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专利名称：外加水分对含瓦斯煤体解吸特性的测试装置及方法
技术领域：
本发明是涉及表面化学、吸附动力学特性的加压注水注气吸附装置及方法，尤其 是一种适用于实验室中模拟含瓦斯煤层在不同外加水分条件下的瓦斯解吸特性的装置及 方法。
背景技术：
2009年我国煤炭产量达到30. 3亿t，有力地保障了经济的快速增长，同时也导致 煤矿每年以10 20m的速度向深部延伸，许多矿井已进入深部开采。随着开采深度的增 力口，煤层地应力增高、瓦斯压力增大，再加上煤层透气性低，瓦斯采前抽采困难，煤与瓦斯突 出(以下简称突出)和爆炸灾害日趋严重。为了增大煤层的透气性、减少抽采钻孔工程量， 有关科研机构研究和试验了多种水力化增透和消除突出危险性的技术和方法，包括煤层注 水、水力冲孔、水力冲刷、水力割缝、水力压裂和水力挤出等。水力化措施消除煤层突出危险性作用的原因总结如下(1)增大煤体的裂隙、提 高煤层的透气性，改善瓦斯抽采效果；(2)驱逐瓦斯，高压水将加速游离瓦斯和部分吸附瓦 斯的排放；(3)水进入裂隙和孔隙，封闭了吸附瓦斯解吸的通道，减少瓦斯解吸速度，降低 瓦斯释放时产生的能量；(4)湿润煤体，改善煤体的力学性质，使应力集中区内移，卸压防 护带宽度增大。各种水力化措施本质都是不同程度地增加了煤体的外加水分，原始煤体在外加水 分的作用下一方面将改变煤体孔隙结构和裂隙发育状况，另一方面外加水分进入煤体孔隙 和裂隙在驱逐游离瓦斯和部分吸附瓦斯的同时，还会封闭裂隙及孔隙间吸附瓦斯解吸的通 道，阻碍瓦斯解吸过程。因此，煤体外加水分增加后，其瓦斯解吸性能将发生改变，对突出煤 层的瓦斯解吸速度、残存瓦斯含量、区域性消除突出危险指标和瓦斯抽采指标等产生重大 影响。目前，国内外对水力化措施用于突出煤层防突后的瓦斯解吸动力学过程研究多停 留在现场试验，并对现场现象进行描述，缺少外加水分对瓦斯解吸动力学过程影响的理论 研究。以往研究外加水分对瓦斯解吸动力学过程影响的实验多采用先注入水分、再进行高 压吸附瓦斯和解吸瓦斯的实验流程，虽然利用现有高压吸附实验装置较易进行实验，但与 现场含瓦斯煤层注水后的工程实际情况不符，且在这种实验流程下，先注入的水分抢占了 瓦斯的吸附位，研究结果不能反映外加水分对瓦斯在煤体孔隙结构中的封闭作用。前苏联 学者开展的注水煤体瓦斯解吸性能研究，由于受实验条件的限制，只是在实验室中向吸附 高压瓦斯的罐体中注入高压水，使煤样浸泡在水中，研究煤样的解吸性能，这与实际情况差 异较大。进行突出煤层外加水分条件下瓦斯解吸动力学过程实验研究的技术难点在于，必 须首先用干煤样在专用罐体内吸附高压瓦斯，达到吸附平衡后，再向高压罐体内注入水分， 通过搅拌，使水分进入含瓦斯煤体并能够均勻分布，最后测试含瓦斯煤样在外加水分条件 下的瓦斯解吸动力学过程。

发明内容
技术问题本发明的目的是提供一种结构简单、测试方法简便、效果好的含瓦斯煤 体在外加水分条件下的解吸特性测试装置及方法。技术方案本发明的外加水分对含瓦斯煤体的解吸特性的测试装置，包括抽真空 系统、加压注气系统、恒温系统、高压注水系统及解吸测定系统，其中抽真空系统包括真空 泵、与真空泵相连的抽排气管及第2阀门、设在抽排气管上的真空压力表和连接在此管路 上的第3阀门；加压注气系统包括高压气瓶、与高压气瓶相连的高压缓冲罐及设在二者连 接管路上的第1阀门、与高压缓冲罐连接的第1压力表及与第1压力表连接的第4阀门；恒 温系统包括与高压缓冲罐相连的压力容器及二者连接管路上的第5阀门、与压力容器相连 的第2压力表、装有压力容器的恒温水浴箱；高压注水系统包括与压力容器相连的定量容 器、搅拌装置及设在二者连接管路上的单向阀和第6阀门、与定量容器相连的增液泵和连 接在二者连接管路上的第3压力表和二者连接管路上的第7阀门、与增液泵相连的水箱以 及设在二者连接管路上的第8阀门；解吸测定系统包括与第6阀门连接的解吸量筒。本发明的外加水分对含瓦斯煤体的解吸特性的测试方法，步骤如下
(a)称取约60g的l-3mm粒径的待测试干燥煤样装入压力容器内，打开压力容器与真空 泵相连接管路上的第2阀门、第3阀门、第5阀门，对压力容器抽真空，同时对注满水的恒温 水浴箱进行加热至60°C ；
(b)观察与真空泵相连接的真空压力表，当真空压力降至0.4Pa时，继续抽真空4 6h 后，关闭压力容器与真空泵相连接管路上的第2阀门、第3阀门、第5阀门，打开第1阀门、 第4阀门，观察与高压缓冲罐连接的第1压力表，当显示压力达到预定压力时，关闭第1阀 门；
(c)将注满水的恒温水浴箱调节到约30°C，打开第5阀门，观察与压力容器连接的第2 压力表，当显示压力不再上升时，关闭第5阀门；
(d)在压力容器进行平衡48h之后，与压力容器相连接的第2压力表显示压力不再变化 时，记录此时第2压力表显示的平衡压力；
(e)打开第8阀门、第7阀门，启动增液泵将水箱中水加压至定量容器中，观察与定量容 器相连接的第3压力表，当其显示压力大于第2压力表显示的平衡压力时，定量容器中高压 水通过单向阀进入压力容器中；
(f)观察水箱中的水位，当水位减少Imm时，关闭增液泵及水箱与压力容器之间所有阀
门；
(g)启动与压力容器相连的搅拌装置，运行约2h后，静置6h; (h)打开第6阀门，当与定量容器相连接的第3压力表压力显示为常压时，打开与解吸 量筒相连接的阀门，开始计时测定煤样的解吸过程。有益效果本发明在煤体对瓦斯吸附平衡后进行高压注水，并通过搅拌使水分在 煤体中均勻混合，之后对其解吸特性进行测试，充分模拟了现场含瓦斯煤层注水后的实际 情况，能够测试含瓦斯煤体在外加水分影响下其解吸特性的变化，使得水力化措施用于突 出煤层防突后的瓦斯解吸动力学过程能够得到更深入的研究，填补国内对含瓦斯煤体在外 加水分条件下解吸特性研究装置的空白，测试含瓦斯煤体在外加水分后其解吸特性所受影 响，其结构简单、测试方法简便，使用效果好，具有广泛的实用性。


图1是本发明的装置图。图中1-高压气瓶，2-真空 泵，3-真空压力表，4-高压缓冲罐，5-iT5-C压力表， 6-压力容器，7-搅拌装置，8-恒温水浴箱，9-单向阀，10-定量容器，11-增液泵，12-水箱， 13-解吸量筒，F-fF-8阀门。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施例作进一步的描述
附图所示，本发明的装置主要由抽真空系统、加压注气系统、恒温系统、高压注水系统 及解吸测定系统组成，其中抽真空系统包括真空泵2、与真空泵2相连的抽排气管及第2 阀门F-2、设在抽排气管上的真空压力表3和连接在此管路上的第3阀门F-3 ；加压注气系 统包括高压气瓶1、与高压气瓶1相连的高压缓冲罐4及设在二者连接管路上的第1阀门 F-I、与高压缓冲罐4连接的压力表5-a及与压力表5-a连接的阀门F_4 ；恒温系统包括与 高压缓冲罐4相连的压力容器6及二者连接管路上的阀门F-5、与压力容器6相连的压力表 5_b、装有压力容器6的恒温水浴箱8 ；高压注水系统包括与压力容器6相连的定量容器10、 搅拌装置7及设在二者连接管路上的单向阀9和阀门F-6、与定量容器10相连的增液泵11 和连接在二者连接管路上的压力表5-c和二者连接管路上的阀门F-7、与增液泵11相连的 水箱12以及设在二者连接管路上的阀门F-8 ；解吸测定系统包括与阀门F-6连接的解吸量 筒13。本发明的测试方法如下
(a)称取60g、l-3mm粒径的待测试干燥煤样装入压力容器6内，密封压力容器6，打开 压力容器6和真空泵2连接管路上的所有阀门，对压力容器6进行抽真空，对注满水的恒温 水浴8进行加热至60°C ；
(b)观察与真空泵2相连接的真空压力表3，当真空压力降至0.4Pa以下，继续抽真空 4 6h，以除去煤样中吸附的杂质气体后，关闭压力容器6和真空泵2连接管路上的所有阀 门，打开第1阀门F-I、第4阀门F-4，观察与高压缓冲罐4连接的第1压力表5-a，当显示压 力达到4MPa，关闭第1阀门F-I ；
(c)将注满水的恒温水浴箱8调节到约30°C，打开第5阀门F-5，观察与压力容器6连 接的第2压力表5-b，当显示压力不再上升时关闭第5阀门F-5 ；
(d)在压力容器6进行平衡约48h之后，与压力容器6连接的第2压力表5-b显示压力 不再变化时，记录此时第2压力表5-b显示的平衡压力；
(e)打开第8阀门F-8、第7阀门F-7，启动增液泵11将水箱12中水加压至定量容器 10中，观察与定量容器10连接的第3压力表5-C，当其显示压力大于第2压力表5-b显示 的平衡压力时，定量容器10中高压水会通过单向阀9进入压力容器6中；
(f)观察水箱12中水位，当水位减少Imm时，关闭增液泵11及水箱(12)与压力容器6 之间所有阀门；
(g)启动与压力容器6相连的搅拌装置7，运行约2h后，静置约6h；
(h)打开第6阀门F-6，当与定量容器10连接的第3压力表5-c压力显示为常压时，将解吸量筒13与第6阀门F-6连接，并开始计时测定煤样的解吸过程，记录解吸量管所测的解吸数据。
权利要求
1.一种外加水分对含瓦斯煤体解吸特性的测试装置，其特征在于它包括抽真空系 统、加压注气系统、恒温系统、高压注水系统及解吸测定系统，其中抽真空系统包括真空泵 (2)、与真空泵(2)相连的抽排气管及第2阀门(F-2)、设在抽排气管上的真空压力表(3)和 连接在此管路上的第3阀门(F-3);加压注气系统包括高压气瓶(1)、与高压气瓶(1)相连的 高压缓冲罐(4)及设在二者连接管路上的第1阀门(F-1)、与高压缓冲罐(4)连接的第1压 力表(5-a)及与第1压力表(5-a)连接的第4阀门(F-4)；恒温系统包括与高压缓冲罐(4) 相连的压力容器(6)及二者连接管路上的第5阀门(F-5)、与压力容器(6)相连的第2压力 表(5-b)、装有压力容器(6)的恒温水浴箱(8);高压注水系统包括与压力容器(6)相连的定 量容器(10)、搅拌装置(7)及设在二者连接管路上的单向阀(9)和第6阀门(F-6)、与定量 容器(10)相连的增液泵(11)和连接在二者连接管路上的第3压力表(5-c)和二者连接管 路上的第7阀门(F-7)、与增液泵(11)相连的水箱(12)以及设在二者连接管路上的第8阀 门(F-8)；解吸测定系统包括与第6阀门(F-6)连接的解吸量筒(13)。
2.一种如权利要求1所述测试装置的外加水分对含瓦斯煤体解吸特性的测试方法，其 特征在于包括如下步骤(a)称取约60g的l_3mm粒径的待测试干燥煤样装入压力容器(6)内，打开压力容器 (6)与真空泵(2)相连接管路上的第2阀门(F-2)、第3阀门(F-3)、第5阀门(F-5)，对压力 容器(6)抽真空，同时对注满水的恒温水浴箱(8)进行加热至60°C ；(b)观察与真空泵(2)相连接的真空压力表(3)，当真空压力降至0.4Pa时，继续抽真空 4 6h后，关闭压力容器(6)与真空泵(2)相连接管路上的第2阀门(F-2)、第3阀门(F-3)、 第5阀门(F-5)，打开第1阀门(F-1)、第4阀门(F-4)，观察与高压缓冲罐(4)连接的第1压 力表(5-a)，当显示压力达到预定压力时，关闭第1阀门(F-I)；(c)将注满水的恒温水浴箱(8)调节到约30°C，打开第5阀门(F-5)，观察与压力容器 (6)连接的第2压力表(5-b)，当显示压力不再上升时，关闭第5阀门(F-5)；(d)在压力容器(6)进行平衡48h之后，与压力容器(6)相连接的第2压力表(5-b)显 示压力不再变化时，记录此时第2压力表(5-b)显示的平衡压力；(e)打开第8阀门(F-8)、第7阀门(F-7)，启动增液泵(11)将水箱(12)中水加压至定 量容器(10)中，观察与定量容器(10)相连接的第3压力表(5-c)，当其显示压力大于第2压 力表(5-b)显示的平衡压力时，定量容器(10)中高压水通过单向阀(9)进入压力容器(6) 中；(f)观察水箱(12)中的水位，当水位减少Imm时，关闭增液泵(11)及水箱(12)与压力 容器(6)之间所有阀门；(g)启动与压力容器(6)相连的搅拌装置(7)，运行约2h后，静置6h；(h)打开第6阀门(F-6)，当与定量容器(10)相连接的第3压力表(5-c)压力显示为常 压时，打开与解吸量筒(13)相连接的阀门(F-6)，开始计时测定煤样的解吸过程。
全文摘要
本发明涉及的外加水分对含瓦斯煤体解吸特性的影响测试装置及方法，装置包括抽真空系统、加压注气系统、恒温系统、高压注水系统及解吸测定系统，通过在煤体对瓦斯吸附平衡后进行高压注水，并通过搅拌使水分在煤体中均匀混合，之后对其解吸特性进行测试，充分模拟了现场含瓦斯煤层注水后的实际情况，能够测试含瓦斯煤体在外加水分影响下其解吸特性的变化，使得水力化措施用于突出煤层防突后的瓦斯解吸动力学过程能够得到更深入的研究，填补国内对含瓦斯煤体在外加水分条件下解吸特性研究装置的空白，测试含瓦斯煤体在外加水分后其解吸特性所受影响，其结构简单、测试方法简便，使用效果好。
文档编号G01N33/22GK102053141SQ20101058006
公开日2011年5月11日 申请日期2010年12月9日 优先权日2010年12月9日
发明者刘海波, 吴冬梅, 汪磊, 程远平, 蒋静宇 申请人:中国矿业大学