煤壁涂料的气密性测试装置及其气密性测试方法与流程

本发明涉及气密性测试装置及气密性测试方法技术领域，尤其涉及一种煤壁涂料的气密性测试装置及其气密性测试方法。

背景技术：

我国是一个产煤大国，煤矿开采过程中巷道瓦斯涌出会造成瓦斯资源浪费严重、井下安全作业等问题。除了通风之外，众多企业以涂料喷涂煤壁的方式降低并减缓瓦斯排放。煤壁涂料的核心指标是气密性能。

目前市面上有不少用于气密性测试的装置，如专利201520074737.8和201520055291.4公开了用于包装材料的透气性测试装置；GB/T7755-2003公开了一种用于硫化橡胶或热塑性橡胶透气性的测定方法和装置；GB/T 1038-2000公开了一种用于塑料薄膜和薄片的气体透过性试验方法；济南兰光机电技术有限公司开发了用于薄膜试样气体透过性的系列测试仪。现有技术在对煤壁涂料的气密性进行测试时，往往使用用于测试薄膜或片层材料气密性的装置来实现。然而，由于煤矿井下煤壁涂料材质及检测环境的不同，因此，通过这些装置来对煤壁涂料的气密性进行测试时，使得测试结果可能并不准确。

技术实现要素：

本发明的目的是解决目前用薄膜或片层材料气密性的装置来测试煤壁涂料的气密性，容易导致测试结果不准确的技术问题，提供一种煤壁涂料的气密性测试装置及其气密性测试方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种煤壁涂料的气密性测试装置，包括空气钢瓶和U型玻璃管压差计，它还包括气密性测试筒；所述气密性测试筒包括法兰、螺栓、垫片、螺母、煤粒、气体分布器、筒体和压力计；所述气体分布器设置于筒体的底部且气体分布器的进气口与筒体的进气口连接；所述煤粒均匀填充在筒体内并位于气体分布器的上面；所述法兰设在筒体的顶部，并通过螺栓、垫片和螺母将所述筒体与法兰密封连接；所述压力计设在筒体的侧壁上；法兰上设置的出气口与U型玻璃管压差计的进气口通过第二软管连接；所述空气钢瓶的出气口通过第一软管和进气阀与筒体的进气口连接。

可选地，所述筒体为圆柱形，其直径为133mm，高度为125mm，厚度为4mm。

可选地，所述筒体中填充煤粒的高度为115mm，煤粒的粒径为1-5mm。

一种应用于上述煤壁涂料的气密性测试装置的气密性测试方法，其包括以下步骤：

第一步，喷涂涂料：将待测涂料样本喷涂于煤粒上表面，并使待测涂料样本的厚度达到2-5mm，待待测涂料样本固化、表面无裂缝，并与筒体内壁贴合后，形成涂料层；

第二步，在涂料层上放置一个或多个与筒体横截面积相同或小于筒体横截面积的铁片，所述铁片上设置有至少一个孔；将法兰盖在筒体上，所述法兰与铁片紧密贴合，用螺栓、垫片和螺母将法兰与筒体密封连接；

第三步，打开空气钢瓶和进气阀，对筒体迅速充气至筒体初始压强P₀，关闭空气钢瓶和进气阀，其中P₀＝mP₁，m的值为1.5-3，P₁表示U型玻璃管压差计左管的初始压强，其值为大气压；记录U型玻璃管压差计左管的初始液面刻度H₁；根据U型玻璃管压差计左管的空气高度和直径计算U型玻璃管压差计左管空气的初始体积M；根据筒体体积和煤粒体积确定筒体内的气体体积N，其中，筒体内的气体体积N与U型玻璃管压差计左管空气的初始体积M之间的比值为10:1-18:1，以保证涂料层两侧的压差；

第四步，筒体内的气体通过涂料层向与法兰上设置的出气口连接的第二软管中渗透，等U型玻璃管压差计中的液面高度稳定后，记录U型玻璃管压差计左管的最终液面刻度H₂和渗透时间t'，并通过公式ΔH'＝H₁-H₂计算U型玻璃管压差计左管的液面刻度变化量ΔH'；

第五步，多次重复上述第一步至第四步，获得多个U型玻璃管压差计左管的液面刻度变化量ΔH'、多个U型玻璃管压差计左管空气的初始体积M、多个筒体内的气体体积N和多个渗透时间t'；

第六步，计算多个液面刻度变化量ΔH'的平均值，得到液面刻度变化量的平均值ΔH；计算多个初始体积M的平均值，并将其平均值作为初始体积V₁；计算多个筒体内的气体体积N的平均值，并将该平均值作为筒体内的气体体积V₀；计算多个渗透时间t'的平均值，并将该平均值作为渗透时间t；

第七步，通过公式V₁'＝V₁+ΔHA计算U型玻璃管压差计左管空气的最终体积V₁'，A表示U型玻璃管压差计左管的横截面积；通过公式P₁'＝P₁+2ρgΔH计算U型玻璃管压差计左管的最终压强P₁'，ρ表示U型玻璃管压差计中的液体密度；g表示重力加速度；

第八步，通过公式计算气体渗透增加空气的摩尔数Δn，R表示摩尔气体常数；T表示温度；

第九步，通过公式计算筒体压降ΔP，并根据公式P₀'＝P₀-ΔP计算筒体最终压强P₀'；

第十步，通过公式计算渗透过程中的平均压差ΔP_mean；

第十一步，通过公式计算温度T下的气体渗透系数k，N_A表示阿伏伽德罗常数；d表示涂料层的厚度；S表示涂料层能透气面积，即涂料层上方的铁片上设置的至少一个孔的面积及铁片未覆盖涂料层的面积之和。

本发明采用上述技术方案，提供一种可以用于模拟煤矿井下瓦斯气体从煤壁涌出后通过涂料层向巷道内渗透过程的煤壁涂料的气密性测试装置及方法。本发明相对背景技术而言，所用气密性测试装置体积小、设备投入低、操作简单。另外，与现有的通过薄膜/片层材料气密性测试装置测试煤壁涂料气密性的方法相比，测试费少，检测成本很低，非常适合煤壁涂料气密性的实验室测试研究。另外，本发明通过在筒体内填充煤粒，使得测试过程能够模拟矿井实际情况，从而通过该煤壁涂料的气密性测试装置测试煤壁涂料的气密性的测试结果比较准确，确保可以为煤矿井下巷道壁面提供其适合使用的涂料。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

实施例1

如图1所示，本实施例中的煤壁涂料的气密性测试装置，包括空气钢瓶1和U型玻璃管压差计13，其中，它还包括气密性测试筒；所述气密性测试筒包括法兰4、螺栓6、垫片7、螺母8、煤粒9、气体分布器10、筒体11和压力计14；所述气体分布器10设置于筒体11的底部且气体分布器10的进气口与筒体11的进气口连接；所述煤粒9均匀填充在筒体11内并位于气体分布器10的上面；所述法兰4设在筒体11的顶部，并通过螺栓6、垫片7和螺母8将所述筒体11与法兰4密封连接；所述压力计14设在筒体11的侧壁上；法兰4上设置的出气口与U型玻璃管压差计13的进气口通过第二软管12连接，所述空气钢瓶1的出气口通过第一软管2和进气阀3与筒体11的进气口连接。

可选地，所述筒体11为圆柱形，其直径为133mm，筒体11的高度为125mm，筒体的厚度为4mm，筒体11中填充煤粒9的高度为115mm，所述煤粒9的粒径为1-5mm。

上述煤壁涂料的气密性测试装置测试煤壁涂料气密性的方法，包括以下步骤：

第一步，喷涂涂料：将待测涂料样本喷涂于煤粒上表面，并使待测涂料样本的厚度达到2-5mm，待待测涂料样本固化、表面无裂缝，并与筒体内壁贴合后，形成涂料层(即图1中的5)；

第二步，在涂料层上放置一个或多个与筒体横截面积相同或小于筒体横截面积的铁片，所述铁片上设置有至少一个孔；将法兰盖在筒体上，所述法兰与铁片紧密贴合，用螺栓、垫片和螺母将法兰与筒体密封连接；

第三步，打开空气钢瓶和进气阀，对筒体迅速充气至筒体初始压强P₀，关闭空气钢瓶和进气阀，其中P₀＝mP₁，m的值为1.5-3，P₁表示U型玻璃管压差计左管的初始压强，其值为大气压；记录U型玻璃管压差计左管的初始液面刻度H₁；根据圆柱形U型玻璃管压差计左管的空气高度和直径计算U型玻璃管压差计左管空气的初始体积M，其中，U型玻璃管压差计左管空气的初始体积M通过U型玻璃管压差计左管的横截面积与U型玻璃管压差计左管的空气高度相乘得到；根据筒体体积和煤粒体积确定筒体内的气体体积N，其中，筒体内的气体体积N与U型玻璃管压差计左管空气的初始体积M之间的比值为10:1-18:1，以保证涂料层两侧的压差，具体筒体内的气体体积N的计算方法为筒体体积减去煤粒体积；

其中，煤粒体积确定方法为：将筒体内填充的煤粒倒入标有刻度的容器中，然后向容器中加水直至水没过煤粒上表面并达到指定刻度，用该指定刻度减去加入水的体积即为煤粒体积；例如，将填入筒体内一定高度的煤粒倒入标有刻度的200ml的烧杯中，向烧杯中加水直至水没过煤粒上表面并达到200ml，如果这个过程加入了150ml水，则可以确定煤粒体积为50ml；

第四步，筒体内的气体通过涂料层向与法兰上设置的出气口连接的第二软管中渗透，等U型玻璃管压差计中的液面高度稳定后，记录U型玻璃管压差计左管的最终液面刻度H₂和渗透时间t'，并通过公式ΔH'＝H₁-H₂计算U型玻璃管压差计左管的液面刻度变化量ΔH'；

第五步，多次重复上述第一步至第四步，获得多个U型玻璃管压差计左管的液面刻度变化量ΔH'、多个U型玻璃管压差计左管空气的初始体积M、多个筒体内的气体体积N和多个渗透时间t'；

第六步，计算多个液面刻度变化量ΔH'的平均值，得到液面刻度变化量的平均值ΔH；计算多个初始体积M的平均值，并将其平均值作为初始体积V₁；计算多个筒体内的气体体积N的平均值，并将该平均值作为筒体内的气体体积V₀；计算多个渗透时间t'的平均值，并将该平均值作为渗透时间t；

第七步，通过公式V₁'＝V₁+ΔHA计算U型玻璃管压差计左管空气的最终体积V₁'，A表示U型玻璃管压差计左管的横截面积；通过公式P₁'＝P₁+2ρgΔH计算U型玻璃管压差计左管的最终压强P₁'，ρ表示U型玻璃管压差计中的液体密度；g表示重力加速度；

第八步，通过公式计算气体渗透增加空气的摩尔数Δn，R表示摩尔气体常数；T表示温度；

第九步，通过公式计算筒体压降ΔP，并根据公式P₀'＝P₀-ΔP计算筒体最终压强P₀'；

第十步，通过公式计算渗透过程中的平均压差ΔP_mean；

第十一步，通过公式计算温度T下的气体渗透系数k，N_A表示阿伏伽德罗常数；d表示涂料层的厚度；S表示涂料层能透气面积，即涂料层上方的铁片上设置的至少一个孔的面积及铁片未覆盖涂料层的面积之和。

实施例2

本实施例中的煤壁涂料的气密性测试装置与实施例1中的相同。

本实施例中的测试煤壁涂料气密性的方法，包括以下步骤：通过上述实施例1中所述的方法对上述气密性测试方法进行实验。在实验时，本实施例以待测涂料样本为60％超细粉涂料为例进行说明。

第一步，喷涂涂料：将粒径为2.18μm的超细粉煤灰60g、标号为325的矿渣硅酸盐水泥20g、氯化石蜡8g、氢氧化铝4g、硼酸锌3g、石墨3g、导电炭黑2g混匀即为粉料，取S400F型苯丙乳液50g和水25g在烧杯中低速搅拌2min后，再加入上述粉料，继续以600r/min的转速匀速搅拌15min后即制备得到待测涂料样本；将制备好的待测涂料样本均匀地倒在煤粒表面，并使待测涂料样本的厚度达到2.8mm，待待测涂料样本固化、表面无裂缝，并与筒体内壁贴合紧密贴合后，形成涂料层。

第二步，在涂料层上放置一个与筒体横截面积相同或小于筒体横截面积的铁片，所述铁片上设置有至少一个孔；将法兰盖在筒体上，所述法兰与铁片紧密贴合，用螺栓、垫片和螺母将法兰与筒体密封连接。

其余步骤采用与实施例1中的步骤相同，其中，筒体内的气体体积N与U型玻璃管压差计左管空气的初始体积M之间的比值为15:1。

本实施例测试过程中得到的各参数及计算结果见表一。

表一

有表一可知，该实施例中测得的待测涂料样本的气体渗透系数k为6.29×10¹³m^-1s^-1Pa^-1，根据表一中P与k之间的换算公式，将k换算为P的值为3.12×10^-10cm²s^-1cmHg^-1，该计算结果与山东济南兰光机电技术有限公司包装安全检测中心的测试数据P为3.84×10^-10cm²s^-1cmHg^-1基本接近。

实施例3

本实施例中的煤壁涂料的气密性测试装置与实施例1中的相同。

本实施例中的测试煤壁涂料气密性的方法，包括以下步骤：

第一步，喷涂涂料：将标号为325的矿渣硅酸盐水泥80g、氯化石蜡8g、氢氧化铝4g、硼酸锌3g、石墨3g、导电炭黑2g混匀即为粉料，取S400F型苯丙乳液50g和水25g在烧杯中低速搅拌2min后，再加入上述粉料，继续以600r/min的转速匀速搅拌15min后即制备得到待测涂料样本；将制备好的待测涂料样本均匀地倒在煤粒表面，并使待测涂料样本的厚度达到2.1mm，待待测涂料样本固化、表面无裂缝，并与筒体内壁贴合紧密贴合后，形成涂料层；

第二步，在涂料层上放置三个与筒体横截面积相同或小于筒体横截面积的铁片，所述铁片上设置有至少一个孔；将法兰盖在筒体上，所述法兰与铁片紧密贴合，用螺栓、垫片和螺母将法兰与筒体密封连接。

其余步骤采用与实施例1中的步骤相同，其中，筒体内的气体体积N与U型玻璃管压差计左管空气的初始体积M之间的比值为16:1。

本实施例测试过程中得到的各参数及计算结果见表二。

表二

由表二可知，该实施例中测得的待测涂料样本的气体渗透系数k为1.92×10¹⁴m^-1s^-1Pa^-1，根据表二中P与k之间的换算公式，将k换算为P的值为9.54×10^-10cm²s^-1cmHg^-1，该计算结果与山东济南兰光机电技术有限公司包装安全检测中心的测试数据P为10.67×10^-10cm²s^-1cmHg^-1基本接近。