一种判识瓦斯吸附解吸优势场强的系统的制作方法

本实用新型属于外加电场强化煤层瓦斯抽采率范畴，尤其涉及一种判识瓦斯吸附解吸优势场强的系统。

背景技术：

煤与瓦斯突出是当前矿井安全生产的最大威胁，而瓦斯又是罪魁祸首，所以提高瓦斯抽采率对防止煤与瓦斯事故意义重大。

我国煤层瓦斯平均抽采率较低，解吸渗流性差，且尚未找到能够显著提高煤层瓦斯的抽采方法。

目前提高煤层瓦斯解吸渗流的方法有三类，第一类属于水力与爆破致裂、钻孔与割缝卸压、开采解放层等力学方法，第二类是通过注气置换和注水驱替等方法，第三类是通过外加温度场、微波场和声场等方法，从这些方法的实际应用效果来看，由于各个矿井的煤层赋存条件存在差异，有些方法在很多矿区未能得到推广应用，亟待探寻其他新的技术方法和理论。

外加直流电场使得瓦斯解吸速率加快，在外加电场的作用下可改变煤体孔裂隙结构，降低煤和瓦斯分子作用的势能，增强两者之间的引力，最终的结果是加快瓦斯解吸和增加瓦斯解吸量。

技术实现要素：

本实用新型旨在提供一种使用方便，使用效果好的判识瓦斯吸附解吸优势场强的系统，可以研究瓦斯吸附解吸规律，寻找提高瓦斯抽采率的优势场强。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了如下的技术方案：一种判识瓦斯吸附解吸优势场强的系统，所述系统包括甲烷罐、阀门、压力表、调压阀、参考缸、真空泵、夹持器、高压电源、恒温水浴箱、流量传感器、气体收集箱、电脑以及气排水装置，夹持器设置在恒温水浴箱中；

夹持器包括筒体，筒体内设煤样筒，煤样筒上连通有气体入口和气体出口；同时，煤样筒的两端分别设置左电极板和右电极板，左电极板和右电极板分别连接高压电源的正极和负极；

甲烷罐通过通气管道连接所述夹持器的气体入口，通气管道上设置阀门、压力表和调压阀；

参考缸连接于通气管道上；

真空泵也通过通气管道连接夹持器的气体入口；

夹持器的气体出口上连接有排气管道，排气管道末端通过气体阀连接气体收集箱，排气管道上设流量传感器，流量传感器将采集到的流量信息传输到电脑；

气排水装置包括第一量筒和顶部开口的第二量筒，第一量筒顶部设塞子，第一量筒内充设有水；第一量筒通过排气阀连接夹持器的气体出口，第一量筒通过排水管连接第二量筒。

筒体两端分别设置左、右螺帽；筒体内设置有橡胶密封套；所述左螺帽外通过螺纹连接安装盖、所述安装盖中密封设置有左压头，所述左压头和左螺帽之间设置有左安装座；所述右螺帽外通过螺纹连接活塞缸，所述活塞缸外通过螺丝固定油缸盖，所述活塞缸中设置中空活塞，所述中空活塞穿过油缸盖并与油缸盖滑动密封配合，所述中空活塞与右螺帽之间设置有右安装座。

所述橡胶密封套左右两端分别套设在所述左安装座和右安装座上，所述橡胶密封套内、位于左压头和中空活塞之间从左到右依次设置有左堵头、左电极板、煤样筒、右电极板、右堵头和右压头，所述左压头、左堵头、左电极板、右电极板、右堵头和右压头轴向中心设置有中央通气孔，其中，气体入口设置于左压头通孔处，气体出口设置于右压头通孔处；左压头、左堵头上对应设置有左布线槽，右堵头、右压头上对应设置有右布线槽，左、右布线槽中分别设置有与导线连接的左电极板和右电极板。

围压接口设置在左螺帽上，围压接口连通左螺帽、筒体、右螺帽、右安装座、橡胶密封套和左安装座之间围成的围压腔体；轴压接口连通活塞缸、油缸盖和中空活塞之间围成的轴压腔体。

左安装座、右安装座为楔形结构，所述左安装座与左螺帽的接触面上和右安装座与右螺帽接触面上分别设置有“○”型密封圈。

左堵头、右堵头为绝缘材料，所述左电极板固定安装在左堵头上，所述右电极板固定安装在右堵头上。

筒体和煤样筒的材质为PPEK绝缘材料；左电极板、右电极板为铜金属板；煤样筒为内径5cm，长度10cm的筒体。

通过以上技术方案，本实用新型的有益效果为：本实用新型所述的系统更好的模拟实际应用条件，通过施加电场，使得瓦斯解吸速率加快，同时增加瓦斯解吸量，对煤层开采具有重要的指导意义，可以极大程度上保证煤层开采过程中的安全。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图；

图2为夹持器结构示意图；

图3为不同电场下古汉山煤样解析量变化图；

图4为不同电场下鹤壁煤样解析量变化图；

图5为不同电场下平顶山煤样解析量变化图；

图6为不同电场下义马煤样解析量变化图。

具体实施方式

一种判识瓦斯吸附解吸优势场强的系统，如图1和图2所示，包括甲烷罐1、阀门2、压力表3、调压阀4、参考缸5、真空泵6、夹持器7、高压电源8、恒温水浴箱9、流量传感器10、气体收集箱11、电脑12以及气排水装置，夹持器7设置在恒温水浴箱9中，从而保证夹持器7中的煤样保持恒定的温度，确保测量过程的稳定性和可靠性。

所述夹持器7包括筒体21，筒体21内设煤样筒20，在煤样筒20上连通有气体入口15和气体出口22；同时，煤样筒20的两端分别设置左电极板18和右电极板。其中，高压电源8的正极和负极分别通过电极线17连接左电极板18和右电极板，从而在煤样筒20两端施加电场，通过电场增加煤样瓦斯的解析量。

筒体21和煤样筒20的材质为PPEK绝缘材料；左电极板18、右电极板为铜金属板；煤样筒20为内径5cm，长度10cm的筒体21。

甲烷罐1通过通气管道连接所述夹持器7的气体入口15，在通气管道上设置阀门2、压力表3和调压阀4。使用的时候根据需要将甲烷罐1打开，从而使得甲烷罐1通过通气管道将瓦斯气体通入到夹持器7内，在夹持器7内进入到煤样筒20的煤样内，被煤样吸附。

其中，设置的压力表3可以实时读取通入到夹持器7内的瓦斯气体的压力，通过调压阀4可以调节进入到夹持器7内的瓦斯气体的压力，而阀门2则可以控制通气管道是否导通。

参考缸5也连接于通气管道上，同时，真空泵6也通过通气管道连接夹持器7的气体入口15。真空泵6可以对夹持器7的煤样筒20抽真空，使用方便。

夹持器7的气体出口22上连接有排气管道，排气管道末端通过气体阀连接气体收集箱11，同时，在排气管道上设流量传感器10，流量传感器10将采集到的流量信息传输到电脑12。

气排水装置包括第一量筒13和顶部开口的第二量筒14，第一量筒13顶部设塞子，第一量筒13内充设有水；第一量筒13通过排气阀连接夹持器7的气体出口22，第一量筒13通过排水管连接第二量筒14。

为了使用效果，下面对夹持器7的结构做具体介绍：

在筒体21的两端分别设置左、右螺帽；

筒体21内设置有橡胶密封套19；左螺帽外通过螺纹连接安装盖、所述安装盖中密封设置有左压头，所述左压头和左螺帽之间设置有左安装座；所述右螺帽外通过螺纹连接活塞缸，所述活塞缸外通过螺丝固定油缸盖，所述活塞缸中设置中空活塞，所述中空活塞穿过油缸盖并与油缸盖滑动密封配合，所述中空活塞与右螺帽之间设置有右安装座。

在橡胶密封套19左右两端分别套设在所述左安装座和右安装座上，左安装座、右安装座为楔形结构，所述左安装座与左螺帽的接触面上和右安装座与右螺帽接触面上分别设置有“○”型密封圈16。

所述橡胶密封套19内、位于左压头和中空活塞之间从左到右依次设置有左堵头、左电极板18、煤样筒20、右电极板、右堵头23和右压头，所述左压头、左堵头、左电极板18、右电极板、右堵头23和右压头轴向中心设置有中央通气孔，其中，气体入口15设置于左压头通孔处，气体出口22设置于右压头通孔处；左压头、左堵头上对应设置有左布线槽，右堵头23、右压头上对应设置有右布线槽，左、右布线槽中分别设置有与导线连接的左电极板18和右电极板。

其中，左堵头、右堵头23为绝缘材料，所述左电极板18固定安装在左堵头上，所述右电极板固定安装在右堵头23上。

一种利用上述系统进行的判识瓦斯吸附解吸优势场强的，依次包括如下步骤：

（1）将待测煤样放入恒温箱中烘2h，取出后密闭封存，，以便能脱去煤样中的水分，减少煤样中残留水分对实验结果的影响。

（2）检查系统气密性，当系统气密性完好后，对参考缸和夹持器进行抽真空。

（3）将待测煤样装入夹持器的煤样筒内，尽量保证煤样将夹持器的煤样筒充满，对夹持器进行真空脱气，直到系统压力值为10Pa。

（4）打开高压电源，调节电压；本步骤中，电压的调节为：保证左电极板和右电极板之间的场强分别为400V/cm、1200V/cm和2400V/cm，吸附过程中如果加电，加电时间为12h；解析过程中如果加电，加电时间为12h。

（5）开启恒温水浴箱，保证恒温水浴箱内温度为 30℃，直至实验结束，保证在实验过程中夹持器的煤样筒内煤样温度的恒定，减少温度对实验结果的影响。

（6）判断吸附是否加电，如是，则进行步骤（7），如否，则进行步骤（8）；

（7）将步骤（4）中的高压电源加在左、右电极板之间，打开阀门，向煤样筒内充入瓦斯，当压力表显示到预设瓦斯压力P1时停止，其中P1为1Mpa；放置12-24h，煤吸附瓦斯稳定后，使瓦斯在夹持器中充分吸附达到平衡，进行步骤（9）。因为步骤（4）中电场的强度分别为400V/cm、1200V/cm和2400V/cm，所以，此步骤需要进行3次，根据需要选择3个场强。

（8）打开阀门，向煤样筒内充入瓦斯，当压力表显示到预设瓦斯压力P1时停止，其中P1为1Mpa；放置12-24h，煤吸附瓦斯稳定后，使瓦斯在夹持器中充分吸附达到平衡，进行步骤（9）。

（9）读取第一量筒和第二量筒刻度值，记录大气压力、室内温度。

（10）判断解析是否加电，如是，则进行步骤（11），如否，则进行步骤（12）。

（11）将步骤（4）中的高压电源加在左、右电极板之间，打开夹持器气体出口的阀门以及连接于夹持器的气体出口和第一量筒之间的排气阀，夹持器内的瓦斯进入第一量筒，第一量筒内的水排入第二量筒；待夹持器内压力归零后，关闭排气阀，打开气体阀，排气管道中剩余的气体通过流量传感器进入到气体收集箱。因为步骤（4）中电场的强度分别为400V/cm、1200V/cm和2400V/cm，所以，此步骤需要进行3次，根据需要选择3个场强。

（12）打开夹持器的气体出口处的阀门以及连接于夹持器的气体出口和第一量筒之间的排气阀，夹持器内的瓦斯进入第一量筒，第一量筒内的水排入第二量筒；待夹持器内压力归零后，关闭排气阀，打开气体阀，排气管道中剩余的气体通过流量传感器进入到气体收集箱。

（13）计算夹持器的剩余体积；其中，夹持器的剩余体积VR的计算方法为：

首先，在测出煤样的真相对密度rTRD；

然后，根据公式（1）计算得出纯煤体积VC，根据公式（2）计算得出夹持器的剩余体积，即煤柱吸附的瓦斯体积VR；

随后，根据公式（3）和公式（4）计算得出常压下煤柱吸附的瓦斯体积VP；

（1）

（2）

（3）

（4）

式中：Vc为煤样体积，单位为cm³；rTRD为煤样真相对密度，单位为cm³/g；m为煤样的质量，单位为g；VR为煤样吸附瓦斯体积，单位为cm³；VS为夹持器的煤样筒的体积，单位为cm³；P0为标准大气压，单位为Pa；P1为腔体内的压力，单位为Pa；PV为轴压压力，单位为Pa；Pz为围压压力，单位为Pa。

（14）计算解析量，解析量的计算公式为：

；

其中，Jc为解析量；V1为大量筒体积、V2为小量筒体积、V3为系统管路体积、V4为参考缸体积、VR为夹持器的剩余体积；

（15）将解析量转换为标准状态下的瓦斯解吸总量；转换方法为：

其中：

V0—标准状态下的瓦斯解吸总量，单位为cm³；

V—步骤（14）实测瓦斯解吸量Jc，单位为cm³；

tw—量管内水温，单位为℃

Pa—大气压力，单位为Pa；

hw—读取数据时第二量筒内水柱的高度，单位为mm。

在实验的过程中，选择的煤样分别为：古汉山的无烟煤、鹤壁的贫瘦煤、平顶山的肥煤以及义马的褐煤，在实验的过程中对这4种煤样在吸附和解析的过程中分别加400V/cm、1200V/cm和2400V/cm的电场，如图3~6所示，其中古汉山的无烟煤的优势场强为400 V/cm，鹤壁的贫瘦煤优势场强为400 V/cm，平顶山的肥煤优势场强为1200 V/cm，义马的褐煤优势场强为1200 V/cm，给实验结果对实际开采具有指导意义。

本实用新型所述的系统更好的模拟实际应用条件，通过施加电场，使得瓦斯解吸速率加快，同时增加瓦斯解吸量，对煤层开采具有重要的指导意义，可以极大程度上保证煤层开采过程中的安全。通过外加不同电场测量瓦斯吸附、解析，从而得出瓦斯吸附解析的规律，寻找提高瓦斯抽采率的优势场强，为煤层开采提供有力的实验支撑。