煤样水分含量可控的瓦斯吸附解吸实验装置的制作方法

本实用新型属于瓦斯实验技术领域，具体涉及煤样水分含量可控的瓦斯吸附解吸实验装置。

背景技术：

2014年我国煤炭产量达到38.7亿吨，接近世界产量一半。煤炭在我国的一次能源消费结构中，约占70％，预计2050年有所降低但仍将占50％。随着开采深度的增加，一部分浅部开采的矿井逐渐进行深部开采，非突出矿井变为突出矿井，虽然经过几十年的摸索，我国在治理矿井瓦斯灾害方面取得了一定的成绩，但矿井瓦斯事故仍然存在。2015年2月12日，山西省阳泉煤业集团一煤矿突发煤与瓦斯突出，造成3人死亡；2015年2月28日，江西省乐平矿务局涌山煤矿发生煤与瓦斯突出事故，造成4人死亡；2015年10月9日，上饶县枫岭头镇永吉煤矿发生一起局部瓦斯爆炸事故，10名矿工被困井下。为了治理瓦斯灾害，常用的措施是采用煤层注水抑制瓦斯的解吸、高压水力割缝促进瓦斯的解吸再结合瓦斯抽采技术等。

煤层注水抑制瓦斯解吸从而消除煤层突出危险性的作用机理如下：(1)填充煤的孔隙，降低煤的孔隙空间，减少瓦斯与煤接触的面积；(2)作为湿润剂，改变引起突出的因素和煤本身的物理力学性质和渗透性质；(3)弹性变形减少，塑形变形增加，工作面附近煤层的弹性潜能减少，应力集中区移向煤体深处。

高压水力割缝结合瓦斯抽采消除突出的作用机理如下：(1)增加煤体的暴露面积，为煤层内部卸压、瓦斯解吸流动创造条件，增大煤层的透气性；(2)煤体向缝槽空间膨胀，增加煤体中的裂隙，大大改善煤层中的瓦斯流动状态，为瓦斯抽放提供条件；(3)抽采瓦斯后，煤层的瓦斯含量降低，突出危险性降低。

对于煤的瓦斯吸附解吸研究主要是在实验室进行的，且研究的主要因素也主要集中在温度、压力、粒径、变质程度方面，而在水对煤的瓦斯吸附解吸性能方面的研究还较少，加上缺乏相应的实验研究装置，因此，所进行的实验不能较为真实的模拟现场煤层注水后实际的吸附解吸情况。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述不足，本实用新型提供煤样水分含量可控的瓦斯吸附解吸实验装置，不仅煤样罐的安装和拆卸较为简单，便于实验过程中反复开罐操作，而且煤样水分分布和瓦斯气体分布都较为均匀，可以较真实的模拟现场煤层注水后实际的吸附解吸情况。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用了如下技术方案：

煤样水分含量可控的瓦斯吸附解吸实验装置，包括充气系统、真空脱气系统、恒温系统、瓦斯吸附解吸测定系统以及煤样注水系统；

所述充气系统包括高压储气瓶和减压阀，所述高压储气瓶上的高压储气瓶阀与减压阀的进气口连接；

所述真空脱气系统包括真空泵、与真空泵相连的真空管、真空度传感器、第一高精度压力表和真空阀；所述减压阀的出气口与第一个三通接头的一端口连接，所述第一个三通接头的另外两个端口中的一个与真空阀的进气口连接，所述真空阀的出气口通过真空管与真空泵连接，所述真空度传感器的一端与真空管连接，所述真空度传感器的另一端与第一高精度压力表连接；

所述恒温系统包括恒温水浴箱；

所述瓦斯吸附解吸测定系统包括充气罐、充气罐截止阀、煤样罐、煤样罐截止阀、第一压力传感器、第二压力传感器、计算机、第二截止阀、稳流阀、排气阀和解吸测定仪；所述充气罐和煤样罐放置在恒温水浴箱中，所述第一个三通接头的另外两个端口中的另一个与第一截止阀的一端连接，所述第一截止阀的另一端与第二个三通接头的一端口连接，所述第二个三通接头的另外两个端口中的一个与充气罐截止阀的一端连接，所述充气罐截止阀的另一端与充气罐连接，所述第一压力传感器的一端连接在充气罐截止阀与充气罐之间的管路上，所述第一压力传感器的另一端与计算机连接，所述第二个三通接头的另外两个端口中的另一个与第三个三通接头的一端连接，所述第三个三通接头的另外两个端口中的一个与煤样罐截止阀的一端连接，所述煤样罐截止阀的另一端与第四个三通接头的一端口连接，所述第四个三通接头的另外两个端口中的一个与煤样罐连接，所述第二压力传感器的一端连接在第四个三通接头的另外两个端口中的一个与煤样罐之间的管路上，所述第二压力传感器的另一端与计算机连接，所述第三个三通接头的另外两个端口中的另一个与第二截止阀的一端连接，所述第二截止阀的另一端与第五个三通接头的一端口连接，所述第五个三通接头的另外两个端口中的一个与稳流阀的一端连接，所述第五个三通接头的另外两个端口中的另一个与排气阀连接，所述稳流阀的另一端与解吸测定仪连接；

所述煤样注水系统包括平流泵、单向阀、第二高精度压力表、第三压力传感器和量筒，所述平流泵的一端与量筒连接，所述平流泵的另一端与单向阀的一端连接，所述单向阀的另一端与第四个三通接头的另外两个端口中的另一个连接，所述第三压力传感器的一端连接在单向阀与平流泵之间的管路上，所述第三压力传感器的另一端与第二高精度压力表；

所述煤样罐包括罐体和罐盖，所述罐体的上部外壁焊接有环形板，所述环形板开设有多个沿径向等角度均匀分布的安装孔，所述安装孔内穿设有螺栓，所述罐体的内壁口沿开设有横断面呈正方形的第一环形缺口，所述的第一环形缺口内卡设有密封圈，所述罐盖卡在罐体的口沿，所述罐盖的顶面边缘开设有横断面呈长方形的环形台阶，所述环形台阶对应安装孔的位置开设有螺纹孔，所述螺栓的自由端穿过螺纹孔并通过T型螺母固定，所述罐盖的中部与管路相连通，所述罐体的底部开设有电机安装孔，所述的电机安装孔内安装有电机，所述电机的动力输出轴传动连接有搅拌轴，所述搅拌轴的中上部垂直伸入罐体内并交错安装有多根搅拌杆，所述电机的电源线安装在罐体的外壁上并固定。

采用本实用新型的技术方案，使用时，煤块经过破碎、粉碎、过筛、烘干、配样过程制成实验所需煤样；然后进行气密性检查，充气后若计算机采集到的充气罐和煤样罐的压力保持6h不变，则气密性好；接着，利用真空泵对瓦斯吸附解吸测定系统中的充气罐和煤样罐进行抽真空处理，然后充入氦气测定煤样体积Vs和自由空间体积Vf，测定结束后再次进行真空抽气；利用充气系统向充气罐中充入一定压力的瓦斯气体，观察计算机上的压力读数，当显示压力达到预定压力时，关闭充气系统中的高压储气瓶阀、减压阀和第一截止阀，记录吸附前的压力值p1；然后打开连通充气罐的充气罐截止阀和连通煤样罐的煤样罐截止阀，在充气过程中启动电机，电机的动力输出轴转动，从而带动搅拌轴转动，搅拌轴带动搅拌杆进行搅拌操作，使气体与煤样充分混合并达到平衡，关闭电机，并记录吸附达到稳定时的压力值p2；打开单向阀，启动平流泵，当与平流泵相连的第二高精度压力表显示的压力大于与煤样罐相连的计算机显示的压力时，量筒中的水通过单向阀进入煤样罐，观察量筒中的水位的刻度变化，根据实际需要情况关闭平流泵，在注水过程中再次启动电机，电机的动力输出轴转动，从而带动搅拌轴转动，搅拌轴带动搅拌杆进行搅拌操作，使水分与煤样充分混合并关闭电机；打开煤样罐截止阀、第二截止阀和稳流阀，使煤样罐与解吸测定仪连通，进行煤样的解吸过程；改变煤样罐中的水分含量只需关闭煤样罐截止阀重复前述相应的步骤即可。这样的结构设计，不仅煤样罐的安装和拆卸较为简单，便于实验过程中反复开罐操作，而且煤样水分分布和瓦斯气体分布都较为均匀，可以较真实的模拟现场煤层注水后实际的吸附解吸情况。

进一步，所述罐体的内壁距离第一环形缺口20㎝的位置开设有横断面呈盲孔状的第二环形缺口，所述的第二环形缺口内可拆卸安装有纵截面呈U形的弹性隔板，所述弹性隔板的底板开设有多个均匀分布的漏孔，所述弹性隔板的外围板口沿向外垂直翻折形成外翻边，所述的外翻边卡在第二环形缺口内，所述弹性隔板的底板上表面一体成型有提手，所述管路的端头正好位于提手的正上方且距离提手10㎝的位置。这样的结构设计，在充气时，瓦斯气体可以在弹性隔板的上部空间充盈后通过漏孔进入煤样，为电机的启动准备时间，当电机正常启动后，气体充满罐体内腔，即可进行充分搅拌，提高效率；在注水时，水先在弹性隔板上滞留，并通过漏孔均匀的滴落在煤样上，不仅不会冲溅煤样，以免破坏煤样的结构，影响试验的真实性，而且水分滴落较为均匀，搅拌混合更加均匀，在一定程度上提高了效率。

附图说明

本实用新型可以通过附图给出的非限定性实施例进一步说明；

图1为本实用新型煤样水分含量可控的瓦斯吸附解吸实验装置实施例的结构示意图；

图2为本实用新型煤样水分含量可控的瓦斯吸附解吸实验装置实施例中煤样罐的剖视结构示意图；

图示中的符号说明如下：

1—高压储气瓶；2—高压储气瓶阀；3—减压阀；4—第一个三通接头；5—第一截止阀；6—第二个三通接头；7—第三个三通接头；8—第二截止阀；9—第五个三通接头；10—稳流阀；11—解吸测定仪；12—排气阀；13—煤样罐截止阀；14—充气罐截止阀；15—第一压力传感器；16—第四个三通接头；17—充气罐；18—煤样罐；180-罐体；181-环形板；182-螺栓；183-罐盖；184-T型螺母；185-电机；186-搅拌轴；187-搅拌杆；188-弹性隔板；19—单向阀；20—第二高精度压力表；21—第三压力传感器；22—平流泵；23—量筒；24—真空阀；25—第一高精度压力表；26—真空度传感器；27—真空泵；28—计算机；29—恒温水浴箱；30—第二压力传感器；31-煤样。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细地描述。

如图1和图2所示，本实用新型的煤样水分含量可控的瓦斯吸附解吸实验装置，包括充气系统、真空脱气系统、恒温系统、瓦斯吸附解吸测定系统以及煤样注水系统；

充气系统包括高压储气瓶1和减压阀3，高压储气瓶1上的高压储气瓶阀2与减压阀3的进气口连接；

真空脱气系统包括真空泵27、与真空泵27相连的真空管、真空度传感器26、第一高精度压力表25和真空阀24；减压阀3的出气口与第一个三通接头4的一端口连接，第一个三通接头4的另外两个端口中的一个与真空阀24的进气口连接，真空阀24的出气口通过真空管与真空泵27连接，真空度传感器26的一端与真空管连接，真空度传感器26的另一端与第一高精度压力表25连接；

恒温系统包括恒温水浴箱29；

瓦斯吸附解吸测定系统包括充气罐17、充气罐截止阀14、煤样罐18、煤样罐截止阀13、第一压力传感器15、第二压力传感器30、计算机28、第二截止阀8、稳流阀10、排气阀12和解吸测定仪11；充气罐17和煤样罐18放置在恒温水浴箱29中，第一个三通接头4的另外两个端口中的另一个与第一截止阀5的一端连接，第一截止阀5的另一端与第二个三通接头6的一端口连接，第二个三通接头6的另外两个端口中的一个与充气罐截止阀14的一端连接，充气罐截止阀14的另一端与充气罐17连接，第一压力传感器15的一端连接在充气罐截止阀14与充气罐17之间的管路上，第一压力传感器15的另一端与计算机28连接，第二个三通接头6的另外两个端口中的另一个与第三个三通接头7的一端连接，第三个三通接头7的另外两个端口中的一个与煤样罐截止阀13的一端连接，煤样罐截止阀13的另一端与第四个三通接头16的一端口连接，第四个三通接头16的另外两个端口中的一个与煤样罐18连接，第二压力传感器30的一端连接在第四个三通接头16的另外两个端口中的一个与煤样罐18之间的管路上，第二压力传感器30的另一端与计算机28连接，第三个三通接头7的另外两个端口中的另一个与第二截止阀8的一端连接，第二截止阀8的另一端与第五个三通接头9的一端口连接，第五个三通接头9的另外两个端口中的一个与稳流阀10的一端连接，第五个三通接头9的另外两个端口中的另一个与排气阀12连接，稳流阀10的另一端与解吸测定仪11连接；

煤样注水系统包括平流泵22、单向阀19、第二高精度压力表20、第三压力传感器21和量筒23，平流泵22的一端与量筒23连接，平流泵22的另一端与单向阀19的一端连接，单向阀19的另一端与第四个三通接头16的另外两个端口中的另一个连接，第三压力传感器21的一端连接在单向阀19与平流泵22之间的管路上，第三压力传感器21的另一端与第二高精度压力表20；

煤样罐18包括罐体180和罐盖183，罐体180的上部外壁焊接有环形板181，环形板181开设有多个沿径向等角度均匀分布的安装孔，安装孔内穿设有螺栓182，罐体180的内壁口沿开设有横断面呈正方形的第一环形缺口，第一环形缺口内卡设有密封圈，罐盖183卡在罐体180的口沿，罐盖183的顶面边缘开设有横断面呈长方形的环形台阶，环形台阶对应安装孔的位置开设有螺纹孔，螺栓182的自由端穿过螺纹孔并通过T型螺母184固定，罐盖183的中部与管路相连通，罐体180的底部开设有电机安装孔，电机安装孔内安装有电机185，电机185的动力输出轴传动连接有搅拌轴186，搅拌轴186的中上部垂直伸入罐体180内并交错安装有多根搅拌杆187，电机185的电源线安装在罐体180的外壁上并固定。

本实施例中，使用时，煤块经过破碎、粉碎、过筛、烘干、配样过程制成实验所需煤样31；然后进行气密性检查，充气后若计算机28采集到的充气罐17和煤样罐18的压力保持6h不变，则气密性好；接着，利用真空泵27对瓦斯吸附解吸测定系统中的充气罐17和煤样罐18进行抽真空处理，然后充入氦气测定煤样体积Vs和自由空间体积Vf，测定结束后再次进行真空抽气；利用充气系统向充气罐17中充入一定压力的瓦斯气体，观察计算机28上的压力读数，当显示压力达到预定压力时，关闭充气系统中的高压储气瓶阀2、减压阀3和第一截止阀5，记录吸附前的压力值p1；然后打开连通充气罐17的充气罐截止阀14和连通煤样罐18的煤样罐截止阀13，在充气过程中启动电机185，电机185的动力输出轴转动，从而带动搅拌轴186转动，搅拌轴186带动搅拌杆187进行搅拌操作，使气体与煤样31充分混合并达到平衡，关闭电机185，并记录吸附达到稳定时的压力值p2；打开单向阀19，启动平流泵22，当与平流泵22相连的第二高精度压力表20显示的压力大于与煤样罐18相连的计算机28显示的压力时，量筒23中的水通过单向阀19进入煤样罐18，观察量筒23中的水位的刻度变化，根据实际需要情况关闭平流泵22，在注水过程中再次启动电机185，电机185的动力输出轴转动，从而带动搅拌轴186转动，搅拌轴186带动搅拌杆187进行搅拌操作，使水分与煤样31充分混合并关闭电机185；打开煤样罐截止阀13、第二截止阀8和稳流阀10，使煤样罐18与解吸测定仪11连通，进行煤样31的解吸过程；改变煤样罐18中的水分含量只需关闭煤样罐截止阀13重复前述相应的步骤即可。

作为优选，罐体180的内壁距离第一环形缺口20㎝的位置开设有横断面呈盲孔状的第二环形缺口，第二环形缺口内可拆卸安装有纵截面呈U形的弹性隔板188，弹性隔板188的底板开设有多个均匀分布的漏孔，弹性隔板188的外围板口沿向外垂直翻折形成外翻边，外翻边卡在第二环形缺口内，弹性隔板188的底板上表面一体成型有提手，管路的端头正好位于提手的正上方且距离提手10㎝的位置。这样的结构设计，在充气时，瓦斯气体可以在弹性隔板188的上部空间充盈后通过漏孔进入煤样31，为电机185的启动准备时间，当电机185正常启动后，气体充满罐体180内腔，即可进行充分搅拌，提高效率；在注水时，水先在弹性隔板188上滞留，并通过漏孔均匀的滴落在煤样31上，不仅不会冲溅煤样31，以免破坏煤样31的结构，影响试验的真实性，而且水分滴落较为均匀，搅拌混合更加均匀，在一定程度上提高了效率。

上述实施例仅示例性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。