受載構(gòu)造軟煤瓦斯吸附解吸試驗(yàn)系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于瓦斯試驗(yàn)裝置技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種受載構(gòu)造軟煤瓦斯吸附解吸試驗(yàn)系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]吸附解吸是煤層瓦斯最基本的運(yùn)移模式之一，厘清煤層瓦斯的吸附解吸規(guī)律對(duì)我國煤礦瓦斯災(zāi)害防治具有重要意義。人們?cè)谘芯亢咚姑旱奈浇馕?guī)律時(shí)往往采用的是不受載的顆粒煤，但是眾所周知，煤層的賦存環(huán)境是一個(gè)應(yīng)力-溫度耦合的復(fù)雜環(huán)境，因此不考慮應(yīng)力影響所得到的煤層瓦斯吸附解吸規(guī)律是不真實(shí)、不可靠的，所以很有必要開展受載條件下的煤層瓦斯吸附解吸規(guī)律。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、試驗(yàn)操作簡便，能夠改變軟煤煤樣的加載壓力，模擬恒溫條件和不同的載荷條件，測(cè)量軟煤煤樣在不同載荷條件下的瓦斯吸附量和解吸量的受載構(gòu)造軟煤瓦斯吸附解吸試驗(yàn)系統(tǒng)。
[0004]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:受載構(gòu)造軟煤瓦斯吸附解吸試驗(yàn)系統(tǒng)，包括瓦斯供給裝置、加載裝置、抽真空裝置、恒溫箱和瓦斯解吸儀;瓦斯供給裝置包括高壓瓦斯罐、減壓閥和充氣罐，高壓瓦斯罐和充氣罐之間通過充氣高壓管連通，減壓閥設(shè)在充氣高壓管上，高壓瓦斯罐與減壓閥之間的充氣高壓管上按瓦斯流通方向串聯(lián)設(shè)有第一閥門和第一氣壓表，減壓閥與充氣罐之間的充氣高壓管上按瓦斯流通方向串聯(lián)設(shè)有第二氣壓表和第二閥門，充氣罐上設(shè)有溫度傳感器和壓力傳感器;加載裝置包括壓力缸、活塞、熱縮管和手動(dòng)液壓栗，壓力缸左右側(cè)壁上均設(shè)有定位銷，活塞沿軸向插入壓力缸內(nèi)并與壓力缸密封配合，活塞位于定位銷下方，壓力缸和活塞形成一個(gè)壓力室，熱縮管位于壓力室內(nèi)，熱縮管左右兩端分別連接有進(jìn)氣高壓管和出氣高壓管，進(jìn)氣高壓管另一端與充氣罐連通，出氣高壓管另一端連接有兩位三通閥，進(jìn)氣高壓管上設(shè)有第三閥門，壓力缸與手動(dòng)液壓栗之間通過液體高壓管連通，液體高壓管上沿液體流通方向設(shè)有第四閥門和液壓表，壓力缸底部連接有排水管，排水管上設(shè)有第五閥門；抽真空裝置包括真空栗和真空計(jì)，真空栗通過真空高壓管與兩位三通閥連通，真空計(jì)設(shè)在真空高壓管上，真空計(jì)與兩位三通閥之間的真空高壓管上設(shè)有第六閥門；瓦斯解吸儀通過氣體高壓管與兩位三通閥連通，瓦斯解吸儀與兩位三通閥之間的氣體高壓管上沿瓦斯流通方向串聯(lián)設(shè)有第三氣壓表和第七閥門；充氣罐與壓力缸均設(shè)在丨旦溫箱內(nèi)。
[0005]恒溫箱的溫度調(diào)節(jié)范圍為0°C_80°C，加載系統(tǒng)的加載壓力調(diào)節(jié)范圍為0_40MPa。
[0006]本發(fā)明的目的還在于提供一種受載構(gòu)造軟煤瓦斯吸附解吸試驗(yàn)系統(tǒng)的試驗(yàn)方法，充分考慮應(yīng)力和溫度的影響，在恒定溫度下，通過改變軟煤煤樣所受到的加載壓力，進(jìn)行瓦斯吸附解吸試驗(yàn)，從而得到受載條件下的煤層瓦斯吸附解吸規(guī)律。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明的受載構(gòu)造軟煤瓦斯吸附解吸試驗(yàn)系統(tǒng)的試驗(yàn)方法依次包括如下步驟:
(1)關(guān)閉所有閥門，卸下壓力缸左右側(cè)壁上的兩個(gè)定位銷，取下活塞，剪取一定長度的熱縮管，在熱縮管中裝填定量軟煤煤樣，將進(jìn)氣高壓管和出氣高壓管分別由熱縮管的左方和右方插入熱縮管內(nèi)，利用電吹風(fēng)等加熱裝置對(duì)熱縮管加熱，熱縮管受熱后收縮并緊密包裹軟煤煤樣，同時(shí)熱縮管左右兩端分別緊密包裹進(jìn)氣高壓管和出氣高壓管伸入熱縮管的端部；
(2)將活塞沿軸向插入壓力缸，并將定位銷插入壓力缸左右側(cè)壁，打開第四閥門，利用手動(dòng)液壓栗向壓力缸內(nèi)栗入蒸餾水，使得壓力室內(nèi)的壓力達(dá)到預(yù)定值，同時(shí)活塞向上移動(dòng)并頂緊定位銷，關(guān)閉第四閥門；
(3)打開第二閥門和第三閥門，通過兩位三通閥將出氣高壓管與真空栗連通，啟動(dòng)真空栗，打開第六閥門，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行脫氣處理，根據(jù)真空計(jì)的讀數(shù)判斷是否達(dá)到試驗(yàn)的真空度要求，達(dá)到試驗(yàn)的真空度要求后，關(guān)閉真空栗、第二閥門、第三閥門和第六閥門；
(4)打開第一閥門和第二閥門，調(diào)節(jié)減壓閥將瓦斯壓力調(diào)節(jié)到預(yù)定壓力，通過高壓瓦斯罐向充氣罐中充入瓦斯氣體，充入完畢后關(guān)閉第一閥門和第二閥門，啟動(dòng)恒溫箱，設(shè)定試驗(yàn)溫度，試驗(yàn)溫度在0-80°C之間，當(dāng)溫度傳感器上的讀數(shù)與恒溫箱上的設(shè)定溫度值一致時(shí)，打開第三閥門開始進(jìn)行吸附試驗(yàn)，通過充氣罐向煤樣中充入瓦斯氣體，煤樣充分吸附瓦斯，直至吸附平衡，煤樣達(dá)到吸附平衡后，關(guān)閉第三閥門，根據(jù)壓力傳感器所檢測(cè)到的壓力變化，減去進(jìn)氣高壓管和出氣高壓管內(nèi)的瓦斯量，利用氣體狀態(tài)方程計(jì)算出煤樣的瓦斯吸附量大??；
(5)吸附試驗(yàn)完成后，通過兩位三通閥將出氣高壓管與解吸儀連通，打開第七閥門開始進(jìn)行解吸試驗(yàn)，當(dāng)?shù)谌龤鈮罕淼谋韷航抵亮銜r(shí)，開始用瓦斯解吸儀記錄煤樣解吸量隨時(shí)間變化情況，解吸前期，解吸量變化較快，記錄瓦斯解吸量的時(shí)間間隔為30 s，解吸后期，解吸量變化較慢，記錄瓦斯解吸量時(shí)間間隔為60s，當(dāng)煤樣中不再有瓦斯解吸出來后，關(guān)閉第七閥門，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制出煤樣解吸量隨時(shí)間的變化曲線，從而得到瓦斯解吸總量；
(6)瓦斯吸附解吸試驗(yàn)結(jié)束后，打開第五閥門，將壓力缸中的蒸餾水通過排水管排出；
(7)以上(I)?(6)步驟為一次載荷試驗(yàn)，重復(fù)以上(I)?(6)步驟，進(jìn)行多次載荷試驗(yàn)，每次載荷試驗(yàn)保持第(I)步驟中熱縮管內(nèi)裝填的軟煤煤樣質(zhì)量相等，并且改變第(2)步中壓力室內(nèi)的壓力預(yù)定值以模擬不同的載荷條件。
[0008]在步驟(I)中，在進(jìn)氣高壓管、出氣高壓管和熱縮管之間的縫隙內(nèi)填入少量液體硅橡膠，待液體硅橡膠完全固化后，再進(jìn)行第(2 )步驟。
[0009]采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
1、本發(fā)明包括瓦斯供給裝置、加載裝置、抽真空裝置、恒溫箱和瓦斯解吸儀，其結(jié)構(gòu)簡單，基于構(gòu)造軟煤難以施加載荷的現(xiàn)狀，以及煤層所處的壓力-溫度耦合賦存環(huán)境的客觀存在，提出了一種簡便可靠的施壓方法，有效地解決了構(gòu)造軟煤的加載問題。瓦斯供給裝置利用高壓瓦斯罐提供瓦斯氣體，通過減壓閥將瓦斯壓力調(diào)節(jié)到試驗(yàn)所需的壓力大小，并充入充氣罐內(nèi)，利用充氣罐向煤樣中注入瓦斯氣體，這樣使得煤樣充分吸附瓦斯直至達(dá)到吸附平衡，并通過觀察充氣罐內(nèi)瓦斯氣體的壓力變化結(jié)合高壓管路內(nèi)瓦斯含量，便可計(jì)算出煤樣吸附解吸量的大小;加載裝置中壓力缸和活塞形成了一個(gè)壓力室，通過手動(dòng)液壓栗向壓力缸內(nèi)注入蒸餾水，使得壓力室內(nèi)的壓力達(dá)到預(yù)設(shè)值，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤樣的加載，操作簡便;最后通過瓦斯解吸儀讀數(shù)的變化得到瓦斯解吸量隨時(shí)間的變化規(guī)律;通過本發(fā)明所提供的試驗(yàn)裝置和方法，可方便準(zhǔn)確地獲取構(gòu)造軟煤在受載條件下的瓦斯吸附解吸規(guī)律，從而為煤礦瓦斯災(zāi)害防治提供理論支撐。
[0010]2、本發(fā)明的充氣罐和壓力缸均設(shè)在恒溫箱內(nèi)，使得系統(tǒng)溫度恒定，排除氣源溫度不同的干擾，使煤樣瓦斯吸附解吸試驗(yàn)在同一溫度下進(jìn)行，可實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)的完整性和連續(xù)性。
[0011]3、本發(fā)明的抽真空裝置利用真空栗對(duì)整個(gè)試驗(yàn)管路進(jìn)行脫氣處理，確保試驗(yàn)過程中只有瓦斯氣體參與到試驗(yàn)中，從而排除其他氣體對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的干擾。本發(fā)明各處的承壓管路均為高壓管，可嚴(yán)格控制管路長度，盡最大可能減少管路的自由空間，使試驗(yàn)數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。
[0012]4、本發(fā)明的受載構(gòu)造軟煤瓦斯吸附解吸試驗(yàn)系統(tǒng)的試驗(yàn)方法，基于構(gòu)造軟煤難以施加載荷的現(xiàn)狀，以及煤層所處的壓力-溫度耦合賦存環(huán)境的客觀存在，采用加載裝置對(duì)軟煤煤樣施加壓力，有效地解決了構(gòu)造軟煤的加載問題，并且可以通過改變手動(dòng)液壓栗向壓力缸內(nèi)注入蒸餾水的多少，得到不同的壓力值，操作簡便，根據(jù)壓力傳感器所檢測(cè)到的壓力變化計(jì)算出瓦斯吸附量，通過瓦斯解吸儀讀數(shù)的變化得到瓦斯解吸量隨時(shí)間的變化規(guī)律，從而得到瓦斯解吸總量;通過對(duì)比在不同載荷條件下的瓦斯吸附量和解吸量，得到受載條件下的煤層瓦斯吸附解吸規(guī)律，為煤礦瓦斯災(zāi)害防治提供理論支撐，從而指導(dǎo)相應(yīng)的煤礦工程實(shí)踐，采取更有針對(duì)性的預(yù)防及防護(hù)措施，對(duì)于煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。
【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]如圖1所示，本發(fā)明的受載構(gòu)造軟煤瓦斯吸附解吸試驗(yàn)系統(tǒng)，包括瓦斯供給裝置、加載裝置、抽真空裝置、恒溫箱I和瓦斯解吸儀2;瓦斯供給裝置包括高壓瓦斯罐3、減壓閥4和充氣罐5，高壓瓦斯罐3和充氣罐5之間通過充氣高壓管31連通，減壓閥4設(shè)在充氣高壓管31上，高壓瓦斯罐3與減壓閥4之間的充氣高壓管31上按瓦斯流通方向串聯(lián)設(shè)有第一閥門6和第一氣壓表7，減壓閥4與充氣罐5之間的充氣高壓管31上按瓦斯流通方向串聯(lián)設(shè)有第二氣壓表8和第二閥門9，充氣罐5上設(shè)有溫度傳感器10和壓力傳感器11;加載裝置包括壓力缸
12、活塞13、熱縮管14和手動(dòng)液壓栗15，壓力缸12左右側(cè)壁上均設(shè)有定位銷16，活塞13沿軸向插入壓力缸12內(nèi)并與壓力缸12密封配合，活塞13位于定位銷16下方，壓力缸12和活塞13形成一個(gè)壓力室17，熱縮管14位于壓力室17內(nèi)，熱縮管14左右兩端分別連接有進(jìn)氣高壓管18和出氣高壓管19，進(jìn)氣高壓管18另一端與充氣罐5連通，出氣高壓管19另一端連接有兩位三通閥20，進(jìn)氣高壓管18上設(shè)有第三閥門21，壓力缸12與手動(dòng)液壓栗15之間通過液體高壓管32連通，液體高壓管32上沿液體流通方向設(shè)有第四閥門22和液壓表23，壓力缸12底部連接有排水管24，排水管24上設(shè)有第五閥門25;抽真空裝置包括真空栗26和真空計(jì)27，真空栗26通過真空高壓管33與兩位三通閥20連通，真空計(jì)27設(shè)在真空高壓管33上，真空計(jì)27與兩位三通閥20之間的真空高壓管33上設(shè)有第六閥門28;瓦斯解吸儀2通過氣體高壓管34與兩位三通閥20連通，瓦斯解吸儀2與兩位三通閥20之間的氣體高