CN107703033A - 一种不含瓦斯煤渗吸高度测试装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于煤矿安全技术领域，具体涉及一种不含瓦斯煤渗吸高度测试装置与方法。目前没有行之有效的途径掌握煤体中的水分、湿润半径，因此无法合理的确定注水孔的参数（注水时间及注水孔间距），这些壁垒阻碍了煤层注水消突措施的发展。为解决此问题，本发明设计一种不含瓦斯煤渗吸高度的测试装置包括特殊处理后的型煤、等截面水槽、一定厚度的海绵、PVC管和抽水泵。在抽水泵循环抽水、注水保证型煤底部渗吸水位不变的条件下，通过水敏显色指示剂实时读取渗吸高度，保证了研究的可靠性，为认清煤层注水防突的机理打下坚实的理论基础，进而为现场煤层注水参数的确定提供科学理论的指导，从而降低煤层瓦斯含量，实现煤炭安全高效开采。

Description

一种不含瓦斯煤渗吸高度测试装置与方法

技术领域

本发明属于煤矿安全技术领域，具体涉及一种不含瓦斯煤渗吸高度测试装置与方法。

背景技术

我国是世界上煤炭产量最大的产煤国，同时我国也是煤矿瓦斯灾害最为严重的国家，瓦斯灾害事故带来了巨大的财产损失和人身伤亡事故。水力化措施是一种综合性的防突措施，其在煤矿安全生产中应用普遍，煤体对水的吸附能力大于煤体对瓦斯的吸附能力，水分在毛细管力的作用下浸入含瓦斯煤体，发生渗吸效应。

煤层注水的过程实际上是外加水分在煤体中渗吸的过程，渗吸促进含煤体瓦斯解吸，从而减小煤层瓦斯含量，提高瓦斯抽采率，减少煤与瓦斯突出、瓦斯超限的次数；然而，煤层注水过程中或注水结束后，目前没有行之有效的途径掌握煤体中的水分、湿润半径，因此无法合理的确定注水孔的参数（注水时间及注水孔间距），这些壁垒阻碍了煤层注水消突措施的发展。为解决此问题，通过研究不含瓦斯煤渗吸高度为研究含瓦斯煤渗吸高度做下铺垫和认清煤层注水防突的机理打下坚实的理论基础，从而为现场煤层注水参数的确定提供科学理论的指导，进而降低煤层瓦斯含量，实现煤炭安全高效开采。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种不含瓦斯煤渗吸高度测试装置与方法，以便认清渗吸的机理，为渗吸高度的研究打下坚实的理论基础，进而为现场煤层注水孔的间距布置提供理论依据，从而降低煤层瓦斯含量，实现煤炭安全高效开采。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种不含瓦斯煤渗吸高度测试装置，是通过PVC管路连接的高位水槽（19）、等截面水槽（10）、低位水槽（16）以及抽水泵（17）所形成的水循环***，其中所述的等截面水槽（10）的下部还填充有一块海绵（11），所述海绵上放置实验型煤（8）；所述等截面水槽（10）的左侧设有中部开口（12），所述中部开口（12）与水平设置的第一PVC管（14）的一端连接，所述第一PVC管（14）的另一端处于高位水槽（16）的正上方，且第一PVC管（14）上装有第一阀门（13），所述低位水槽（16）通过第二PVC管（15）与抽水泵（17）相连接，所述第二PVC管（15）浸没于低位水槽（16）中，所述抽水泵（17）的出水口与第三PVC管（18）的一端连接，所述第三PVC管（18）的另一端浸没于高位水槽（19）中，所述高位水槽（19）的左侧壁有底部开口（20），所述底部开口（20）与第四PVC管（22）一端口连接，所述第四PVC管（22）的另一端口处于等截面水槽（10）的正上方且第四PVC管（22）上装有第二阀门（21）。

进一步，所述实验型煤（8）由涂有水敏显色指示剂的型煤（4）、透明热缩管（5）以及纸质毫米刻度尺（7）组成，所述涂有水敏显色指示剂的型煤（4）上的水敏显色指示剂从上到下形成带状区域（2），所述透明热缩管套在涂有水敏显色指示剂的型煤上，所述纸质毫米刻度尺（7）粘贴在透明热缩管的表面上，并且视觉上位于水敏显色指示剂带状区域的一侧。

进一步，所述海绵（11）有一定的高度为h₁，所述中部开口（12）距等截面水槽的底面有一定的距离为h₂，所述海绵（11）与所述中部开口（12）形成一定的高度差为h₂-h₁，使得水循环经过等截面水槽时所述实验型煤的底部可始终浸入一定高度差的水中，保证了其在饱和水状态下渗吸。

一种不含瓦斯煤渗吸高度测试方法，利用上述一种不含瓦斯煤渗吸高度测试装置，按照如下步骤进行：

第一步，型煤制备：

将取回的新鲜煤样用粉碎机进行一次粉碎，然后进行筛选，分别筛选出煤样粒径为0.25mm以下和0.25mm~0.5mm的煤样；

分别称取一定质量的粒径为0.25mm以下的煤样和粒径为0.25mm~0.5mm的煤样，按照2:1的比例进行均匀混合，添加20%的蒸馏水，充分搅拌；

把充分搅拌后的湿润煤样加入型煤模具中，在恒定的压力下，稳压20min加工制作成型煤；

将制作好的型煤放置在干燥箱中干燥，并设置干燥箱为105℃，每隔0.5h测试型煤质量，直至型煤质量不再发生变化，从而得到干燥的型煤（1）；

第二步，配制水敏显色指示剂：

将羧甲基纤维素、碳酸钙、二氧化钛、硫酸钴和硫氰酸钴溶于水，按照1:2:5:6:13:32的比例配制水敏显色指示剂，具体步骤如下：

按比例称取一定质量的羧甲基纤维素、碳酸钙、二氧化钛、硫酸钴和硫氰酸钴；

将硫酸钴和硫氰酸钴溶于水；

加入羧甲基纤维素；

加入二氧化钛和碳酸钙；

充分搅拌制得水敏显色指示剂；

第三步，涂抹水敏显色指示剂：

将配好的水敏显色指示剂涂于干燥后的型煤外壁（3）上，水敏显色指示剂形成带状区域（2），将涂有水敏显色指示剂的型煤放入干燥箱干燥，直至水敏显色指示剂的颜色变为灰色且质量不变，然后放入干燥器中冷却；

第四步，套装透明热缩管：

将与干燥后型煤等长度的透明热缩管（5）套在涂有水敏显色指示剂的型煤（4）上，并放置在干燥箱中加热，透明热缩管（5）在高于70℃的环境下，会发生收缩，直至紧紧包裹型煤，从而形成套有透明热缩管的型煤（6），然后放入干燥器中冷却；

第五步，粘贴刻度尺：

在套有透明热缩管型煤（6）的外壁上粘贴与型煤等长度的纸质毫米刻度尺（7），纸质毫米刻度尺（7）粘贴在水敏显色指示剂形成的带状区域（2）一侧的边缘，纸质毫米刻度尺（7）的“0”刻度与套有热缩管的型煤（6）底部重合，从而制得特殊处理后的实验型煤（8）；

第六步，等截面水槽加水：

打开第一阀门(13），将一定厚度h₁的海绵（11）放置在等截面水槽（10）中，并在等截面水槽（10）中加入水（9），直至有水从距离等截面水槽底部高度为h₂的第一PVC管（14）中溢出；

第七步，调节水槽中的水位：

在低位水槽（16）和高位水槽（19）中加入等量的水，其中低位水槽（16）和高位水槽（19）的水位高度是h₂-h₁的数倍；

第八步，装置水循环：

把经过特殊处理后的实验型煤（8）放置在等截面水槽（10）中海绵上（11），同时打开第二阀门（21）和抽水泵（17）的开关，高位水槽（19）中的水不断向等截面水槽（10）中补给，当等截面水槽（10）中的水位超过其左测的中部开口（12）时，水从等截面水槽（10）的中部开口溢出并进入低位水槽（16）中，低位水槽（16）中的水被抽水泵抽出，并补给高位水槽（19），形成水循环；

第九步，数据记录：

不含瓦斯煤在底部饱和水的作用下渗吸，每隔一段时间t_i（i=1、2、3、…、n），观察遇水实时显色（显示颜色为白色、蓝色或桃红色）的高度值H_i（i=1、2、3、…、n），即为不含瓦斯煤的渗吸高度。

本发明与现有技术相比所具有的有益效果是：本发明利用涂抹在型煤上的水敏显色指示剂和粘贴在水敏显色指示剂旁的刻度尺，在保证水位不变的条件下，实时读取渗吸高度，保证了研究的可靠性，从而为认清渗吸的机理和含瓦斯煤渗吸高度的研究打下坚实的理论基础，进而为现场煤层注水参数的确定科学理论的指导，进而降低煤层瓦斯含量，实现煤炭安全高效开采。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2 为本发明中干燥完成后的型煤示意图。

图3 为本发明中涂有水敏显色指示剂的型煤示意图。

图4 为本发明中的透明热缩管收缩前的示意图。

图5 为本发明中贴有毫米刻度尺的型煤的示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，一种不含瓦斯煤渗吸高度测试装置，是由通过PVC管路连接的高位水槽19、等截面水槽10、低位水槽16以及抽水泵17所形成的水循环***，其中所述的等截面水槽10的下部还填充有一块海绵11，所述海绵11有一定的高度为h₁，所述海绵上放置实验型煤8，如图5所示，所述实验型煤8由涂有水敏显色指示剂的型煤4、透明热缩管5以及刻度尺7组成，所述涂有水敏显色指示剂的型煤外壁上的水敏显色指示剂剂形成带状区域2，所述透明热缩管经过热缩紧贴在型煤外壁3上，所述刻度尺7粘贴在透明热缩管的表面上，并且视觉上位于水敏显色指示剂带状区域2的一侧；所述等截面水槽10的左侧设有中部开口12，所述中部开口12距等截面水槽的底面有一定的距离为h₂，所述海绵与所述中部开口形成一定的高度差（h₂-h₁），使得水循环经过等截面水槽时所述实验型煤的底部可始终浸入一定高度差的水中，所述中部开口12与水平设置的第一PVC管14的一端连接，所述第一PVC管14的另一端处于高位水槽16的正上方，且第一PVC管14上装有第一阀门13，所述低位水槽16通过第二PVC管15与抽水泵17相连接，所述第二PVC管15浸没于低位水槽16中，所述抽水泵17的出水口与第三PVC管18的一端连接，所述第三PVC管18的另一端浸没于高位水槽19中，所述高位水槽19的左侧壁有底部开口20，所述底部开口20与第四PVC管22一端口连接，所述第四PVC管22的另一端口处于水槽10的正上方且第四PVC管22上装有第二阀门21。

一种不含瓦斯煤渗吸高度测试方法，利用上述一种不含瓦斯煤渗吸高度测试装置，包括以下步骤：第一步，型煤制备；第二步，配制水敏显色指示剂；第三步，涂抹水敏显色指示剂；第四步，套装透明热缩管；第五步，粘贴刻度尺；第六步，等截面水槽加水；第七步，调节水槽中的水位；第八步，装置水循环；第九步，数据记录。

所述第一步，型煤制备，具体方法如下：

将取回的新鲜煤样用粉碎机进行一次粉碎，然后进行筛选，分别筛选出煤样粒径为：0.25mm以下和0.25mm~0.5mm的煤样；

分别称取一定质量的粒径为0.25mm以下的煤样和粒径为0.25mm~0.5mm的煤样，按照2:1的比例进行均匀混合，添加20%的蒸馏水，充分搅拌；

把充分搅拌后的湿润煤样加入型煤模具中，在恒定的压力下，稳压20min加工制作成型煤；

将制作好的型煤放置在干燥箱中干燥，并设置干燥箱为105℃，每隔0.5h测试型煤质量，直至型煤质量不再发生变化，从而得到干燥的型煤1，如图2所示。

所述第二步，配制水敏显色指示剂，具体方法如下：

将羧甲基纤维素、碳酸钙、二氧化钛、硫酸钴和硫氰酸钴溶于水，按照1:2:5:6:13:32的比例配制水敏显色指示剂，具体步骤如下：

按上述比例称取一定质量的各化学物质；

将硫酸钴和硫氰酸钴溶于水；

加入羧甲基纤维素；

加入二氧化钛和碳酸钙；

充分搅拌制得水敏显色指示剂。

所述第三步，涂抹水敏显色指示剂，具体方法如下：

将配好的水敏显色指示剂涂于干燥后的型煤外壁3上，水敏显色指示剂形成带状区域2，如图3所示，将涂有水敏显色指示剂的型煤放入干燥箱干燥，直至水敏显色指示剂的颜色变为灰色且质量不变，然后放入干燥器中冷却。

所述第四步，套装透明热缩管，具体方法如下：

将与干燥后型煤等长度的透明热缩管5套在涂有水敏显色指示剂的型煤4上，如图4所示，并放置在干燥箱中加热，透明热缩管5在高于70℃的环境下，会发生收缩，直至紧紧包裹型煤，从而形成套有透明热缩管的型煤6，然后放入干燥器中冷却。

所述第五步，粘贴刻度尺，具体方法如下：

在套有透明热缩管型煤6的外壁粘贴与型煤等长度纸质毫米刻度尺7，纸质毫米刻度尺7粘贴在水敏显色指示剂2边缘，纸质毫米刻度尺7的“0”刻度与套有热缩管的型煤6底部重合，制得特殊处理后的实验型煤8，如图5所示。

所述第六步，等截面水槽加水，具体方法如下：

打开第一阀门13，将一定厚度h₁的海绵11放置在等截面水槽10中，并在等截面水槽10中加入水9，直至有水从距离等截面水槽底部高度为h₂的第一PVC管14中溢出。

所述第七步，调节水槽中的水位，具体方法如下：

在低位水槽16和高位水槽19中加入等量的水，其中低位水槽16和高位水槽19的水位高度是h₂-h₁的数倍。

所述第八步，装置水循环，具体方法如下：

把经过特殊处理后的实验型煤8放置在等截面水槽10中海绵上11，同时打开第二阀门21和抽水泵17的开关，高位水槽19中的水不断向等截面水槽10中补给，当等截面水槽10中的水位超过其左测的中部开口12时，水从等截面水槽10的中部开口溢出并进入低位水槽16中，低位水槽16中的水被抽水泵抽出，并补给高位水槽19，形成水循环；实验中如果等截面水槽10的左端口不溢出水，应及时向低位水槽16中加入水，保证等截面水槽10中的水位始终不变。

所述第九步，数据记录，具体方法如下：

不含瓦斯煤在底部饱和水的作用下渗吸，每隔一段时间t_i（i=1、2、3、…、n），观察遇水实时显色（显示颜色为白色、蓝色或桃红色）的高度值H_i（i=1、2、3、…、n），即为不含瓦斯煤的渗吸高度。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出更动或修饰等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种不含瓦斯煤渗吸高度测试装置，其特征在于，是通过PVC管路连接的高位水槽（19）、等截面水槽（10）、低位水槽（16）以及抽水泵（17）所形成的水循环***，其中所述的等截面水槽（10）的下部还填充有一块海绵（11），所述海绵上放置实验型煤（8）；所述等截面水槽（10）的左侧设有中部开口（12），所述中部开口（12）与水平设置的第一PVC管（14）的一端连接，所述第一PVC管（14）的另一端处于高位水槽（16）的正上方，且第一PVC管（14）上装有第一阀门（13），所述低位水槽（16）通过第二PVC管（15）与抽水泵（17）相连接，所述第二PVC管（15）浸没于低位水槽（16）中，所述抽水泵（17）的出水口与第三PVC管（18）的一端连接，所述第三PVC管（18）的另一端浸没于高位水槽（19）中，所述高位水槽（19）的左侧壁有底部开口（20），所述底部开口（20）与第四PVC管（22）一端口连接，所述第四PVC管（22）的另一端口处于等截面水槽（10）的正上方且第四PVC管（22）上装有第二阀门（21）。

2.如权利要求1所述的一种不含瓦斯煤渗吸高度测试装置，其特征在于，所述实验型煤（8）由涂有水敏显色指示剂的型煤（4）、透明热缩管（5）以及纸质毫米刻度尺（7）组成，所述涂有水敏显色指示剂的型煤（4）上的水敏显色指示剂从上到下形成带状区域（2），所述透明热缩管套在涂有水敏显色指示剂的型煤上，所述纸质毫米刻度尺（7）粘贴在透明热缩管的表面上，并且视觉上位于水敏显色指示剂带状区域的一侧。

3.如权利要求2所述的一种不含瓦斯煤渗吸高度测试装置，其特征在于，所述海绵（11）有一定的高度为h₁，所述中部开口（12）距等截面水槽的底面有一定的距离为h₂，所述海绵（11）与所述中部开口（12）形成一定的高度差为h₂-h₁，使得水循环经过等截面水槽时所述实验型煤的底部可始终浸入一定高度差的水中，保证了其在饱和水状态下渗吸。

4.一种不含瓦斯煤渗吸高度测试方法，其特征在于，利用如权利要求3所述的一种不含瓦斯煤渗吸高度测试装置，按照如下步骤进行：

第一步，型煤制备：

将取回的新鲜煤样用粉碎机进行一次粉碎，然后进行筛选，分别筛选出煤样粒径为0.25mm以下和0.25mm~0.5mm的煤样；

分别称取一定质量的粒径为0.25mm以下的煤样和粒径为0.25mm~0.5mm的煤样，按照2:1的比例进行均匀混合，添加20%的蒸馏水，充分搅拌；

把充分搅拌后的湿润煤样加入型煤模具中，在恒定的压力下，稳压20min加工制作成型煤；

将制作好的型煤放置在干燥箱中干燥，并设置干燥箱为105℃，每隔0.5h测试型煤质量，直至型煤质量不再发生变化，从而得到干燥的型煤（1）；

第二步，配制水敏显色指示剂：

将羧甲基纤维素、碳酸钙、二氧化钛、硫酸钴和硫氰酸钴溶于水，按照1:2:5:6:13:32的比例配制水敏显色指示剂，具体步骤如下：

按比例称取一定质量的羧甲基纤维素、碳酸钙、二氧化钛、硫酸钴和硫氰酸钴；

将硫酸钴和硫氰酸钴溶于水；

加入羧甲基纤维素；

加入二氧化钛和碳酸钙；

充分搅拌制得水敏显色指示剂；

第三步，涂抹水敏显色指示剂：

将配好的水敏显色指示剂涂于干燥后的型煤外壁（3）上，水敏显色指示剂形成带状区域（2），将涂有水敏显色指示剂的型煤放入干燥箱干燥，直至水敏显色指示剂的颜色变为灰色且质量不变，然后放入干燥器中冷却；

第四步，套装透明热缩管：

将与干燥后型煤等长度的透明热缩管（5）套在涂有水敏显色指示剂的型煤（4）上，并放置在干燥箱中加热，透明热缩管（5）在高于70℃的环境下，会发生收缩，直至紧紧包裹型煤，从而形成套有透明热缩管的型煤（6），然后放入干燥器中冷却；

第五步，粘贴刻度尺：

在套有透明热缩管型煤（6）的外壁上粘贴与型煤等长度的纸质毫米刻度尺（7），纸质毫米刻度尺（7）粘贴在水敏显色指示剂形成的带状区域（2）一侧的边缘，纸质毫米刻度尺（7）的“0”刻度与套有热缩管的型煤（6）底部重合，从而制得特殊处理后的实验型煤（8）；

第六步，等截面水槽加水：

打开第一阀门(13），将一定厚度h₁的海绵（11）放置在等截面水槽（10）中，并在等截面水槽（10）中加入水（9），直至有水从距离等截面水槽底部高度为h₂的第一PVC管（14）中溢出；

第七步，调节水槽中的水位：

在低位水槽（16）和高位水槽（19）中加入等量的水，其中低位水槽（16）和高位水槽（19）的水位高度是h₂-h₁的数倍；

第八步，装置水循环：

把经过特殊处理后的实验型煤（8）放置在等截面水槽（10）中海绵上（11），同时打开第二阀门（21）和抽水泵（17）的开关，高位水槽（19）中的水不断向等截面水槽（10）中补给，当等截面水槽（10）中的水位超过其左测的中部开口（12）时，水从等截面水槽（10）的中部开口溢出并进入低位水槽（16）中，低位水槽（16）中的水被抽水泵抽出，并补给高位水槽（19），形成水循环；

第九步，数据记录：

不含瓦斯煤在底部饱和水的作用下渗吸，每隔一段时间t_i（i=1、2、3、…、n），观察遇水实时显色（显示颜色为白色、蓝色或桃红色）的高度值H_i（i=1、2、3、…、n），即为不含瓦斯煤的渗吸高度。