專利名稱：一種孔壁瓦斯流量測量裝置及一種孔壁瓦斯流量測定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及煤礦安全監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體的說，是涉及一種孔壁瓦斯流量測量裝置，以及基于這種測量裝置基礎(chǔ)上的一種孔壁瓦斯流量測定方法。
背景技術(shù)：
煤巷突出動態(tài)預(yù)測方法一連續(xù)流量法認(rèn)為，鉆孔鉆進(jìn)過程中鉆頭附近孔壁及煤屑的初始瓦斯流量可以反映煤巷掘進(jìn)工作面的突出危險性。但在現(xiàn)場測定中，僅能從孔口收集到由鉆孔中涌出的瓦斯總量，若要得到鉆頭附近的初始瓦斯流量，必須將鉆頭之外孔壁及煤屑涌出的后續(xù)瓦斯流量從瓦斯總量中扣除。為此，本發(fā)明旨在設(shè)計一種基于傳感器及計算機(jī)數(shù)據(jù)采集技術(shù)，運(yùn)用煤層模擬裝置的孔壁瓦斯流量測量裝置，以及基于這種裝置基礎(chǔ)上的測定方法，開展孔壁瓦斯動態(tài)涌出規(guī)律的實驗研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，適應(yīng)現(xiàn)實需要，提供一種孔壁瓦斯流量測量裝置，以及基于這種測量裝置基礎(chǔ)上的一種孔壁瓦斯流量測定方法。為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
一種孔壁瓦斯流量測量裝置，包括一個煤層模擬裝置，鉆桿對煤層模擬裝置中的模擬煤層施工鉆孔；還包括一個氣罐和一個煤樣罐，所述氣罐、煤層模擬裝置、煤樣罐依次連通，所述煤樣罐的頂部設(shè)有帶閥門的噴口，所述煤樣罐與流量采集系統(tǒng)連接。所述流量米集系統(tǒng)包括王米集系統(tǒng)和副米集系統(tǒng)，所述王米集系統(tǒng)包括中壓傳感器、低壓傳感器、溫度傳感器、高壓傳感器所在的四條測定通道，所述各傳感器一端采集所述煤樣罐內(nèi)的數(shù)據(jù)，另一端與數(shù)據(jù)采集帶連接通，所述數(shù)據(jù)采集帶與槽式耦合觸發(fā)器連接并通過槽式耦合觸發(fā)器控制計算機(jī)啟動數(shù)據(jù)采集程序；
所述副采集系統(tǒng)包括玻璃轉(zhuǎn)子流量計和造泡流量計；
所述主采集系統(tǒng)與副采集系統(tǒng)通過切換閥進(jìn)行切換。所述煤樣罐的頂部設(shè)有出氣口，所述出氣口外的管路上設(shè)有第一截止閥和第一電磁閥，從第一電磁閥處分出兩條測定通道，分別為中壓傳感器通道和低壓傳感器通道，所述中壓傳感器通道上設(shè)有中壓傳感器，所述第一電磁閥和中壓傳感器之間設(shè)有第二截止閥，所述低壓傳感器通道上設(shè)有低壓傳感器，所述第一電磁閥與低壓傳感器之間設(shè)有第二電磁閥，所述中壓傳感器、低壓傳感器均與數(shù)據(jù)采集帶連接；所述煤樣罐的頂端還設(shè)有溫度傳感器，所述溫度傳感器一端與煤樣罐內(nèi)部連通，另一端與數(shù)據(jù)采集帶連接；所述煤樣罐的頂端還設(shè)有高壓傳感器，所述高壓傳感器一端與煤樣罐內(nèi)部連通，另一端與數(shù)據(jù)采集帶連接；中壓傳感器、低壓傳感器、溫度傳感器、高壓傳感器所在的通道組成的四條測定通道構(gòu)成主采集系統(tǒng)，所述數(shù)據(jù)采集帶與槽式耦合觸發(fā)器連接并通過槽式耦合觸發(fā)器控制計算機(jī)啟動數(shù)據(jù)米集程序。所述煤層模擬裝置包括無蓋缸體，所述缸體上方設(shè)有壓力機(jī)，所述壓力機(jī)下部為壓柱和壓板，所述壓板外部輪廓與所述缸體的內(nèi)壁輪廓相匹配，所述缸體側(cè)壁設(shè)有充氣口 ；所述缸體側(cè)壁設(shè)有側(cè)面出口，且側(cè)面出口的外端向內(nèi)凹陷形成凹槽，所述凹槽的內(nèi)壁輪廓與所述堵頭的外部輪廓相匹配，所述堵頭的中心設(shè)有通孔，所述通孔供頂桿插入，所述堵頭外端還設(shè)有橫梁，所述橫梁中心帶有通孔，所述橫梁覆蓋于堵頭外端并與側(cè)面出口緊固連接，頂桿依次穿過橫梁、堵頭的通孔后插入缸體內(nèi)部，所述堵頭的表面還設(shè)有出氣孔用于與煤樣罐連通。一種孔壁瓦斯流量測定方法，包括如下步驟，
第一步，設(shè)置一個煤層模擬裝置，利用鉆桿在煤層模擬裝置中對模擬煤層施工鉆孔，鉆孔形成后，將鉆桿撤出，將煤層模擬裝置密封；關(guān)閉煤樣罐使之密封，并將煤樣罐與煤層模擬裝置連通；
第二步，依 次將氣罐、煤層模擬裝置、煤樣罐連通，關(guān)閉煤樣罐噴口，連接主采集系統(tǒng)和副米集系統(tǒng)；
第三步，用壓力機(jī)施加預(yù)定圍壓，利用真空泵抽取模擬煤層、堵頭內(nèi)部空腔留存煤屑及煤樣罐內(nèi)死空間中的各種氣體，抽真空后，通過氣罐向模擬煤層中充入氣體，使煤樣吸附平衡；
第四步，采用主采集系統(tǒng)來采集測定瓦斯流量，所述主采集系統(tǒng)包括中壓傳感器、低壓傳感器、溫度傳感器、高壓傳感器所在的四條測定通道，所述各傳感器一端采集所述煤樣罐內(nèi)的數(shù)據(jù)，另一端與數(shù)據(jù)采集帶連接通，所述數(shù)據(jù)采集帶與槽式耦合觸發(fā)器連接并通過槽式耦合觸發(fā)器控制計算機(jī)啟動數(shù)據(jù)采集程序；
第五步，當(dāng)電壓值< 1.03 V時，低壓傳感器采集到的瓦斯壓力為零，此時提示主采集系統(tǒng)采集結(jié)束，迅速將瓦斯流量切換至玻璃轉(zhuǎn)子流量計采集；
第六步，瓦斯流量降至玻璃轉(zhuǎn)子流量計采集范圍之外時，將氣路切換至造泡流量計，繼續(xù)計時，并連續(xù)讀取氣泡位置高度，當(dāng)造泡流量計中氣泡運(yùn)移速度非常緩慢時，測試工作結(jié)束；
第七步，將第四步中采集到的煤樣罐中高壓段、中壓段、低壓段的采集曲線，第五步中玻璃轉(zhuǎn)子流量計采集到的流量曲線，第六步中造泡流量計采集到的流量曲線進(jìn)行擬合，得至_總瓦斯流量曲線知；
根據(jù)計算得出的各時刻“死空間”瓦斯流量數(shù)據(jù)，采用有理函數(shù)進(jìn)行曲線擬合計算得到“死空間”瓦斯流量曲線仏^
根據(jù)計算得出的各時刻堵頭內(nèi)部煤屑瓦斯流量數(shù)據(jù)，采用有理函數(shù)進(jìn)行曲線擬合計算為堵頭內(nèi)部煤屑瓦斯流量曲線；
用Qv=Qvl-Qv2-Qv3計算出各時刻孔壁瓦斯流量。所述煤樣罐的頂部設(shè)有出氣口，所述出氣口外的管路上設(shè)有第一截止閥和第一電磁閥，從第一電磁閥處分出兩條測定通道，分別為中壓傳感器通道和低壓傳感器通道，所述中壓傳感器通道上設(shè)有中壓傳感器，所述第一電磁閥和中壓傳感器之間設(shè)有第二截止閥，所述低壓傳感器通道上設(shè)有低壓傳感器，所述第一電磁閥與低壓傳感器之間設(shè)有第二電磁閥，所述中壓傳感器、低壓傳感器均與數(shù)據(jù)采集帶連接；所述煤樣罐的頂端還設(shè)有溫度傳感器，所述溫度傳感器一端與煤樣罐內(nèi)部連通，另一端與數(shù)據(jù)采集帶連接；所述煤樣罐的頂端還設(shè)有高壓傳感器，所述高壓傳感器一端與煤樣罐內(nèi)部連通，另一端與數(shù)據(jù)采集帶連接；中壓傳感器、低壓傳感器、溫度傳感器、高壓傳感器所在的通道組成的四條測定通道構(gòu)成主采集系統(tǒng)，所述數(shù)據(jù)采集帶與槽式耦合觸發(fā)器連接并通過槽式耦合觸發(fā)器控制計算機(jī)啟動數(shù)據(jù)米集程序。所述第三步中，將煤屑抽真空后，充入CO2氣體來代替瓦斯氣進(jìn)行試驗，并在另外一次試驗時充入瓦斯氣作為對比試驗。本發(fā)明的有益效果在于:
對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出了孔壁瓦斯動態(tài)涌出規(guī)律曲線，對于煤層瓦斯的綜合治理具有非常重要的意義。煤巷突出動態(tài)預(yù)測方法一連續(xù)流量法認(rèn)為，突出與煤體被地應(yīng)力破壞之后的初始時刻瓦斯涌出量的多少密切相關(guān)，鉆孔鉆進(jìn)過程中鉆頭附近孔壁及煤屑的初始瓦斯流量可以反映煤巷掘進(jìn)工作面的突出危險性。但是，由于測定方法及認(rèn)識上的限制，現(xiàn)行煤巷突出預(yù)測的鉆孔瓦斯涌出初速度指標(biāo)(q)往往將出現(xiàn)在前10 s的最能反映煤體突出危險性的初始時刻數(shù)據(jù)漏失，從而導(dǎo)致低指標(biāo)突出事故頻繁發(fā)生。本發(fā)明克服了以往基于打鉆的靜態(tài)預(yù)測方法的弊端，實現(xiàn)了動態(tài)預(yù)測，獲取了孔壁瓦斯動態(tài)涌出規(guī)律曲線，將它與以往研究獲取的煤屑瓦斯動態(tài)涌出規(guī)律曲線，從鉆孔中涌出的瓦斯總量中扣除，即可得出鉆孔鉆進(jìn)過程中鉆頭附近孔壁及煤屑的初始瓦斯流量。研究結(jié)果對于提高煤巷掘進(jìn)工作面突出危險性預(yù)測的準(zhǔn)確率，從而有效避免低指標(biāo)突出事故具有借鑒和指導(dǎo)意義。


圖1為煤層模擬裝置的外部結(jié)構(gòu)示意 圖2為圖1的A-A剖視 圖3為本發(fā)明孔壁瓦斯流量測量裝置的總體結(jié)構(gòu)示意 圖4為圖3中煤樣罐部分的局部放大示意 圖5為高壓傳感器采集到的高壓段曲線；
圖6為中壓傳感器采集到的中壓段曲線；
圖7為低壓傳感器采集到的低壓段曲線；
圖8為玻璃轉(zhuǎn)子流量計以及造泡流量計采集到的流量曲線；
圖9為圖5——8中各曲線擬合疊加得到的總瓦斯流量曲線；
圖10為“死空間”瓦斯流量曲線；
圖11為堵頭內(nèi)部煤屑瓦斯流量曲線；
圖12為瓦斯孔壁流出曲線的形態(tài) 圖13為煤樣吸附不同氣體時的模擬孔壁瓦斯流量曲線。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明:
實施例:參見圖1——圖13。一種孔壁瓦斯流量測量裝置，包括一個煤層模擬裝置I，圖1、圖2示出了煤層模擬裝置的結(jié)構(gòu)，利用鉆機(jī)、鉆桿在煤層模擬裝置I中的模擬煤層8中施工鉆孔；還包括一個氣罐II和一個煤樣罐III，所述煤層模擬裝置I設(shè)有充氣口 9和出氣口 11，所述煤樣罐III設(shè)有進(jìn)氣口 28，所述氣罐II通過充氣口 9向煤層模擬裝置I充氣，采用高壓膠管31將煤層模擬裝置I的出氣口 11和煤樣罐的進(jìn)氣口 28連通，所述煤樣罐III的頂部設(shè)有帶閥門的噴口 14，所述煤樣罐III與流量采集系統(tǒng)連接。所述流量采集系統(tǒng)包括主采集系統(tǒng)和副采集系統(tǒng)，所述主采集系統(tǒng)包括中壓傳感器18、低壓傳感器20、溫度傳感器23、高壓傳感器24所在的四條測定通道，所述各傳感器一端采集所述煤樣罐內(nèi)的數(shù)據(jù)，另一端與數(shù)據(jù)采集帶19連接，所述數(shù)據(jù)采集帶19與槽式耦合觸發(fā)器22連接并通過槽式耦合觸發(fā)器22控制計算機(jī)啟動數(shù)據(jù)采集程序。所述煤樣罐III的頂部設(shè)有出氣口 25，所述出氣口 25外的管路上設(shè)有第一截止閥16和第一電磁閥17，從第一電磁閥17處分出兩條測定通道，分別為中壓傳感器通道和低壓傳感器通道，所述中壓傳感器通道上設(shè)有中壓傳感器18，所述第一電磁閥17和中壓傳感器
18之間設(shè)有第二截止閥26，所述低壓傳感器通道上設(shè)有低壓傳感器20，所述第一電磁閥17與低壓傳感器20之間設(shè)有第二電磁閥21，所述中壓傳感器18、低壓傳感器20均與數(shù)據(jù)采集帶19連接；所述煤樣罐III的頂端還設(shè)有溫度傳感器23，所述溫度傳感器23 —端與煤樣罐13內(nèi)部連通，另一端與數(shù)據(jù)采集帶19連接；所述煤樣罐III的頂端還設(shè)有高壓傳感器24，所述高壓傳感器24 —端與煤樣罐III內(nèi)部連通，另一端與數(shù)據(jù)采集帶19連接；中壓傳感器18、低壓傳感器20、溫度傳感器23、高壓傳感器24組成的四條測定通道構(gòu)成主采集系統(tǒng)；
在孔壁瓦斯流量測試過程中，為防止瓦斯壓力過高時中壓傳感器18、低壓傳感器20遭到破壞，在其與煤樣罐之間各設(shè)置一個電磁閥，分別為第一電磁閥17、第二電磁閥21,只有當(dāng)瓦斯壓力降低至預(yù)定值(低于中、低壓傳感器最高允許壓力)后，由控制電路啟動兩個電磁閥，瓦斯氣體方可流經(jīng)中、低壓傳感器。在模擬煤層8內(nèi)孔壁煤體充氣體時，為防止高壓氣體流經(jīng)中壓傳感器18、低壓傳感器20，使其遭到破壞，特在中壓傳感器18和第一電磁閥17前面各設(shè)置第一截止閥16、第二截止閥26，充氣時截止閥關(guān)閉，待孔壁煤體吸附平衡后、開始測定前，將截止閥打開。煤樣罐III內(nèi)抽真空及充氣時，槽式耦合觸發(fā)器22的凹槽內(nèi)放置擋片(擋片可任意選擇，如硬紙片等)，阻擋紅外信號；當(dāng)打開噴口 14的閥門34測定時，拿開擋片使其離開凹槽，計算機(jī)接收到紅外信號，立即啟動數(shù)據(jù)采集程序，通過數(shù)據(jù)采集帶19，用四條測定通道傳輸中壓傳感器18、低壓傳感器20、溫度傳感器23、高壓傳感器24采集的總壓、總溫信號。所述副采集系統(tǒng)包括玻璃轉(zhuǎn)子流量計13和造泡流量計29，所述副采集系統(tǒng)通過切換閥30與煤樣罐III的噴口 14連通并進(jìn)行切換，所述玻璃轉(zhuǎn)子流量計13和造泡流量計29又帶有各自的截止閥33、32。圖3、圖4示出了包括主采集系統(tǒng)和副采集系統(tǒng)在內(nèi)的本發(fā)明孔壁瓦斯流量測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。所述煤層模擬裝置I包括無蓋缸體1，所述缸體I上方設(shè)有壓力機(jī)7，所述壓力機(jī)7下部為壓柱6和壓板10，所述壓板10外部輪廓與所述缸體I的內(nèi)壁輪廓相匹配，所述缸體I側(cè)壁設(shè)有充氣口 9 ;所述缸體側(cè)壁設(shè)有側(cè)面出口 5，且側(cè)面出口 5的外端向內(nèi)凹陷形成凹槽，所述凹槽的內(nèi)壁輪廓與所述堵頭2的外部輪廓相匹配，所述堵頭2的中心設(shè)有通孔，所述通孔供頂桿4插入，所述堵頭2外端還設(shè)有橫梁3，所述橫梁3中心帶有通孔，所述橫梁3覆蓋于堵頭2外端并與側(cè)面出口 5緊固連接，頂桿4依次穿過橫梁3、堵頭2的通孔后插入缸體內(nèi)部，所述堵頭2的表面還設(shè)有出氣孔11，用高壓膠管在出氣孔處11將模擬煤層與煤樣罐連通，圖中，8為模擬煤層。一種孔壁瓦斯流量測定方法，包括如下步驟，
第一步，設(shè)置一個煤層模擬裝置，利用鉆桿在煤層模擬裝置I中對模擬煤層8施工鉆孔，鉆孔形成后，將鉆桿撤出，用頂桿4將煤層模擬裝置密封，頂桿4與堵頭2之間采取可拆卸的靜連接，如螺紋連接，如圖4所示，模擬煤層中存在一個鉆桿退出后的鉆孔27 ;關(guān)閉煤樣罐III的閥門34使之密封，并將煤樣罐111與煤層模擬裝置連通；本實施例中，采用高壓膠管31將煤樣罐III的進(jìn)氣孔28與煤層模擬裝置I的出氣口 11連通。煤層模擬裝置中的模擬煤層8按照如下方法得到:
首先連接頂桿4與堵頭2，然后取少量的水泥倒入容器中，加水及適量水玻璃攪拌，攪拌均勻后，將水泥倒入堵頭2內(nèi)端的凹槽內(nèi)，待水泥凝固并達(dá)到一定的強(qiáng)度后，將堵頭2裝入，然后將橫梁3覆蓋在堵頭外部后用緊固件將橫梁3與側(cè)面出口 5緊固。每次稱取一定的煤樣，灑水?dāng)嚢杈鶆蚝?，從缸體I上方倒入缸體I中，按照實驗方案，用壓力機(jī)施加預(yù)定的成型壓力，并保持一定時間的恒壓，以利于排除成型煤樣內(nèi)的空氣。連續(xù)加入幾次煤樣并壓制成型后，施加預(yù)定圍壓并靜置12 h左右，使前后壓制的煤樣緊密結(jié)合。此時，模擬裝置內(nèi)的成型煤樣相當(dāng)于一個小型模擬煤層8。模擬煤層準(zhǔn)備完畢后，可將頂桿4取下，供鉆桿進(jìn)入，其中，充氣口 9用于充入瓦斯氣等氣體，進(jìn)行后續(xù)實驗。第二步，按照圖4所示結(jié)構(gòu)，依次將氣罐I1、煤層模擬裝置1、煤樣罐III連通，其中，氣罐與煤層模擬裝置通過連接管路從充氣口 9處連通，煤層模擬裝置I與煤樣罐III采用高壓膠管31連通，關(guān)閉煤樣罐III噴口 14處的球閥34，連接主采集系統(tǒng)和副采集系統(tǒng)。第三步，用壓力機(jī)7施加預(yù)定圍壓，利用真空泵抽取模擬煤層8、堵頭內(nèi)部空腔留存煤屑及煤樣罐內(nèi)“死空間”中的各種氣體，抽真空12 h后，停止抽真空，通過氣罐向模擬煤層8中充入CO2氣體48 h，使煤樣吸附平衡；實驗所用氣體為CO2，僅選一組煤樣充入CH4,進(jìn)行對比實驗。第四步，采用主采集系統(tǒng)來采集測定瓦斯流量，所述煤樣罐III的頂部設(shè)有出氣口 25,所述出氣口 25外的管路上設(shè)有第一截止閥16和第一電磁閥17,從第一電磁閥17處分出兩條測定通道，分別為中壓傳感器通道和低壓傳感器通道，所述中壓傳感器通道上設(shè)有中壓傳感器18，所述第一電磁閥17和中壓傳感器18之間設(shè)有第二截止閥26，所述低壓傳感器通道上設(shè)有低壓傳感器20，所述第一電磁閥17與低壓傳感器20之間設(shè)有第二電磁閥21，所述中壓傳感器18、低壓傳感器20均與數(shù)據(jù)采集帶19連接；所述煤樣罐13的頂端還設(shè)有溫度傳感器23，所述溫度傳感器23—端與煤樣罐13內(nèi)部連通，另一端與數(shù)據(jù)采集帶
19連接；所述煤樣罐2的頂端還設(shè)有高壓傳感器24，所述高壓傳感器24 —端與煤樣罐13內(nèi)部連通，另一端與數(shù)據(jù)采集帶19連接；中壓傳感器18、低壓傳感器20、溫度傳感器23、高壓傳感器24所在的通道組成的四條測定通道構(gòu)成主采集系統(tǒng)，所述數(shù)據(jù)采集帶19與槽式耦合觸發(fā)器22連接并通過槽式耦合觸發(fā)器22控制計算機(jī)啟動數(shù)據(jù)采集程序。第五步，當(dāng)電壓值< 1.03 V時，對應(yīng)的瓦斯壓力為0，低壓傳感器采集到的瓦斯壓力為零，此時提示主采集系統(tǒng)采集結(jié)束，迅速打開切換閥30，同時打開玻璃轉(zhuǎn)子流量計13的截止閥33，并同時關(guān)閉主采集系統(tǒng)的各測定通道，使用秒表計時，瓦斯流量切換至玻璃轉(zhuǎn)子流量計13進(jìn)行采集。第六步，瓦斯流量降至玻璃轉(zhuǎn)子流量計13采集范圍之外時，關(guān)閉截止閥33，打開截止閥32，將氣路切換至造泡流量計，繼續(xù)計時，并連續(xù)讀取氣泡位置高度。當(dāng)造泡流量計中氣泡運(yùn)移速度非常緩慢時，測試工作結(jié)束。玻璃轉(zhuǎn)子流量計原理:玻璃轉(zhuǎn)子流量計的主要測量元件為一根垂直安裝的下小上大錐形玻璃管和在內(nèi)可上下移動的浮子。當(dāng)流體自下而上經(jīng)錐形玻璃管時，在浮子上下之間產(chǎn)生壓差，浮子在此差壓作用下上升。當(dāng)此上升的力、浮子所受的浮力及粘性升力與浮子的重力相等時，浮子處于平衡位置。因此，流經(jīng)玻璃轉(zhuǎn)子流量計的流體流量與浮子上升高度，即與玻璃轉(zhuǎn)子流量計的流通面積之間存在著一定的比例關(guān)系，浮子的位置高度可作為流量量度。當(dāng)瓦斯氣體無法頂起浮子時，即認(rèn)為瓦斯流量降至玻璃轉(zhuǎn)子流量計采集范圍之外。當(dāng)造泡流量計中氣泡運(yùn)移速度非常緩慢時:當(dāng)孔壁流出的瓦斯量非常小時，I分鐘的時間，氣泡在流量計內(nèi)僅能移動I個刻度一lcm，此時不再采集，測試工作結(jié)束。第七步，將第四步中采集到的煤樣罐中高壓段、中壓段、低壓段的采集曲線，第五步中玻璃轉(zhuǎn)子流量計采集到的流量曲線，第六步中造泡流量計采集到的流量曲線進(jìn)行擬合，得到的總瓦斯流量曲線I;
根據(jù)計算得出的各時刻“死空間”瓦斯流量數(shù)據(jù)，采用有理函數(shù)進(jìn)行曲線擬合計算得到“死空間”瓦斯流量曲線
根據(jù)計算得出的各時刻堵頭內(nèi)部煤屑瓦斯流量數(shù)據(jù)，采用有理函數(shù)進(jìn)行曲線擬合計算為堵頭內(nèi)部煤屑瓦斯流量曲線仏,; 用Qv=Qvl-Qv2-Qv3計算出各時刻孔壁瓦斯流量。本發(fā)明的噴口 14采用帶閥門的漸縮形噴口，當(dāng)慫>&時，煤樣罐內(nèi)的瓦斯流動為超聲速流動，噴口處瓦斯流量按下式M計算:
式中，
Qm為噴口處瓦斯氣流的質(zhì)量流量，kg/s ；
左為瓦斯的絕熱指數(shù)，W為氣體常數(shù)，J/kg.K ；
P0為任一時刻煤樣罐內(nèi)瓦斯的總壓(絕對壓力)，Pa ；
A為噴口橫截面積，m2 ；
T0為任一時刻煤樣罐內(nèi)瓦斯的總溫，K ；
^為臨界壓力，Pa，按下式計算:
fHMm ⑵
式中，弋為大氣壓力，Pa。當(dāng)慫< &時，煤樣罐內(nèi)的瓦斯流動為亞聲速流動，噴口處瓦斯流量按下式[13]計算:
權(quán)利要求
1.一種孔壁瓦斯流量測量裝置，其特征在于:包括一個煤層模擬裝置(I)，鉆桿對煤層模擬裝置(I)中的模擬煤層(8)施工鉆孔；還包括一個氣罐(II)和一個煤樣罐(III)，所述氣罐(II)、煤層模擬裝置(I)、煤樣罐(III)依次連通，所述煤樣罐(III)的頂部設(shè)有帶閥門的噴口( 14)，所述煤樣罐(III)與流量采集系統(tǒng)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的孔壁瓦斯流量測量裝置，其特征在于:所述流量采集系統(tǒng)包括主采集系統(tǒng)和副采集系統(tǒng)，所述主采集系統(tǒng)包括中壓傳感器(18)、低壓傳感器(20)、溫度傳感器(23)、高壓傳感器(24)所在的四條測定通道，所述各傳感器一端采集所述煤樣罐內(nèi)的數(shù)據(jù)，另一端與數(shù)據(jù)采集帶(19)連接通，所述數(shù)據(jù)采集帶(19)與槽式耦合觸發(fā)器(22)連接并通過槽式耦合觸發(fā)器(22)控制計算機(jī)啟動數(shù)據(jù)采集程序； 所述副采集系統(tǒng)包括玻璃轉(zhuǎn)子流量計(13)和造泡流量計(29)； 所述主采集系統(tǒng)與副采集系統(tǒng)通過切換閥(30)進(jìn)行切換。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的孔壁瓦斯流量測量裝置，其特征在于:所述煤樣罐(III)的頂部設(shè)有出氣口(25)，所述出氣口(25)外的管路上設(shè)有第一截止閥(16 )和第一電磁閥(17 )，從第一電磁閥(17)處分出兩條測定通道，分別為中壓傳感器通道和低壓傳感器通道，所述中壓傳感器通道上設(shè)有中壓傳感器(18)，所述第一電磁閥(17)和中壓傳感器(18)之間設(shè)有第二截止閥(26)，所述低壓傳感器通道上設(shè)有低壓傳感器(20)，所述第一電磁閥(17)與低壓傳感器(20)之間設(shè)有第二電磁閥(21)，所述中壓傳感器(18)、低壓傳感器(20)均與數(shù)據(jù)采集帶(19)連接；所述煤樣罐(III)的頂端還設(shè)有溫度傳感器(23)，所述溫度傳感器(23)—端與煤樣罐(13)內(nèi)部連通，另一端與數(shù)據(jù)采集帶(19)連接；所述煤樣罐(III)的頂端還設(shè)有高壓傳感器(24)，所述高壓傳感器(24)—端與煤樣罐(III)內(nèi)部連通，另一端與數(shù)據(jù)采集帶(19)連接；中壓傳感器(18)、低壓傳感器(20)、溫度傳感器(23)、高壓傳感器(24)所在的通道組成的四條測定通道構(gòu)成主采集系統(tǒng)，所述數(shù)據(jù)采集帶(19)與槽式耦合觸發(fā)器(22)連接并通過槽式耦合觸發(fā)器(22)控制計算機(jī)啟動數(shù)據(jù)采集程序。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的孔壁瓦斯流量測量裝置，其特征在于:所述煤層模擬裝置(I)包括無蓋缸體(I)，所述缸體(I)上方設(shè)有壓力機(jī)(7)，所述壓力機(jī)(7)下部為壓柱(6)和壓板(10)，所述壓板(10)外部輪廓與所述缸體(I)的內(nèi)壁輪廓相匹配，所述缸體(I)側(cè)壁設(shè)有充氣口( 9 );所述缸體側(cè)壁設(shè)有側(cè)面出口( 5 )，且側(cè)面出口( 5 )的外端向內(nèi)凹陷形成凹槽，所述凹槽的內(nèi)壁輪廓與所述堵頭(2)的外部輪廓相匹配，所述堵頭(2)的中心設(shè)有通孔，所述通孔供頂桿(4)插入，所述堵頭(2)外端還設(shè)有橫梁(3)，所述橫梁(3)中心帶有通孔，所述橫梁(3)覆蓋于堵頭(2)外端并與側(cè)面出口(5)緊固連接，頂桿(4)依次穿過橫梁(3)、堵頭(2 )的通孔后插入缸體內(nèi)部，所述堵頭(2 )的表面還設(shè)有出氣孔(11)用于與煤樣罐(I II)連通。
5.一種孔壁瓦斯流量測定方法，包括如下步驟， 第一步，設(shè)置一個煤層模擬裝置，利用鉆桿在煤層模擬裝置(I)中對模擬煤層(8)施工鉆孔，鉆孔形成后，將鉆桿撤出，將煤層模擬裝置密封；關(guān)閉煤樣罐(III)使之密封，并將煤樣罐(13)與煤層模擬裝置連通； 第二步，依次將氣罐(II)、煤層模擬裝置(I)、煤樣罐(III)連通，關(guān)閉煤樣罐(III)噴口(14)，連接主采集系統(tǒng)和副采集系統(tǒng)； 第三步，用壓力機(jī)(7)施加預(yù)定圍壓，利用真空泵抽取模擬煤層(8)、堵頭(2)內(nèi)部空腔留存煤屑及煤樣罐(III)內(nèi)死空間中的各種氣體，抽真空后，通過氣罐(II)向模擬煤層(8)中充入氣體，使煤樣吸附平衡； 第四步，采用主采集系統(tǒng)來采集測定瓦斯流量，所述主采集系統(tǒng)包括中壓傳感器(18)、低壓傳感器(20)、溫度傳感器(23)、高壓傳感器(24)所在的四條測定通道，所述各傳感器一端采集所述煤樣罐內(nèi)的數(shù)據(jù)，另一端與數(shù)據(jù)采集帶(19)連接通，所述數(shù)據(jù)采集帶(19)與槽式耦合觸發(fā)器(22)連接并通過槽式耦合觸發(fā)器(22)控制計算機(jī)啟動數(shù)據(jù)采集程序； 第五步，當(dāng)電壓值< 1.03 V時，低壓傳感器采集到的瓦斯壓力為零，此時提示主采集系統(tǒng)采集結(jié)束，迅速將瓦斯流量切換至玻璃轉(zhuǎn)子流量計(13)采集； 第六步，瓦斯流量降至玻璃轉(zhuǎn)子流量計(13)采集范圍之外時，將氣路切換至造泡流量計(29)，繼續(xù)計時，并連續(xù)讀取氣泡位置高度，當(dāng)造泡流量計中氣泡運(yùn)移速度非常緩慢時，測試工作結(jié)束； 第七步，將第四步中采集到的煤樣罐中高壓段、中壓段、低壓段的采集曲線，第五步中玻璃轉(zhuǎn)子流量計采集到的流量曲線，第六步中造泡流量計采集到的流量曲線進(jìn)行擬合，得至_總瓦斯流量曲線知； 根據(jù)計算得出的各時刻“死空間”瓦斯流量數(shù)據(jù)，采用有理函數(shù)進(jìn)行曲線擬合計算得到“死空間”瓦斯流量曲線仏^ 根據(jù)計算得出的各時刻堵頭內(nèi)部煤屑瓦斯流量數(shù)據(jù)，采用有理函數(shù)進(jìn)行曲線擬合計算為堵頭內(nèi)部煤屑瓦斯流量曲線； 用Qv=Qvl-Qv2-Qv3計算出各時刻孔壁瓦斯流量。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的孔壁瓦斯流量測定方法，其特征在于:所述煤樣罐(III)的頂部設(shè)有出氣口(25)，所述出氣口 (25)外的管路上設(shè)有第一截止閥(16 )和第一電磁閥(17 )，從第一電磁閥(17)處分出兩條測定通道，分別為中壓傳感器通道和低壓傳感器通道，所述中壓傳感器通道上設(shè)有中壓傳感器(18)，所述第一電磁閥(17)和中壓傳感器(18)之間設(shè)有第二截止閥(26)，所述低壓傳感器通道上設(shè)有低壓傳感器(20)，所述第一電磁閥(17)與低壓傳感器(20)之間設(shè)有第二電磁閥(21)，所述中壓傳感器(18)、低壓傳感器(20)均與數(shù)據(jù)采集帶(19)連接；所述煤樣罐(III)的頂端還設(shè)有溫度傳感器(23)，所述溫度傳感器(23)—端與煤樣罐(13)內(nèi)部連通，另一端與數(shù)據(jù)采集帶(19)連接；所述煤樣罐(III)的頂端還設(shè)有高壓傳感器(24)，所述高壓傳感器(24)—端與煤樣罐(III)內(nèi)部連通，另一端與數(shù)據(jù)采集帶(19)連接；中壓傳感器(18)、低壓傳感器(20)、溫度傳感器(23)、高壓傳感器(24)所在的通道組成的四條測定通道構(gòu)成主采集系統(tǒng)，所述數(shù)據(jù)采集帶(19)與槽式耦合觸發(fā)器(22)連接并通過槽式耦合觸發(fā)器(22)控制計算機(jī)啟動數(shù)據(jù)采集程序。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的孔壁瓦斯流量測定方法，其特征在于:所述第三步中，將煤屑抽真空后，充入CO2氣體來代替瓦斯氣進(jìn)行試驗，并在另外一次試驗時充入瓦斯氣作為對比試驗。
全文摘要
本發(fā)明涉及煤礦安全監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體的說，是涉及一種孔壁瓦斯流量測量裝置，以及基于這種測量裝置基礎(chǔ)上的一種孔壁瓦斯流量測定方法。一種孔壁瓦斯流量測量裝置，包括一個煤層模擬裝置，鉆桿對煤層模擬裝置中的模擬煤層施工鉆孔；還包括一個氣罐和一個煤樣罐，所述氣罐、煤層模擬裝置、煤樣罐依次連通，所述煤樣罐的頂部設(shè)有帶閥門的噴口，所述煤樣罐與流量采集系統(tǒng)連接。本發(fā)明的測定方法通過模擬實驗獲取的總的瓦斯流量減去堵頭及煤樣罐內(nèi)“死空間”涌出的瓦斯流量、堵頭內(nèi)部留存煤屑涌出的瓦斯流量得到孔壁瓦斯流量，對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出了孔壁瓦斯動態(tài)涌出規(guī)律曲線，對于煤層瓦斯的綜合治理具有非常重要的意義。
文檔編號G01F7/00GK103206996SQ20131013576
公開日2013年7月17日 申請日期2013年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月18日
發(fā)明者韓穎, 張飛燕, 倪小明, 孟薇, 程虹銘, 宋德尚, 朱林劍, 王博, 楊志龍, 曹文濤, 任艷普, 周玉軍 申請人:河南理工大學(xué)