一种测试煤体切割过程co释放与温度变化的装置系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种测试煤体切割过程CO释放与温度变化的装置系统，它涉及一种模拟煤体破碎的测试系统。包括煤体切割模拟装置、数据采集系统；所述的煤体切割模拟装置包括配气系统（气体、压力表、控制阀、气体管路）、粉碎系统（粉碎机、变频器）；数据采集装置包括测温热电偶、气相色谱仪和数据分析收集计算机。其中配气系统与粉碎机进气端连接，气相色谱仪与粉碎机出气端连接，测温热电偶布置在煤样罐中，气相色谱仪和测温热电偶分别于计算机连接。本实用新型能够有效地模拟分析采煤机割煤时煤结构破坏时的温度变化及气体释放情况，该系统安装简便，易于操作，实验数据具有很好的可测性和可操作性。
【专利说明】
一种测试煤体切割过程CO释放与温度变化的装置系统
技术领域
[0001] 本实用新型涉及的是一种模拟煤体破碎的测试系统，具体涉及一种测试煤体切割 过程C0释放与温度变化的装置系统。
【背景技术】
[0002] 为了有效预防煤矿火灾，减少因煤炭自燃而造成资源浪费及人员伤亡，我国众多 学者致力于相关预测预报技术研究，标志性气体分析就是煤自燃预报技术之一。其中，一氧 化碳(C0)作为煤自燃气体产物之一，因其生成量相对较大、灵敏度高，国内外大多数煤矿都 采用其作为预测煤自燃的标志性气体。但近年来国内大量现场情况，如福建宁夏磁窑堡煤 矿、神东矿区、内蒙大雁二矿区和五虎山煤矿显示，采煤作业空间经常出现C0浓度异常超限 现象，并未发生煤炭自燃。国外如Zwak和B. Taraba也发现了类型情况.所以井下C0气体并非 完全来自煤自燃。因此，识别井下C0来源对煤自燃预报准确性有着重要意义。
[0003] 国内诸多学者发现采煤机切割煤体过程会分解释放出C0,如贾海林、张海军、王新 宇和杨广文等发现，采煤机工作时会引起井下空气中C0浓度显著升高，捷克的B.Taraba[8] 在卡文钠煤田和诺瓦基煤田四个长壁工作面也观测到了类似情况。这些观测结果证实，采 煤机工作切割煤体时产生的C0是井下C0的一个重要来源，但并非是C0作为标志性气体预报 煤自燃的有效量，然而这部分C0浓度与采煤机工作状态之间究竟有何关系，C0释放情况存 在哪些规律，却并未有相关深入研究，如果能弄清其产生规律，受哪些因素影响，释放量多 少，将为修正煤自燃预报参数、提高预测预报精度提供参考依据。
[0004] 基于上述现状，设计构建了一种测试煤体切割过程C0释放与温度变化的装置系 统，从煤样质量、割煤功率和割煤气氛三个方面研究了煤体切割过程C0产生情况，分析煤体 切割过程C0的释放规律，这为提高C0指标气体预报煤自燃精度提供依据。 【实用新型内容】
[0005] 针对现有技术上存在的不足，本实用新型目的是在于提供一种测试煤体切割过 程C0释放与温度变化的装置系统，能够有效地模拟分析采煤机割煤时煤结构破坏时的温度 变化及气体释放情况，该系统安装简便，易于操作，实验数据具有很好的可重复性和可操作 性。
[0006] 为了实现上述目的，本实用新型是通过如下的技术方案来实现:一种模拟煤体破 碎的测试系统。包括煤体切割模拟装置、数据采集系统;所述的煤体切割模拟装置包括配气 系统(气体、压力表、控制阀、气体管路）、粉碎系统(粉碎机、变频器）；数据采集装置包括测 温热电偶、气相色谱仪和数据分析收集计算机。其中配气系统与粉碎机进气端连接，气相色 谱仪与粉碎机出气端连接，测温热电偶布置在煤样罐中，气相色谱仪和测温热电偶分别于 计算机连接。
[0007] 所述的模拟煤体切割过程的测试系统，所述气体为不与煤反应的惰性气体，且不 是煤氧化的产物气体，并能根据反应的需要提供气氛条件，为氮气或氩气。
[0008] 所述的模拟煤体切割过程的测试系统，所述配气系统包括气体、压力表、控制阀门 和输气管路，可以实现气体配送控制。
[0009] 所述的模拟煤体切割过程的测试系统，所述的切割空间为密闭粉碎机腔体，顶盖 开进气孔、出气孔和测温孔，便于气路联通及热电偶安装。
[0010] 本实用新型所述的模拟煤体切割过程的测试系统，所述的变频器与粉碎机电机连 接，使用220V直流电工作，输出频率50Hz，可以实现对粉碎机刀片转速的线性调控，来实现 割煤过程的模拟。
[0011]所述的模拟煤体切割过程的测试系统，所述的测温热电偶具有抗震性能好、机械 强度高、响应时间短特点。热电偶连接温度变化采集器，并与计算机连接，实时监测煤体切 割过程中温度的变化情况。
[0012] 所述的模拟煤体切割过程的测试系统，所述的煤样罐出气端与气相色谱仪连接， 利用气相色谱仪分析气体成分，为气体含量计算提供依据。
[0013] 本实用新型所述的模拟煤体切割过程的测试系统，具有以下几个特点：一是通过 利用内置刀片，实现了密闭环境下煤样的割煤过程，避免了反应后气体流失;二是利用抗震 性能好响应时间快的测温热电偶来测量反应过程中的温度变化，实现了对温度的实时监 控;三是该测试系统实验条件可控，组装渐变，具有很好的可操作性和可重复性。
【附图说明】
[0014] 下面结合附图和【具体实施方式】来详细说明本实用新型；
[0015] 图1为本实用新型的模拟煤体切割过程装置示意图；
[0016] 图2(a)-图2(c)为本实用新型的实施例1的不同质量煤样粉碎4minC0浓度变化图； [0017]图3(a)-图3(d)为本实用新型的实施例1的煤样在不同电机转速下粉碎4minC0浓 度变化图；
[0018]图4(a)-图4(c)为本实用新型的实施例1的煤样在不同气氛下粉碎4minC0浓度变 化图；
[0019]图5(a)-图5(c)为本实用新型的实施例1的煤样在不同工况下粉碎4min温度变化 图。
【具体实施方式】
[0020] 为使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面 结合【具体实施方式】，进一步阐述本实用新型。
[0021] 参照图1，本【具体实施方式】采用以下技术方案:一种测试煤体切割过程C0释放与温 度变化的装置系统，包括煤体切割模拟装置、数据采集系统，所述的煤体切割模拟装置包括 配气系统和粉碎系统，其中配气系统包括气体（1)、压力表(2)、控制阀门（3)、进气管(4)和 出气管(5);粉碎系统包括粉碎机(6.7.8)、筛网（9)和变频器（10);数据采集系统包括测温 热电偶（11)、气相色谱仪（12)和计算机（13)。气体（1)通过进气管(4)与粉碎腔(6)连接，压 力表(2)和控制阀门（3)与进气管(4)和出气管(5)相应连接，筛网(9)固定在进气管(4)和出 气管(5)处，变频器（10)与粉碎机电机(7)连接，测温热电偶（11)布置在粉碎腔(6)中，测温 热电偶（11)和气相色谱仪(12)分别与计算机(13)连接。
[0022]所述的气体（1)为不与煤反应的惰性气体，且不是煤氧化的产物气体。根据反应需 要提供气氛条件。
[0023]所述的气体(1)为氮气或氩气。
[0024] 所述的气体(1)与压力表(2)和控制阀门（3)连接，进气管(4)、出气管(5)分别于对 应的控制阀门（3)连接。
[0025] 所述的筛网(9)分别布置在进气管(4)、出气管(5)和测温热电偶（11)处。
[0026] 所述的变频器(10)与粉碎机电机(7)连接。
[0027] 所述的测温热电偶（11)灵敏度要高、抗震性能要好。
[0028] 所述的测温热电偶（11)布置在粉碎腔顶端，并与计算机(13)连接。
[0029] 所述的气相色谱仪(12)分别与出气管(5)和计算机(13)连接。
[0030] 实施例1:1、实验过程及工况设置:实验主要考虑了煤样质量、电机转速、粉碎气氛 三个因素。其中，煤样质量为被刀片充分粉碎的煤样量，以此参数来反映实际采煤工作中被 采煤机截齿破碎煤量。电机转速为粉碎机电机转速，可通过变频器调控来改变刀片转动快 慢，以此参数来反映采煤机工作时滚筒转动快慢。粉碎气氛分别选取了氮气氛围和空气氛 围。
[0031 ]实验开始前，先准确称量待粉碎煤样，将其放入粉碎机粉碎腔中，然后通入相应氛 围气体。待气体成分稳定后，关闭气路，设定时间，开始粉碎，计算机同步记录实验数据。考 虑到电机发热问题，设定粉碎时间为4min。具体实验工况设置如表2所示。
[0032] 表2实验工况表
[0035] 2实验结果及分析
[0036] 2.1煤样质量对C0释放量影响
[0037]图2为不同质量煤样粉碎4min，C0浓度变化数据散点图，煤样质量为300g、200g和 100g。从图2中可以看出C0随粉碎时间呈现出一定阶段性：（1)无C0阶段。此阶段为粉碎初 期，无 C0产生；（2)C0缓慢上升阶段。此阶段开始检测到C0，且C0释放量逐渐增加；（3)C0加速 上升阶段。此阶段C0释放量开始迅速增加，浓度上升速率较前一阶段明显提高。
[0038] 图2中各工况C0产生情况如表3所示，结合表3中工况1 (300g)、工况5 (200g)和工况 10(100g)数据及图2(a)可以看出：在4min粉碎时间内，工况1从70s开始检测到C0，150s后C0 浓度上升速率明显加快，C0平均产生速率为1.076 X 10-6g ? s_i;工况5从75s开始检测到C0， 160s后C0浓度上升速率明显加快，较工况1分别推迟了5s和10s，C0平均产生速率为0.727 X 10-6g ? s-1;工况10从80s开始检测到C0,较工况5推迟了5s，C0平均产生速率为0.377X 10-6g ? ^1。这表明：C0出现时间随煤样质量增加而提前，C0浓度上升速率随煤样质量增加而升 高。图2(b)和图2(c)中实验结果也呈现出相似规律。
[0039] 表3不同质量煤样粉碎4min产生C0时间分布表
[0042] C0由C、0两种元素构成。在粉碎过程中，C元素来自煤，0元素来自煤或者空气。当煤 样质量增加时，即增加了c、0两种元素总量，因此单位时间内生成C0量会随煤样质量增加而 增加，C0浓度上升速率会随着煤样质量增加而升高。此外，C0浓度上升速率升高，单位时间 内产生 C0量会越早被检测到，因此，C0出现时间会随煤样质量增加而提前。
[0043] 2.2电机转速对C0释放量影响
[0044] 图3为煤样在不同转速下粉碎4min，C0浓度变化数据散点图，电机转速分别为 25000r/min、20000r/min、15000r/min、10000r/min和5000r/min，图 3 中各工况呈现出图 2所 述阶段性。
[0045] 图3中各工况⑶产生情况如表4所示，结合表4中工况10 (25000r/min)、工况11 (20000r/min)、工况 12(15000r/min)、工况 13(10000r/min)和工况 14(5000r/min)数据以及 图3(a)可以看出：在4min粉碎时间内，工况10和工况11均从80s开始检测到C0,工况12和工 况13分别从90s和130s开始检测到C0,较工况10和工况11分别推迟了 10s和50s，工况14 一直 未检测到⑶；随着电机转速降低，C0平均产生速率逐渐降低，分别为0.377Xl(T6g ? jT1、 0.239X 10-6g ? s'0.120X10-6g ? s-1 和0.046X 10-6g ? s-1。这表明：⑶浓度上升速率随电 机转速增加而升高，CO出现时间随电机转速增大而提前，且当电机转速增大到一定值以后， C0出现时间不再提前。图3(b)、图3(c)和图3(d)中实验结果也呈现出相似规律。
[0046] 表4煤样在不同电机转速下粉碎4min产生C0时间分布表
[0049] 对于同一质量煤样，电机转速越大，单位时间内通过切割、碰撞和摩擦对煤样做功 越多，煤样破碎程度就越高，所含能量越多，因此C0浓度上升速率会随着电机转速增加而增 大。C0浓度上升速率升高，单位时间内产生C0量会越早被检测到，因此C0出现时间会随电机 转速增加而提前。由于煤样质量一定，当电机转速足够大时，煤样达到相同破碎程度所需时 间逐渐减少并最终基本趋于一致，因此当电机转速达到一定值后，C0出现时间已无明显差 别。
[0050] 2.3粉碎气氛对C0释放量影响
[0051]图4为煤样在不同气氛下粉碎4min，C0浓度变化数据散点图，气氛分别为空气和氮 气，图4中各工况呈现出图2所述阶段性。
[0052]图4中各工况C0产生情况如表5所示，结合表5中工况15(空气气氛)和工况10(氮 气气氛)数据以及图4(a)可以看出：在4min粉碎时间内，工况15从100s开始出现CO，C0平均 产生速率为0.920 X l(T6g ? jT1 ;工况10从80s开始出现C0，较工况15提前了 20s，在C0生成初 期CO浓度上升速率高于工况15,经过一段时间后，CO浓度上升速率又逐渐低于工况15，C0平 均产生速率低于工况15,为0.377Xl(T6g ? jT1。图4(b)和图4(c)中实验结果也呈现出相似 规律。
[0053] 表5煤样在不同气氛下粉碎4min产生C0时间分布表
[0055] 空气气氛相对于氮气气氛引入大量外界0元素，这些0元素会随着粉碎的进行逐渐 参与到煤氧反应过程中，增加反应〇元素含量，因此空气气氛C0浓度平均上升速率高于氮气 气氛。在粉碎初期，空气气氛煤样处于充足氧环境中，煤的氧化产物以C02为主，影响C0生 成，导致C0出现时间比氮气气氛晚，C0浓度上升速率也比氮气气氛慢。随着粉碎时间增加， 氧气逐渐被消耗，当氧气不足时，煤的氧化产物以C0为主，促进了C0生产，所以空气气氛C0 浓度上升速率开始逐渐加快，并最终超过氮气气氛。
[0056] 以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行 业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述 的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还 会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型 要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
【主权项】
1. 一种测试煤体切割过程CO释放与温度变化的装置系统，其特征在于，包括煤体切割 模拟装置、数据采集系统，所述的煤体切割模拟装置包括配气系统和切割系统，其中配气系 统包括气体（1)、压力表(2)、控制阀门（3)、进气管(4)和出气管（5);粉碎系统包括粉碎腔 (6)、粉碎机电机(7)、粉碎机刀片(8)、筛网（9)和变频器（10);数据采集系统包括测温热电 偶（11)、气相色谱仪（12)和计算机（13);气体（1)通过进气管(4)与粉碎腔(6)连接，压力表 (2)和控制阀门（3)与进气管(4)和出气管(5)相应连接，筛网(9)固定在进气管(4)和出气管 (5)处，变频器（10)与粉碎机电机(7)连接，测温热电偶（11)布置在粉碎腔(6)中，测温热电 偶（11)和气相色谱仪(12)分别与计算机(13)连接。2. 根据权利要求1所述的一种测试煤体切割过程CO释放与温度变化的装置系统，其特 征在于，所述的气体(1)为不与煤反应的惰性气体。3. 根据权利要求1所述的一种测试煤体切割过程CO释放与温度变化的装置系统，其特 征在于，所述的气体(1)为氮气或氩气。4. 根据权利要求1所述的一种测试煤体切割过程CO释放与温度变化的装置系统，其特 征在于，所述的气体（1)与压力表(2)和控制阀门（3)连接，进气管(4)、出气管(5)分别于对 应的控制阀门（3)连接。5. 根据权利要求1所述的一种测试煤体切割过程CO释放与温度变化的装置系统，所述 的筛网(9)分别布置在进气管(4)、出气管(5)和测温热电偶（11)处。6. 根据权利要求1所述的一种测试煤体切割过程CO释放与温度变化的装置系统，所述 的变频器(10)与粉碎机电机(7)连接。7. 根据权利要求1所述的一种测试煤体切割过程CO释放与温度变化的装置系统，所述 的测温热电偶（11)布置在粉碎腔顶端，并与计算机(13)连接。8. 根据权利要求1所述的一种测试煤体切割过程CO释放与温度变化的装置系统，所述 的气相色谱仪(12)分别与出气管(5)和计算机(13)连接。
【文档编号】G01N33/22GK205506252SQ201520840152
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2015年10月27日
【发明人】贾海林, 解俊杰, 余明高, 陈莹娟, 褚廷湘, 徐永亮
【申请人】河南理工大学