仪20和计算机22收集数据并分析。
具体进行各个参数测定的试验方法为：
1.相同质量的比表面积不同的煤样在相同条件下的吸附量的测定步骤
以相同质量的颗粒直径0.17～0.25mm的煤粉与边长20mm的方形煤样为例。首先将原煤破碎，用分样筛筛分出直径0.17～0.25mm煤粉，将原煤用切割机成边长为20mm的立方体或柱体煤样，用烘干箱将制作出的试样在烘箱内烘干备用，然后称量立方体或柱体煤样的质量并称量与立方体或柱体煤样质量相同的煤粉，将颗粒状煤样33和块状煤样32分别放入颗粒状煤吸附室14和块状煤吸附室18内。
打开高压气瓶1阀门，然后启动计算机22控制程序，输入煤样的质量、真密度、视密度、含水率，设置程序参数，使计算机程序执行以下步骤(初始状态阀门、减压阀2、背压阀7均为关闭状态)：
(a)打开第二阀门6、第四阀门13和第五阀门17，启动真空泵5脱气，脱气一定时间后，关闭第二阀门6、第四阀门13和第五阀门17，关闭真空泵5；
(b)打开第一阀门3，调节减压阀2，向充气室9内充气，使充气室9内压力为P1，关闭第一阀门3和减压阀2，打开第四阀门13和第五阀门17，向颗粒状煤吸附室14和块状煤吸附室18内充气，使充气压力为P2时，关闭第四阀门13和第五阀门17；
(c)颗粒状煤样33和块状煤样32分别在颗粒状煤吸附室14和块状煤吸附室18内吸附，吸附12小时，即吸附达到平衡后，记录第二压力表12和第三压力表16的数值；
(d)计算机22根据颗粒状煤吸附室14和块状煤吸附室18内瓦斯压力的变化，计算出煤样吸附瓦斯量。通过重复(a)(b)(c)试验过程，改变吸附压力和温度进行不同压力和温度下颗粒状煤和块状煤吸附量的测定试验，探究不同比表面积的煤样瓦斯吸附量关系，通过探究不同粒径煤吸附量的关系，进而预测块状煤的吸附量，可以对整个煤体的瓦斯含量进行更为精确的预测。
2.块状煤样32的吸附量、变形量及其关系的测定步骤
以变成20mm的方形煤样为例。煤样制备方法与上述试验相同，首先将原煤用切割机成边长为20mm的方形煤样，用烘干箱将试样烘干备用，然后称量方形煤的质量，最后在块状煤样32上粘贴应变片19，将煤样放入块状煤吸附室18内，然后将导线21连接至数据采集仪20。
打开高压气瓶1阀门，然后启动计算机控制程序，输入煤样的质量、真密度、视密度、含水率，设置程序参数，使计算机程序执行以下步骤(初始状态阀门、减压阀、背压阀均为关闭状态)：
(a)打开第二阀门6和第五阀门17，启动真空泵5脱气，脱气一定时间后，关闭第二阀门6和第五阀门17，关闭真空泵5；
(b)打开第一阀门3，调节减压阀2，向充气室9内充气，使充气室9内压力为P1，关闭第一阀门3和减压阀2，打开第五阀门17，向块状煤吸附室18内充气，使充气压力为P2时，关闭第五阀门17；
(c)块状煤样32在块状煤吸附室18内吸附，吸附12小时，即吸附达到平衡后，记录第三压力表16的数值；
(d)计算机22根据块状煤样32吸附室内瓦斯压力的变化，计算出煤样吸附瓦斯的含量，同时数据采集仪20测出块状煤样32的变形量，通过重复(a)(b)(c)试验过程，改变吸附压力和温度进行不同压力和温度下块状煤32吸附量和变形量的测定试验，得到块状煤32吸附量与变形量的关系。
进一步的，块状煤样32在吸附平衡后，打开背压阀7，逐渐降低背压阀7的压力，记录压力降低为P3、P4……各压力下解吸平衡时对应的块状煤样32的变形量，测得块状煤样32变梯度解吸煤体的变形量，为探究吸附/解吸过程煤体变形特性提供科学合理的方法。上述试验装置通过测试煤吸附/解吸瓦斯量与煤体变形量之间的关系，预测煤层开采过程中因瓦斯涌出造成煤体变形量，为预防煤与瓦斯突出提供可靠的依据。
3.煤体的吸附常数测定步骤
首先将原煤破碎，用分样筛筛分出直径0.17～0.25mm煤粉，用烘干箱烘箱内烘干备用，称量出质量为25g的煤粉，将颗粒状煤样33放入颗粒状煤吸附室14内。
打开高压气瓶1，然后启动计算机控制程序。输入煤样的质量、真密度、视密度、含水率，设置程序参数，使计算机程序执行以下步骤(初始状态阀门均为关闭状态)：
(a)设定水浴温度为60℃，打开第二阀门6和第四阀门13，启动真空泵5脱气，脱气5小时后，关闭第二阀门6和第四阀门13，关闭真空泵5；
(b)设定水浴温度为30℃，打开第一阀门3，调节减压阀2，使充气室9内的压力为P1，关闭第一阀门3和减压阀2，打开第四阀门13向颗粒状煤吸附室14内充气，充气为P2时关闭第四阀门13；
(c)颗粒状煤吸附室14吸附12小时后吸附达到平衡，记录第二压力表12的数值；
(d)试验过程水浴箱保持为30℃，然后通过增加吸附压力，通过重复(b)、(c)试验步骤，测定N(N≥7)个不同压力下粒状煤样33的吸附量，计算机22根据测点绘制等温吸附曲线，计算出吸附常数a，b值，吸附常数的测定可以预测煤层瓦斯含量，及随压力变化的吸附解吸规律。
同样的，块状煤样32的吸附常数测定与颗粒状煤样33吸附常数测定方法相同，不再一一赘述，通过测试不同粒径煤瓦斯吸附常数，可以更为精确的估算煤层瓦斯含量。
采用上述试验装置及方法可以实现多功能煤吸附解吸瓦斯参数的测定，同一试验装置用于多种试验，且可以根据该装置进行相同条件下不同粒径煤体吸附量的对比，探究粒状煤和块状煤吸附瓦斯量之间的关系，对比分析出粒状煤与块状煤的区别与联系，同时可以分析出煤的吸附量与煤体变形之间的关系，这对煤体瓦斯涌出过程中煤体变形量预测有重要的参考价值，为煤与瓦斯突出提供合理的依据。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。