专利名称：用于自燃煤矸石山隔离层透气性测试的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明属于环境、生态和固体废弃物处置与利用技术领域，特别涉及自燃煤奸石山治理 的技术方法。
背景技术：
煤矸石是煤炭开采和加工过程中的必然产物，这种废弃物含有大量s、 c、重金属以及其它有害物质，是矿山最主要的污染源。 一般而言，煤矸石占原煤产量的10~30%，据不完全统 计，目前我国煤矸石累计量已达35亿吨以上，且利用率尚不到30%。煤矸石中含有硫铁矿、 硫、煤粉等，露天堆放极易发生自燃，从而释放大量污染物如粉尘、有毒有害气体如S02、 CO、 H2S等，产生的淋溶酸性水会严重污染土壤、地表及地下水体，严重危害当地居民健康 和生态环境。同时，自燃煤矸石山由于坡度大、降雨等的作用，容易引发坍塌、滑坡、泥石 流甚至爆炸等地质灾害，造成严重的经济损失和人员伤亡。因此，露天堆存的煤矸石山自燃 现象导致了严重的社会问题和环境问题，自燃煤矸石山的治理是当务之急。实践中，中国治理自燃煤矸石山，常采用的方法是注浆灭火与黄土覆盖相结合，但治理 效果不理想，复燃严重。有些国家早在上世纪80年代已经事实证明，单独覆盖黄土不能有效 阻止煤矸石山内部硫铁矿氧化及自燃的发生，成本高且不利于植被恢复，而植被覆盖率低的 黄土透气性好，利于空气贯入和水的渗入，从而促进煤矸石中硫铁矿氧化蓄积热量引起煤奸 石自燃。基于此，有矿区及科研单位研究治理自燃煤矸石山在传统方法基础上添加隔离层， 隔离层由不同土质惰性材料构成并施以工程措施如碾压，使其透气性能满足一定的空气阻隔 作用以防止煤矸石自燃，覆盖黄土进行植被绿化，从而达到长期有效治理自燃煤奸石山的目 的。自燃煤矸石山治理中应用隔离层需要破解的难题在于1) 隔离层的构型，如何满足阻隔空气、防止煤矸石自燃；2) 自燃煤矸石山治理应用隔离层后，受煤奸石特性、植被生长等内素的影响，其透气与 阻隔性有何变化，变化规律如何；3) 如何检测隔离层的透气性。市面上提供的透气性测试仪(气体渗透仪)多适用于塑料片材、薄膜、涂层等高聚物材 料及相关产品的透气与阻隔性测试，是检测包装材料阻隔性能的仪器，用于测定土壤或岩石 渗透性的仪器，多以水为介质进行测试，或测定小型试样的气体渗透性(试件尺寸包括直径、
厚度一般为几到几十个毫米不等)，不能用于煤奸石山隔离层土样透气性的测试及其阻隔性模 拟实验。发明内容本发明的目的是为解决上述难题，提出一种用于自燃煤矸石山隔离层透气性测试的方法 和设备，旨在为自燃煤矸石山治理中隔离层试样的透气性测试提供方法，保障隔离层的构型 具有一定的阻隔空气作用，从而防止煤矸石山自燃，减少煤矸石山对周围环境的危害，改善 矿区的生态环境。本发明提出的一种用于自燃煤矸石山隔离层透气性测试的方法，包括以下步骤1) 设置直径范围为120~240mm的密闭气腔，该气腔按气路方向由三段腔体依次密封连 接而成，上游段为注气腔，下游段为排气腔，中间段为放置有待测土质试样的测试腔，上、 下游段气路被测试腔内的试样隔断；2) 上游注气腔连接空气压縮机并串联一个空气减压阀，下游排气腔连接流量计或可读气体流量的仪表，上游注气腔和下游排气腔分别安装一个气压表，管路连接处密封；3) 测试时，在外界的温度和湿度不变的条件下，向上游注气腔注入稳定气压的气流，气 压大小由空气减压阀调节，将下游排气腔连接的仪表连通大气，待上下游两压力表读数稳定 后，测定试样低压侧透过试样的气体流量，所述压差范围在0.01 0.1MPa之间；4) 由测定的透气量、压差、试样参数依据达西定律计算试样的渗透率。 本发明还提出用于自燃煤矸石山隔离层透气性测试的设备，其特征在于，该设备包括直径范围为120 240mm的密闭腔，该气腔按气路方向由三段腔体依次密封连接而成，上游段为 注气腔，下游段为排气腔，注气腔和排气腔的纵向长度不小于1000mm，中间段为放置待测试 样的测试腔(配备两个测试腔可供选择，纵向长度分别为300mm和600mm，以测试不同厚度 的隔离层试样)，上、下游段气路被测试腔内的待测试样隔断；上游注气腔入口端连接空气压 縮机和空气减压阀(用于向注气腔注入稳定气压的气流，空气减压阀调节气压大小)；下游排 气腔出口端连接流量计或可读气体流量的仪表，仪表出口段连通大气。本发明具有如下优良特性1. 利用正压差法直接测定试样的透气性，低压为大气压，高压略高于大气压，符合煤石干石山隔离层实际承受气压，测试过程较好地模拟自燃煤奸石山隔离层的客观实际；2. 提供一种大尺寸土质试样透气性的测试设备，根据需要，试样可5见场取样也可在测试腔管中模拟制样，灵活方便；3. 注气腔、测试腔和排气腔三段连接成密封气腔，密闭气体容积大，测试条件更趋稳定。4. 本发明所用设备易于制备，经济实用，测试方法简便容易操作。
图1为本发明的设备结构示意图。
具体实施方式
本发明提出的一种用于自燃煤矸石山隔离层透气性测试的方法和设备，结合附图及实施 例详细说明如下如图1所示，设备可选用直径0为120 240mm的无缝钢管制成密闭气腔，该气腔按气路 方向分三段，上游段为注气腔l，下游段为排气腔2，注气腔l、排气腔2的纵向长度A、 A 不小于1000mm，中间段为可放置待测试样的测试腔3 (依据隔离层试样厚度，选择纵向长度 ￡ 3为300mm或600mm的测试腔，以测试不同厚度的隔离层试样)，三段之间用法兰4连接， 并用橡胶法兰垫密封，注气腔1与排气腔2另一侧焊接钢板密闭，钢板上分别焊接一个装有 阀门的小孔为注气孔10和排气孔11，上、下游段气路被测试腔3内的隔离层待测试样隔断； 上游注气腔1的注气孔10连接一台空气压縮机5并串联一个空气减压阀6 (用于向注气腔注 入稳定气压的气流，空气减压阔调节气压大小)；下游排气腔2的排气孔11连接玻璃转子流 量计或可读气体流量的仪表9 (如家用煤气表)，仪表出口段连通大气，注气腔和排气腔还分 别安装有压力表7、 8;整个密闭气腔由支架12支撑；各元件之间用耐压煤气管13连接，连 接处密封。设备安装之后进行密封打压试验，确保不漏气。 '本实施例中，用直径0为159mm的无缝钢管制成密闭气腔，注气腔l、排气腔2的纵向 长度均为lOOOmm，测试腔3的纵向长度为300mm;注气腔1安装的空气压縮机5为ZB-0.1/8 型(工作压力O. 8MPa)，串联的空气减压阀6可调量程0 0.4MPa;注气腔1安装的压力表7 量程为0.1MPa，排气腔2安装的压力表8量程为16KPa，测试过程中的压差以压力表7读数 为准；排气孔11连接一个普通家用煤气表9 (其另一个接口连通大气)。本发明的方法实施例具体步骤如下 ，1) 测试时，在外界温度与湿度保持稳定的条件下，在测试腔3中装入隔离层土质试样， 试样周边捣实或用密封蜡防止侧漏，并测量试样厚度丄(小于测试腔3长度)；2) 将测试腔3两端与注气腔1、排气腔2用法兰4及法兰垫密封连接；开启空气压縮机 5，调节空气减压阀6，当注气腔1的压力表7指针稳定在预定的实验压力值(如0.01MPa、 0.02MPa、 0.03MPa，……O.lMPa)，且下游压力表8指针稳定于零时(此时注气腔压力表7 显示的压力值为试样两侧压差AP)，记录压力并开始测量透气性；3) 通过煤气表9读取气体流量随时间的变化值K(单位m3)，同时用秒表的"以圈计时" 法记录煤气表流量变化时间f (单位s)，则透气量^F〃。4) 根据测定的透气量Q、试样两侧压差Ai3、试样横截面积X (根据测试腔内径计算)和长度丄，依据达西定律计算试样的渗透率fc和空气渗透系数ATa。具体公式如下
式中，fc为试样的渗透率，m2 (或Darcy); 《。为试样的空气渗透系数，m/s; 2为空气透过试样的流量，m3/s; 丄为试样厚度，m; A为空气运动黏度系数，Pa-s; 爿为试样横截面积，m2;A尸为试样两侧压差，也即试验中注气腔压力表指示的试验压力，Pa;/J为空气的密度，kg/m3;g为重力加速度，m/s2; 计算举例测试某一隔离层试样，试验压力即试样两侧压差厶i^0.02MPa,透气量 2-1.86xl0"61113/3，试样厚度￡=0.235111,试样横截面积/^0.02m2，如上公式代入其它参数(本 例中p取1.205 kg/m3， g取9.81 m/s2，取1.83xl(T5 m2/s)，计算得该隔离层试样空气渗透系 数&为1.46xl0-8m/s，渗透率fc为2.26xl0"4m2 (0.023Darcy)。
权利要求
1、一种用于自燃煤矸石山隔离层透气性测试的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤1)设置直径范围为120~240mm的密闭气腔，该气腔按气路方向由三段腔体依次密封连接而成，上游段为注气腔，下游段为排气腔，中间段为放置有待测土质试样的测试腔，上、下游段气路被测试腔内的试样隔断；2)上游注气腔连接空气压缩机并串联一个空气减压阀，下游排气腔连接流量计或可读气体流量的仪表，上游注气腔和下游排气腔分别安装一个气压表，管路连接处密封；3)测试时，在外界的温度和湿度不变的条件下，向上游注气腔注入稳定气压的气流，气压大小由空气减压阀调节，将下游排气腔连接的仪表连通大气，待上下游两压力表读数稳定后，测定试样低压侧透过试样的气体流量，所述压差范围在0.01~0.1MPa之间；4)由测定的透气量、压差、试样参数依据达西定律计算试样的渗透率。
2、 一种用于自燃煤奸石山隔离层透气性测试的设备，其特征在于，该设备包括直径范围 为12(T240mm的密闭气腔，该气腔按气路方向由三段腔体依次密封连接而成，上游段为注气 腔，下游段为排气腔，注气腔和排气腔的纵向长度不小于1000mm，中间段为放置待测试样的 测试腔，上、下游段气路被测试腔内的待测试样隔断；上游注气腔入口端连接空气压縮机和 空气减压阀；下游排气腔出口端连接流量计或可读气体流量的仪表，仪表出口段连通大气。
3、 如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述三段腔体采用同口径的无缝钢管，该钢 管直径为120 240mm，各段钢管之间用法兰连接，法兰垫密封；该设备配备两个测试腔，纵 向长度分别为300mm和600mra。
4、 如权利要求3所述的设备，其特征在于，所述待测隔离层试样为大尺寸土质试样， 该试样直径与测试腔内径相同，该试样厚度范围在100 600咖之间。
全文摘要
本发明涉及用于自燃煤矸石山隔离层透气性测试的方法和设备，属于环境、生态和固体废弃物处置与利用技术领域，本发明包括设备按气路方向由注气腔、测试腔、排气腔依次密封连接而成密闭气腔，上、下游段气路被测试腔内的隔离层试样隔断；上游注入稳压气流，下游仪表连通大气，在试样两侧正压差稳定后测定隔离层试样的透气性。本发明测试方法简便，试样尺寸大，测试过程较好地模拟客观实际，可以检测自燃煤矸石山治理中隔离层的透气性，保障隔离层的构型具有一定的阻隔空气作用，从而防止煤矸石山自燃，减少煤矸石山对环境的危害，改善矿区的生态环境。
文档编号G01N15/08GK101393100SQ20081022584
公开日2009年3月25日 申请日期2008年11月4日 优先权日2008年11月4日
发明者胡振琪, 赵艳玲, 郭陶明, 陈胜华 申请人:中国矿业大学(北京)