一种煤样瓦斯逸散损失量测定的实验系统和实验方法与流程

1.本发明属于煤碳开采技术领域，具体涉及一种煤层瓦斯解吸量测定的实验系统及实验方法。


背景技术：

2.我国煤矿进入深部开采后，工作面瓦斯涌出和煤与瓦斯突出事故日趋严重。而准确测量煤层瓦斯含量则能为瓦斯灾害防治提供重要的依据。
3.煤层瓦斯含量直接测定法中瓦斯含量由五部分组成：煤样瓦斯逸散损失量q0、井下解吸瓦斯量q1、煤样粉碎前解吸瓦斯量q2、煤样粉碎后解吸瓦斯量q3和大气压下不可解吸瓦斯量q4。煤样瓦斯逸散损失量q0为煤体暴露至装入煤样罐损失的解吸瓦斯量。
4.煤样瓦斯逸散损失量q0一般利用测定煤样初始解吸速度和损失时间，使用瓦斯解吸速度模型推算得到，即使用法拟合得到取样过程中瓦斯的逸散损失量，而随着煤炭开采进入深部，地压和地温的改变，导致函数的拟合精度降低。
5.要做好煤矿灾害防治工作，用直接法测定瓦斯含量，必须提高深部开采条件下的瓦斯逸散量的拟合精度，从而提高瓦斯含量的预测精度，获取可靠的防控数据。


技术实现要素：

6.针对现有直接法测定瓦斯含量存在的问题，本发明所要解决的技术问题就是提供一种煤样瓦斯逸散损失量测定的实验系统，它能模拟井下煤层原始地应力和温度条件，提高瓦斯逸散损失量的拟合精度。本发明还提供一种煤样瓦斯逸散损失量测定的实验方法。
7.本发明提供的一种煤样瓦斯逸散损失量测定的实验系统，包括煤样吸附/解吸装置、温度压力控制系统和量测及数据处理单元；
8.所述煤样吸附/解吸装置用于模拟煤样吸附甲烷的初始状态，并在解除围压下实施煤样解吸甲烷；
9.所述温度压力控制系统控制煤样吸附甲烷的温度和围压条件；
10.量测及数据处理单元首先测量排出的解吸气体的体积大小，传输至数据处理单元记录并保存，数据处理单元进行瓦斯逸散损失量的数据拟合分析。
11.所述煤样吸附/解吸装置包括有恒温水箱、参考罐、煤样罐、煤样罐控制阀、甲烷气瓶及甲烷减压阀、甲烷进气阀、氦气he供气装置及减压阀；恒温水箱内放置有参考罐和煤样罐，参考罐管口接有通气管，通气管设有第一支管经煤样罐控制阀连接煤样罐；通气管设有第二支管经甲烷进气阀和甲烷减压阀连接甲烷气瓶；通气管前端装有集气筒，集气筒的三端口对应连接有参考罐、氦气供气装置和解吸集气装置，与参考罐连接的集气筒一端装设参考罐开关阀，与氦气供气装置连接的集气筒一端装设氦气进气阀，与解吸集气装置连接的集气筒一端装设集气阀。
12.所述温度压力控制系统包括有煤样罐、压力气泵、真空泵和煤样温控器，煤样罐通
过围压控制阀及气压力表连接压力气泵；煤样罐通过真空泵阀连接真空泵；煤样温控器控制煤样罐内煤样的加热温度。
13.所述量测及数据处理单元包括有解吸集气装置、数据处理单元、煤样罐压力传感器和参考罐压力传感器；解吸集气装置通过集气阀接入集气筒连通通气管，解吸集气装置通过数据线连接数据处理单元，连接数据处理单元还接有监测煤样罐内甲烷压力的传感器和测量参考罐内气体压力的传感器。
14.本发明还提供的一种煤样瓦斯逸散损失量测定的实验方法，包括以下步骤：
15.步骤1、将煤样置入煤样罐中，利用煤样温控器将煤样温度控制为第一温度t1℃，用压力气泵向煤样罐的压力胶囊中冲入气体，直至达到第一围压p1mpa；
16.步骤2、检测实验管路的气密性，参考罐与煤样罐连通，向两罐内充入氦气，稳定后关闭阀门，参考罐压力保持恒定不变一段时间，视为气密性良好；对实验管路进行抽真空，并保持一段时间；
17.步骤3、向参考罐内注入甲烷至规定压力，然后打开煤样罐控制阀、关闭甲烷进气阀，两罐甲烷压力达到预定压力值并开始吸附；
18.步骤4、吸附平衡后取下真空泵，打开真空泵阀作为出气口，将煤样暴露在空气中，暴露规定时间后关闭真空泵阀；调节数据处理单元进行数据采集，打开参考罐开关阀和集气阀，由解吸集气装置进行解吸集气，根据实验规程采集解吸数据；
19.步骤5、对已装入煤样罐的煤样重复步骤1～4，将步骤1中的温度和围压按测试顺序改变为第n温度和第n围压，完成不同围压、不同温度，在相同暴露时间下的解吸测试；
20.步骤6、数据分析运，用matlab软件进行数据拟合分析。
21.本发明的实验系统在实验室中利用瓦斯吸附解析实验设备对瓦斯的逸散过程进行模拟，并提供不同的温度和围压模拟不同的煤层埋深条件对瓦斯逸散过程的影响，从而模拟直接法测定瓦斯含量过程中，瓦斯逸散量随时间的变化规律，并用测得的瓦斯解吸变化规律对已有的拟合函数进行对比校正，最终建立温度与压力耦合作用下深部煤层瓦斯逸散量拟合模型。
22.所以本发明的技术效果是：能够模拟井下煤层原始地应力和温度条件，提高了瓦斯逸散损失量的拟合精度。
附图说明
23.本发明的附图说明如下：
24.图1为实施例的瓦斯逸散损失量测定实验系统图；
25.图2为煤样罐的结构示意图；
26.图3为解吸集气装置的工作原理图；
27.图4为本发明的实验方法流程图；
28.图5为传统拟合函数与本发明的拟合函数拟合结果比较图。
29.图中，1、甲烷减压阀；2、甲烷进气阀；3、恒温水箱；4、参考罐；5、煤样罐；6、压力气泵；7、煤样罐控制阀；8、真空泵阀；9、解吸集气装置；10、数据处理单元；11、参考罐开关阀；12.集气阀；13、氦气进气阀；14、围压压力表及控制阀；15、煤样罐压力传感器；16、煤样温控器；17、氦气供气装置；18、真空泵；19、参考罐压力传感器；
30.51、罐体；52、罐盖；53、压力胶囊；54、加热电阻；521、铆合槽；522、压力气泵接口。
具体实施方式
31.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
32.本发明的煤样瓦斯逸散损失量测定的实验系统，包括煤样吸附/解吸装置、温度压力控制系统和量测及数据处理单元；
33.所述煤样吸附/解吸装置用于模拟煤样吸附甲烷的初始状态，并在解除围压下实施煤样解吸甲烷；
34.所述温度压力控制系统控制煤样吸附甲烷的温度和围压条件；
35.量测及数据处理单元首先测量排出的解吸气体的体积大小，传输至数据处理单元记录并保存，数据处理单元进行瓦斯逸散损失量的数据拟合分析。
36.如图1所示，本实施例中，所述煤样吸附/解吸装置包括有恒温水箱3、参考罐4、煤样罐5、煤样罐控制阀7、甲烷气瓶及甲烷减压阀1、甲烷进气阀2、氦气he供气装置及减压阀17；恒温水箱3内放置有参考罐4和煤样罐5，参考罐4管口接有通气管，通气管设有第一支管经煤样罐控制阀7连接煤样罐5；通气管设有第二支管经甲烷进气阀2和甲烷减压阀1连接甲烷气瓶；通气管前端装有集气筒，集气筒的三端口对应连接有参考罐4、氦气供气装置17和解吸集气装置9，与参考罐连接的集气筒一端装设参考罐开关阀11，与氦气供气装置连接的集气筒一端装设氦气进气阀13，与解吸集气装置连接的集气筒一端装设集气阀12。
37.恒温水箱3为参考罐4和煤样罐5提供一致的环境温度。参考罐4用于吸附前，在参考罐内先使甲烷达到预计压力，再打开煤样罐控制阀7进行吸附，以持续保持稳定的吸附压力。
38.煤样罐结构如图2所示，煤样罐5包括罐体51和罐盖52，罐盖52封盖在罐体51顶口；在罐体51内腔置入压力胶囊53，压力胶囊53用碳纤维复合橡胶制成；压力胶囊53与罐体51内壁的夹层中装有加热电阻54，罐体51顶部为平肩凸嘴型，罐体的平肩部位开有压力气管接入口和加热电阻引线口，罐体51凸嘴与罐盖的铆合槽521配合盖封；在罐盖的铆合槽521内圈中开有通气管接口、温度传感器接口、压力传感器接口和真空泵接口，在罐盖的铆合槽521外圈开有压力气泵接口和加热电阻引线接口。
39.在检测气密性时，氦气he由氦气供气装置17给出并经由氦气进气阀13进入参考罐4，由氦气减压阀控制氦气气压，通过煤样罐控制阀7连通参考罐和煤样罐的压力胶囊53，压力胶囊53内氦气he压力由煤样罐压力传感器15采集后，在数据处理单元10中进行读取，直至完成装置气密性检测。
40.真空泵18用于在抽出参考罐和煤样罐的压力胶囊53内的氦气。
41.吸附前，使用真空泵18进行抽真空。然后打开甲烷进气阀2，控制甲烷减压阀1，提供适宜的吸附气压值，优选0.7mpa，参照煤层瓦斯突出危险性指标中，压力指标的临界值为0.74mpa，为了方便控制实验条件选择接近值0.7mpa，以测试具有突出危险性时瓦斯含量的检测实验。
42.在施加围压时，打开压力气泵6,向包围住煤样的压力胶囊53内充气，并通过观察围压压力表14的气压值来控制围压的大小，从而完成施压。在控制温度时，通过煤样温控器16上的加热按钮向加热电阻54通电，直接对煤样罐罐体进行加热，通过接触热传递从而完
ml/g]，y与x对应，如x＝1min时，y取0.11ml/g；x＝2min时，y＝0.17ml/g，...，x＝45min时，y＝1.27ml/g；x＝50min时，y＝1.33ml/g；
70.t和vt分别作为拟合函数的自变量和因变量输入拟合函数；
71.b是拟合得到的参数；
72.q0为传统拟合函数拟合得到的瓦斯逸散损失值。
73.随着输入拟合函数的自变量t选取的区间从[0，1min]向[0min，50min]依次变化时，因变量vt的取值也随之变化，于是会得到多个相应的q0和b的值，因此绘制出了随自变量t取值范围的变化而变化的q0的多个拟合值，其结果为一条曲线，q0在图5中是符号
※
号所表示的曲线。
[0074]
q0曲线表明，当自变量t取值超过一定范围后，q0误差变大，说明在一段时间后瓦斯逸散量与时间的关系不再满足根式关系。也就是，传统拟合函数不适合拟合围压和温度的条件下解吸量数据。
[0075]
本实验施加围压和温度的条件下，本发明改进的拟合函数为：
[0076][0077]
式中，ta、tb为拟合函数切换的时刻值，ta＜tb，t是瓦斯解析时间，时间变量t从0开始增加，vt为时间t累积获得的瓦斯解析量。公式(1)更为精确地描述了围压和温度条件下瓦斯解析的真实情况，即在短时间内(0～ta)解析量与时间成正比，其中a为函数的参数；在随后一段时间(0～tb且t≥ta)内，解析量与解析时间的关系满足根式关系，其中b，v1为函数的参数，v1为幂函数的截距，在本实验中作为重要的修正参数；在时间0～t且t≥tb后，解析量与解析时间的关系满足幂函数关系，其中n,q0均为函数的参数。
[0078]
由于ta很小，小于1min，而本实施例的最小采样时间间隔为1min，故在时间区间(0min～50min且t≥1min)内，采用进行拟合；则用于拟合的函数是
[0079]
式中，t0＝1min为暴露时间；
[0080]
t和vt分别作为拟合函数的自变量和因变量输入拟合函数；其取值见表2；
[0081]
b是拟合得到的参数，v1是拟合修正参数，q1为改进后的拟合函数拟合得到的瓦斯逸散损失值；
[0082]
在图5中，q1在图中是符号〇线表示的曲线，v1在图中是符号
×
表示的曲线。
[0083]
显然前者q0误差较大，后者q1误差较小，理论上v
1-q1＝-q0，则q1＝q0 v1，即q0加上补偿量v1才能减少误差。故该实验证明：在围压和地温作用的情况下，改进后的拟合公式与国标中的拟合公式相比，误差更小。
[0084]
本发明的一个目的就是寻找一个用于施加温度和围压后更精确的拟合函数，以上测试的数据正好说明：依托于本发明的试验系统，本实验成功验证了与传统拟合函数相比，改进的拟合函数在施加温度和围压的条件下对于瓦斯逸散损失量的计算更加准确。