一种煤粒特定放散压力下解吸规律测定仪器及测定方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及矿业工程、安全工程科研技术领域，特别涉及一种用于进行不同压差、 特定放散压力下的煤粒解吸规律测定仪器及测定方法。
【背景技术】
[0002] 随着国家对资源需求的日益增加，资源开采强度不断加大，煤与瓦斯突出事故逐 渐成为影响煤矿安全形势持续好转的主要灾害事故。"十二五"规划提出，以有效防范和遏 制重特大瓦斯事故为目标，强力推进瓦斯抽采达标、落实防治煤与瓦斯突出的"两个四位一 体"措施，积极推广瓦斯防治先进适用技术。在与瓦斯的长期斗争中，我国煤矿已经探索形 成了"以煤层瓦斯含量测定为基础，以瓦斯危险程度预测（瓦斯涌出量预测与瓦斯突出危 险性预测）为依据，以瓦斯防治措施为手段"的瓦斯治理模式。在瓦斯突出危险性预测中， 利用煤对瓦斯解吸规律所确定的钻肩瓦斯解吸指标&和△h被广泛应用，在煤与瓦斯突出 预测中起到了至关重要的作用。因此研究并掌握煤的瓦斯解吸规律，对于煤与瓦斯突出预 测、煤层瓦斯压力和含量的预测以及估算采动落煤的瓦斯涌出等都有着重大的理论指导意 义。
[0003] 关于煤的瓦斯解吸规律，英国、前苏联、西德、波兰、法国、澳大利亚、日本以及我国 煤炭科学研究总院抚顺分院、重庆分院和河南理工大学等进行了大量的实验和理论模型简 化研究，并取得了丰硕的成果。但由于煤粒瓦斯解吸条件的多样性、复杂性，问题仍未得到 圆满解决，如何测定和掌握特定环境下的瓦斯解吸规律是解决当前煤矿生产不可回避的问 题之一。
[0004] 目前，针对煤粒瓦斯解吸规律，已开展了大量的研究工作，研制了一系列测定装 置，现状如下：
[0005] (1)申请号为201310216701. 4的中国专利公开了一种构造煤瓦斯解吸初期规律 实验装置，该装置包括吸附-解吸单元、温度控制单元、真空抽气单元、高压充气单元、瓦斯 放散速度测定单元等，能够实现煤样瓦斯解吸初期速度和解吸量的测定，提高了实验数据 采集的反应时间和数据采集精度，能够准确的反映出瓦斯解吸初期的动态过程。但该装置 只能采集瓦斯解吸初期数据，且无法准确测量实时的瓦斯解吸量。
[0006] (2)申请号为200810150953. 0的中国专利公开了一种煤层气高压解吸仪装置，可 以有效的观测煤层气的解吸过程，测试解吸压力、解吸量、损失气量等多个参数。但该装置 采用气体计量仪测量解吸气量，精度低。
[0007] (3)《煤矿安全》2007年7月份第36卷7期由曹垚林、富向、蒋清华发表的"WT-2000 型瓦斯放散速度测定仪的研制及其在淮南矿区的应用"（第19~22页）一文中第2节中公 开了WT-2000型瓦斯放散速度测定仪，该仪器利用先进的计算机、传感器、工业监控技术， 可实现高压吸附下向常压下空间放散的瓦斯放散量、放散速度的连续监控。但放散过程中 放散空间压力会逐渐升高，对放散速度产生一定的影响。
[0008] (4)《辽宁工程技术大学学报（自然科学版）》2012年10月份第31卷5期由秦跃 平、王健、罗维、王亚茹发表的"定压动态瓦斯解吸规律实验"（第581~585页）一文中第2 节中公开了煤粒瓦斯解吸实验装置，该装置主要由通气装置、温度控制系统、等温吸附系统 和数据采集与处理系统四部分组成，能够实现恒温定压条件下的瓦斯放散量实时测试。但 该装置的常压放散条件需要通过样品罐与参考罐连续多次导通实现，常压放散条件误差较 大。
[0009] 综合分析上述单位的解吸规律测定仪器，还存在以下不足之处：
[0010] 1.上述仪器在瓦斯解吸过程中均未对煤样进行温度检测，无法实现瓦斯解吸过程 中的温度变化测定；
[0011] 2.上述仪器对瓦斯解吸量的测定均采用人工读数或流量计的方式，误差大，精度 低，无法实现对瓦斯解吸量的实时、准确测定；
[0012] 3.上述仪器对瓦斯解吸规律的测定均为常压放散条件（部分仪器仍无法保证常 压放散环境的恒定、准确），无法实现高压放散条件下的瓦斯解吸规律测定。
[0013] 为了更好地测定和掌握高压放散环境下的瓦斯解吸规律，需要研制一种煤粒特定 放散压力下解吸规律测定仪器及测定方法，以便更好的指导煤与瓦斯突出预测、煤层瓦斯 压力和含量的预测以及估算采动落煤的瓦斯涌出。
【发明内容】
[0014] 为解决现有技术存在的不足，本发明公开了一种用于进行不同压差、特定放散压 力下的煤粒解吸规律测定仪器及测定方法，实现特定放散压力下解吸规律的测定。
[0015] 为实现上述目的，本发明的具体方案如下：
[0016] -种煤粒特定放散压力下解吸规律测定仪器，包括依次相连的煤样罐、稳压罐及 气体计量罐，煤样罐进气口与真空脱气装置相连，煤样罐出气口与稳压罐进气口相连，稳压 罐出气口与气体计量罐连接；所述煤样罐的进气口连接有温度测量装置，煤样罐、稳压罐及 气体计量罐均与压力测量装置相连；
[0017] 连接在煤样罐上的温度测量装置采集罐内温度随时间变化，即可获得瓦斯解吸过 程中的温度变化规律；连接在气体计量罐上的压力测量装置采集罐内压力随时间的变化， 根据理想气体状态方程（Pv=nRT)可推算出罐内实时气体量，根据罐内实时气体量随时间 变化，即可得到某时间段内受游离瓦斯影响情况下的煤粒瓦斯放散量、放散速度；
[0018] 为消除游离瓦斯对解吸规律测定的影响，将煤样罐内煤样换成相同体积的铁块， 以保证罐内瓦斯体积、瓦斯量与上述试验相同，再次利用连接在气体计量罐上的压力测量 装置采集罐内压力随时间的变化，根据理想气体状态方程（Pv=nRT)可推算出罐内实时气 体量，根据罐内实时气体量随时间变化，即可得到某时间段内游离瓦斯放散量、放散速度；
[0019] 将得到的某时间段受游离瓦斯影响情况下的煤粒瓦斯放散量、放散速度与得到的 相同时间段内游离瓦斯放散量、放散速度作差，即可消除游离瓦斯对解吸规律测定的影响， 得到该时间段内煤粒瓦斯解吸量、解吸速度。
[0020] 理想气体状态方程：Pv=nRT，其中p为气体计量罐内气体压强，v为气体计量罐 内气体体积，η为物质的量，R为普适气体常量，T为绝对温度，T的单位为开尔文，字母为K， 数值为摄氏温度加273. 15,如0°C即为273. 15Κ。（当ρ，V，η，Τ的单位分别采用Pa(帕斯 卡），m3(立方米），mol，K时，R的数值为 8. 31X/(mol*K)。
[0021] 进一步的，煤样罐进气口接有球阀，煤样罐出气口通过电磁阀与稳压罐一端相连， 实现煤样罐与稳压罐之间的瞬时连接、断开，稳压罐另一端通过安全溢流阀与气体计量罐 连接。
[0022] 进一步的，煤样罐、稳压罐罐体均接有大量程压力传感器，可实现罐内压力监控； 气体计量罐内装有精密压力传感器，可实现罐内压力实时、准确采集，并根据理想气体状态 方程（Pv=nRT)推算出罐内实时气体量。
[0023] 进一步的，所述的煤样罐、稳压罐、气体计量罐为碳钢材质罐体，可耐压32MPa。
[0024] 所述的球阀为适用于气体的碳钢材质球阀，可耐高温、高压。
[0025] 所述的电磁阀为适用于气体的碳钢双向电磁阀，流量大，应答时间短，降低了阀门 对试验的影响。
[0026] 所述的安全溢流阀为弹簧式安全溢流阀，可通过调节螺丝并借助管路中的压力传 感器设置压力，调节稳压罐溢出压力。
[0027] 利用上述一种煤粒特定放散压力下解吸规律测定仪器的煤粒特定放散压力下解 吸规律测定方法，主要包括特定放散压力下煤粒瓦斯解吸量、解吸速度、温度变化测定方法 及特定放散压力下煤粒瓦斯放散初速度测定方法两部分；具体测定方法如下：
[0028] 1)对整套测定仪器进行气密性检查；
[0029] 2)称取符合测定条件的煤样装入煤样罐，将整套测定仪器放入恒温水浴中，煤样 罐进气口依次连接真空表和真空栗，对整套测定仪器进行真空脱气处理；
[0030] 3)煤样罐进气口连接高压甲烷气瓶，对煤样罐、稳压罐充气，直至稳压罐压力达到 预定压力时，关闭电磁阀；
[0031] 4)继续对煤样罐充气，直至煤样罐内煤样完全吸附时，关闭煤样罐进气口阀门；
[0032] 5)打开电磁阀，启动煤粒瓦斯解吸过程，同时连接在煤样罐上的温度传感器采集 罐内温度随时间变化，即可获得瓦斯解吸过程中的温度变化规律；连接在气体计量罐上的 压力传感器采集罐内压力随时间的变化，经过推算可得到某时间段内受游离瓦斯影响情况 下的煤粒瓦斯放散量、放散速度；
[0033] 6)将煤样罐内煤样换成相同重量的铁块，重复步骤2~5,即可得到某时间段内游 离瓦斯放散量、放散速度；
[0034] 7)将步骤5得到某时间段内受游离瓦斯影响情况下的煤粒瓦斯放散量、放散速度 与步骤6得到的相同时间段内游离瓦斯放散量、放散速度作差，即可得到该时间段内煤粒 瓦斯解吸量、解吸速度；
[0035] 8)重复上述步骤1~7,控制电磁阀在解吸开始第一设定时间时关闭，记录 气体计量罐内压力HI(mmHg)，第二设定时间时打开，第三设定时间时关闭，记录气体计 量罐内压力H2(mmHg)，依据行业标准《煤的瓦斯放散初速度指标测定方法》提供公式
即可得到特定放散压力下瓦斯放散初速度； t
[0036]ΔP为以mmHg为单位的瓦斯放散初速度指标，V。为规定的变容变压装置放散空 间体积（汞柱计液面压差为〇时），单位为毫升（mL)，行业标准规定为28mL(对应3. 5g 煤粉），此处取mL;r为规定的变容变压装置的汞柱计内截面半径，单位 为毫米（mm)，行业标准规定为3mm;V为气体计量罐空间体积，单位为毫升（mL)，理论值为
[0037] 9)测定完毕，依次打开气体计量罐出气口阀门、煤样罐进气口阀门、电磁阀，将高 压气体释放，将煤样罐内铁块取出，并妥善处理真空栗、高压气瓶辅助设备。
[0038] 进一步的，步骤2)中需要满足的测定条件为100g粒度为1~3mm的煤样。
[0039] 本发明可实现对瓦斯解吸量的实时、准确测定，能有效消除游离瓦斯对瓦斯解吸 量测定的影响，为煤粒瓦斯解吸提供稳定的高压放散条件，并且结构简单、操作方便、自动 化程度高、制作成本低，该测定仪器及测试方法，可实现特