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原文传递煤粒瓦斯扩散衰减特性的测定装置及方法

专利名称：	煤粒瓦斯扩散衰减特性的测定装置及方法
摘要：	一种煤粒瓦斯扩散衰减特性的测试方法及其装置，适用于煤层瓦斯含量测定使用。其包括控制变量装置、恒温实验装置及数据采集装置，将制备并称量好的煤粒平铺装入恒温实验装置的圆盘状煤样罐中，在恒温条件下抽真空并检查装置气密性后向煤样罐中充入一定量的瓦斯气体并吸附平衡，通过数据采集装置的压力传感器采集的数据得到煤样罐中瓦斯扩散进入到集气罐中的体积，减去煤样罐中死空间瓦斯体积后即可得到煤粒中瓦斯扩散量随时间的变化规律，进而可得到煤粒暴露全过程中瓦斯扩散率、扩散系数随时间的演化规律，这将为煤层瓦斯含量测定提供依据，进而提高突出预测的准确率，同时也可为煤层气资源的可持续开发等提供快速、经济的计算工具。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	江苏;32
申请人：	中国矿业大学
发明人：	陈裕佳;张行;王豪杰;刘镕肇;郭振霖;施伊琳
专利状态：	有效
申请日期：	2019-05-30T00:00:00+0800
发布日期：	2019-09-03T00:00:00+0800
申请号：	CN201910463350.4
公开号：	CN110196205A
代理机构：	南京瑞弘专利商标事务所(普通合伙)
代理人：	李悦声
分类号：	G01N7/04(2006.01);G;G01;G01N;G01N7
申请人地址：	221116 江苏省徐州市大学路1号中国矿业大学科研院
主权项：	1.一种煤粒瓦斯扩散衰减特性的测定装置，其特征在于：它包括控制变量装置、恒温实验装置及数据采集装置；所述控制变量装置包括充满瓦斯的高压气瓶(1)，参考罐(2)和真空泵(4)，其中参考罐(2)上的气口上分别设有阀门c(14)和阀门d(16)，参考罐(2)上还设有压力表b(15)，其中气口通过阀门(14)与高压气瓶(1)之间利用管路(3)连接，气口通过阀门d(16)与真空泵(4)相连接，真空泵上设有阀门e(17)；所述恒温实验装置包括恒温水浴槽(8)，恒温水浴槽(8)分为两个槽体，一个槽体内设有集气罐(9)，另一个槽体内设有煤样罐(7)，煤样罐(7)上的气口上分别设有阀门a(5)和阀门b(6)，气口通过阀门b(6)与分别与真空泵(4)和参考罐(2)的气口相连接，煤样罐(7)上气口通过阀门a(5)与集气罐(9)的进气口连接。所述的数据采集装置包括安装在集气罐(9)顶部的压力传感器(10)，压力传感器(10)通过数据采集卡(12)连接有计算机(11)。 2.根据权利要求1所述的煤粒瓦斯扩散衰减特性的测定装置，其特征在于：所述煤样罐(7)为扁平的圆盘结构，包括罐体和罐盖，罐体与罐盖之间通过螺栓(18)紧固，罐体与罐盖之间设有的密封圈(20)并通过密封圈(20)密封，煤样罐(7)的罐体内设有阶梯空间(附图所示)，空间内设有煤粒样品，煤粒样品上设有与煤样罐(7)的内圆等大的圆形金属过滤网(19)，且煤样罐(7)内径与煤样堆积厚度之比超过20:1，样品的厚度，使实验条件接近ZOL法，可将煤粒样品内部各处的压力和浓度看作相同，避免渗流的影响。 3.根据权利要求1所述的煤粒瓦斯扩散衰减特性的测定装置，其特征在于：所述参考罐(2)的气口上设有压力表b(15)，煤样罐(7)的气口上设有压力表a(13)。 4.根据权利要求1所述的煤粒瓦斯扩散衰减特性的测定装置，其特征在于：所述集气罐(9)与煤样罐(7)的体积之比约为200:1，保证煤样罐(7)中的瓦斯在最大2MPa的实验压力下，在测试过程中仍能使集气罐(9)内瓦斯浓度控制在10％以下、瓦斯压力控制在10kPa以下，可近似将样品与外界浓度差和压力差看作定值，避免浓度和压力变化对扩散过程的影响，尤其是煤样中的气体压力降至大气压之前的几秒的暴露初期；所有测定过程使用±0.2％FS高精度、3.5 KHz高频率响应的传感器(10)来测量集气罐(9)中压力变化，传感器(10)的型号为PMP 5076-TC-A1-CA-H0-PB，提高数据采集卡(12)数据采集的精度并缩短采集间隔时间，以保证所采集数据的完整性。 5.一种使用权利要求1所述煤粒瓦斯扩散衰减特性的测定装置的测定方法，其特征在于步骤为： 1)将制备好的煤粒样品均匀平铺放入煤样罐(7)中，并在煤粒样品上覆一张网眼直径不大于0.2mm的圆形金属过滤网； 2)开启恒温水浴槽(8)并将温度设置在保证煤样罐(7)与集气瓶(9)温度时刻相同且在实验过程中保持恒定，创造良好的等温扩散实验条件； 3)关闭阀门a(5)和阀门c(14)，开启阀门b(6)、阀门d(16)、阀门e(17)并启动真空泵(4)，将参考罐(2)和煤样罐(7)抽为真空，之后关闭阀门e(17)； 4)关闭阀门a(5)、阀门b(6)、阀门d(16)，打开阀门c(14)和高压气瓶(1)的开关，利用高压气瓶(1)给参考罐(2)中充入3MPa瓦斯气体，关闭阀门c(14)和高压气瓶(1)的开关，记录与参考罐(2)相通的压力表b(15)数值为p1，利用气体状态方程：X1＝V1p1T0/T1p0ξ计算得到参考罐(2)中的瓦斯量X1：式中X1为参考罐(2)中的瓦斯量，V1为参考罐(2)体积，T0为标准状态下的绝对温度，p0为标准状态下的绝对压力，T1为参考罐(2)内瓦斯的绝对温度，ξ1为瓦斯压缩系数； 5)关闭阀门c(14)，打开阀门d(16)，将参考罐(2)内的瓦斯气体充入煤样罐(7)中，并利用阀门a(5)控制充气压力煤样罐(7)中的预定压力，当煤样罐(7)达到预定压力后关闭阀门a(5)和阀门d(16)，记录此时参考罐(2)稳定后的压力p2，利用公式：X2＝V1p2T0/T2p0ξ2即可计算得到参考罐(2)中的瓦斯量X2，式中V1为参考罐2体积，T0为标准状态下的绝对温度，p0为标准状态下的绝对压力，T2为参考罐2内瓦斯的绝对温度，ξ2为瓦斯压缩系数，最终得到：从参考罐(2)充入煤样罐(7)中的瓦斯量X3＝X1-X2。 6)待煤样罐(7)中的煤样吸附时间达到8h，且煤样罐中的瓦斯压力不再变化则判断吸附瓦斯已达到平衡后，此时罐中煤样孔隙内充满瓦斯，记录压力表a(13)数值为p4，利用公式：V3＝m/ρ计算煤粒体积，式中：m为煤粒质量，ρ为煤粒视密度；运用气体状态方程可以得到煤样罐死空间内游离瓦斯含量X4＝(V4-V3)p4T0/T3p0ξ，式中V4为煤样罐体积，T0为标准状态下的绝对温度p0为标准状态下的绝对压力，T3为煤样罐(7)内瓦斯的绝对温度，ξ3为瓦斯压缩系数，故可以得到煤粒中吸附的瓦斯量X5＝X3-X4。 7)关闭阀门b(6)、阀门c(14)、阀门d(16)，快速打开阀门a(5)，使煤样罐(7)中的煤样颗粒中瓦斯扩散到集气罐(9)中，煤样罐(7)中的金属过滤网有效防止细小煤粒飞扬堵塞煤样罐(7)的管路(3)并保证气流稳定，由于使用体积远大于煤样罐(7)的集气罐(9)收集气体，并使用传感器(10)测量集气罐(9)中压力变化，提高数据采集卡(12)数据采集的精度并缩短采集间隔时间； 8)等到集气罐(9)上压力传感器(10)收集到的数据变化趋于稳定后即可停止测定工作； 9)更换不同变质程度的煤粒样品，重复步骤(2)到步骤(8)，可得到不同变质程度煤粒的扩散相关数据； 10)根据压力传感器(10)、数据采集卡(12)及计算机(11)组成的数据采集装置所采集的数据，可以得到不同变质程度煤粒样品瓦斯扩散量及扩散系数随时间演变规律。
所属类别：	发明专利