一种煤样瓦斯负压解吸实验系统

摘要

本发明提供一种煤样瓦斯负压解吸实验系统，其包括高压气源模块、煤样罐、抽真空模块、负压压力控制模块、参数采集与测控模块；本发明采用负压压力控制模块，可以快速形成煤样瓦斯负压解吸环境压力并稳定控制，实现对煤样负压环境瓦斯解吸规律的研究；解吸气体量的测定采用多个气体质量流量计组合使用，实时采集解吸量数据，实现以秒为计时单位的解吸量计量，避免排水集气法读取时的人为误差；本发明设计科学、理论正确、计量精度高、便于推广，可为合理确定煤层瓦斯预抽负压值及研发新型本煤层瓦斯含量测定定点取样方法提供理论基础。

权利要求

1.一种煤样瓦斯负压解吸实验系统，其包括高压气源模块、抽真空模块、煤样罐、负压压力控制模块、参数采集与测控模块；其特征在于，所述的高压气源模块包括依次串联的高压气源高纯度甲烷、气体减压阀；

所述抽真空模块包括真空泵、真空表和三通阀门，所述真空泵和真空表串联后接入三通阀门；所述气体减压阀也接入三通阀门；

所述煤样罐外设有电热圈加热层；

手动阀一的一端与所述三通阀门相连接，手动阀一的另一端与所述煤样罐相连；所述负压压力控制模块包括压力缓冲罐、温度传感器、数据采集与显示平台、压力传感器、电磁阀、维压容器、活塞、丝杆、人机交互平台及伺服电机；其中，所述压力缓冲罐接入到所述维压容器，所述温度传感器接入到压力缓冲罐，温度传感器的另一接口接入到参数采集与显示平台；所述维压容器上端部设有三个出口，所述电磁阀的一接口接入到维压容器，所述电磁阀的另一接口排空；所述压力传感器接入所述维压容器；所述活塞与所述丝杆连接置于所述维压容器内，所述伺服电机带动丝杆运动；所述压力传感器数据线接入参数采集与显示平台；

所述参数采集与测控模块包括压力传感器一、温度传感器一、电磁阀一、电磁阀二、电磁阀三、电磁阀四、气体质量流量计一、体质量流量计二和气体质量流量计三，其中，所述压力传感器一和所述温度传感器一的一个接口通过快速接头接入所述煤样罐的出口上，所述压力传感器一和所述温度传感器一的另一接口接入到参数采集与显示平台，电磁阀一与三通一的一个接口相连，所述三通一的另一个出口通过手动阀二与所述煤样罐的出口相连，四通一分别与三通一、电磁阀二、电磁阀三、电磁阀四相连，电磁阀二与气体质量流量计一串联连接，电磁阀三与气体质量流量计二串联连接，电磁阀四与气体质量流量计三串联，气体质量流量计一、气体质量流量计二、气体质量流量计三分别接入四通二，四通二、手动阀、手动阀四分别接入三通二的三个接口；手动阀三的与所述缓冲罐相连，所述气体质量流量计一、气体质量流量计二与气体质量流量计三、温度传感器二、电磁阀二、电磁阀三、电磁阀四的数据输出端均接入参数采集与显示平台；所述温度传感器一、温度传感器二的测量范围均为常温-150℃；测量精度均为±0.1℃；测量分辨率均为±0.1℃；且能满足真空度达到

100kPa时正常使用的要求；所述电磁阀一、所述电磁阀二、电磁阀三、电磁阀四和电磁阀的耐压值均为10MPa。

2.根据权利要求1所述的一种煤样瓦斯负压解吸实验系统，其特征在于，所述压力缓冲罐的容积不小于5L。

3.根据权利要求1所述的一种煤样瓦斯负压解吸实验系统，其特征在于，所述压力传感器一和压力传感器的测量范围分别为-100kPa～6MPa、-100kPa～2MPa，测量精度均为±

0.3％FS，分辨率均为0.1％FS，输入电压均为24VDC，输出电流均为4～20mA，工作环境温度均在-30℃～+50℃，介质温度均为室温～100℃，频响均不小于10次/秒。

4.根据权利要求1所述的一种煤样瓦斯负压解吸实验系统，其特征在于，所述气体质量流量计一、气体质量流量计二和气体质量流量计三的测量范围分别为0～100ml/min、0～

500ml/min、0～10000ml/min，测量精度均为±1％FS；耐压值均不低于3MPa；且能满足真空度达到100kPa时正常使用的要求。

说明书

一种煤样瓦斯负压解吸实验系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种煤样瓦斯负压解吸实验系统，属于煤矿瓦斯灾害防治领域，尤其涉及一种用于准确探究瓦斯处于负压解吸环境压力下的解吸规律及确定合理煤层瓦斯抽采负压值的实验系统。

背景技术

[0002] 煤层瓦斯含量及合理煤层瓦斯预抽负压是瓦斯灾害防治工程实践中常用的两个基础参数。瓦斯含量常作为煤层气资源量、煤矿瓦斯灾害危险性及瓦斯抽采效果评价指标，煤层瓦斯预抽负压制约瓦斯预抽周期，是提高瓦斯预抽效率的关键参数。因此，准确测定煤层瓦斯含量及合理确定煤层瓦斯预抽负压是有效进行瓦斯灾害防治的重要基础。

[0003] 煤层瓦斯含量测定多采用煤矿井下瓦斯含量直接测定法，取样时多采用压风孔口接样法，但取样时压风及钻杆的扰动对钻孔壁及钻孔沿程沉积的煤屑不断冲刷，使所取得的煤样的设计位置新鲜煤样纯度降低，引起瓦斯损失量推算时数值偏低，进而造成瓦斯含量测值误差。

[0004] 针对现有压风孔口取样时设计位置煤样纯度低的现状，基于负压排渣的取样方式也被逐渐被学者提出，如专利CN203772574U、CN103776722A、CN102798548B，该方法的思路是基于负压气力输送理论，由单一负压动力源提供煤样运动动力；钻头切削煤壁，煤屑脱落随后经由钻杆内部被吸送采集，整个过程用时短、煤样纯度高，理论上是一种较为理想的取样方法。但是取样过程中同样涉及瓦斯损失量的推算，其推算依据则是煤样在负压环境下的瓦斯解吸规律，但是煤样在负压环境下的瓦斯解吸规律研究较为薄弱。因此为了推动基于负压排渣的定点取样的发展及工程应用，需要加强煤样负压解吸理论的研究。

[0005] 《河南理工大学学报(自然科学版)》第30卷6期中“负压环境下煤的瓦斯解吸规律试验研究”；中国专利，专利号为CN203705293U，“变压条件下煤样瓦斯吸附解吸实验装置”；中国专利，公开号为CN103776722A，“负压环境下取样的煤层瓦斯含量测试方法”等对负压环境下瓦斯解吸规律的研究进入了探索，但是所提出的方法及实验系统存在着如下问题：
①测控精度低，可控范围窄，压力控制不稳定；②负压排渣取样过程取样速度较快，一般在2分钟内完成，而以上方法解吸量计量以分钟为计时单位，无法获得以秒为计时单位的解吸量，进而影响瓦斯损失量推算精度。

[0006] 目前煤层瓦斯预抽负压多采用负压值13kPa，但是煤层赋存条件、煤层透气性、煤层瓦斯解吸特性等的差异会使得抽采负压为13kPa时瓦斯预抽效果不一，影响矿井生产接替，为了缩短瓦斯预抽周期提高瓦斯抽采效率，该值应根据矿井实际作出调整。

[0007] 中国专利，专利号为CN203705293U公开了一种“变压条件下煤样瓦斯吸附解吸实验装置”，采用真空泵实时抽吸煤样瓦斯解吸气体，某种程度上是井下瓦斯抽采形式的再现，但是准确确定抽采负压值较为困难，究其原因在于压力控制采用真空泵，负压值难以稳定控制。因此，实有必要提出一套设计科学、计量准确、测控稳定的煤样负压解吸实验系统，以准确、全面掌握煤样中瓦斯在负压解吸环境下的解吸规律，为研发负压排渣定点取样煤层瓦斯含量测定技术及确定合理的煤层瓦斯预抽压力值提供理论依据。

发明内容

[0008] 本发明的目的在于提供的一种煤样负压解吸实验系统，不仅要求其设计科学、计量准确、功能完善、自动化程度高，而且能够稳定控制压力并且用于研究煤样瓦斯在负压环境下的瓦斯解吸规律的实验系统，为负压排渣定点取样定点测定煤层瓦斯含量及合理确定煤层瓦斯预抽压力提供理论依据。

[0009] 本发明是通过以下技术方案来实现的：一种煤样瓦斯负压解吸实验系统，其包括高压气源模块、抽真空模块、煤样罐、负压压力控制模块、参数采集与测控模块；其特征在于，

[0010] 所述的高压气源模块包括依次串联的高压气源高纯度甲烷、气体减压阀；

[0011] 所述抽真空模块包括真空泵、真空表和三通阀门，所述真空泵和真空表4串联后接入三通阀门；所述气体减压阀也接入三通阀门；

[0012] 所述煤样罐外设有电热圈加热层；

[0013] 手动阀一的一端与所述三通阀门相连接，手动阀一的另一端与所述煤样罐相连；

[0014] 所述负压压力控制模块包括压力缓冲罐、温度传感器、数据采集与显示平台、压力传感器、电磁阀、维压容器、活塞、丝杆、人机交互平台及伺服电机；其中，所述压力缓冲罐接入到所述维压容器，所述温度传感器接入到压力缓冲罐，另一接口接入到参数采集与显示平台；所述维压容器上端部设有三个出口，所述电磁阀的一接口接入到维压容器，所述电磁阀的另一接口排空；所述压力传感器接入所述维压容器；所述活塞与所述丝杆连接置于所述维压容器内，所述伺服电机带动丝杆运动；所述压力传感器数据线接入参数采集与显示平台；

[0015] 所述参数采集与测控模块包括压力传感器一、温度传感器一、电磁阀一、电磁阀二、电磁阀三、电磁阀四、气体质量流量计一、体质量流量计二和气体质量流量计三，其中，所述压力传感器一和所述温度传感器一的一个接口通过快速接头接入所述煤样罐的出口上，所述压力传感器一和所述温度传感器一的另一接口接入到参数采集与显示平台，电磁阀一与三通一的一个接口相连，所述三通一的另一个出口通过手动阀二与所述煤样罐的出口相连，四通一分别与三通一、电磁阀二、电磁阀三、电磁阀四相连，电磁阀二与气体质量流量计一串联连接，电磁阀三与气体质量流量计二串联连接，电磁阀四与气体质量流量计三串联，气体质量流量计一、气体质量流量计二、气体质量流量计三分别接入四通二，四通二、手动阀、手动阀四分别接入三通二的三个接口；手动阀三的与所述缓冲罐相连，所述气体质量流量计一、气体质量流量计二与气体质量流量计三、温度传感器二、电磁阀二、电磁阀三、电磁阀四的数据输出端均接入参数采集与显示平台。

[0016] 进一步，作为优选，所述压力缓冲罐的容积不小于5L。

[0017] 进一步，作为优选，所述压力传感器一和压力传感器二的测量范围分别为-100kPa～6MPa、-100kPa～2MPa，测量精度均为±0.3％FS，分辨率均为0.1％FS，输入电压均为24VDC，输出电流均为4～20mA，工作环境温度均在-30℃～+50℃，介质温度均为室温～100℃，频响均不小于10次/秒。

[0018] 进一步，作为优选，所述气体质量流量计一、气体质量流量计二和气体质量流量计三的测量范围分别为0～100ml/min、0～500ml/min、0～10000ml/min，测量精度均为±1％FS；耐压值均不低于3MPa；且能满足真空度达到100kPa时正常使用的要求。

[0019] 进一步，作为优选，所述温度传感器一、温度传感器二的测量范围均为常温-150℃；测量精度均为±0.1℃；测量分辨率均为±0.1℃；且能满足真空度达到100kPa时正常使用的要求。

[0020] 进一步，作为优选，所述电磁阀一、所述电磁阀二、电磁阀三、电磁阀四和电磁阀的耐压值均为10MPa

[0021] 本发明的有益效果在于：

[0022] (1)负压环境快速形成。负压压力控制模块可快速实现实验过程所需的解吸环境负压值并通过伺服电机稳定控制，真正做到负压解吸环境压力的稳定控制，为对煤样负压环境瓦斯解吸规律实验的顺利展开提供保障；

[0023] (2)计量精度高。解吸气体量的测定采用多个气体质量流量计组合使用实时采集解吸量数据，实现以秒为计时单位的解吸量计量，避免排水集气法操作的人为误差；

[0024] (3)设计科学、理论正确、便于推广。

附图说明

[0025] 图1是本发明的一种煤样瓦斯负压解吸实验系统的结构示意图；

[0026] 其中，1-高压气源高纯度甲烷；2-气体减压阀；3-真空泵；4-真空表；5-三通阀门；6-手动阀一；7-压力传感器一；8-温度传感器一；9-手动阀二；10-煤样罐；11-电炉丝加热圈；12-三通一；13-电磁阀一；14-四通一；15-电磁阀二；16-电磁阀三；17-电磁阀四；18-气体质量流量计一；19-气体质量流量计二；20-气体质量流量计三；21-四通二；22-三通二；
23-手动阀三；24-手动阀四；25-缓冲罐；26-温度传感器二；27-参数采集与显示平台；28-压力传感器二；29-电磁阀；30-维压容器；31-活塞；32-丝杆；33-人机交互平台；34-伺服电机。

具体实施方式

[0027] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0028] 如图1所示，本发明提供了一种煤样瓦斯负压解吸实验系统，其包括高压气源模块、抽真空模块、煤样罐、负压压力控制模块、参数采集与测控模块；其特征在于，[0029] 所述的高压气源模块包括依次串联的高压气源高纯度甲烷1、气体减压阀2；

[0030] 所述抽真空模块包括真空泵3、真空表4和三通阀门5，所述真空泵3和真空表4串联后接入三通阀门5；所述气体减压阀2也接入三通阀门5；

[0031] 所述煤样罐10外设有电热圈加热层11；

[0032] 手动阀一6的一端与所述三通阀门5相连接，手动阀一6的另一端与所述煤样罐10相连；

[0033] 所述负压压力控制模块包括压力缓冲罐25、温度传感器26、数据采集与显示平台27、压力传感器28、电磁阀29、维压容器30、活塞31、丝杆32、人机交互平台33及伺服电机34；
其中，所述压力缓冲罐25接入到所述维压容器30，所述温度传感器26接入到压力缓冲罐25，另一接口接入到参数采集与显示平台27；所述维压容器30上端部设有三个出口，所述电磁阀29的一接口接入到维压容器30，所述电磁阀29的另一接口排空；所述压力传感器28接入所述维压容器30；所述活塞31与所述丝杆32连接置于所述维压容器30内，所述伺服电机34带动丝杆32运动；所述压力传感器28数据线接入参数采集与显示平台27；

[0034] 所述参数采集与测控模块包括压力传感器一7、温度传感器一8、电磁阀一13、电磁阀二15、电磁阀三16、电磁阀四17、气体质量流量计一18、体质量流量计二19和气体质量流量计三20，其中，所述压力传感器一7和所述温度传感器一8的一个接口通过快速接头接入所述煤样罐10的出口上，所述压力传感器7一和所述温度传感器一8的另一接口接入到参数采集与显示平台27，电磁阀一13与三通一12的一个接口相连，所述三通一12的另一个出口通过手动阀二9与所述煤样罐10的出口相连，四通一14分别与三通一12、电磁阀二15、电磁阀三16、电磁阀四17相连，电磁阀二15与气体质量流量计一18串联连接，电磁阀三16与气体质量流量计二19串联连接，电磁阀四17与气体质量流量计三20串联，气体质量流量计一18、气体质量流量计二19、气体质量流量计三20分别接入四通二21，四通二21、手动阀23、手动阀四24分别接入三通二22的三个接口；手动阀三23的与所述缓冲罐25相连，所述气体质量流量计一18、气体质量流量计二19与气体质量流量计三20、温度传感器二26、电磁阀二15、电磁阀三16、电磁阀四17的数据输出端均接入参数采集与显示平台27。

[0035] 在本实施例中，所述压力缓冲罐25的容积不小于5L。所述压力传感器一7和压力传感器28的测量范围分别为-100kPa～6MPa、-100kPa～2MPa，测量精度均为±0.3％FS，分辨率均为0.1％FS，输入电压均为24VDC，输出电流均为4～20mA，工作环境温度均在-30℃～+50℃，介质温度均为室温～100℃，频响均不小于10次/秒。所述气体质量流量计一18、气体质量流量计二19和气体质量流量计三20的测量范围分别为0～100ml/min、0～500ml/min、0～10000ml/min，测量精度均为±1％FS；耐压值均不低于3MPa；且能满足真空度达到100kPa时正常使用的要求。所述温度传感器一、温度传感器二的测量范围均为常温-150℃；测量精度均为±0.1℃；测量分辨率均为±0.1℃；且能满足真空度达到100kPa时正常使用的要求。
所述电磁阀一13、所述电磁阀二15、电磁阀三16、电磁阀四17和电磁阀29的耐压值均为
10MPa。

[0036] 本发明区别于现有颗粒煤瓦斯解吸规律的关键在于负压环境的快速形成。本发明的工作原理为：

[0037] ①检查气密性。系统参照附图连接完毕并检查气密性。

[0038] ②预设解吸环境负压。煤样罐10内的装入适量煤样，旋转三通阀门5，使抽真空模块接入而切断高压气源模块；打开真空泵3及手动阀一6、手动阀二9、电磁阀二15、电磁阀三16、电磁阀四17，关闭电磁阀一13、电磁阀29；后，然后对系统抽真空，使压力传感器一显示为某一预设负压值P时(在目标负压值P0为-40kPa、-50kPa、-60kPa时，P＝P0-30；目标负压值P0为-30kPa、-20kPa时，P＝P0-20；目标负压值P0为-30kPa、-20kPa时，P＝P0-10)关闭电磁阀二、电磁阀三、电磁阀四继续对剩余通路进行抽真空至-100kPa；

[0039] ③系统解吸环境负压形成。通过负压压力控制模块的恒压模式使其压力为预设负压值P；抽真空完毕后，旋转三通阀门5，切断抽真空模块并接入高压气源模块；打开减压阀对煤样罐10内煤样进行吸附平衡；吸附平衡后，旋转三通阀门并关闭手动阀门一6，使抽真空模块及高压气源与系统切断连接；保持电磁阀二15、电磁阀三16、电磁阀四17闭合，打开电磁阀一13至压力传感器7示数为0时迅速闭合电磁阀一13并打开电磁阀四17、启动负压压力控制模块的恒压模块并当系统环境负压达到目标值时，在人机交互平台33上快速更改恒压模块预设压力值P＝P0-5kPa，使电磁阀四17两侧环境快速压力平衡，由于压力缓冲罐25及维压容器30容积，为煤样罐内初始的常压气体及负压环境形成初期瓦斯解吸气体提供了足够的缓冲容积，同时为快速负压形成并维持提供保障。

[0040] ④系统负压环境的维持。经过步骤③之后，随着煤样罐内瓦斯不断解吸，颗粒煤瓦斯解吸速度随着时间的推移不断衰减，应根据流量计示数以此开启气体质量流量计二19、气体质量流量计三20，同时保持另外两个质量流量计关闭；依据人机交互平台33的设定值给予伺服电机34指令，推动丝杆32带动活塞31在维压容器30内运动调整因瓦斯解吸带来的系统负压值的波动。

[0041] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。