CN110726641A - 一种煤样瓦斯解吸量测定装置及测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤样瓦斯解吸量测定装置及测定方法，测定装置包括连通的反应机构和测定机构，测定机构包括依次连通的第一引压管、流量测量管和第二引压管，流量测量管内设有瓦斯流量传感模块，第二引压管出气端设有用于向外排气的排气口，测定时，先进行设备安装与验证，再进行煤样反应，然后打开阀门进行煤样测试，获取瓦斯解吸量，最后关闭阀门；本发明能够在快捷高效地进行瓦斯解吸量测定的同时，替代传统的排水法进行测定，有效提高解吸量测定结果的准确性，同时，性能可靠，稳定性强。

Description

一种煤样瓦斯解吸量测定装置及测定方法

技术领域

本发明涉及煤样解吸技术领域，尤其涉及一种煤样瓦斯解吸量测定装置及测定方法。

背景技术

在原始煤体中，一旦游离瓦斯和吸附瓦斯的动平衡状态遭到破坏，部分瓦斯的赋存状态会在一定时间内发生单方向的转化，直至达到新的动平衡状态。当煤样处在原始煤体中时，煤样的瓦斯压力等于原始煤体的瓦斯压力，煤样中的游离瓦斯和吸附瓦斯处于动平衡状态；由于采掘作业使煤样剥离煤体后，煤体暴露于大气中，其周围环境的压力变成测定地点的大气压力，压力降低，煤样中游离瓦斯和吸附瓦斯的动平衡状态遭到了破坏，原来吸附于煤中的瓦斯开始解吸，直至煤样中的瓦斯压力等于测定地点的大气压力而达到新的动态平衡。

目前，井下每层原始瓦斯含量往往通过直接发进行测定，直接法测定具体流程如下：

在现场选取适宜的测试地点，通过钻孔将煤样从煤层深部取出，及时装入煤样罐中并密封好，现场测试2h内的瓦斯解吸量X_j，然后，依据煤样瓦斯解吸规律选取合适的经验公式推算煤样装入煤样罐之前的瓦斯损失量X_s，最后，把煤样罐带回实验室进行残存瓦斯含量X_c测定，三者之和为煤层瓦斯含量。

然而，在井下现场测试的过程中发现，现有测试瓦斯解吸量的煤样罐存在以下问题：

1)密封性差：煤样罐罐口螺纹咬合处容易漏气，导致测试结果不准确；

2)穿刺针头在使用过程中容易被密封橡胶垫堵死，导致解吸的瓦斯无法正常被收集，影响工作人员对现场的煤层瓦斯赋存情况做出准确的判断；

3)在井下采用直接法测试煤样解吸量需要利用排水法进行，即测试人员到井下采集多组煤样，再将测试装置灌满水，利用瓦斯压力排水进行瓦斯体积的测定，该种方法操作过程繁复，且在井下操作时周围工作环境复杂，严重影响测试人员的工作效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种煤样瓦斯解吸量测定装置及测定方法，能够在快捷高效地进行瓦斯解吸量测定的同时，替代传统的排水法进行测定，有效提高解吸量测定结果的准确性，同时，性能可靠，稳定性强。

本发明采用的技术方案为：

一种煤样瓦斯解吸量测定装置，包括反应机构和测定机构；

反应机构包括煤样罐、导管和设于导管上的阀门，煤样罐上端部连通导管进气端，导管出气端连通测定机构；所述煤样罐包括上下设置的罐盖和罐身，罐盖下端密封连接罐身上端，罐盖上端设有用于连通导管的排气孔；

测定机构包括第一引压管、流量测量管、第二引压管和中央处理模块，第一引压管、流量测量管和第二引压管依次连通，第一引压管进气端连通导管出气端，流量测量管内设有用于测量瓦斯流量的瓦斯流量传感模块，第二引压管出气端设有用于向外排气的排气口；中央处理模块检测信号输入端连接瓦斯流量传感模块输出端。

进一步地，所述流量传感模块包括节流件、高压传感元件和低压传感元件，高压传感元件、节流件和低压传感元件沿流量测量管内瓦斯的流向依次分布；高压传感元件输出端和低压传感元件输出端分别连接中央处理模块检测信号输入端。

进一步地，所述流量测量管的形状为两端粗中间细的单叶双曲面结构，节流件设于流量测量管内管径最细的位置，节流件两侧的流量测量管管壁上分别设有高压取压口和低压取压口，高压传感元件设于高压取压口内，低压传感元件设于低压取压口内。

进一步地，所述罐盖采用锥形结构，罐盖小口与导管一体成型，罐盖大口密封连接罐身。

进一步地，所述导管和第一引压管之间通过连接螺母连接，连接螺母内设有喇叭状通气槽，喇叭状通气槽大口连接导管，喇叭状通气槽小口连接第一引压管。

进一步地，所述罐身与罐盖之间、喇叭状通气槽与导管之间均设有密封胶垫。

进一步地，所述罐身外设有用于固定外部设备的固定卡，罐身底部设有铰接螺母。

进一步地，所述测定机构还包括显示表盘，显示表盘输入端连接中央处理模块信号输出端。

本发明还公开了一种基于上述煤样瓦斯解吸量测定装置的测定方法，包括以下步骤：

A、设备安装与验证：关闭阀门，连接导管与第一引导管，同时，验证煤样罐和各个接口处的气密性，确认气密性良好则进入下一步；

B、煤样反应：收取煤样并将其装入煤样罐中，盖紧罐盖，煤样开始反应；

C、打开阀门进行煤样测试，获取瓦斯解吸量：具体过程如下：

c1：打卡阀门，煤样罐内产生的瓦斯经导管和第一引压管后流入流量测量管；

c2：高压传感元件和低压传感元件检测节流件两端压差变化并传送至中央处理模块，同时，解吸的气体经由排气口排到外部；

c3：中央处理模块根据压差变化计算煤样罐瓦斯的解吸量及瓦斯损失量；

D、关闭阀门，测试结束。

进一步地，所述步骤c3中瓦斯损失量的具体计算过程如下：

根据测试时间内的瓦斯解吸流量计算标准状态下瓦斯解吸体积，计算公式为：

公式(1)中，V_t0表示换算成标准状态下的气体体积，单位为cm³；V_t为井下测定的2h内瓦斯解吸总量，单位为cm³，P₁表示井下空气压力，单位为kPa，t_w表示取样罐内温度，单位为℃；

采用法计算瓦斯损失量，公式如下：

公式(2)中，a和b表示待定常数，当时，V_t0＝a，a值即为所求损失的瓦斯量。

本发明具有以下有益效果：

(1)通过采用煤样罐和流量测量管连通结构的测定装置，实现了瓦斯解吸量的反应和测量一体化和智能化，在解吸时直接与外界连通，解析的气体直接经由排气口排到外部，省去了传统排水阀法的排水环节所需要克服的重力，同时一体化的结构省去了排水阀的诸多步骤并排除了井下作业环境诸多因素的影响，大大提高测定结果准确性；

(2)通过将流量传感模块设置为包括节流件、高压传感元件和低压传感元件，利用节流件前后的压差来测量不同时刻瓦斯的解吸量，结构简单牢固，且性能稳定可靠，使用期限长；

(3)通过将流量测量管设置为两端粗中间细的单叶双曲面结构，并将节流件设于流量测量管内管径最细的位置，利用在管道收缩处流速增加，静压力降低，进而在节流件前后产生压差，且瓦斯流量越大，产生的压差越大的原理，进一步提高压差，进而提高测量结果的准确性；

(4)通过将罐盖设置为锥形结构，并将罐盖与导管一体成型，避免瓦斯在导管下端积聚和出现涡流，保证测定过程中瓦斯流动的流畅性，间接保证测定结果的准确性；

(5)通过设置喇叭状通气槽，能够有效预防瓦斯散逸，进一步提高测定结果准确性；

(6)通过采用煤样罐和流量传感模块一体化进行的测定方法，实现了反应和测定的一体化操作，大大节省人力并简化测定流程，进而有效提高测定效率，同时，利用流量传感模块测量的方法智能化程度高，排除了传统测量方法中由于井下环境造成的诸多影响因素，且免去了传统方法中的需克服的水压，进而提高测定结果准确性。

附图说明

图1为本发明中测定装置的结构示意图；

图2为图1中罐身的结构示意图；

图3为图1中喇叭状通气槽的结构示意图；

图4为图1中流量传感模块的结构示意图。

附图标记说明：

1、罐身；2、罐盖；3、密封胶垫；4、固定卡；5、铰接螺母；6、导管；7、阀门；8、连接螺母；9、喇叭状通气槽；10、密封垫圈；11、第一引压管；12、第二引压管；13、流量测量管；14、高压传感元件；15、低压传感元件；16、显示表盘；17、中央处理模块；18、排气口；19、节流件。

具体实施方式

本发明公开了一种煤样瓦斯解吸量测定装置，包括反应机构和测定机构；

反应机构包括煤样罐、导管6和设于导管6上的阀门7，煤样罐上端部连通导管6进气端，导管6出气端连通测定机构；所述煤样罐包括上下设置的罐盖2和罐身1，罐盖2下端密封连接罐身1上端，罐盖2上端设有用于连通导管6的排气孔；

测定机构包括第一引压管11、流量测量管13、第二引压管12和中央处理模块17，第一引压管11、流量测量管13和第二引压管12依次连通，第一引压管11进气端连通导管6出气端，流量测量管13内设有用于测量瓦斯流量的瓦斯流量传感模块，第二引压管12出气端设有用于向外排气的排气口18；中央处理模块17检测信号输入端连接瓦斯流量传感模块输出端。

为了更好地理解本发明，下面结合附图对本发明的技术方案做进一步说明。

如图1所示，本发明包括反应机构和设于反应机构左侧的测定机构。

如图1和图2所示，反应机构包括煤样罐、导管6和设于导管6上的阀门7，煤样罐上端部连通导管6进气端，导管6出气端连通测定机构。

传统煤样罐的导气口被密封胶垫3封死，虽然保证了其气密性良好，但是在使用的过程中穿刺骨针易被橡胶垫堵死，导致测试无法顺利进行，因此本设计采用阀门7控制导管6，方便易操作。

煤样罐包括上下设置的罐盖2和罐身1，罐盖2采用锥形结构并与导管6一体成型，位于上端的罐盖2小口即为罐盖2上与导管6连通的排气孔，位于下端的罐盖2大口内壁设有内螺纹，罐身1上端外圆周设有与罐盖2内螺纹匹配的外螺纹，罐盖2大口与罐身1之间通过螺纹连接实现密封连接。

导管6与煤样罐罐盖2铸成一体，避免了瓦斯在导管6下端积聚，在解吸时可以直接与外界联通，省去了排水环节所需克服水的重力。

为了进一步提高密封性能，在罐身1外螺纹上设有密封胶垫3，进一步保证罐身1与罐盖2之间的密封性，外置密封胶垫3采用橡胶材质，密封性强，而且材料易获取，经久耐用，成本低廉。

为了方便安装，罐身1底部设有用于铰接外部设备的铰接螺母5，且罐身1上设有用于固定外部设备的固定卡4，在井下进行瓦斯解吸过程中本发明的测定装置能够被灵活悬挂起来，便于读数。

测定机构包括第一引压管11、流量测量管13、第二引压管12、中央处理模块17和显示表盘16，第一引压管11、流量测量管13和第二引压管12依次连通，第一引压管11进气端通过连接螺母8连通导管6出气端。

连接螺母8内置有连接螺母8内设有喇叭状通气槽9，如3所示，喇叭状通气槽9小口连接第一引压管11并与第一引压管11一体成型，导管6出气端设有外螺纹，喇叭状通气槽9大口设有匹配导管6外螺纹的内螺纹，喇叭状通气槽9通过螺纹连接导管6实现二者之间的密封连接，为了进一步提高密封效果，优选导管6和喇叭状通气槽9之间设有密封垫圈10。

流量测量管13内设有用于测量瓦斯流量的瓦斯流量传感模块，流量传感模块包括节流件19、高压传感元件14和低压传感元件15，高压传感元件14、节流件19和低压传感元件15沿流量测量管13内瓦斯的流向依次分布。

如图4所示，流量测量管13的形状为两端粗中间细的单叶双曲面结构，节流件19设于流量测量管13内管径最细的位置，节流件19两侧的流量测量管13管壁上分别设有高压取压口和低压取压口，高压传感元件14设于高压取压口内，低压传感元件15设于低压取压口内。

第二引压管12进气端连通流量测量管13出口，第二引压管12出气端设有用于向外排气的排气口18，经过解吸的瓦斯直接由排气口18排出至外部，省去传统排水环节所需克服的水重力。

高压传感元件14输出端和低压传感元件15输出端分别连接中央处理模块17检测信号输入端，中央处理模块17输出端连接显示表盘16信号输入端，中央处理模块17根据高压传感元件14输出端和低压传感元件15分别测量的压力值计算节流件19前后的压差，进而计算出瓦斯解吸量并由显示表盘16进行显示，中央处理模块17优选采用单片机。需要指出，上述高压传感元件14、低压传感元件15、中央处理模块17及显示表盘16均为本安型设计，以保证本发明在易爆环境中的安全性。

本发明还公开了一种基于上述煤样瓦斯解吸量测定装置的测定方法，包括以下步骤：

A、设备安装与验证：关闭阀门7，连接导管6与第一引导管6，准备工作做好后，选择一个安全的位置将煤样罐固定好，验证煤样罐和各个接口处的气密性，确认气密性良好则进入下一步。

B、煤样反应：收取煤样并将其装入煤样罐中，盖紧罐盖2，煤样开始反应。

煤样开始反应并打开阀门7后，煤样罐中解吸的瓦斯将直接沿导管6依次进入第一引压管11、流量测量管13和第二引压管12。

C、打开阀门7进行煤样测试，获取瓦斯解吸量。

具体过程如下：

c1：打卡阀门7，煤样罐内产生的瓦斯经导管6和第一引压管11后流入流量测量管13；

c2：高压传感元件14和低压传感元件15检测节流件19两端压差变化并传送至中央处理模块17，同时，解吸的气体经由排气口18排到外部；

c3：中央处理模块17根据压差变化计算煤样罐瓦斯的解吸量及瓦斯损失量。

由于煤样罐内煤样解吸的瓦斯流入流量测量管13，利用高压传感元件14和低压传感元件15能够检测到瓦斯在流量测量管13内压差的变化，进而形成电信号并输入单片机，与单片机相连的显示表盘16即会显示不同时刻的瓦斯解吸量，工作人员可以通过显示表盘16直接读取不同时刻煤样罐内煤样的瓦斯解吸量，测试时间内标准状态下的瓦斯解吸总量以及瓦斯损失量。煤样反应时间为2h左右，具体为由煤样反应开始，直至高压传感元件14和低压传感元件15获取的流量计数为零为止。

瓦斯损失量的具体计算过程如下：

根据测试时间内的瓦斯解吸流量计算标准状态下瓦斯解吸体积，计算公式为：

公式(1)中，V_t0表示换算成标准状态下的气体体积，单位为cm³；V_t为井下测定的2h内瓦斯解吸总量，单位为cm³，P₁表示井下空气压力，单位为kPa，t_w表示取样罐内温度，单位为℃；

采用

法计算瓦斯损失量，公式如下：

公式(2)中，a和b表示待定常数，当

时，V_t0＝a，a值即为所求损失的瓦斯量。计算a值前，首先以

为横坐标，以V_t0为纵坐标作图，中央处理模块17会由图大致判断呈现性关系的各测点，然后根据这些点的坐标值，按最小二乘法自动求出损失瓦斯量。

D、关闭阀门7，测试结束。测试结束后，将阀门7拧紧，取下连接螺母8和瓦斯流量计，再次检验过煤样罐的气密性之后，将煤样和流量计送往实验室进行处理与分析。

本发发明操作简单，便于携带，对于改进井下直接法测定煤层瓦斯解吸量具有重要意义，具有推广价值。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种煤样瓦斯解吸量测定装置，其特征在于：包括反应机构和测定机构；

反应机构包括煤样罐、导管和设于导管上的阀门，煤样罐上端部连通导管进气端，导管出气端连通测定机构；所述煤样罐包括上下设置的罐盖和罐身，罐盖下端密封连接罐身上端，罐盖上端设有用于连通导管的排气孔；

测定机构包括第一引压管、流量测量管、第二引压管和中央处理模块，第一引压管、流量测量管和第二引压管依次连通，第一引压管进气端连通导管出气端，流量测量管内设有用于测量瓦斯流量的瓦斯流量传感模块，第二引压管出气端设有用于向外排气的排气口；中央处理模块检测信号输入端连接瓦斯流量传感模块输出端。

2.根据权利要求1所述的煤样瓦斯解吸量测定装置，其特征在于：所述流量传感模块包括节流件、高压传感元件和低压传感元件，高压传感元件、节流件和低压传感元件沿流量测量管内瓦斯的流向依次分布；高压传感元件输出端和低压传感元件输出端分别连接中央处理模块检测信号输入端。

3.根据权利要求2所述的煤样瓦斯解吸量测定装置，其特征在于：所述流量测量管的形状为两端粗中间细的单叶双曲面结构，节流件设于流量测量管内管径最细的位置，节流件两侧的流量测量管管壁上分别设有高压取压口和低压取压口，高压传感元件设于高压取压口内，低压传感元件设于低压取压口内。

4.根据权利要求1所述的煤样瓦斯解吸量测定装置，其特征在于：所述罐盖采用锥形结构，罐盖小口与导管一体成型，罐盖大口密封连接罐身。

5.根据权利要求1所述的煤样瓦斯解吸量测定装置，其特征在于：所述导管和第一引压管之间通过连接螺母连接，连接螺母内设有喇叭状通气槽，喇叭状通气槽大口连接导管，喇叭状通气槽小口连接第一引压管。

6.根据权利要求5所述的煤样瓦斯解吸量测定装置，其特征在于：所述罐身与罐盖之间、喇叭状通气槽与导管之间均设有密封胶垫。

7.根据权利要求1所述的煤样瓦斯解吸量测定装置，其特征在于：所述罐身外设有用于固定外部设备的固定卡，罐身底部设有铰接螺母。

8.根据权利要求1所述的煤样瓦斯解吸量测定装置，其特征在于：所述测定机构还包括显示表盘，显示表盘输入端连接中央处理模块信号输出端。

9.一种基于权利2所述煤样瓦斯解吸量测定装置的测定方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、设备安装与验证：关闭阀门，连接导管与第一引导管，同时，验证煤样罐和各个接口处的气密性，确认气密性良好则进入下一步；

B、煤样反应：收取煤样并将其装入煤样罐中，盖紧罐盖，煤样开始反应；

C、打开阀门进行煤样测试，获取瓦斯解吸量：具体过程如下：

c1：打卡阀门，煤样罐内产生的瓦斯经导管和第一引压管后流入流量测量管；

c2：高压传感元件和低压传感元件检测节流件两端压差变化并传送至中央处理模块，同时，解吸的气体经由排气口排到外部；

c3：中央处理模块根据压差变化计算煤样罐瓦斯的解吸量及瓦斯损失量；

D、关闭阀门，测试结束。

10.根据权利要求9所述的煤样瓦斯解吸量测定方法，其特征在于：所述步骤c3中瓦斯损失量的具体计算过程如下：

根据测试时间内的瓦斯解吸流量计算标准状态下瓦斯解吸体积，计算公式为：

公式(1)中，V_t0表示换算成标准状态下的气体体积，单位为cm³；V_t为井下测定的2h内瓦斯解吸总量，单位为cm³，P₁表示井下空气压力，单位为kPa，t_w表示取样罐内温度，单位为℃；

采用法计算瓦斯损失量，公式如下：

公式(2)中，a和b表示待定常数，当

时，V_t0＝a，a值即为所求损失的瓦斯量。

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