一种用于矿井瓦斯取样的便携式取样仪及控制方法与流程

本发明涉及一种瓦斯取样仪及控制方法，具体是一种适用于对采空区、采煤工作面上隅角、回风巷和裂隙带等煤矿井下地点的浓度低于1％以下的超低浓度瓦斯进行取样的便携式取样仪及控制方法，属于煤矿瓦斯灾害的防治与高效开发技术领域。

背景技术：

煤层气俗称“瓦斯”，是指储存在煤层中以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主、部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体，是煤的伴生矿产资源，属非常规天然气。煤层气空气浓度达到5％～16％时，遇明火就会爆炸，这是煤矿瓦斯爆炸事故的根源。考虑到工作人员的健康和安全问题，《煤矿安全规程》规定，煤矿井下采煤工作面，回风巷道中的瓦斯浓度不得高于1％。由于煤矿井下通风需求等，采煤工作面上隅角、裂隙带、采空区等地方瓦斯浓度基本低于1％。

随着科技发展以及对矿井安全的要求，需要对矿井瓦斯做相关分析测试。传统的做法是先通过瓦斯取样仪在矿井下不同地点采集不同的气体样品，再对气体样品进行分析测试。考虑到测试结果的精确性、可靠性，大部分分析手段对气体浓度要求较高，比如，同位素分析煤层瓦斯溯源技术，要求瓦斯气样中瓦斯浓度大于10％。而针对采空区、采煤工作面上隅角、回风巷和裂隙带等煤矿井下地点的浓度低于1％以下的超低浓度瓦斯，直接取样得到的样品无法直接用于分析测试。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供一种用于矿井瓦斯取样的便携式取样仪及控制方法，可以在实现对符合分析测试要求的、含有高浓度瓦斯的煤层气进行采样的前提下，实现对含有浓度低于1％以下的超低浓度瓦斯的煤层气进行采样、并同步制备产出符合分析测试要求的气体样本，特别适用于对采空区、采煤工作面上隅角、回风巷和裂隙带等煤矿井下地点的瓦斯采样。

为实现上述目的，本用于矿井瓦斯取样的便携式取样仪包括原料气源采集口、多路阀组ⅰ、真空泵ⅰ、三通换向阀、样本气体采集装置和样本气体制备装置；

所述的多路阀组ⅰ包括n+1个输入端口和一个输出端口、且n+1个输入端口分别通过截止阀ⅰ与输出端口连通连接，原料气源采集口与多路阀组ⅰ的一个输入端口连通连接，多路阀组ⅰ的输出端口与真空泵ⅰ的输入端连通连接，真空泵ⅰ的输出端通过三通换向阀与样本气体采集装置和样本气体制备装置连接，样本气体采集装置的输出端上设有逆止阀，真空泵ⅰ的输出端上还设有瓦斯浓度探测器，三通换向阀与样本气体制备装置连接的通路上还设有流量控制阀；

所述的样本气体制备装置包括气体吸附部分和储气部分；气体吸附部分包括吸附罐，吸附罐内部填充有优先吸附氧气和/或氮气的吸附剂，吸附罐的输入端通过截止阀ⅱ与流量控制阀的输出端连通连接，吸附罐的输出端通过截止阀ⅲ与真空泵ⅱ的输入端连通连接，吸附罐的输出端上还设有气体压力探测器；储气部分包括多路阀组ⅱ和n个储气罐，多路阀组ⅱ包括一个输入端口和n个输出端口、且n个输出端口分别通过截止阀ⅳ与输入端口连通连接，多路阀组ⅱ的输入端口与真空泵ⅱ的输出端连通连接，n个储气罐的输入端分别与多路阀组ⅱ的n个输出端口依次连通连接，n个储气罐的输出端分别与多路阀组ⅰ的其他输入端口连通连接，且第一个储气罐至第n个储气罐的容积依次递减。

作为本发明的进一步改进方案，本用于矿井瓦斯取样的便携式取样仪还包括电控装置，电控装置包括控制器、多路阀组控制回路、真空泵控制回路、瓦斯浓度判断回路、样本气体制备切换控制回路，所述的截止阀ⅰ、三通换向阀、截止阀ⅱ、流量控制阀、截止阀ⅲ、截止阀ⅳ均是电磁控制阀，所述的瓦斯浓度探测器是瓦斯浓度传感器，所述的气体压力探测器是气体压力传感器，控制器分别与截止阀ⅰ、三通换向阀、截止阀ⅱ、流量控制阀、截止阀ⅲ、截止阀ⅳ、瓦斯浓度传感器、气体压力传感器电连接。

作为本发明的进一步改进方案，至少第一个储气罐的输出端上设有气体压力探测器。

作为本发明的进一步改进方案，吸附罐设置为多个，多个吸附罐的输入端分别通过截止阀ⅱ与流量控制阀的输出端连通连接，多个吸附罐的输出端分别通过截止阀ⅲ与真空泵ⅱ的输入端连通连接，多个吸附罐的输出端上还均设有气体压力探测器。

作为本发明的进一步改进方案，吸附罐的规格为内径0.5～3厘米、长度0.3～0.6米的不锈钢管或pvc管。

作为本发明的进一步改进方案，储气罐是柔性结构的集气袋或气囊。

一种用于矿井瓦斯取样的便携式取样仪的控制方法，具体包括以下步骤：

a.取样准备：先控制多路阀组ⅰ上对应原料气源采集口的截止阀ⅰ处于打开状态、其余的截止阀ⅰ处于关闭状态，控制三通换向阀使其三个通路均处于关闭状态，控制截止阀ⅱ处于打开状态，控制截止阀ⅲ处于关闭状态，控制多路阀组ⅱ的所有截止阀ⅳ均处于关闭状态；

b.气体采样：启动真空泵ⅰ，当真空泵ⅰ输出端上的瓦斯浓度探测器反馈原样气体中的瓦斯浓度大于设定的采样浓度值时，执行步骤b-1；当真空泵ⅰ输出端上的瓦斯浓度探测器反馈原样气体中的瓦斯浓度小于或等于设定的采样浓度值时，执行步骤b-2；

b-1.控制三通换向阀使真空泵ⅰ的输出端与样本气体采集装置处于连通状态，原样气体进入样本气体采集装置进行采集封样；

b-2.调整流量控制阀的输出流量至设定范围后，控制三通换向阀使真空泵ⅰ的输出端与样本气体制备装置处于连通状态，原样气体进入吸附罐，当吸附罐输出端上的气体压力探测器反馈吸附罐内的绝对压力达到设定的压力数值后，先关闭截止阀ⅱ和真空泵ⅰ，打开截止阀ⅲ和对应第一个储气罐的多路阀组ⅱ上的截止阀ⅳ后启动真空泵ⅱ，完成第一遍吸附的气体样本进入第一个储气罐，至设定时间后，先关闭对应第一个储气罐的多路阀组ⅱ上的截止阀ⅳ和真空泵ⅱ，再关闭多路阀组ⅰ上对应原料气源采集口的截止阀ⅰ、打开多路阀组ⅰ上对应第一个储气罐的截止阀ⅰ、控制三通换向阀使其三个通路均处于关闭状态、打开截止阀ⅱ，最后启动真空泵ⅰ；

若真空泵ⅰ输出端上的瓦斯浓度探测器反馈完成第一遍吸附的气体样本中的瓦斯浓度大于设定的采样浓度值，则控制三通换向阀使真空泵ⅰ的输出端与样本气体采集装置处于连通状态，完成第一遍吸附的气体样本进入样本气体采集装置进行采集封样；

若真空泵ⅰ输出端上的瓦斯浓度探测器反馈完成第一遍吸附的气体样本中的瓦斯浓度小于或等于设定的采样浓度值，控制三通换向阀使真空泵ⅰ的输出端与样本气体制备装置处于连通状态，完成第一遍吸附的气体样本重新进入吸附罐进行第二遍吸附，当吸附罐输出端上的气体压力探测器反馈吸附罐内的绝对压力达到二次设定的压力数值后，先关闭截止阀ⅱ和真空泵ⅰ，打开对应第二个储气罐的多路阀组ⅱ上的截止阀ⅳ后启动真空泵ⅱ，完成第二遍吸附的气体样本进入第二个储气罐，以此类推，含超低浓度瓦斯的原样气体被逐次吸附、并在n个储气罐内实现瓦斯浓度梯度提高，直至真空泵ⅰ输出端上的瓦斯浓度探测器反馈原样气体中的瓦斯浓度大于设定的采样浓度值后，控制三通换向阀使真空泵ⅰ的输出端与样本气体采集装置处于连通状态，完成吸附的气体样本进入样本气体采集装置进行采集封样。

作为本发明的进一步改进方案，至少第一个储气罐的输出端上设有气体压力探测器；步骤b-2中，完成第一遍吸附的气体样本进入第一个储气罐后，重复原样气体注入吸附罐进行吸附的步骤、并将完成吸附的气体样本注入第一个储气罐内，直至第一个储气罐输出端上的气体压力探测器反馈第一个储气罐内的绝对压力值达到设定数值。

作为本发明的进一步改进方案，吸附罐设置为多个，多个吸附罐的输入端分别通过截止阀ⅱ与流量控制阀的输出端连通连接，多个吸附罐的输出端分别通过截止阀ⅲ与真空泵ⅱ的输入端连通连接，多个吸附罐的输出端上还均设有气体压力探测器；步骤b-2中，首先控制所有截止阀ⅱ处于关闭状态，再控制三通换向阀使真空泵ⅰ的输出端与样本气体制备装置处于连通状态，最后按设定的时间间隔逐个依次打开截止阀ⅱ，原样气体即按设定的时间间隔依次进入不同的吸附罐；首个吸附罐完成吸附后，关闭首个吸附罐的截止阀ⅱ、打开首个吸附罐的截止阀ⅲ和对应第一个储气罐的多路阀组ⅱ上的截止阀ⅳ后启动真空泵ⅱ，在首个吸附罐内完成吸附的气体样本即进入第一个储气罐，后续的吸附罐完成吸附后逐个关闭各自对应的截止阀ⅱ、打开各自对应的截止阀ⅲ、最后关闭真空泵ⅰ，后续的完成吸附的气体样本依次进入第一个储气罐使第一个储气罐处于充满状态。

作为本发明的进一步改进方案，步骤b-2中流量控制阀的输出流量范围为0.5～5升/分钟。

与现有技术相比，本用于矿井瓦斯取样的便携式取样仪体积小、各装置容易装拆、便于携带、操作简单，可以很好地适应煤矿井下条件、解决在煤矿井下各地点将超低浓度瓦斯分离到目标浓度的取样难题；由于样本气体制备装置设有气体吸附部分，因此原样气体中的氧气和/或氮气可以在吸附罐内被优先吸附氧气和/或氮气的吸附剂吸附，进而实现原样气体的分离浓缩、原样气体的瓦斯浓度提高；样本气体制备装置由于设有包括容积依次递减的多个储气罐的储气部分，因此可以形成气体样本中瓦斯浓度梯度提升的闭式循环系统，配合气体吸附部分，可以实现含超低浓度瓦斯的原样气体被逐次吸附、并在多个储气罐内实现瓦斯浓度梯度提高，直至气体样本的瓦斯浓度达到采集要求，特别适用于对采空区、采煤工作面上隅角、回风巷和裂隙带等煤矿井下地点的瓦斯采样。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图中：1、原料气源采集口，2、多路阀组ⅰ，3、真空泵ⅰ，4、三通换向阀，5、样本气体采集装置，6、样本气体制备装置，61、吸附罐，62、截止阀ⅱ，63、截止阀ⅲ，64、真空泵ⅱ，65、多路阀组ⅱ，66、储气罐，7、流量控制阀。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，本用于矿井瓦斯取样的便携式取样仪包括原料气源采集口1、多路阀组ⅰ2、真空泵ⅰ3、三通换向阀4、样本气体采集装置5和样本气体制备装置6。

所述的多路阀组ⅰ2包括n+1个输入端口和一个输出端口、且n+1个输入端口分别通过截止阀ⅰ与输出端口连通连接，原料气源采集口1与多路阀组ⅰ2的一个输入端口连通连接，多路阀组ⅰ2的输出端口与真空泵ⅰ3的输入端连通连接，真空泵ⅰ3的输出端通过三通换向阀4与样本气体采集装置5和样本气体制备装置6连接，真空泵ⅰ3可以是可用于煤矿井下的、具有防爆功能的微型电动真空泵或手摇式真空泵，样本气体采集装置5的输出端上设有逆止阀，真空泵ⅰ3的输出端上还设有瓦斯浓度探测器，三通换向阀4与样本气体制备装置6连接的通路上还设有流量控制阀7。

所述的样本气体制备装置6包括气体吸附部分和储气部分；气体吸附部分包括吸附罐61，吸附罐61内部填充有优先吸附氧气和/或氮气的吸附剂，由于吸附剂吸附的平衡效应，氧气和/或氮气优先于瓦斯被吸附，利用各气体被吸附的时间差异可以实现瓦斯的分离，吸附罐61的规格可以为内径0.5～3厘米、长度0.3～0.6米的不锈钢管或pvc管，吸附罐61的输入端通过截止阀ⅱ62与流量控制阀7的输出端连通连接，吸附罐61的输出端通过截止阀ⅲ63与真空泵ⅱ64的输入端连通连接，吸附罐61的输出端上还设有气体压力探测器；储气部分包括多路阀组ⅱ65和n个储气罐66，多路阀组ⅱ65包括一个输入端口和n个输出端口、且n个输出端口分别通过截止阀ⅳ与输入端口连通连接，多路阀组ⅱ65的输入端口与真空泵ⅱ64的输出端连通连接，n个储气罐66的输入端分别与多路阀组ⅱ65的n个输出端口依次连通连接，n个储气罐66的输出端分别与多路阀组ⅰ2的其他输入端口连通连接，且第一个储气罐66至第n个储气罐66的容积按吸附比例梯度依次递减，储气罐66的容积依次递减可以实现原料气中瓦斯的分步梯度浓缩，为了减小体积，储气罐66可以为集气袋、气囊等柔性的、便于折叠的、密封性好的结构。

以同位素分析煤层瓦斯溯源技术要求的瓦斯气样中瓦斯浓度大于10％为例，使用本用于矿井瓦斯取样的便携式取样仪在矿井下采集气体样品前，先控制多路阀组ⅰ2上对应原料气源采集口1的截止阀ⅰ处于打开状态、其余的截止阀ⅰ处于关闭状态，控制三通换向阀4使其三个通路均处于关闭状态，控制截止阀ⅱ62处于打开状态，控制截止阀ⅲ63处于关闭状态，控制多路阀组ⅱ65的所有截止阀ⅳ均处于关闭状态，然后启动真空泵ⅰ3，含瓦斯的原样气体即在负压作用下经原料气源采集口1、多路阀组ⅰ2后在真空泵ⅰ3的输出端聚集，当真空泵ⅰ3输出端上的瓦斯浓度探测器反馈原样气体中的瓦斯浓度大于10％时，控制三通换向阀4使真空泵ⅰ3的输出端与样本气体采集装置5处于连通状态，原样气体即进入样本气体采集装置5进行采集封样；

当真空泵ⅰ3输出端上的瓦斯浓度探测器反馈原样气体中的瓦斯浓度小于或等于10％时，调整流量控制阀7的输出流量为0.5～5升/分钟之间后，控制三通换向阀4使真空泵ⅰ3的输出端与样本气体制备装置6处于连通状态，原样气体即进入吸附罐61，在优先吸附氧气和/或氮气的吸附剂的吸附作用下，原样气体中的氧气和/或氮气被吸附、原样气体中的瓦斯浓度提高，当吸附罐61输出端上的气体压力探测器反馈吸附罐61内的绝对压力达到0.01兆帕后视为完成吸附，此时先关闭截止阀ⅱ62和真空泵ⅰ3，打开截止阀ⅲ63和对应第一个储气罐66的多路阀组ⅱ65上的截止阀ⅳ后启动真空泵ⅱ64，完成第一遍吸附的气体样本即在负压作用下进入第一个储气罐66，至设定时间后，先关闭对应第一个储气罐66的多路阀组ⅱ65上的截止阀ⅳ和真空泵ⅱ64，再关闭多路阀组ⅰ2上对应原料气源采集口1的截止阀ⅰ、打开多路阀组ⅰ2上对应第一个储气罐66的截止阀ⅰ、控制三通换向阀4使其三个通路均处于关闭状态、打开截止阀ⅱ62，最后启动真空泵ⅰ3，完成第一遍吸附的气体样本即在负压作用下经多路阀组ⅰ2后在真空泵ⅰ3的输出端聚集，若真空泵ⅰ3输出端上的瓦斯浓度探测器反馈完成第一遍吸附的气体样本中的瓦斯浓度大于10％时，则控制三通换向阀4使真空泵ⅰ3的输出端与样本气体采集装置5处于连通状态，完成第一遍吸附的气体样本即进入样本气体采集装置5进行采集封样，若真空泵ⅰ3输出端上的瓦斯浓度探测器反馈完成第一遍吸附的气体样本中的瓦斯浓度小于或等于10％时，重复前述步骤，控制三通换向阀4使真空泵ⅰ3的输出端与样本气体制备装置6处于连通状态，完成第一遍吸附的气体样本重新进入吸附罐61进行第二遍吸附，当吸附罐61输出端上的气体压力探测器反馈吸附罐61内的绝对压力达到二次设定的压力数值后视为完成吸附，此时先关闭截止阀ⅱ62和真空泵ⅰ3，打开对应第二个储气罐66的多路阀组ⅱ65上的截止阀ⅳ后启动真空泵ⅱ64，完成第二遍吸附的气体样本即在负压作用下进入第二个储气罐66，以此类推，含超低浓度瓦斯的原样气体被逐次吸附、并在n个储气罐66内实现瓦斯浓度梯度提高，直至真空泵ⅰ3输出端上的瓦斯浓度探测器反馈原样气体中的瓦斯浓度大于10％后，控制三通换向阀4使真空泵ⅰ3的输出端与样本气体采集装置5处于连通状态，气体样本进入样本气体采集装置5进行采集封样。

储气罐66的数量设置为4个，且4个储气罐66的容积分别设为50升、20升、5升、0.2升的情况下，100升含0.5％瓦斯的原料气经循环吸附浓缩后，可得到0.2升左右约含10％瓦斯的样品气体。

为了实现自动化采集封样，作为本发明的进一步改进方案，本用于矿井瓦斯取样的便携式取样仪还包括电控装置，电控装置包括控制器、多路阀组控制回路、真空泵控制回路、瓦斯浓度判断回路、样本气体制备切换控制回路，所述的截止阀ⅰ、三通换向阀4、截止阀ⅱ62、流量控制阀7、截止阀ⅲ63、截止阀ⅳ均是电磁控制阀，所述的瓦斯浓度探测器是瓦斯浓度传感器，所述的气体压力探测器是气体压力传感器，控制器分别与截止阀ⅰ、三通换向阀4、截止阀ⅱ62、流量控制阀7、截止阀ⅲ63、截止阀ⅳ、瓦斯浓度传感器、气体压力传感器电连接。

为了使气体样本在储气罐66内实现更好的瓦斯浓度梯度提高效果，作为本发明的进一步改进方案，至少第一个储气罐66的输出端上设有气体压力探测器。完成第一遍吸附的气体样本进入第一个储气罐66后，由于气体样本中的氧气和/或氮气被吸附，因此完成吸附的气体样本体积缩小、第一个储气罐66输出端上的气体压力探测器反馈第一个储气罐66内的绝对压力值较小，此时可以重复原样气体注入吸附罐61进行吸附的步骤、并将完成吸附的气体样本注入第一个储气罐66内，直至第一个储气罐66输出端上的气体压力探测器反馈第一个储气罐66内的绝对压力值达到设定数值(即第一个储气罐66处于充满状态)。

为了使气体样本在储气罐66内实现更好的瓦斯浓度梯度提高效果，作为本发明的进一步改进方案，吸附罐61设置为多个(图1所示为2个)，多个吸附罐61的输入端分别通过截止阀ⅱ62与流量控制阀7的输出端连通连接，多个吸附罐61的输出端分别通过截止阀ⅲ63与真空泵ⅱ64的输入端连通连接，多个吸附罐61的输出端上还均设有气体压力探测器。当真空泵ⅰ3输出端上的瓦斯浓度探测器反馈原样气体中的瓦斯浓度小于或等于10％时，先控制所有截止阀ⅱ62处于关闭状态，再控制三通换向阀4使真空泵ⅰ3的输出端与样本气体制备装置6处于连通状态，最后按设定的时间间隔逐个依次打开截止阀ⅱ62，原样气体即按设定的时间间隔依次进入不同的吸附罐61；首个吸附罐61完成吸附后，关闭首个吸附罐61的截止阀ⅱ62、打开首个吸附罐61的截止阀ⅲ63和对应第一个储气罐66的多路阀组ⅱ65上的截止阀ⅳ后启动真空泵ⅱ64，在首个吸附罐61内完成吸附的气体样本即进入第一个储气罐66，后续的吸附罐61完成吸附后逐个关闭各自对应的截止阀ⅱ62、打开各自对应的截止阀ⅲ63、最后关闭真空泵ⅰ3，后续的完成吸附的气体样本依次进入第一个储气罐66使第一个储气罐66处于充满状态，实现连续吸附作业和储气作业。

本用于矿井瓦斯取样的便携式取样仪通过对泄露压力监测空间24内的压力值的监测，可以实现高压泄露预警，避免出现封堵失效、高压胶囊组件1在高压注水或注气反作用力作用下意外脱出的情况；高压胶囊组件1收缩复位后可与增阻部件2分离实现回收利用，可大大提高煤层高压注水或注气作业的安全性、可靠性和经济性。

本用于矿井瓦斯取样的便携式取样仪体积小、各装置容易装拆、便于携带、操作简单，可以很好地适应煤矿井下条件、解决在煤矿井下各地点将超低浓度瓦斯分离到目标浓度的取样难题，特别适用于对采空区、采煤工作面上隅角、回风巷和裂隙带等煤矿井下地点的瓦斯采样。