[发明专利]研究风流驱动煤体运移条件下瓦斯解吸规律模拟实验装置

权利要求书

1.一种研究风流驱动煤体运移条件下瓦斯解吸规律的模拟实验装置,包括高压瓦斯储气钢瓶、高压氮气储气钢瓶、瓦斯减压阀、瓦斯截止阀、氮气截止阀、截止阀、压力传感器、四通控制阀、真空泵截止阀、空气压缩机截止阀、气体流量计、空气压缩机、真空度压力传感器、真空度压力表、真空泵、充气罐、第一煤样罐、多节螺旋状管路、恒温水浴箱、出气口阀、第二煤样罐、三通接头、瓦斯浓度检测仪、高精度排水量筒、数据采集装置、电脑和温度控制器，其特征在于，

所述的高压瓦斯储气钢瓶的出气口连接耐高压管路，该耐高压管路设置一个分支管路连接至高压氮气储气钢瓶的出气口；所述高压瓦斯储气钢瓶的管路上沿出气方向依次安装减压阀、瓦斯截止阀；高压氮气储气钢瓶的管路上安装氮气截止阀；

所述充气罐、第一煤样罐、第二煤样罐之间分别通过耐高压管路连接；所述充气罐和第一煤样罐的进气口分别通过四通控制阀连接有四个方向的耐高压管路连接，充气罐的其中一个方向的管路连接高压瓦斯储气钢瓶、高压氮气储气钢瓶，且充气罐和第一煤样罐、高压瓦斯储气钢瓶之间分别安装有截止阀；所述第一煤样罐与充气罐的另一方向管路上分别安装压力传感器；所述第一煤样罐的第三方向的管路上顺次安装有空气压缩机截止阀和气体流量计，并连接至空气压缩机；所述四通控制阀处的管体上还分别连接有截止阀；

所述第二煤样罐的顶部设有三个耐高压管路，其中第一管路上顺次安装有瓦斯浓检测仪、三通控制阀和三通接头，所述三通控制阀通过耐高压管路连接气体流量计和截止阀，形成瓦斯总气体量检测支路；三通接头分出两个支路，一个支路顺次安装有截止阀和气体流量计，形成常压解吸气体流量检测支路；另一个支路安装有截止阀，并连接至高精度排水量筒；第二管路上安装截止阀，并通过多节螺旋状管路连接至第一煤样罐的底部出气口，第一煤样罐出气口处设有出气口阀；第三个管路上安装有压力传感器；

所述真空泵与真空度压力传感器连接，真空度压力传感器与真空压力表连接；所述真空泵的入气口设置两个管路，一路通过三通接头与第一煤样罐的第三方向的管路连接，连接处位于空气压缩机截止阀和第一煤样罐之间，管路上安装有真空泵截止阀；另一路通过三通接头与第二煤样罐的第一管路连接，管路上安装有真空泵截止阀；

以上所述的气体流量计、压力传感器、瓦斯浓度检测仪与数据采集装置连接，数据采集装置连接至电脑；

所述充气罐与第一煤样罐的外部以及第二煤样罐的外部分别设置恒温控箱，恒温箱连接温度控制器。

2.根据权利要求1所述的一种研究风流驱动煤体运移条件下瓦斯解吸规律的模拟实验装置,其特征在于，所述的多节螺旋状管路装置，与水平面呈10°的夹角放置。

3.根据权利要求1所述的一种研究风流驱动煤体运移条件下瓦斯解吸规律的模拟实验装置,其特征在于，总共分为20节，一节为一圈，每个圈的直径为0.4m，再加上除了每圈管路长度外的多余管路长度，该螺旋状管路结构的总长度为60m；其中管路直径为42mm，与现场井下取煤样打钻的钻孔直径相对应。

4.根据权利要求1所述的一种研究风流驱动煤体运移条件下瓦斯解吸规律的模拟实验装置,其特征在于，所述多节螺旋状管路装置的管路材料选取耐高压的透明PVC皮管且管路内壁表面光滑。

5.根据权利要求1所述的一种研究风流驱动煤体运移条件下瓦斯解吸规律的模拟实验装置,其特征在于，所述的第一煤样罐下端采用漏斗型设计，在下端出气口处安装有出气口阀，并且将高压气流的管子插入罐体，深入到漏斗型罐底的出口位置。

6.利用权利要求1～5任意一项权利要求所述的装置进行研究风流驱动煤体运移条件下瓦斯解吸规律的模拟实验方法,实验前需要在采掘工作面采集新鲜的煤样，封装好后带回实验室，对煤样进行粉碎、筛分，测定其煤样的工业分析、实验所需要吸附常数a、b值备用，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1)自由空间体积的测定

在实验前对充气罐、第一煤样罐、第二煤样罐的体积及其剩余体积进行测定,启动真空泵进行对第一煤样罐和充气罐进行抽真空，当真空度在10Pa以下持续3h以上，停止抽真空；读取高精度排水量筒初始量筒液面高度，打开安装于四通控制阀处管体上的截止阀，空气进入罐中，液面上升体积即各罐的体积；对于第二煤样罐及其连接处管路的体积的测定：启动真空泵对第二煤样罐及其连接处管路进行抽真空，当真空度在10Pa以下持续3h以上，停止抽真空；读取高精度排水量筒初始量筒液面高度，打开其管路上对应的截止阀，空气进入罐中，液面上升体积即第二煤样罐及其连接处管路的体积；

步骤2)气密性测定

使高压氮气储气钢瓶、充气罐、第一煤样罐、第二煤样罐之间的管路相通，将高压瓦斯储气钢瓶、空气压缩机、高精度排水量筒的管路以及真空泵与第二煤样罐之间的管路关闭；将氮气储气钢瓶1中的氮气冲入充气罐、第一煤样罐、第二煤样罐中，当压力值达到预定压力值后，关闭氮气截止阀停止充气，等待24h后，若上述三个罐中的压力值没有变化，则气密性良好；

步骤3)脱真空，关闭氮气供气管路，瓦斯供气管路，高精度排水量筒的管路以及总气体量检测支路和常压解吸气体流量检测支路，剩余的所有阀门和控制阀都处于打开状态，之后启动真空泵，打开真空泵截止阀，对其该装置进行抽真空，使其真空度保持10Pa以下三小以上停止；

步骤4)恒温控制操作，启动恒温控制器，对第一恒温水浴箱和第二恒温水浴箱进行加热，待水浴箱温度达到设定温度后停止加热使其温度恒定；

步骤5)充气与瓦斯吸附，断开充气罐与第一煤样罐之间的管路连接，由高压瓦斯储气钢瓶向充气罐中充入瓦斯，达到预定瓦斯压力之后，关闭阀门；关闭空气压缩机的管路，由充气罐向第一煤样罐中充入瓦斯，通过反复向第一煤样罐充入瓦斯之后，关闭充气罐向第一煤样罐之间的管路，当吸附平衡瓦斯压力在预定的瓦斯压力值保持8h以上不变后即达到吸附平衡；

步骤6)风流驱动煤样运移模拟实验与常压解吸，在达到吸附平衡后，启动空气压缩机，按预先设定好的风压进行风流驱动，打开空气压缩机与第一煤样罐之间的管路，同时打开第一煤样罐底部的出气口阀，关闭常压解吸气体流量检测支路和高精度排量筒的管路，第一煤样罐中的煤样从高往低全部向多节螺旋状管路中流入，进来的压风风流则带动煤样在多节螺旋状管路中移动，最终流入第二煤样罐中，计算从煤样开始流动到全部流入第二煤样罐中所需要的时间；这个过程中瓦斯浓度检测仪器同时对流过的压风气流进行检测，记录瓦斯浓度的检测值，总气体量检测支路记录这个过程所流出的总气体量，来得出气体中所包含的的瓦斯气体量；待第一煤样罐的压力传感器与第二煤样罐的压力传感器所示压力为0时并且煤样全部进入第二煤样罐中和瓦斯浓度检测仪检测的瓦斯浓度基本为0时，关闭第一煤样罐和第二煤样罐之间的连接，以及总气体量检测支路，打开常压解吸气体流量检测支路开始煤样的常压解吸，当解吸量低于常压解吸气体流量检测支路上的气体流量计的量程时，关闭该支路，打开高精度排量筒的管路，在高精度排水量筒上进行最后的常压解吸，观察并且记录解吸量随时间的变化情况；

步骤7)数据采集与处理

在常压解吸结束后，数据采集装置对瓦斯压力值变化值、恒温温度值、各气体流量计、瓦斯浓度检测仪中的数据进行收集，最后传输到电脑中，对其数据进行整理和分析；

在做完一次实验后，重复上述步骤，进行多组不同风压同一吸附平衡压力下的解吸实验与不同吸附平衡压力同一风压下的解吸实验，对风流驱动环境下煤样瓦斯解吸规律进行研究。