CN103471977A - 一种煤矸石充填体瓦斯透气性的检测***及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤矸石充填体瓦斯透气性的检测***及检测方法，所述检测***包括瓦斯气瓶、空气压缩机及模具，所述的瓦斯气瓶与混气箱通过管道连通；所述的空气压缩机与混气箱通过管道连通；所述的模具为一端开口的壳体，模具的进气口通过管道与混气箱连通，该管道上设有气压表及煤气表；模具的出气口连接一管道，该管道上设有气压表及煤气表；模具内装有一定粒径级配的煤矸石，模具通过橡胶塞密封，橡胶塞外设有一层钢板，同步千斤顶压紧钢板。本发明可以定量计算在模拟高瓦斯综采工作面采空区煤矸石充填开采条件下，不同级配煤矸石充填体的瓦斯透气性大小，为高瓦斯综采工作面采空区煤矸石充填开采提供理论依据。

Description

一种煤矸石充填体瓦斯透气性的检测***及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种煤矸石充填体瓦斯透气性的检测***及其检测方法。

背景技术

我国“三下”（建筑物下、铁路下、水体下）压煤问题严重，同时大量煤矸石的排放不仅占用了大量土地，而且对地面生态环境和安全构成威胁。采用煤矸石充填采煤方法既可以减少煤矿固体废弃物排放，又可以减轻开采沉陷灾害、提高矿井资源回收率。此外，瓦斯事故是我国煤矿中最严重的灾害之一，分析综采工作面瓦斯事故的发生原因，大多数是由于煤体的大面积采动，造成井下短时间内形成大面积采空区，顶板承载巨大的采动应力，导致煤岩层内裂隙大量扩张，使煤体渗透性发生了变化，致使大量瓦斯气体瞬间涌出，尤其是煤层群卸压开采时，高瓦斯矿井的瓦斯涌出量更大，最终造成一定范围内的瓦斯浓度超限，而形成事故隐患。

研究高瓦斯综采工作面采空区煤矸石充填体的瓦斯运移规律，尤其是对模拟高瓦斯综采工作面采空区煤矸石充填体的透气性系数研究具有十分重要的意义。国内外关于煤矸石充填体的瓦斯透气性方面的研究较少，在煤矸石充填体的瓦斯透气性测试方面尚无相应的测试方法和装置。尤其是在模拟高瓦斯综采工作面采空区煤矸石充填体的透气性系数研究方面，经专利查询和文献检索，均未发现与本研究相关的成果。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、操作方便，且可为高瓦斯综采工作面采空区煤矸石充填开采提供理论依据的煤矸石充填体瓦斯透气性的检测***及检测方法。

本发明采用的技术方案是：包括瓦斯气瓶、空气压缩机、混气箱、模具及同步千斤顶，所述的混气箱设有空气进气口、瓦斯气体进气口及混合气出气口，所述的瓦斯气瓶与混气箱的瓦斯气体进气口通过管道连通；所述的空气压缩机与混气箱的空气进气口通过管道连通；所述的模具为一端开口的壳体，模具上设有进气口和出气口；模具的进气口通过管道与混气箱的混合气出气口连通，模具的进气口与混气箱的混合气出气口连通的管道上设有气压表及煤气表；模具的出气口连接一管道，该管道上设有气压表及煤气表；模具内装有煤矸石充填体，模具的开口处通过橡胶塞密封，橡胶塞外设有一层钢板，同步千斤顶压紧钢板。

上述的煤矸石充填体瓦斯透气性的检测***中，所述的模具内侧的进气口和出气口处分别设有栅格。

上述的煤矸石充填体瓦斯透气性的检测***中，所述的瓦斯气瓶与混气箱的瓦斯气体进气口连通的管道上设有气压表和阀门。

上述的煤矸石充填体瓦斯透气性的检测***中，所述的空气压缩机与混气箱的空气进气口连通的管道上设有气压表。

上述的煤矸石充填体瓦斯透气性的检测***中，所述的混气箱上设有甲烷浓度检测仪。

上述的煤矸石充填体瓦斯透气性的检测***中，所述的模具的进气口与混气箱的混合气出气口连通的管道上还设有阀门。

上述的煤矸石充填体瓦斯透气性的检测***中，所述的与模具的出气口连接的管道上还设有阀门。

一种煤矸石充填体瓦斯透气性的检测方法，包括如下步骤：

1）利用相似级配法模拟煤矸石级配的最大粒径、最小粒径和平均粒径的比例，对煤矸石进行筛分；

2）将选取的煤矸石划分为若干小组；

3）将一个小组的煤矸石放入模具中，用同步千斤顶对钢板施加压力，模拟煤矿井下采空区矸石充填体的工作环境；

4）在混气箱中，将空气和99%的瓦斯气体混合，用甲烷浓度检测仪控制混合后的瓦斯气体的浓度，再将混合后的气体从模具的进气口通入，待气体吸附平衡后，用气压表分别测模具的进气口、出气口的气压p₁和p₂，同时用煤气表测混合气体的流量Q；并按下列公式计算煤矸石充填体的瓦斯透气性系数；

$k=\frac{0.2\mathrm{\μPQL}}{F(p_1^2-p_2^2)}$

式中：k—煤矸石渗透性系数，m²；

μ—在试验温度条件下，瓦斯的绝对粘度，10^-3MPa·s；

p₁、p₂—模具进气口和出气口的混合气体压力，MPa；

P—大气压力，0.1MPa；

Q—混合气体流量，m³／s；

L—煤矸石充填体长度，m；

5）调节混合气体中瓦斯气体的浓度，以不同的瓦斯气体的浓度的混合气体重复步骤4）多次；

6）测出结果后，倒出煤矸石，查看施加压力后煤矸石的颗粒级配；

7）按步骤3）-6）对其余几个小组的煤矸石做实验，使用的混合气体中瓦斯气体浓度分别与步骤4）、5）中第一组煤矸石实验时所采用的混合气体中瓦斯气体浓度对应；并利用测出的数据计算每个小组煤矸石充填体对应不同瓦斯气体浓度的混合气体的透气性系数，比较不同级配煤矸石充填体对应于相同瓦斯气体浓度混合气体的透气性。

上述的煤矸石充填体瓦斯透气性检测方法中，步骤4）或5）中所采用的混合气体，其瓦斯气体的浓度为：20%，35%或50%。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的瓦斯气瓶释放出的瓦斯气体和空气压缩机压出的空气在混气箱中混合，利用甲烷浓度检测仪检测混合后的瓦斯气体；将瓦斯气体通过一定压力的煤矸石体；采用气压表分别测出模具进气口、出气口端的气压p₁和p₂，同时用煤气表测出通过煤矸石体的混合气体流量Q；计算出煤矸石充填体瓦斯透气性的大小；利用本发明可以计算高瓦斯综采工作面采空区煤矸石充填开采条件下不同级配煤矸石充填体的瓦斯透气性大小，为高瓦斯综采工作面采空区煤矸石充填开采提供理论依据；本发明还具有结构简单，操作简便，易于维护的优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的模具的主视图

图3为本发明的模具的俯视图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明包括瓦斯气瓶1、空气压缩机3、混气箱2、长方体形模具4及同步千斤顶5，所述的混气箱2上设有甲烷浓度检测仪21、空气进气口23、瓦斯气体进气口22及混合气出气口24，所述的瓦斯气瓶1与混气箱2的瓦斯气体进气口22通过管道11连通；管道11上设有气压表111和阀门112。所述的空气压缩机3与混气箱2的空气进气口23通过管道31连通；管道31上设有气压表311。如图2、3所示，所述的模具4为一端开口的壳体，模具4上设有进气口47和出气口48；模具4的进气口47通过管道45与混气箱2的混合气出气口24连通；管道45上设有煤气表453、气压表452和阀门451；模具4的出口连接有一管道46，管道46上设有煤气表463、气压表461和阀门462。模具4内装有一定粒径级配的煤矸石充填体42，模具4的开口处通过橡胶塞43密封，橡胶塞43外设有一层钢板44，同步千斤顶5压紧钢板44。模具4内进气口47和出气口48处设有栅格41。

实验所需的瓦斯气体是由瓦斯气瓶1中释放的瓦斯气体和空气压缩机3压出的空气按照一定的比例混合而成，混合后的瓦斯气体浓度由甲烷浓度检测仪21测定。煤矸石放入长方体形模具4中，在模具4内进气口47端放入格栅41以疏散气流，用橡胶塞43对模具开口进行密封，橡胶塞43外设有一层14mm厚的钢板44，然后用同步千斤顶5对钢板44施加一定的压力，混合后的一定浓度的瓦斯气体通过加载了一定压力的煤矸石体，然后分别用气压表452、461和煤气表453、463测量一定浓度的瓦斯气体在通过模具4前后的气体压力和流量。

本发明的煤矸石充填体瓦斯透气性检测方法包括如下步骤：

1）首先利用相似级配法模拟煤矸石级配的最大粒径、最小粒径和平均粒径的比例，以相似比为1：8，对煤矸石进行筛分，将最大煤矸石粒径控制在30mm；

2）选取使用粒径范围为30～25mm、25～20mm、20～10mm、＜10mm和以上四种粒径质量比分别为1:1:1:1、1:2:3:4和4:3:2:1划分7个小组；

3）将一个小组的煤矸石放入模具4中，在模具4的进气口47、出气口48处分别放入格栅41使气流混合均匀，用橡胶塞43对模具4进行密封，橡胶塞43外压一层14mm厚的钢板44，然后用同步千斤顶5对钢板44施加一定的压力，模拟煤矿井下采空区矸石充填体的工作环境；

4）在混气箱2中，将空气和99%的瓦斯气体按照一定的比例混合，用甲烷浓度检测仪21控制混合后的瓦斯气体的浓度为20%，再将混合后的气体从模具4的进气口47通入，待气体吸附平衡后，用气压表452、461分别测进气口47、出气口48的气压p₁和p₂，同时用煤气表453、463测混合气体的流量Q；并按下列公式计算煤矸石充填体的瓦斯透气性系数：

$k=\frac{0.2\mathrm{\μPQL}}{F(p_1^2-p_2^2)}$

式中：k—煤矸石渗透性系数，m²；

μ—在试验温度条件下，瓦斯的绝对粘度，10^-3MPa·s；

p₁、p₂—模具进气口和出气口的混合气体压力，MPa；

P—大气压力，0.1MPa；

Q—混合气体流量，m³／s；

L—煤矸石充填体长度，m；

5）调节混合气体中瓦斯气体的浓度，使用瓦斯气体浓度为35%及50%的混合气体分别按步骤4）进行实验；

6）测出结果后，倒出煤矸石，查看施加压力后煤矸石的颗粒级配；

7）按步骤3）-6）对其余六个小组的煤矸石做实验，实验时使用的混合气体中瓦斯气体浓度分别与步骤4）、5）中第一组煤矸石实验时所采用的混合气体中瓦斯气体浓度对应；并利用测出的数据计算每个小组煤矸石充填体42对应不同瓦斯气体浓度的混合气体的透气性系数，比较不同级配煤矸石充填体42对应于相同瓦斯气体浓度混合气体的透气性。

Claims (10)

1.一种煤矸石充填体瓦斯透气性的检测***，其特征是：包括瓦斯气瓶、空气压缩机、混气箱、模具及同步千斤顶，所述的混气箱设有空气进气口、瓦斯气体进气口及混合气出气口，所述的瓦斯气瓶与混气箱的瓦斯气体进气口通过管道连通；所述的空气压缩机与混气箱的空气进气口通过管道连通；所述的模具为一端开口的壳体，模具上设有进气口和出气口；模具的进气口通过管道与混气箱的混合气出气口连通，模具的进气口与混气箱的混合气出气口连通的管道上设有气压表及煤气表；模具的出气口连接一管道，该管道上设有气压表及煤气表；模具内装有煤矸石充填体，模具的开口处通过橡胶塞密封，橡胶塞外设有一层钢板，同步千斤顶压紧钢板。

2.根据权利要求1所述的煤矸石充填体瓦斯透气性的检测***，其特征是：所述的模具内侧的进气口和出气口处分别设有栅格。

3.根据权利要求1所述的煤矸石充填体瓦斯透气性的检测***，其特征是：所述的模具为长方体形。

4.根据权利要求1所述的煤矸石充填体瓦斯透气性的检测***，其特征是：所述的瓦斯气瓶与混气箱的瓦斯气体进气口连通的管道上设有气压表和阀门。

5.根据权利要求1所述的煤矸石充填体瓦斯透气性的检测***，其特征是：所述的空气压缩机与混气箱的空气进气口连通的管道上设有气压表。

6.根据权利要求1所述的煤矸石充填体瓦斯透气性的检测***，其特征是：所述的混气箱上设有甲烷浓度检测仪。

7.根据权利要求1所述的煤矸石充填体瓦斯透气性的检测***，其特征是：所述的模具的进气口与混气箱的混合气出气口连通的管道上还设有阀门。

8.根据权利要求1所述的煤矸石充填体瓦斯透气性的检测***，其特征是：所述的与模具的出气口连接的管道上还设有阀门。

9.一种煤矸石充填体瓦斯透气性的检测方法，包括如下步骤：

1）利用相似级配法模拟煤矸石级配的最大粒径、最小粒径和平均粒径的比例，对煤矸石进行筛分；

2）将选取的煤矸石划分为若干小组；

3）将一个小组的煤矸石放入模具中，用同步千斤顶对钢板施加压力，模拟煤矿井下采空区矸石充填体的工作环境；

4）在混气箱中，将空气和99%的瓦斯气体混合，用甲烷浓度检测仪控制混合后的瓦斯气体的浓度，再将混合后的气体从模具的进气口通入，待气体吸附平衡后，用气压表分别测模具的进气口、出气口的气压p₁和p₂，同时用煤气表测混合气体的流量Q；并按下列公式计算煤矸石充填体的瓦斯透气性系数；

$k=\frac{0.2\mathrm{\μPQL}}{F(p_1^2-p_2^2)}$

式中：k—煤矸石渗透性系数，m²；

μ—在试验温度条件下，瓦斯的绝对粘度，10^-3MPa·s；

p₁、p₂—模具进气口和出气口的混合气体压力，MPa；

P—大气压力，0.1MPa；

Q—混合气体流量，m³／s；

L—煤矸石充填体长度，m；

5）调节混合气体中瓦斯气体的浓度，以不同的瓦斯气体的浓度的混合气体重复步骤4）多次；

6）测出结果后，倒出煤矸石，查看施加压力后煤矸石的颗粒级配；

7）按步骤3）-6）对其余几个小组的煤矸石做实验，使用的混合气体中瓦斯气体浓度分别与步骤4）、5）中第一组煤矸石实验时所采用的混合气体中瓦斯气体浓度对应；并利用测出的数据计算每个小组煤矸石充填体对应不同瓦斯气体浓度的混合气体的透气性系数，比较不同级配煤矸石充填体对应于相同瓦斯气体浓度混合气体的透气性。

10.如权利9所述的煤矸石充填体瓦斯透气性的检测方法，步骤4）或5）中所采用的混合气体，其瓦斯气体的浓度为：20%，35%或50%。

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