本发明涉及矿业工程、安全工程科研技术领域，具体的说，是涉及一种参数精确可调的煤粒吸附解吸规律测定装置及方法。
背景技术：
随着国家对资源需求的日益增加，资源开采强度不断加大，煤与瓦斯突出事故逐渐成为影响煤矿安全形势持续好转的主要灾害事故。在瓦斯突出危险性预测防治中，利用煤对瓦斯吸附规律的瓦斯含量法以及利用瓦斯解吸规律的钻屑指标法起到了至关重要的作用。
另外，研究并掌握煤的瓦斯吸附解吸规律，对于煤层瓦斯含量预测、煤层瓦斯抽采以及采动落煤的瓦斯涌出估算等都有着重大的理论指导意义。
然而，由于煤粒瓦斯吸附、解吸条件的多样性、复杂性，问题仍未得到圆满解决，如何测定和掌握特定环境下的瓦斯吸附解吸规律是解决当前煤矿生产不可回避的问题之一。
目前，针对煤粒瓦斯吸附/解吸规律，已开展了大量的研究工作，研制了一系列测定装置，现状如下：
(1)申请号为201610112973.3的中国专利公开了一种多功能煤吸附/解吸瓦斯参数测定试验装置及方法，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，可以测得不同粒径煤体的吸附量，块状煤的吸附量、变形量及其关系以及煤体吸附常数。但该装置在上述参数的测量过程中，吸附平衡压力仅可在煤样吸附平衡后读出，无法预先精确设置。
(2)申请号为201520565699.6的中国专利公开了一种高压气体吸附自动测量装置，该装置包括控制器、显示器、主管路、吸附罐、恒温池、多个气瓶和送气管路等，能够在完全相同的实验条件下,自动完成同种吸附剂对不同吸附质气体的吸附实验。但该装置无法实现吸附平衡压力的自动精确控制。
(3)申请号为201010586189.9的中国专利公开了一种测量材料吸附量的方法及装置，该装置一次可以实现多个试样吸附量的测量，同时还能够对多组份混合气体进行吸附量的测量。但该装置测量方法是通过气体吸附前后的气体压力值，并依据气体状态方程得出各个试样对气体的吸附量，吸附平衡压力无法预先设置。
(4)申请号为的201510907742.7的中国专利公开了一种煤粒特定放散压力下解吸规律测定装置及测定方法，该装置可实现对瓦斯解吸量的实时、准确测定，能有效消除游离瓦斯对瓦斯解吸量测定的影响，为煤粒瓦斯解吸提供稳定的高压放散条件。但该装置解吸放散压力的调节需要通过调节溢流阀螺丝实现，可调范围小，精度低，操作复杂。
(5)《煤矿安全》2007年7月份第36卷7期由曹垚林、富向、蒋清华发表的“wt-2000型瓦斯放散速度测定仪的研制及其在淮南矿区的应用”(第19～22页)一文中第2节中公开了wt-2000型瓦斯放散速度测定仪，该装置利用先进的计算机、压力传感器、工业监控技术，可实现高压吸附下向常压下空间放散的瓦斯放散量、放散速度的连续监控。但该装置仅能实现常压放散条件，放散压力不能调节。
(6)《辽宁工程技术大学学报(自然科学版)》2012年10月份第31卷5期由秦跃平、王健、罗维、王亚茹发表的“定压动态瓦斯解吸规律实验”(第581～585页)一文中第2节中公开了煤粒瓦斯解吸实验装置，该装置主要由通气装置、温度控制系统、等温吸附系统和数据采集与处理系统四部分组成，能够实现恒温定压条件下的瓦斯放散量实时测试。但该装置仅能实现常压放散条件，放散压力不能调节。
综合分析上述单位的吸附/解吸规律测定装置，还存在以下不足之处：
1.上述装置功能较为单一，仅能测定气体的吸附或解吸特性，无法实现气体吸附解吸特征的同时测量；
2.上述装置对气体吸附特征测定中，吸附平衡压力均需在吸附平衡后通过压力表读数确定，无法实现吸附平衡压力的预先设定及精确控制；
3.上述装置对气体解吸特征测定中，多数为常压放散条件，极少数装置可以实现高压放散条件下的瓦斯解吸规律测定，且放散压力可调范围小、精度低，调节繁琐，无法实现放散压力的大范围精确调节。
为了更好的测定和掌握不同吸附平衡压力、放散压力下的瓦斯吸附解吸规律，需要研制一种参数精确可调的煤粒吸附解吸规律测定装置及测定方法，以便更加准确、高效的调节煤样瓦斯吸附平衡压力、放散压力，更加真实模拟煤层吸附解吸环境条件。
技术实现要素：
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种参数精确可调的煤粒吸附解吸规律测定装置。本装置通过设计全新的结构，实现不同赋存条件下煤层瓦斯吸附解吸规律的测定。
为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种参数精确可调的煤粒吸附解吸规律测定装置，包括：
参考罐，所述参考罐用于容纳高压气体；
与所述参考罐通过管路连通的煤样罐，所述煤样罐用于容纳吸附参考罐中高压气体的煤样；
与所述煤样罐通过管路连通的气体计量罐，所述气体计量罐用于容纳来自煤样罐中的气体；
其中，
用于连通参考罐和煤样罐的管路和用于连通煤样罐和气体计量罐的管路上分别安装有电磁阀；
所述参考罐、煤样罐和气体计量罐内部的压力被与各自对应的压力传感器监测，压力传感器将压力信号传递至控制箱，控制箱将信号传递至数据处理单元。
通过控制箱对电磁阀开度的控制作用，可以实现对煤样吸附过程中煤样罐吸附平衡压力、煤样解吸过程中煤样罐放散压力进行实时精确的自动控制。
数据处理单元与控制箱配合可以实现各个罐体内气体量实时采集以及吸附平衡压力和放散压力的精确控制，进而实现任意吸附平衡压力下的煤粒瓦斯的吸附量测定和任意放散压力下的煤粒瓦斯放散量测定。
优选的，参考罐、煤样罐和气体计量罐均浸于恒温水浴箱中，可实现三个罐体在试验过程中温度恒定。
优选的，用于连通参考罐和煤样罐的管路上还安装有气体过滤器。
优选的，用于连通煤样罐和气体计量罐的管路安装有气体过滤器；以防止罐内煤粉随气体进入装置中的精密零件。
优选的，参考罐、煤样罐和气体计量罐均为碳钢材质罐体，可耐压32mpa。
压力传感器分别安装于参考罐、煤样罐、气体计量罐顶部，结合数据处理单元对各个罐体的压力进行实时精确采集，根据理想气体状态方程(pv＝nrt)可推算出罐内实时气体量。根据参考罐在煤样吸附平衡前后的气体量变化即可得到煤粒瓦斯的吸附量；根据气体计量罐内气体量化，即可得到相应试验条件下受游离瓦斯影响情况下的煤粒瓦斯放散量，通过测定相同试验条件下相同体积、相同粒径不吸附物质(如石英砂)瓦斯放散量，可以排除游离瓦斯影响，最终获得煤粒瓦斯放散量。
在提供上述结构方案的同时，本发明还提供了一种利用上述装置的方法，主要报如下步骤：
(1)系统初始化；各压力传感器、电磁阀以及进行参数采集的电脑均接入控制箱对应接口，利用参数采集数据处理单元检查压力传感器是否正常可用，各压力传感器正常的情况下方可继续试验；
(2)气密性检查；关闭计量罐出气口阀门，将真空泵、高压气瓶先后连接煤样罐进气口阀门，对整套装置进行负压、高压下的气密性检查；
(3)气密性满足要求后，称取一定质量煤样装入煤样罐，上覆脱脂棉，将整套装置放入恒温水浴中，之后对整套测定装置进行真空脱气处理；
(4)参考罐进气口连接高压气瓶，对参考罐充入高压气体，之后关闭参考罐进气口阀门，待压力平稳后通过数据处理单元获取参考罐压力pc1；
(5)通过数据处理单元设定煤样吸附平衡压力p1，通过控制箱开启电磁阀启动吸附过程，煤样罐内煤样开始吸附参考罐内气体，控制箱依据煤样罐压力实时控制参考罐与煤样罐之间的电磁阀开度，以保持煤样罐内压力p1稳定，直至p1不再变动，此时数据处理单元自动采集到参考罐压力pc2；
(6)通过数据处理单元设定放散压力p2及采集时间t，通过控制箱启动解吸过程，煤样罐内解吸气体开始放散至气体计量罐，控制箱依据煤样罐压力实时控制煤样罐与气体计量罐之间的电磁阀开度，以保持煤样罐内压力p2稳定；数据处理单元自动实时采集气体计量罐内压力，直至达到设定时间t，放散过程结束；
(7)将煤样罐内煤样换成相同体积、相同粒径的不吸附物质(如石英砂)，重复步骤(6)，直至达到放散时间t时，数据处理单元自动采集气体计量罐内实时压力；
(8)测定完毕，将装置内高压气体释放，将煤样罐内的石英砂取出，并妥善安置装置及辅助设备。
上述方法中，优选的是，依据步骤(4)和步骤(5)中测得的参考罐在煤粒吸附平衡前后的压力pc1、pc2，依据理想气体状态方程：pv＝nrt；即可得到煤样在设定的吸附平衡压力p1下吸附量n1；
其中p为罐内气体压强，v为罐内气体体积，n为罐内气体物质的量，r为普适气体常量，t为绝对温度。
上述方法中，优选的是，依据步骤(6)测得的气体计量罐内压力，即可得到煤样在放散压力p2下煤粒瓦斯放散量与游离瓦斯放散量之和。
依据步骤(7)测得的气体计量罐内实时压力，即可得到放散压力p2下游离瓦斯放散量。
上述方法中，优选的是，将步骤(6)得到的煤粒瓦斯放散量与游离瓦斯放散量之和与步骤(7)得到的游离瓦斯放散量作差，即可得到煤样在放散压力p2下煤粒瓦斯解吸量。
本发明中，与瓦斯变化量相关的理想气体状态方程为：pv＝nrt，其中p为罐内气体压强，v为罐内气体体积，n为罐内气体物质的量，r为普适气体常量，t为绝对温度。
本发明的具体原理为，试验前通过数据处理单元设置吸附平衡压力p1、放散压力p2，吸附试验过程中，数据处理单元通过压力传感器采集各罐体压力，并实时比较煤样罐压力p与吸附平衡压力设定值p1大小关系；
当p＜p1时，数据处理单元通过控制箱控制参考罐和煤样罐之间电磁阀打开，参考罐内高压气体对煤样罐内气体进行补充，直至p＝p1，数据处理单元通过控制箱控制该电磁阀关闭，从而使吸附平衡压力稳定在设定值p1；
解吸试验过程中，数据处理单元通过压力传感器采集各罐体压力，并实时比较煤样罐压力p与放散设定值p2大小关系，当p＞p2时，数据处理单元通过控制箱控制煤样罐和气体计量罐之间电磁阀打开，煤样罐气体进入气体计量罐，直至p＝p2，数据处理单元通过控制箱控制该电磁阀关闭，从而使放散压力可以稳定到设定值p2。
所述的压力传感器为高精度压力传感器，精度高，采集频率高。
所述的电磁阀为适用于气体的碳钢双向电磁阀，流量大，响应时间短。
所述的控制箱为电磁阀控制单元与压力传感器采集板卡的集成产品，信号稳定。
所述的数据处理单元与所述控制箱通过电压信号建立联系，可以基于压力传感器采集到的罐体压力，实时比较煤样罐压力与设定值之间的大小关系，控制电磁阀开度。
采用了上述结构后，本发明可同时实现对煤样瓦斯吸附量、解吸量的精确测定，且可以精确调控吸附平衡压力、放散压力，为煤样瓦斯放散提供稳定、可调的吸附解吸环境，同时具有自动化程度高、操作方便的特点。
本发明的有益效果：
1.本发明可实现吸附平衡压力、放散压力的精确控制，继而实现任意吸附平衡压力下的吸附规律测定和任意放散压力下的解吸规律测定。
2.本发明可以同时满足煤样吸附、解吸规律的测定，实现了煤样一次吸附、多个参数测定的目的，提升了试验效率，节约了试验时间。
3.本发明采用与煤样相同体积、相同粒径的不吸附物质做相同条件下的放散测试，通过对比，可有效消除游离瓦斯体积、覆存状态对瓦斯解吸量测定的影响。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
其中，1.参考罐，2.煤样罐，3.气体计量罐，4.气体过滤器，5.恒温水浴箱，6.压力传感器，7.电磁阀，8.控制箱，9.数据处理单元。
实施例：
如图1所示：一种参数精确可调的煤粒吸附解吸规律测定装置，该装置主要包括吸附解吸系统、温度控制系统、采集控制系统。
吸附解吸系统主要包括参考罐1、煤样罐2、气体计量罐3、气体过滤器4，是煤样瓦斯吸附、解吸的主要空间场所，三个罐体分别通过密闭的管路连通。
参考罐1内高压气体用于被煤样罐2内煤样吸附，实现煤样瓦斯吸附功能；煤样罐2内吸附饱和后的煤样解吸气体进入气体计量罐3，实现煤样瓦斯的解吸功能。
煤样罐2进气口、出气口分别连接气体过滤器4，以防止罐内煤粉随气体进入装置中的精密零件。
3个压力传感器6分别安装于参考罐1、煤样罐2、气体计量罐3顶部，结合数据处理单元9对各个罐体的压力进行实时精确采集，根据理想气体状态方程可推算出罐内气体量。
参考罐1、煤样罐2、气体计量罐3为碳钢材质罐体，可耐压32mpa。
温度控制系统主要包括恒温水浴箱5，恒温水浴箱5可以将参考罐1、煤样罐2、气体计量罐3完全浸入恒温水中，实现试验过程的温度恒定。
采集控制系统主要包括压力传感器6、电磁阀7、控制箱8、数据处理单元9，可以实现各个罐体内气体量实时采集以及吸附平衡压力和放散压力的精确控制，进而实现任意吸附平衡压力下的煤粒瓦斯的吸附量测定和任意放散压力下的煤粒瓦斯放散量测定。
根据参考罐1在煤样吸附平衡前后的气体量变化即可得到煤粒瓦斯的吸附量。
根据气体计量罐3内气体量随时间变化，即可得到相应试验条件下受游离瓦斯影响情况下的煤粒瓦斯放散量。
通过测定相同试验条件下相同体积、相同粒径不吸附物质(如石英砂)瓦斯放散量，可以排除游离瓦斯影响，最终获得煤粒瓦斯放散量。
电磁阀7分别安装于参考罐1和煤样罐2之间、煤样罐2和气体计量罐3之间，结合数据处理单元9和压力传感器6对罐内压力的采集，通过控制箱8对电磁阀7开度的控制作用，可以实现对煤样吸附过程中煤样罐吸附平衡压力、煤样解吸过程中煤样罐放散压力进行精确的自动控制。其具体原理与过程为：
试验前通过数据处理单元9设置吸附平衡压力p1、放散压力p2。
吸附试验过程中，数据处理单元通过压力传感器6采集各罐体压力，并实时比较煤样罐压力p与吸附平衡压力设定值p1大小关系，当p＜p1时，数据处理单元9通过控制箱8控制参考罐1和煤样罐2之间电磁阀7打开，参考罐1内高压气体对煤样罐2内气体进行补充，直至p＝p1，数据处理单元9通过控制箱8控制该电磁阀7关闭，从而使吸附平衡压力稳定在设定值p1。
本发明中，与瓦斯变化量相关的理想气体状态方程为：pv＝nrt，其中p为罐内气体压强，v为罐内气体体积，n为罐内气体物质的量，r为普适气体常量，t为绝对温度。
例如，对瓦斯吸附量进行测定时，将参考罐1进气口连接高压气瓶，对参考罐1充入高压气体，之后关闭参考罐1的进气口阀门，待压力平稳后通过压力传感器6和数据处理单元9获取参考罐1的压力pc1；将pc1带入公式pv＝nrt，得出参考罐内的气体物质的量nc1。
然后，通过数据处理单元9设定煤样吸附平衡压力p1，开启参考罐1和煤样罐2之间的电磁阀7，启动吸附过程。煤样罐2内煤样开始吸附参考罐1内气体，数据处理单元9采集煤样罐2的压力，实时控制参考罐与煤样罐之间的电磁阀7开度，以保持煤样罐2内压力稳定，直至达到吸附平衡，此时数据处理单元9自动采集参考罐1压力pc2；
将pc2带入公式pv＝nrt，得出参考罐1内的气体物质的量nc2；
再将p1带入公式pv＝nrt，得出煤样罐2内的气体物质的量n1；
则煤样在设定的吸附平衡压力p1下吸附量np1＝nc1-nc2-n1。
解吸试验过程中，数据处理单元9通过压力传感器6采集各罐体压力，并实时比较煤样罐2压力p与放散设定值p2大小关系，当p＞p2时，数据处理单元9通过控制箱8控制煤样罐2和气体计量罐3之间电磁阀7打开，煤样罐2气体进入气体计量罐3，直至p＝p2，然后数据处理单元9通过控制箱8控制煤样罐2与气体计量罐3之间的电磁阀7关闭，从而使煤样罐2内的压力稳定在设定值p2。
同时，数据处理单元9自动采集气体计量罐3内实时压力p3，直至达到设定时间t，放散过程结束。
将p3带入公式pv＝nrt，得出煤粒瓦斯放散量与游离瓦斯放散量之和n3。
接下来，将煤样罐2内的煤样置换为不吸附瓦斯的物质，例如石英砂。然后将抽了真空的煤样罐2安装到测试装置上，再次将煤样罐2内的压力加大至p1。
第二次开启煤样罐2和气体计量罐3之间的电磁阀7，数据处理单元9依据煤样罐2压力实时控制煤样罐2与气体计量罐3之间的电磁阀7开度，以保持煤样罐2的放散压力降低到p2时煤样罐2和气体计量罐3之间的电磁阀7关闭。同时，数据处理单元9自动采集气体计量罐3内实时压力p4，直至达到设定时间t，放散过程结束。
将p4带入公式pv＝nrt，得出游离瓦斯放散量n4。
则煤样在放散压力p2下煤粒瓦斯解吸量n5＝n3-n4。
需要特别说明的一点在于，解吸试验过程中，给煤样罐2两次加压时的压力p应当相同。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现，未予以详细说明和局部放大呈现的部分，为现有技术，在此不进行赘述。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和特点相一致的最宽的范围。