一种原生煤层气体测试装置及方法与流程

本发明涉及煤层气体测试，具体涉及一种原生煤层气体测试装置及方法。

背景技术：

1、原生煤层气体是赋存于未开采煤层及煤系地层中的气体，是与煤伴生、共生的气体资源，主要成分是甲烷，发热量与常规天然气相当，是宝贵的能源资源。然而，原生煤层气体是一种无色、无味、无臭、可以燃烧或爆炸的气体,难溶于水,扩散性较空气高,无毒,但浓度很高时,会引起窒息并带来安全隐患。

2、原生煤层气体的浓度及成分，是选择煤自燃指标气体、确定预警指标的重要依据，及时、精确的原生煤层气体分析数据，可以为煤自燃预防、精准划分煤自燃阶段、确定火灾区域等领域提供重要的基础数据；同时，还可以为瓦斯灾害防治提供可靠资料，以避免或减免瓦斯爆炸、瓦斯突出、中毒窒息等事故的发生。

3、在现阶段，在对原生煤层气体含量进行检测时,常采用瓦斯含量测定仪进行检测，而瓦斯含量测定仪是通过排水集气法来进行测定煤样瓦斯含量的。

4、现有技术至少存在如下技术问题:

5、解吸开始前，各类仪器的密封性检测方法较为麻烦、耗时较长，需泡至清水中，容易腐蚀仪器。

6、煤样在空气气氛中钻取以及运输至解吸设备时，容易被氧化导致数据产生较大误差，无法确定所检测气体是原生气体还是氧化气体，且难以定量分析气体浓度。

7、煤样罐在井下解吸测定后，需运至实验室进一步解吸，运输的过程中煤样罐中存在氧气，煤体易低温氧化。

8、煤样罐在井下解吸测定后，需运至实验室进一步粉碎后解吸，粉碎煤样时需要使用碎煤机，大大延长了煤样暴露时间，缺少准确性。煤样的粒度、温度都会影响解吸规律与解吸强度。传统解吸设备无法精确分析解吸气体的成分及浓度。

技术实现思路

1、为了克服以上技术缺陷，本发明的目的在于提供一种原生煤层气体测试装置及方法，具有检测方法简单、检测过程煤样暴露时间短、密封性检测简便、仪器寿命较长、可定性定量的分析气体成分及浓度、气体浓度检测精度高、解吸条件可控、数据结果实时传输监测的特点。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种原生煤层气体测试装置，包括氮气发生装置和钻孔设备；

4、所述氮气发生装置用于将空气中的氮气分离，增压至所需压力后，通过管路将氮气导入钻孔设备中。

5、所述钻孔设备用于在指定原生煤层处钻孔至一定深度，为后续密闭取样做准备；

6、所述氮气发生装置与密闭取芯装置通过管路连接，与氮气喷管连接制造氮气气氛，并通过管路与推动装置连接，作为其空气源；煤样罐装入煤样后，将煤样罐底座的耦合器i与多功能控温/监测装置底座的耦合器ii连接；单片机控制器位于多功能控温/监测装置的开关门内，通过线路与装置各单元连接；多参数气体传感器固定于多功能控温/监测装置的箱体外侧，通过管路、线路及三通球阀，与装置内的煤样罐连接；多参数气体传感器通过无线通信模块将气体传感器采集到的气体数据信息实时传输给配套的防爆手机。

7、所述氮气发生装置包括依次连接的空气压缩机、制氮设备和增压机；

8、所述钻孔设备包括钻孔钻头、钻杆、钻杆外筒、推动装置、连接头i、氮气喷管；

9、推动装置、钻杆、钻杆外筒和连接头i依次连接；

10、所述钻杆、钻杆外筒外侧设置氮气喷管，氮气喷管通过气体质量流量控制器与增压机相连。

11、所述钻孔设备钻孔完成后退出钻孔钻头，卸下钻孔钻头并换上密闭取芯装置。

12、所述钻孔设备与密闭取芯装置通过连接头i与连接头ii连接，钻孔钻头与密闭取芯装置共用连接头i。

13、所述多功能控温/监测装置包括：内框架、外框架、隔热棉、控制电路、单片机控制器、半导体制冷片、金属导热片、热电偶探头、控制/显示一体面板、卡扣、耦合器ii、多参数气体传感器；

14、所述多功能控温/监测装置的内框架和外框架均为箱体结构，中间设有隔热棉，所述多功能控温/监测装置设有开关门，用于装入/取出煤样罐，所述开关门上设有控制/显示一体面板，所述开关门内部设有单片机控制器，所述煤样罐伺服电机、多参数气体传感器的启停以及多功能控温/监测装置的温度，由控制电和单片机控制器控制，所述多功能控温/监测装置的控温装置由半导体制冷片、金属导热片以及风扇生成温度，通过控制/显示一体面板、控制电路和单片机控制器精准调控温度。

15、所述多功能控温/监测装置用于解吸煤样，通过控制煤样的粒度、温度，将解吸出的气体进行定性定量分析，并把相关气体数据实时传输至配套的防爆手机。

16、所述多参数气体传感器由进气口、出气口、气体传感器、无线通信模块组成，气体由进气口流入气体传感器，从出气口流出装置，通过无线通信模块将气体传感器采集到的甲烷、一氧化碳、硫化氢、二氧化碳、氧气气体数据信息实时传输给配套的防爆手机，防爆手机接收到数据后通过app自动记录数据，并将数据信息通过井下环网传输至云端服务器，地面监测计算机通过云端服务器获取数据信息。

17、所述多参数气体传感器用于将煤样解吸出的气体进行定性定量分析，并把相关气体数据实时传输至配套的防爆手机。

18、所述多功能控温/监测装置通过卡扣以及耦合器ii连接并操控解吸/破碎一体煤样罐，所述煤样罐包括：煤样罐底座，耦合器ii、安装在所述煤样罐底座上的罐体圆筒以及罐体圆筒顶部的密封盖，所述煤样罐底座内固定连接有伺服电机。

19、所述伺服电机的输出端固定有螺纹杆，所述螺纹杆的顶部有限位块，所述螺纹杆的外侧壁通过螺纹连接有刀片盘，所述刀片盘的外侧壁与所述煤样罐罐体圆筒的内侧壁相贴合，所述刀片盘的外侧壁与所述煤样罐罐体圆筒的内侧壁滑动连接，所述刀片盘的底部设有可更换筛网。

20、所述煤样罐密封盖设置有小型电子压力传感器；小型电子压力传感器用于检测、显示煤样罐内部的压力大小。

21、所述煤样罐通过卡扣、耦合器固定连接在多功能控温/监测装置中，通过多功能控温/监测装置的控制/显示一体面板，操控煤样罐碎煤功能的启停、设置箱体温度以及显示煤样罐的内部压力。

22、所述耦合器包括位于煤样罐底部的耦合器i以及设于多功能控温/监测装置底座上的耦合器ii，耦合器i与耦合器ii相互耦合实现电连接，两者均为同心导电环设计，相互之间交错插入连接，通过电源电极环与相应簧片通电，通过信号极环与相应簧片传导信号，将小型电子压力传感器的数据传输至控制/显示一体面板，并经由控制/显示一体面板和控制电路完成煤样罐碎煤功能的启停功能。

23、所述密闭取芯装置包括：连接头ii、取芯外筒、取芯内筒、旋转内筒、密闭阀门、取芯钻头、密闭体，取芯后将密闭体内的煤样迅速转移至煤样罐中盖上密封盖；

24、所述取芯内筒外侧为取芯外筒，内侧为取芯内筒，所述取芯内筒内部为密闭体，密闭体端部为密闭阀门；所述取芯内筒端部为取芯钻头。

25、所述煤样罐装入煤样后连接氮气发生装置，所述氮气发生装置包括：空气压缩机、制氮设备、增压机，三者通过管路连接，通过空气压缩机把空气压缩送入制氮设备，将空气中的氮气提取制备出来，并经由增压机将氮气增压，通过管路连接将一定压力的氮气输入气体质量流量控制器。

26、所述气体质量流量控制器通过预设置参数控制氮气的流量,经由管路将定量氮气输送入钻孔设，作为钻孔设备推动装置的空气源，联合氮气喷管制造氮气气氛。

27、一种原生煤层气体测试装置的使用方法，具体步骤如下：

28、步骤一、在选定原生煤层放置并连接好各取样设备后，检查各个设备的状况，确认设备无误、气体质量流量控制器参数设置正常后打开氮气发生装置，将定量定压氮气通过管路引入钻孔设备钻孔，钻孔至合适位置后取下钻孔钻头，替换并连接密闭取芯装置取样，取得煤样后退出密闭取芯装置，取出密闭体尽快送往解吸装置处装入煤样罐进行解吸。

29、步骤二、将密闭体中的煤样装入煤样罐并盖上密封盖，连接各解吸设备并检查各个设备的状况，确认气体质量流量控制器打开且参数设置正常后打开阀门，向煤样罐中充入2mpa的氮气后关闭氮气发生装置和阀门，然后通过控制/显示一体面板观察电子压力传感器的读数，在30min内变化幅度小于0.2mpa则煤样罐气密性良好。

30、步骤三、通过控制/显示一体面板设置多功能控温/监测装置温度参数，使煤样在一定温度下自然解吸，解吸一定时间后，打开煤样罐阀门和三通阀门，使得气体经由管路流入多参数气体传感器，气体由进气口流入气体传感器，从出气口流出装置，通过无线通信模块将气体传感器采集到的甲烷、一氧化碳、硫化氢、二氧化碳、氧气等气体数据信息实时传输给配套的防爆手机，防爆手机接收到信号后通过app自动记录数据，并将数据信息通过网络传输至云端服务器，地面监测计算机通过云端服务器获取数据信息，每间隔10min观察一次数据信息，直到数据变化太小时，关闭阀门停止自然解吸。

31、步骤四、记录完毕，进行粉碎后自然解吸气体测定。通过控制/显示一体面板调节温度参数、控制煤样罐碎煤功能的启动/关闭，煤样粉碎至合适粒径后打开阀门，进行粉碎后自然解吸；解吸完毕后，打开阀门和三通阀门，使得气体经由管路流入多参数气体传感器进气口，每间隔10min观察一次数据信息，直到数据变化太小时，关闭阀门和三通阀门，停止解吸。

32、步骤五、观测结束后，若需运至地面进一步测试，则将煤样罐密封盖拧紧(用力适度，不可过紧，以免密封胶圈失去弹性)，打开氮气发生装置、阀门以及三通阀门，向煤样罐中充入2mpa的氮气，关闭阀门和三通阀门，观察电子压力传感器读数，若气密性良好，记录解吸周围环境的温度、大气压力、煤样重量、测试人员等，将煤样罐拆卸下来运输至实验室进行下一步测试。

33、本发明的有益效果。

34、1、在本发明中，仪器的密封性检测方法较为简单，耗时较短，对仪器有一定的保护作用。

35、2、煤样在取样及取样后的运输过程中，易发生氧化作用。本发明在钻孔取样时和取样后的运输过程中均填充了氮气，并且使用密闭取芯装置，避免了煤样被氧化，大大降低了数据的误差。

36、3、煤样罐在井下解吸测定后，需进一步粉碎后解吸，粉碎煤样时需要使用碎煤机，大大延长了煤样暴露时间，缺少准确性。而本发明中煤样罐为解吸/破碎一体式煤样罐，装煤后无需再次转移碎煤，减少了煤样暴露时间。

37、4、煤样的粒度、温度都会影响解吸规律与解吸强度。本发明中，可更换过滤筛网可以控制煤样的粒度，多功能控温/监测装置可以控制解吸、碎煤的环境温度，从而更准确的研究解吸规律。

38、5、多功能控温/监测装置可使管理人员及时了解到井下原生煤层中气体浓度含量等数据变化情况，为矿井灾害预防提供基础数据。