一种煤与瓦斯突出的检测装置和检测方法与流程

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本发明涉及一种煤与瓦斯突出的检测装置和检测方法，具体涉及一种基于高速摄像机采集信息的煤与瓦斯突出装置和方法。属于预测煤与瓦斯的突出危险性领域。

背景技术：

目前，煤与瓦斯突出是造成矿井灾害的主要因素之一，煤与瓦斯突出机理是我国高瓦斯矿井安全生产亟待突破的科学问题，是国家能源安全的重要战略需求和突破方向。因此研究煤与瓦斯突出机理（煤与瓦斯的运移）能够从根本上了解其原因而从更深刻的角度解决问题。

瓦斯是由煤化作用形成的赋存于煤层中以甲烷为主的混合气体，煤与瓦斯突出是指煤矿生产过程中从煤层、岩层及采空区放出的各种有害气体在工作面上富集并涌出从而引发瓦斯爆炸的煤矿灾害。

煤与瓦斯突出发生的机理与形式是复杂的，随着煤矿开采深度的增加，以及开采条件日益复杂化，煤与瓦斯突出的发生也更加难预测，现行大都是对煤与瓦斯突出的检测报警系统的研究，但是其预测结果并不能完全代表整个预测范围内煤的突出危险性，含煤瓦斯体在生产过程中是不稳定的，在预测时取得的结果只是静态的，并不能完全代表煤体稳定前整个时期的突出危险性。目前国内外学者对煤与瓦斯突出的机理研究已取得一些成果，但是绝大部分成果是现场统计资料及实验室研究提出的假说。。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种结构简单，可记录、分析煤与瓦斯突出发展过程中的运移情况、影响规律及影响机制的煤与瓦斯突出的检测装置和检测方法，利用高速成像对煤与瓦斯突出发展过程进行定性、定量的描述。

本发明提供了一种煤与瓦斯突出的检测装置，包括高速摄像机、信息采集装置以及试样罐；

所述试样罐置于恒温水浴中，所述试样罐可用于装载具有瓦斯吸附性的煤样或不具有瓦斯吸附性的岩样样品，试样罐分别连接温度控制装置、压力控制阀和高精度压力表，所述温度控制装置由温度控制器和控制开关组成；试样罐上还装有管路控制阀门；

试样罐的一端固定连接圆锥形筒，圆锥形筒上带有刻度，高速摄像机设置在圆锥形筒的开口处正对面，高速摄像机与信息采集装置连接，通过高速摄像机成像运用计算机数据处理，即可计算出瓦斯各时刻突出的体积及突出的状态；所述带有刻度的圆锥形筒管内部设有应变片瞬时测力器；应变片瞬时测力器能测定出煤碰撞应变片瞬间的力值，结合高速摄像机采集的碰撞角度分析计算喷出瞬间的力值。

所述的带有刻度的圆锥形筒，与试样罐连接，筒管的一端较细，而另外一端直径较大的，充分地还原了在真实的煤岩开采过程中遇到的煤与瓦斯突出与释放的过程，减少了在实验过程中对实验采集的数据真实性、有效性的其他影响因素。

上述装置中，所述装岩样样品试样罐中的岩样具有与装煤试样罐中的煤样样品相同的密度、粒径大小，但无吸附性，以岩样样品作对比进行煤与瓦斯突出模拟实验，排除其他因素的干扰，使实验的结论更有说服力。

上述装置中，所述的高精度压力表，采用精确度为小数点后三位的数字压力表，尽可能减少误差的影响，以便准确记录试样罐中的压力。

上述装置中，所述的压力控制阀，能对阀门进行压力设置，使其达到压力的预定设置值时，控制阀门自动开启，使煤样中的瓦斯从其薄弱点突出。

上述装置中，所述的圆锥形筒由透明的有机材料制成，便于高速摄像机对煤与瓦斯突出瞬态的图像信息的采集。

上述装置中，所述的应变片瞬时测力器均匀设置在圆锥形筒中，且与圆锥形筒的轴线方向垂直设置。

本发明提供了一种煤与瓦斯突出的检测方法，采用上述煤与瓦斯突出的检测装置，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、煤样的选取与破碎：采集现场煤层的煤样严密封装，在实验室进行破碎，用标准筛对破碎后的煤样进行筛分，使煤样的粒径在0.2-0.25mm之间；

步骤2、通过荧光染料对破碎的煤进行染色，得到荧光煤，使高速摄像机能更加清晰的采集图像信息，采集的信息更加准确，辨识度更高；

步骤3、将煤样装入空试样罐中，经煤样死空间测定装置进行测定，得到装煤试样罐死空间v煤死；

步骤4、在圆锥形筒中安装瞬时测力器，检查系统确保连接的可靠，将恒温水浴调整到预定值30℃；

步骤5、高速摄像机的安装与调试：按照设定的实验目的和实验场景放置目标物，同时根据光线强弱对图像采集的摄像机进行曝光和增益的调整，以达到实验的目标；

步骤6、打开第一管路控制阀门与气体减压阀进行充气，充气完毕后，将通过第一管路控制阀门向装煤试样罐以1ml/min的速率充入ch4高压气源，使装煤试样罐中的煤粉处于吸附平衡状态，当试样罐中瓦斯压力达到一定值时，自动控制压力阀门打开瞬间，突出的煤与瓦斯气体经过连接在试样罐一端的带有刻度的圆锥筒管释放出来；

步骤7、采用高速摄像机视觉成像技术多角度地将荧光煤的碰撞角度α、瓦斯各个突出气体体积q信息的采集，全面准确记录煤与瓦斯突出发展过程中的运移情况；

步骤8、采集装煤试样罐中的气体量q1与时间t的数据传送到计算机信息采集装置中，然后做出q-t图；采集各时刻的瞬时测力器上的力值f；

步骤9.整理实验记录，根据实际气体状态方程pv=nrtz，分析计算数据；根据荧光煤的碰撞角度α及碰撞后的路径分析计算出突出瞬间的力值f0及突出时的角度α0=α；

步骤10.将试样罐中的煤样替换为与煤样具有相同的密度、粒径大小，但无吸附性的岩样样品，使装岩样样品的试样罐的死空间满足v岩死=v煤死，重复上述步骤。

上述检测方法中，所述的荧光煤，通过荧光染料对粒径在0.2-0.25mm之间的煤进行染色，染色后可使煤呈现出颜色，便于高速摄像机信息收集，且不改变煤的其他性质。

上述检测方法中，所述煤样死空间测定装置包括u型管、装煤试样罐和甲烷高压气源，甲烷高压气源出口设有第一管路控制阀门，装煤试样罐与真空泵连接的管道上设有第二管路控制阀门，装煤试样罐和甲烷高压气源连通且连通管道上设有减压阀；u型管由底部连通的第一直管和第二直管组成，通过调节第一直管和第二直管的相对高度来调节u型管内液面的高度。第一直管和第二直管底部的连通管上设有第四管路控制阀门，装煤试样罐与u型管的第二直管连接且通过第三管路控制阀门控制其开闭；

煤样死空间测定方法为：

首先在u型管内通过排水法收集200ml的氦气（u型管液面的起始位置为200），量筒中装有红色液体，液体上方为收集的氦气。

打开真空泵对装煤试样罐进行脱气，脱气完毕后装煤试样罐中处于负压状态，关闭第二管路控制阀门；

打开u型管的第三、第四管路控制阀门，此时试样罐中为负压，量筒中的氦气在负压作用下会进入到试样罐中，认为氦气占据了试样罐的死空间，调节u型管第一直管和第二直管的相对位置，使得在进氦气的过程中u形管两端液面时刻保持持平，设液面终止高度为v终，则进入试样罐中氦气体积就是200-v终（ml）；

当量筒内的氦气不再进入试样罐时，调整u型管的高度使u型管第一直管和第二直管左右液面高度一致，关闭u型管第三、第四管路控制阀门，读取u型管内液面终止所在高度，可得到进入试样罐中的氦气的体积，即为装煤试样罐死空间v煤死。

本发明的高速成像系统，是一种采用机器视觉成像技术将荧光染料处理过的煤与瓦斯突出的瞬态信息采集，运用图像直观的反映出来，全面准确记录、分析荧光染料处理过的煤与瓦斯突出发展过程中的运移情况、影响规律及影响机制。该方法以高速成像为基础，完成突出时的成像过程，更精确可靠地提取突出薄弱点及突出时的运移特性信息，针对其图像可进行分析，并且可对突出过程进行建模。

本发明的有益效果：

本发明采用高速摄像机视觉成像技术将瓦斯突出位置的信息采集，运用图像直观的反映出来，全面准确记录、分析煤与瓦斯突出发展过程中的运移情况、影响规律及影响机制。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的试样罐死空间（试样罐体积除去煤样的体积后所剩余的体积）测定与ch4高压气源示意图。

图3为本发明的试样罐中的气体量q随时间t的变化示意图。

图中：1为高速摄像机，2为信息采集装置，3为试样罐，4为恒温水浴，5为温度控制器，6为控制开关，7为压力控制阀，8为高精度压力表，9为圆锥形筒，10为应变片瞬时测力器，11为第一管路控制阀门，12为高压气源，13为第二管路控制阀门，14为真空泵，15为减压阀，16为第一直管，17为第二直管，18为第四管路控制阀门，19为第三管路控制阀门，20为荧光剂试样；a为水，b为氦气。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例：

一种煤与瓦斯突出的检测装置，包括高速摄像机1、信息采集装置2以及试样罐3；

所述试样罐3置于恒温水浴4中，所述试样罐3可用于装载具有瓦斯吸附性的煤样或不具有瓦斯吸附性的岩样样品，试样罐3分别连接温度控制装置、压力控制阀7和高精度压力表8，所述温度控制装置由温度控制器5和控制开关6组成；试样罐3上还装有管路控制阀门；

试样罐3的一端固定连接圆锥形筒9，圆锥形筒9上带有刻度，高速摄像机1设置在圆锥形筒9的开口处正对面，高速摄像机9与信息采集装置2连接，通过高速摄像机9成像运用计算机数据处理，即可计算出瓦斯各时刻突出的体积及突出的状态；所述带有刻度的圆锥形筒管内部设有应变片瞬时测力器10；应变片瞬时测力器10能测定出煤碰撞应变片瞬间的力值，结合高速摄像机1采集的碰撞角度分析计算喷出瞬间的力值。

所述的带有刻度的圆锥形筒9，与试样罐3连接，筒管的一端较细，而另外一端直径较大的，充分地还原了在真实的煤岩开采过程中遇到的煤与瓦斯突出与释放的过程，减少了在实验过程中对实验采集的数据真实性、有效性的其他影响因素。

上述装置中，所述的高精度压力表8，采用精确度为小数点后三位的数字压力表，尽可能减少误差的影响，以便准确记录试样罐中的压力。

上述装置中，所述的压力控制阀7，能对阀门进行压力设置，使其达到压力的预定设置值时，控制阀门自动开启，使煤样中的瓦斯从其薄弱点突出。

上述装置中，所述的圆锥形筒9由透明的有机材料制成，便于高速摄像机1对煤与瓦斯突出瞬态的图像信息的采集。

上述装置中，所述的应变片瞬时测力器10均匀设置在圆锥形筒9中，且与圆锥形筒9的轴线方向垂直设置。