[发明专利]一种精确测量初始瓦斯膨胀能的试验仪器及方法

说明书

本发明公开了一种精确测量初始瓦斯膨胀能的试验仪器及方法，该仪器实现了瓦斯的瞬间释放，避免时间延迟；传感器精度高，获取的气体压力值更准确，从而精确测定初始释放瓦斯膨胀能；实现了煤体死空间体积和瓦斯吸附量的精确测量，可得到初始释放瓦斯膨胀能与瓦斯含量和游离瓦斯量的定量关系；实现了煤体瓦斯吸附量和初始瓦斯膨胀能的测定，实现了样品样一次吸附、多个参数测定的目的，提升了试验效率，节约了试验时间。

技术领域

本发明涉及矿业工程、安全工程科研技术领域，尤其涉及一种精确测量初始瓦斯膨胀能的试验仪器及方法。

背景技术

随着煤炭资源开采强度、深度的不断加大，煤与瓦斯突出事故逐渐成为影响煤矿安全形势持续好转的主要灾害事故。在采矿工程中，煤与瓦斯突出是一种非常复杂的动力现象，瓦斯是影响突出最重要的指标之一。初始瓦斯膨胀能是表征瓦斯能力大小的重要参数，其代表了煤体暴露面附近煤体质点受地应力作用破坏后大裂隙内及由小裂隙(孔隙)最先释放到大裂隙中的瓦斯在向外界环境膨胀过程中转化出来的能量。它综合反映了地应力、瓦斯压力和煤体强度对煤与瓦斯突出的作用。近年来，初始释放瓦斯膨胀能应用于煤矿现场效果较好。为此，迫切需要研制一种用于精确测量初始瓦斯膨胀能的试验装置。

目前，针对初始瓦斯膨胀能的测定仪器与方法，已开展了大量的研究工作，研制了一系列测定装置，现状如下：

(1)申请号为94242173.6的中国专利，公开了一种用于测量煤样初始瓦斯能的测定装置，该装置由机械部分和控制电路两部分构成。机械部分包括煤样罐，带球阀的渐缩喷口及三个测量范围不同的压力传感器和温度传感器等。控制部分与插接在计算机内的数据采集电路板和编程六路PIO接口板相连。外界压力突然变化时，首先由高压传感器采集气体压力，随着气体压力的降低，煤样罐与低压传感器之间的阀门开启，随即低压传感器采集气体压力，进而计算煤样内涌出的瓦斯膨胀能。但该吸附解吸装置不能测量煤样死空间体积与甲烷吸附量，而且渐缩口处设计的球阀不能满足瞬间快速打开和长期密封要求，因而不能精确测量初始瓦斯膨胀能。

(2)申请号为201510881438.X的中国专利，公开了一种构造煤解吸瓦斯能量分布曲线的测试装置及方法，装置包括煤样罐、恒温浴槽、充气罐、高压气瓶和计算机采集系统。通过计算机和传感器技术，采集高压吸附平衡状态下煤的解吸释放全过程，并在相同环境下测定与煤样罐中相同体积铁块时的气体释放过程，进而处理得到构造煤解吸瓦斯能量的分布曲线。但该装置无法做到瓦斯气体的快速释放，导致试验数据结果有相对较大的延迟，影响试验结果。

(3)《重庆大学学报》2013年7月份第36卷7期由姜永东、郑权、刘浩、宋晓发表的“煤与瓦斯突出过程的能量分析”一文中第2节中公开了瓦斯膨胀能实验装置，该装置主要由装煤样颗粒的缸体和装有活塞的缸体及气体压力和气体温度传感器组成。该装置通过在瓦斯压力下降时测量活塞伸出长度的方式计算瓦斯膨胀做功得到瓦斯膨胀能。但该装置难以避免活塞摩擦做功引起的试验误差。

综合分析上述单位的初始瓦斯膨胀能的测定仪器，还存在以下不足之处：

1)试验装置仅设计煤样罐，不设计参考罐时，煤样瓦斯吸附量及煤体死空间体积无法测量，因而不能精确测量初始释放瓦斯膨胀能与瓦斯含量和游离瓦斯量的关系。

2)瓦斯释放口不能瞬间打开，有较大的时间延迟，造成试验参数采集误差，影响实验结果。

3)传感器精度低，导致获取的气体压力值不准确。

4)难以避免由摩擦力引起的能量损失，造成瓦斯膨胀能测量结果出现偏差。

为了更精确地测量初始瓦斯膨胀能，对煤与瓦斯突出的能量来源进行量化，需要研发一种精确测量初始瓦斯膨胀能的试验仪器与测试方法，实现初始瓦斯膨胀能的精确测定，并揭示瓦斯膨胀能与瓦斯含量的关系。

发明内容