一种煤或岩体吸液速率测定装置及测定方法与流程

本发明涉及一种煤或岩体吸液速率测定装置及测定方法，主要用于研究煤、岩体的吸液过程和吸液速率，属于岩体水力学测定技术领域。

背景技术：

近几十年来，矿井突水事故的骤增，严重威胁着人们的生命和财产安全，而矿井突水事故与煤岩体的吸水性有着密切的联系，分析不同煤、岩体的吸水量和吸水速率，对研究煤、岩体的吸水特性、强度特性及微观结构具有重要意义，进而为解决矿井突水事故提供理论依据。目前在煤、岩体吸水过程的测定方面，采取的主要方法是称重法，即将烘干的试样浸泡在水中一定时间后取出称重，然后再浸泡在水中，一段时间后再取出进行称重，直至重量不再增加为止。这种方法虽然能将试样的吸水过程测定出来，但是存在三个主要问题，第一，无法保证试样吸水过程的连续性，这是与实际情况不一致的，第二，由于需要多次往复地将岩石从水中取出、称重和放入，很有可能对试样的表层和结构造成人为的破坏，第三，在测定的初期，由于试样的吸水强度相对较大，所以吸水时间一般取的较短，在这种情况下该方法很难保证吸水时间的精确。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种准确有效的煤或岩体吸液速率测定装置及测定方法，该方法可操作性强、方便准确、应用广泛，可用于煤或岩体吸液速率的测定。

本发明测定原理为根据真空状态下煤样或岩样吸液后量筒液面变化情况准确测定煤样或岩样的吸液速率。

本发明提供了一种煤岩体吸液速率测定装置，其由氦气供给模块、试样预处理模块、测定模块组成；其中氦气供给模块由高压氦气瓶和减压罐两部分组成，并通过管路相连接；试样预处理模块包括真空泵、压力表、超级恒温器、煤样罐、真空干燥箱五部分，测定时煤样罐放置在超级恒温器中，并与真空泵通过第一三通阀门相连接；测定模块包括给液管、供液口、第一量筒、第二量筒、第三量筒、第四量筒以及相对应的升降器和阀门组成；四个量筒并联，且分别与供液口相连接，其中给液管用以向煤样罐供液，量筒用以测定供液量的体积，升降器用来调节相对应量筒的高度，以使量筒液面与给液管液面相平，供液口连通大气，以使量筒内维持大气压力。供液口在测定开始前用以向给液管和量筒内注入液体。

进一步地，在每个量筒的上方和下方的管路上分别设有阀门；每个量筒均设有升降器，可调整量筒高度，以调整液面高度。

进一步地，所述氦气供给模块、试样预处理模块通过第一三通阀门和第二三通阀门及管路相连接；所述氦气供给模块、测定模块通过第三三通阀门和第二三通阀门及管路相连接；所述第三三通阀门的三个接口分别连接氦气供给模块、给液管、供液口。

进一步地，所述煤样罐的所述煤样罐由罐体和罐盖两部分组成，罐盖上开有通气孔连接供气管路，罐盖内部有密封圈，罐体和罐盖之间由丝扣、密封圈及真空胶带密封，煤样罐容积为50ml，由不锈钢制成。

进一步地，所述给液管、第一量筒、第二量筒、第三量筒、第四量筒均为透明玻璃管，四个量筒的量程分别为100ml、200ml、300ml、400ml。

本发明提供了采用上述装置进行煤岩体吸液速率测定的方法，具体操作步骤如下：

步骤1）、注入液体：将第三三通阀门调至给液管与供液口连通状态，并打开第一量筒上下方的阀门，通过供液口向给液管和第一量筒内注入100ml液体；然后通过升降器升高第一量筒，使给液管充满液体直到供液口有液滴出，以排出给液管内空气。

步骤2）、测量煤样罐的容积v罐：将煤样罐用真空胶带封装好放置在超级恒温器中，将第一三通阀门调到煤样罐与真空泵连通的位置，开启真空泵对煤样罐进行抽真空，当煤样罐内压力达到2pa后关闭真空泵和第一三通阀门；打开高压氦气罐的阀门，调整第二三通阀门和第三三通阀门使高压氦气罐与给液管连通。调整升降器降低第一量筒高度，使给水管内吸入一定量（大于煤样罐容积）的氦气，并记录此时第一量筒的读数v1；之后按顺序分别将第二三通阀门和第一三通阀门调至给水管与煤样罐连通，使给水管内的氦气进入煤样罐，调整第一量筒的高度，使第一量筒与给水管内的液面相平，记录此时第一量筒的读数v2；最后将第三三通阀门调至给水管与供液口连通，升高第一量筒的高度，排出给水管内多余氦气；由上述步骤可知，煤样罐容积v罐为第一量筒两次读数之差，即v罐=v1-v2。

步骤3）、试样制备：称取粒径为1mm的煤样m克装入步骤2）所测煤样罐中，并用真空胶带封装好；然后将煤样罐放入真空烘干箱内进行真空烘干，以去除煤样原有水分并防止干燥过程中煤样氧化。烘干完成后，将煤样罐放入超级恒温器内并与管路连接。

步骤4）、测游离气体空间体积v气：将第一三通阀门调到煤样罐与真空泵连通的位置，开启真空泵对煤样罐进行抽真空，当煤样罐内压力达到2pa后关闭真空泵和第一三通阀门；打开高压氦气罐的阀门，调整第二三通阀门和第三三通阀门使高压氦气罐与给液管连通。调整升降器降低第一量筒的高度，使给水管内吸入一定量（大于煤样罐容积）的氦气，并记录此时第一量筒的读数v3；之后按顺序分别将第二三通阀门和第一三通阀门调至给水管与煤样罐连通，使给水管内的氦气进入煤样罐，调整第一量筒的高度，使量筒与给水管内的液面相平，记录此时第一量筒的读数v4；最后将第三三通阀门调至给水管与供液口连通，升高第一量筒的高度，排出给水管内多余氦气；由上述步骤可知，煤样罐内游离空气体积v气为第一量筒两次读数之差，即v气=v3-v4；进一步地，可知煤样体积v煤=v罐-v气。

步骤5）、测量煤样的吸水速率v：将第一三通阀门调到煤样罐与真空泵连通的位置，开启真空泵对煤样罐进行抽真空，当煤样罐内压力达到2pa后关闭真空泵和第一三通阀门。将第三三通阀门调至给水管与供液口连通，升高第一量筒高度，使给液管充满液体，记录此时第一量筒的读数v5；然后按顺序调整第三三通阀门、第二三通阀门和第一三通阀门使给液管与煤样罐连通，同时开启秒表计时，记录吸水时间t；调整第一量筒的高度，使液面与给液管液面相平，记录此时第一量筒的读数v6；由上述步骤可知，煤样吸水量v=v5-v6-v气，煤样吸水速率v=v/t。

步骤6）、消除煤样颗粒间空隙的影响：用排水法获取与上述步骤中煤样同体积的钢珠，将上述步骤中的煤样罐取出，倒出煤样并清洗干净，放入与煤样同体积的钢珠，并用真空胶带封好后放入真空烘干箱中烘干，烘干完成后，将煤样罐放入超级恒温器内并与管路连接；然后重复上述步骤5），记录第一量筒前后读数v7和v8；由上述步骤可知，煤样吸水量修正值v’=(v5-v6)-(v7-v8),煤样吸水速率修正值v’=v’/t。

步骤7）、换用第二量筒、第三量筒、第四量筒分别重复上述步骤，对比分析由于水自重对测定结果产生的影响，以消除测定误差。

进一步地，真空烘干箱烘干温度为100℃，烘干持续时间为12小时。

进一步地，超级恒温器为水浴加热，温度保持在30℃。

本发明的有益效果：

（1）测量装置结构简单，方法简便，测定结果准确，消除了气体体积、水压、环境温度、煤样颗粒间空隙等无关因素对测定结果的影响；

（2）本发明可测定但不仅限于煤样的吸水速率，可通过改变试样和溶液以测定各类试样对不同溶液吸液速率；

（3）本发明步骤可量化为标准化操作，能减少测试过程中人为的误差。

附图说明

图1为煤岩体吸液速率测定装置的示意图。

图中：1为氦气瓶，2为减压罐，3为真空泵，4为压力表，5为超级恒温器，6为煤样罐，7为给液管，8为第一量筒，9为第二量筒，10为第三量筒，11为第四量筒，12为升降器，13为第一三通阀门，14为第二三通阀门，15为第三三通阀门，16为阀门，17为供液口。

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1：

如图1所示，一种煤岩体吸液速率测定装置，其由氦气供给模块、试样预处理模块、测定模块组成；其中氦气供给模块由高压氦气瓶1和减压罐2两部分组成，并通过管路相连接；试样预处理模块包括真空泵3、压力表4、超级恒温器5、煤样罐6、真空干燥箱五部分，测定时煤样罐6放置在超级恒温器5中，并与真空泵3通过第一三通阀门13相连接；测定模块包括给液管7、供液口17、第一量筒8、第二量筒9、第三量筒10、第四量筒11以及相对应的升降器12和阀门组成；四个量筒并联，且分别与供液口相连接，其中给液管7用以向煤样罐6供液，量筒用以测定供液量的体积，升降器12用来调节相对应量筒的高度，以使量筒液面与给液管液面相平，供液口17连通大气，以使量筒内维持大气压力。供液口在测定开始前用以向给液管和量筒内注入液体。

进一步地，在每个量筒的上方和下方的管路上分别设有阀门；每个量筒均设有升降器，可调整量筒高度，以调整液面高度。

进一步地，所述氦气供给模块、试样预处理模块通过第一三通阀门和第二三通阀门及管路相连接；所述氦气供给模块、测定模块通过第三三通阀门和第二三通阀门及管路相连接；所述第三三通阀门的三个接口分别连接氦气供给模块、给液管、供液口。

进一步地，所述煤样罐6的所述煤样罐由罐体和罐盖两部分组成，罐盖上开有通气孔连接供气管路，罐盖内部有密封圈，罐体和罐盖之间由丝扣、密封圈及真空胶带密封，煤样罐容积为50ml，由不锈钢制成。

进一步地，所述给液管7、第一量筒8、第二量筒9、第三量筒10、第四量筒11均为透明玻璃管，四个量筒的量程分别为100ml、200ml、300ml、400ml。

本实施例提供了采用上述装置进行煤岩体吸液速率测定的方法，具体操作步骤如下：

测定粒径为2mm的烟煤吸水速率

1、向测定装置注入一定量的蒸馏水：将三通阀门15调至给液管7与供液口17连通状态，并打开阀门16和阀门20，通过供液口17向给液管7和量筒8内注入一定量的液体。然后通过升降器12升高量筒8，使给液管充满蒸馏水，以排出给液管内空气，直到供液口17有蒸馏水滴出。

2、测量煤样罐6的容积v罐：将煤样罐6用真空胶带封装好放置在超级恒温器5中，将三通阀门13调到煤样罐6与真空泵3连通的位置，开启真空泵3对煤样罐6进行抽真空，当煤样罐6内压力达到2pa后关闭真空泵3和三通阀门13。打开高压氦气罐1的阀门，调整三通阀门14和三通阀门15使高压氦气罐与给液管7连通。调整升降器12降低量筒8高度，使给水管7内吸入一定量（大于煤样罐6容积）的氦气，此时量筒8的读数为82ml。之后按顺序分别将三通阀门14和三通阀门13调至给水管7与煤样罐6连通，使给水管7内的氦气进入煤样罐6，调整量筒8的高度，使量筒8与给水管7内的液面相平，此时量筒8的读数为31ml。最后将三通阀门15调至给水管7与供液口17连通，升高量筒8高度，排出给水管7内多余氦气。由上述步骤测得，煤样罐6容积v罐为51ml。

3、试样制备：称取粒径为2mm的煤样40g装入煤样罐6中，并用真空胶带封装好。然后将煤样罐6放入真空烘干箱内进行真空烘干，以去除煤样原有水分并防止干燥过程中煤样氧化。烘干完成后，将煤样罐6放入超级恒温器5内并与管路连接。

进一步地，真空烘干箱烘干温度为100℃，烘干持续时间为12小时。

进一步地，超级恒温器为水浴加热，温度保持在30℃。

4、测游离气体空间体积v气：将三通阀门13调到煤样罐6与真空泵3连通的位置，开启真空泵3对煤样罐6进行抽真空，当煤样罐6内压力达到2pa后关闭真空泵3和三通阀门13。打开高压氦气罐1的阀门，调整三通阀门14和三通阀门15使高压氦气罐与给液管7连通。调整升降器12降低量筒8高度，使给水管7内吸入一定量（大于煤样罐6容积）的氦气，并记录此时量筒8的读数70ml。之后按顺序分别将三通阀门14和三通阀门13调至给水管7与煤样罐6连通，使给水管7内的氦气进入煤样罐6，调整量筒8的高度，使量筒8与给水管7内的液面相平，记录此时量筒8的读数53ml。最后将三通阀门15调至给水管7与供液口17连通，升高量筒8高度，排出给水管7内多余氦气。由上述步骤可知，煤样罐6内游离空气体积为17ml。进一步的，可知煤样体积为34ml。

5、测量煤样的吸水速率v：将三通阀门13调到煤样罐6与真空泵3连通的位置，开启真空泵3对煤样罐6进行抽真空，当煤样罐6内压力达到2pa后关闭真空泵3和三通阀门13。将三通阀门15调至给水管7与供液口17连通，升高量筒8高度，使给液管充满液体，记录此时量筒8的读数84ml。然后按顺序调整三通阀门15、三通阀门14和三通阀门13使给液管7与煤样罐6连通，同时开启秒表计时，记录吸水时间为6s。调整量筒8的高度，使液面与给液管7液面相平，记录此时量筒8的读数53ml。由上述步骤可知，煤样吸水量为14ml，煤样吸水速率为2.33ml/s。

6、消除煤样颗粒间空隙的影响：用排水法获取与上述步骤中煤样同体积的钢珠，将上述步骤中的煤样罐6取出，倒出煤样并清洗干净，放入与煤样同体积的钢珠，并用真空胶带封好后放入真空烘干箱中烘干，烘干完成后，将煤样罐6放入超级恒温器5内并与管路连接。然后重复上述步骤5），记录量筒8前后读数为84ml和56ml。由上述步骤可知，煤样吸水量修正值为11ml,煤样吸水速率修正值为1.83ml/s。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。