本發(fā)明涉及礦業(yè)工程、安全工程科研技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種精確測量初始瓦斯膨脹能的試驗(yàn)儀器及方法。

背景技術(shù)：

隨著煤炭資源開采強(qiáng)度、深度的不斷加大，煤與瓦斯突出事故逐漸成為影響煤礦安全形勢持續(xù)好轉(zhuǎn)的主要災(zāi)害事故。在采礦工程中，煤與瓦斯突出是一種非常復(fù)雜的動(dòng)力現(xiàn)象，瓦斯是影響突出最重要的指標(biāo)之一。初始瓦斯膨脹能是表征瓦斯能力大小的重要參數(shù)，其代表了煤體暴露面附近煤體質(zhì)點(diǎn)受地應(yīng)力作用破壞后大裂隙內(nèi)及由小裂隙(孔隙)最先釋放到大裂隙中的瓦斯在向外界環(huán)境膨脹過程中轉(zhuǎn)化出來的能量。它綜合反映了地應(yīng)力、瓦斯壓力和煤體強(qiáng)度對(duì)煤與瓦斯突出的作用。近年來，初始釋放瓦斯膨脹能應(yīng)用于煤礦現(xiàn)場效果較好。為此，迫切需要研制一種用于精確測量初始瓦斯膨脹能的試驗(yàn)裝置。

目前，針對(duì)初始瓦斯膨脹能的測定儀器與方法，已開展了大量的研究工作，研制了一系列測定裝置，現(xiàn)狀如下：

(1)申請(qǐng)?zhí)枮?4242173.6的中國專利，公開了一種用于測量煤樣初始瓦斯能的測定裝置，該裝置由機(jī)械部分和控制電路兩部分構(gòu)成。機(jī)械部分包括煤樣罐，帶球閥的漸縮噴口及三個(gè)測量范圍不同的壓力傳感器和溫度傳感器等?？刂撇糠峙c插接在計(jì)算機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集電路板和編程六路PIO接口板相連。外界壓力突然變化時(shí)，首先由高壓傳感器采集氣體壓力，隨著氣體壓力的降低，煤樣罐與低壓傳感器之間的閥門開啟，隨即低壓傳感器采集氣體壓力，進(jìn)而計(jì)算煤樣內(nèi)涌出的瓦斯膨脹能。但該吸附解吸裝置不能測量煤樣死空間體積與甲烷吸附量，而且漸縮口處設(shè)計(jì)的球閥不能滿足瞬間快速打開和長期密封要求，因而不能精確測量初始瓦斯膨脹能。

(2)申請(qǐng)?zhí)枮?01510881438.X的中國專利，公開了一種構(gòu)造煤解吸瓦斯能量分布曲線的測試裝置及方法，裝置包括煤樣罐、恒溫浴槽、充氣罐、高壓氣瓶和計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)。通過計(jì)算機(jī)和傳感器技術(shù)，采集高壓吸附平衡狀態(tài)下煤的解吸釋放全過程，并在相同環(huán)境下測定與煤樣罐中相同體積鐵塊時(shí)的氣體釋放過程，進(jìn)而處理得到構(gòu)造煤解吸瓦斯能量的分布曲線。但該裝置無法做到瓦斯氣體的快速釋放，導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果有相對(duì)較大的延遲，影響試驗(yàn)結(jié)果。

(3)《重慶大學(xué)學(xué)報(bào)》2013年7月份第36卷7期由姜永東、鄭權(quán)、劉浩、宋曉發(fā)表的“煤與瓦斯突出過程的能量分析”一文中第2節(jié)中公開了瓦斯膨脹能實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置主要由裝煤樣顆粒的缸體和裝有活塞的缸體及氣體壓力和氣體溫度傳感器組成。該裝置通過在瓦斯壓力下降時(shí)測量活塞伸出長度的方式計(jì)算瓦斯膨脹做功得到瓦斯膨脹能。但該裝置難以避免活塞摩擦做功引起的試驗(yàn)誤差。

綜合分析上述單位的初始瓦斯膨脹能的測定儀器，還存在以下不足之處：

1)試驗(yàn)裝置僅設(shè)計(jì)煤樣罐，不設(shè)計(jì)參考罐時(shí)，煤樣瓦斯吸附量及煤體死空間體積無法測量，因而不能精確測量初始釋放瓦斯膨脹能與瓦斯含量和游離瓦斯量的關(guān)系。

2)瓦斯釋放口不能瞬間打開，有較大的時(shí)間延遲，造成試驗(yàn)參數(shù)采集誤差，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3)傳感器精度低，導(dǎo)致獲取的氣體壓力值不準(zhǔn)確。

4)難以避免由摩擦力引起的能量損失，造成瓦斯膨脹能測量結(jié)果出現(xiàn)偏差。

為了更精確地測量初始瓦斯膨脹能，對(duì)煤與瓦斯突出的能量來源進(jìn)行量化，需要研發(fā)一種精確測量初始瓦斯膨脹能的試驗(yàn)儀器與測試方法，實(shí)現(xiàn)初始瓦斯膨脹能的精確測定，并揭示瓦斯膨脹能與瓦斯含量的關(guān)系。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明第一目的是提供一種精確測量初始瓦斯膨脹能的試驗(yàn)儀器，該試驗(yàn)儀器通過參考罐的設(shè)置，可實(shí)現(xiàn)對(duì)煤樣罐死空間、瓦斯膨脹能的測定，測量精度高。

本發(fā)明的第二目的是提供，該控制方法給出了上述試驗(yàn)儀器如何對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

本發(fā)明的第三目的是提供一種精確測量初始瓦斯膨脹能的方法，該方法給出了如何具體實(shí)現(xiàn)瓦斯膨脹能的測定，測量精度高，試驗(yàn)結(jié)果可靠程度高。

為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明提供的第一個(gè)技術(shù)方案：

一種精確測量初始瓦斯膨脹能的試驗(yàn)儀器，包括：

供氣裝置，所述供氣裝置包括內(nèi)裝有氣體的參考罐；吸附裝置，所述吸附裝置包括煤樣罐，煤樣罐與參考罐連通，參考罐內(nèi)高壓氣體可被煤樣罐內(nèi)煤樣吸附，煤樣罐頂部設(shè)置與大氣連通的氣孔，氣孔直徑為5mm，可在煤樣罐頂部設(shè)置頂蓋，頂蓋內(nèi)有漸縮形腔體，氣體釋放時(shí)，氣體經(jīng)過漸縮形腔體和氣孔進(jìn)入大氣，這樣即可計(jì)算氣體流量和速度，在煤樣罐頂部設(shè)置快速釋放開關(guān)以實(shí)現(xiàn)煤樣罐內(nèi)氣體的密封或釋放，煤樣罐設(shè)有多個(gè)排氣口，每個(gè)排氣口與一排氣管連接；

采集控制模塊，所述采集控制模塊包括若干個(gè)壓力傳感器，壓力傳感器設(shè)于煤樣罐、排氣管和參考罐，各個(gè)排氣管上設(shè)置的壓力傳感器所測壓力的最大值不同；參考罐連通一只量程為6MPa壓力傳感器(1號(hào)傳感器)，煤樣罐分別連通一只2MPa壓力傳感器(2號(hào)傳感器)，一只0.5MPa壓力傳感器(3號(hào)傳感器)，一只0.1MPa壓力傳感器(4號(hào)傳感器)。

負(fù)壓抽放裝置，所述負(fù)壓抽放裝置包括真空泵，真空泵與煤樣罐連接；

工作臺(tái)，供氣裝置、吸附裝置和負(fù)壓抽放裝置均設(shè)于工作臺(tái)。

在各個(gè)所述的排氣管上均設(shè)置一個(gè)電磁閥，各電磁閥為適用于氣體的碳鋼雙向電磁閥，流量大，靈敏度高。

上述試驗(yàn)儀器還包括恒溫水浴箱，所述煤樣罐與參考罐均設(shè)置于恒溫水浴箱內(nèi)，恒溫水浴箱可以將參考罐、煤樣罐完全浸入恒溫水中，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程的溫度恒定。

上述試驗(yàn)儀器還包括控制單元，控制單元與所述的電磁閥、各個(gè)壓力傳感器分別單獨(dú)連接，各個(gè)壓力傳感器為高精度壓力傳感器，精度高，采集頻率高。

所述參考罐的進(jìn)氣管路上設(shè)置減壓閥，在減壓閥之間設(shè)置氣體過濾器。

本發(fā)明提供的第二方案是：

一種精確測量初始瓦斯膨脹能的試驗(yàn)儀器的控制方法，包括所述的一種精確測量初始瓦斯膨脹能的試驗(yàn)儀器，

快速釋放開關(guān)打開后，控制單元通過煤樣罐上設(shè)置的壓力傳感器為第二壓力傳感器采集煤樣罐內(nèi)壓力P₂，控制單元對(duì)第二壓力傳感器采集到的壓力值P₂和第一排氣管上的第一電磁閥啟動(dòng)值P_1閥進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)P₂＜P_1閥時(shí)第一電磁閥打開，第一排氣管上的第三傳感器采集煤樣罐壓力大小P₃，控制單元對(duì)第三傳感器采集到的壓力值P₃和第二排氣管上的第二電磁閥啟動(dòng)值P_2閥進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)P₃＜P_2閥時(shí)第二電磁閥打開，設(shè)于第二排氣管上的第四傳感器采集煤樣罐壓力大小P₄。

本發(fā)明提供的第二方案是：

一種精確測量初始瓦斯膨脹能的方法，根據(jù)煤樣罐的體積、煤樣罐的死空間計(jì)算煤樣吸附的瓦斯體積。

上述方法，具體步驟如下：

1)向煤樣罐內(nèi)充入設(shè)定質(zhì)量的煤樣；

2)向參考罐內(nèi)沖入設(shè)定壓力的安全氣體后，查看參考罐上的壓力傳感器值是否平穩(wěn)；

3)釋放參考罐內(nèi)安全氣體，向參考罐內(nèi)沖入設(shè)定壓力的氦氣，記錄設(shè)于參考罐上壓力傳感器即第一傳感器的壓力值，連通參考罐與煤樣罐，設(shè)定時(shí)間后，記錄低一傳感器的壓力值，根據(jù)參考罐的體積與兩次記錄的第一傳感器的壓力值，計(jì)算煤樣罐的死空間；

4)啟動(dòng)真空泵排出參考罐和煤樣罐內(nèi)的空氣至整個(gè)試驗(yàn)儀器內(nèi)部為真空狀態(tài)，真空泵持續(xù)工作設(shè)定時(shí)間；

5)在步驟4)進(jìn)行的同時(shí)，向參考罐內(nèi)充入設(shè)定體積的甲烷，記錄第一傳感器的壓力值，連通參考罐與煤樣罐，煤樣對(duì)甲烷進(jìn)行吸附，設(shè)定時(shí)間后，記錄煤樣罐上第二壓力傳感器的壓力值，根據(jù)煤樣罐的體積、煤樣罐的死空間及該步驟中記錄的兩個(gè)壓力值計(jì)算煤樣吸附的瓦斯體積；

6)關(guān)閉煤樣罐與參考罐之間的開關(guān)，開啟快速釋放開關(guān)釋放煤樣罐內(nèi)的甲烷，控制單元記錄設(shè)定時(shí)間內(nèi)排氣管上壓力傳感器壓力值；

7)將煤樣罐內(nèi)的煤樣替換為與煤樣同體積的鐵塊，重復(fù)步驟4)-步驟6)。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)實(shí)現(xiàn)了瓦斯的瞬間釋放，避免時(shí)間延遲；傳感器精度高，獲取的氣體壓力值更準(zhǔn)確，從而精確測定初始釋放瓦斯膨脹能。

2)實(shí)現(xiàn)了煤體死空間體積即孔隙率和瓦斯吸附量的精確測量，可得到初始釋放瓦斯膨脹能與瓦斯含量和游離瓦斯量的定量關(guān)系。

3)實(shí)現(xiàn)了煤體瓦斯吸附量和初始瓦斯膨脹能的測定，實(shí)現(xiàn)了樣品樣一次吸附、多個(gè)參數(shù)測定的目的，提升了試驗(yàn)效率，節(jié)約了試驗(yàn)時(shí)間。

附圖說明

圖1為精確測量初始瓦斯膨脹能的試驗(yàn)儀俯視圖。

圖2為精確測量初始瓦斯膨脹能的試驗(yàn)儀側(cè)視圖。

圖3為精確測量初始瓦斯膨脹能的試驗(yàn)系統(tǒng)側(cè)視圖。

其中，1—?dú)怏w過濾器，2—減壓閥，3—?dú)怏w管路，4—1號(hào)開關(guān)，5—2號(hào)開關(guān)，6—1號(hào)傳感器，7—3號(hào)開關(guān)，8—2號(hào)傳感器，9—4號(hào)開關(guān)，10—1號(hào)電磁閥，11—3號(hào)傳感器，12—4號(hào)傳感器，13—2號(hào)電磁閥，14—快速釋放開關(guān)，15—煤樣罐，16—參考罐，17—煤樣罐頂蓋，18—采集控制箱，19—數(shù)據(jù)采集軟件，20—恒溫水浴箱。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述。

如圖1、圖2和圖3所示，精確測量初始瓦斯膨脹能的試驗(yàn)儀器包括主要包括吸附裝置、供氣裝置、采集控制模塊、負(fù)壓抽放裝置和工作臺(tái)，供氣裝置、吸附裝置和負(fù)壓抽放裝置均設(shè)于工作臺(tái)。

吸附裝置所述吸附裝置包括煤樣罐，煤樣罐與參考罐連通，參考罐內(nèi)高壓氣體可被煤樣罐內(nèi)煤樣吸附，煤樣罐頂部設(shè)置與大氣連通的氣孔，在煤樣罐頂部設(shè)置快速釋放開關(guān)以實(shí)現(xiàn)煤樣罐內(nèi)氣體的密封或釋放，煤樣罐設(shè)有多個(gè)排氣口，每個(gè)排氣口與一排氣管連接；煤樣罐是煤樣瓦斯吸附、解吸的主要空間場所。

供氣裝置，所述供氣裝置包括內(nèi)裝有氣體的參考罐16，參考罐16內(nèi)高壓氣體被煤樣罐15內(nèi)煤樣吸附，實(shí)現(xiàn)煤樣瓦斯吸附功能。

參考罐16進(jìn)氣口連接減壓閥2和氣體過濾器1，氣體過濾器1裝有可連接高壓氣瓶的氣瓶接口，進(jìn)行充氣壓力調(diào)解及防止氣體內(nèi)雜質(zhì)進(jìn)入儀器中的精密零件。參考罐16出氣口裝有可連接真空泵的真空泵接口。

參考罐16、煤樣罐15為碳鋼材質(zhì)罐體，可耐壓15MPa。

煤樣罐頂蓋17內(nèi)有漸縮形腔體，煤樣罐頂蓋上有連通大氣的小孔，小孔直徑5mm。

快速釋放開關(guān)14安裝在煤樣罐頂蓋17上，快速釋放開關(guān)14的閉合或開啟可實(shí)現(xiàn)煤樣罐15內(nèi)氣體的密封和釋放。

溫度控制模塊主要包括恒溫水浴箱20，恒溫水浴箱20可以將參考罐16、煤樣罐15完全浸入恒溫水中，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程的溫度恒定。

采集控制模塊主要包括1號(hào)傳感器6、2號(hào)傳感器8、3號(hào)傳感器11、4號(hào)傳感器12，1號(hào)電磁閥10、2號(hào)電磁閥13、采集控制箱18、數(shù)據(jù)采集軟件19，采集控制模塊可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)罐體內(nèi)氣體壓力實(shí)時(shí)采集以及吸附平衡壓力的精確控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)任意吸附平衡壓力下的煤粒瓦斯的吸附量測定和吸附平衡煤樣氣體的快速釋放時(shí)的壓力。

參考罐16連通由1號(hào)開關(guān)4控制，真空泵接口由2號(hào)開關(guān)5控制，參考罐16和煤樣罐15的連通由3號(hào)開關(guān)7控制。煤樣罐15和1號(hào)電磁閥10、2號(hào)電磁閥13的連通由4號(hào)開關(guān)9控制。

基于參考罐16和煤樣罐15的壓力值，根據(jù)氣體狀態(tài)方程(pv＝nZRT)即可得到煤粒瓦斯的吸附量，式中p為罐內(nèi)氣體壓強(qiáng)，v為罐內(nèi)氣體體積，n為罐內(nèi)氣體物質(zhì)的量，R為普適氣體常量，T為絕對(duì)溫度，Z為氣體壓縮系數(shù)。

參考罐16連通一只6MPa壓力傳感器(1號(hào)傳感器)，煤樣罐分別連通一只2MPa壓力傳感器(2號(hào)傳感器)，一只0.5MPa壓力傳感器(3號(hào)傳感器)，一只0.1MPa壓力傳感器(4號(hào)傳感器)。

1號(hào)電磁閥10安裝于煤樣罐15和3號(hào)傳感器11之間、2號(hào)電磁閥13安裝于煤樣罐15和4號(hào)傳感器12之間，結(jié)合2號(hào)傳感器8和數(shù)據(jù)采集軟件19對(duì)煤樣罐內(nèi)壓力的采集。采集控制箱18可根據(jù)采集壓力信號(hào)自動(dòng)控制電磁閥的開啟和關(guān)閉，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)煤樣罐氣體快速釋放時(shí)的壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)精確的測量。

上述試驗(yàn)儀器的具體操作方法，如下：

1)主要硬件及連接

各壓力傳感器按照標(biāo)簽說明接入采集箱對(duì)應(yīng)接口，1號(hào)開關(guān)連接氦氣瓶，2號(hào)開關(guān)連接真空泵，恒溫水浴箱置于罐體下部。利用數(shù)據(jù)采集軟件檢查傳感器工作狀態(tài)，保證信息采集的準(zhǔn)確性。

2)裝煤樣并檢查氣密性

利用電子天平稱取一定質(zhì)量、一定粒徑煤樣裝入煤樣罐。打開數(shù)據(jù)采集軟件。關(guān)閉1、4號(hào)開關(guān)，開啟2、3號(hào)開關(guān)，開啟氣瓶，開啟減壓閥，向儀器內(nèi)充入2.0MPa氦氣，關(guān)閉減壓閥，關(guān)閉2、3號(hào)開關(guān)，查看氣體壓力值，若10分鐘內(nèi)平穩(wěn)不變則氣密性良好。

3)煤樣罐死空間測量

開啟快速釋放開關(guān)，釋放儀器內(nèi)的氦氣。關(guān)閉快速釋放口開關(guān)，關(guān)閉1、3號(hào)開關(guān)，開啟2號(hào)開關(guān)，開啟減壓閥，向參考罐內(nèi)充入1.5MPa氦氣，關(guān)閉減壓閥，關(guān)閉2號(hào)開關(guān)5。記錄1號(hào)傳感器壓力值。開啟3號(hào)開關(guān)7，1分鐘后記錄1號(hào)傳感器6壓力值。根據(jù)罐體體積及壓力值可計(jì)算煤樣罐死空間。

4)抽真空

將氦氣瓶更換為瓦斯氣瓶，在氣瓶為關(guān)閉狀態(tài)下，依次打開1、2、3號(hào)開關(guān)，微微開啟減壓閥，啟動(dòng)真空泵。將整套儀器及高壓氣瓶管路中的空氣排出。煤樣罐中壓力值為-0.98KPa左右基本為真空狀態(tài)，真空泵開啟時(shí)間至少60分鐘。關(guān)閉減壓閥，關(guān)閉1、2、3號(hào)開關(guān)，關(guān)閉真空泵開關(guān)，關(guān)閉真空泵電源。

5)吸附體積測量

開啟2號(hào)開關(guān)，緩慢開啟減壓閥向參考罐內(nèi)充入一定壓力的甲烷，關(guān)閉減壓閥，關(guān)閉2號(hào)開關(guān)5，記錄1號(hào)傳感器壓力值。開啟3號(hào)開關(guān)，吸附12小時(shí)。12小時(shí)后記錄2號(hào)傳感器壓力值。根據(jù)罐體體積、死空間體積及壓力值可計(jì)算煤樣吸附的瓦斯體積。

6)煤粒瓦斯膨脹能測定

關(guān)閉3號(hào)開關(guān)，重新啟動(dòng)采集軟件記錄2-4號(hào)傳感器壓力值。開啟快速釋放口釋放瓦斯，采集氣體涌出30s以內(nèi)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

7)標(biāo)準(zhǔn)塊瓦斯膨脹能測定

卸下煤樣罐，將煤樣罐內(nèi)的煤粉替換為同體積的圓柱狀鐵塊，確保罐體密封性。打開真空泵，打開1號(hào)開關(guān)再次為儀器抽真空。煤樣罐中壓力值為-0.98KPa左右基本為真空狀態(tài)，真空泵開啟時(shí)間至少60分鐘。關(guān)閉真空泵開關(guān)，關(guān)閉真空泵電源，關(guān)閉1、3號(hào)開關(guān)。

充入與放煤粒時(shí)一致的試驗(yàn)壓力，重新啟動(dòng)采集軟件記錄2號(hào)傳感器壓力值。開啟快速釋放開關(guān)釋放瓦斯，采集氣體涌出30s以內(nèi)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

8)儀器保養(yǎng)與維護(hù)

測定完畢，關(guān)閉瓦斯氣瓶，關(guān)閉減壓閥，打開1-4開關(guān)，將真空泵、高壓氣瓶從試驗(yàn)設(shè)備拆除并妥善安置，關(guān)閉采集箱、電腦對(duì)整套儀器進(jìn)行日常保養(yǎng)。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。