一种含瓦斯煤定量注液的实验系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种含瓦斯煤定量注液的实验系统及方法，包括气瓶、真空泵、煤样罐、气泵、定量注液装置、解吸仪、气袋、数据采集系统、压力传感器和拍摄装置，煤样罐上方进气接口和排气接口分别连通充气系统和解吸系统，定量泵液装置将确定体积的蒸馏水/亲水性表面活性剂的溶液注入煤样罐中的煤体钻孔内部，并利用压力传感器和拍摄装置对煤样罐中的压力和水在煤样内部的运移变化进行实时监测，待煤样罐压力再次平衡后，使用解吸装置对注液后煤样解吸速率和解吸量进行测定与记录。通过注入亲水性表面活性剂溶液，降低了煤体表面自由能与吸附能力，提高了水在煤体内部的运移速率和对粉尘的润湿能力以及煤层瓦斯解吸效果。润湿能力以及煤层瓦斯解吸效果。润湿能力以及煤层瓦斯解吸效果。

【技术实现步骤摘要】
一种含瓦斯煤定量注液的实验系统及方法


[0001]本专利技术专利涉及一种煤层注液的实验系统及方法，具体为一种含瓦斯煤定量注液的实验系统及方法。

技术介绍

[0002]随着煤层采掘工作的进行，煤体在采动影响下产生大量的煤尘和岩尘，使得工作面呼吸性粉尘数量和浓度增加，加大了矿井通风的工作负荷和煤/硅肺病等职业病发生的风险。通过煤层注水的方式捕获煤层原生煤尘和采动引起的再生煤尘是降低井下采掘工作面粉尘浓度的重要手段。水通过渗吸作用进入煤体孔隙
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裂隙中，将煤粉捕获并润湿煤体，减小采掘过程中粉尘的产生与漂浮，进而改善工作面的作业环境；由于煤体对水的吸附能力强于瓦斯，水进入煤体孔隙
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裂隙表面时对瓦斯产生置换和驱替作用，提高瓦斯抽采效果。
[0003]但是由于煤体自身润湿性属于中等亲水性以及其表面具有较高的表面自由能，使得煤层注水过程中水对煤体的润湿速率下降，同时孔隙表面对水产生吸附作用，降低瓦斯运移的有效孔径，在煤基质孔喉处产生吸附、聚集，并形成水锁效应，阻碍了瓦斯的运移，进而影响瓦斯抽采效果；在溶液自重和渗吸的作用下，使得水在钻孔上、下煤体的运移速率和影响范围有所差异，进而对钻孔的合理布置产生一定的影响。因此，亟待需要对煤层注水过程中出现的煤体润湿速率低、润湿范围小，降尘效果不理想以及水锁效应等问题采取相应的技术措施，定量地分析水在煤体的运移情况，并为煤层注水钻孔的合理布置提供一定的理论指导和依据。

技术实现思路

[0004]针对现有方法和手段在定量分析煤层注水过程存在的煤体润湿速率低、润湿范围小、降尘效果不理想以及水锁效应等问题和局限性，本专利技术提供一种含瓦斯煤定量注液的实验系统及方法，该方法利用定量泵液装置将含有表面活性剂的溶液注入含瓦斯煤样的内部，进而降低煤体表面自由能与吸附能力，提高水在煤体内部的运移速率和对粉尘的润湿能力以及煤层瓦斯解吸效果。
[0005]为解决上述问题，本专利技术提供了如下的技术方案：
[0006]本方案提供的一种含瓦斯煤定量注液的实验系统，包括气瓶、真空泵、煤样罐、气泵、定量注液装置、解吸仪、气袋、数据采集系统、压力传感器和拍摄装置，煤样罐上方进气接口和排气接口分别连通充气系统和解吸系统，定量泵液装置将确定体积的蒸馏水/亲水性表面活性剂的溶液注入煤样罐中的煤体钻孔内部，并利用压力传感器和拍摄装置对煤样罐中的压力和水在煤样内部的运移变化进行实时监测，待煤样罐压力再次平衡后，使用解吸装置对注液后煤样解吸速率和解吸量进行测定与记录。
[0007]所述煤样罐是由煤样罐罐盖和煤样罐罐体两部分组成，罐盖上方有一个进气接口和一个排气接口，罐体内部的侧壁安装有压力传感器和拍摄装置，其下方设有注液接口、注
液管、筛网和支撑架。其中，注液管通过注液快速接头与注液喷嘴连通，并利用聚氨酯等封孔材料将煤样中部的钻孔进行封孔。
[0008]优选地，所述煤样是由粒度为40
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60目、60
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80目、100
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200目和200目以下按照1:1:1:1的比例并添加粘合剂压制而成，煤样侧面涂抹和粘贴有用于表征水的运移情况的水敏显示剂和刻度尺。拍摄装置在拍摄时开启闪光功能，并对水敏显示剂变化进行实时拍摄；拍摄装置和压力传感器可以在数据采集系统中对采集时间间隔进行设置，并将采集的数据进行自动记录和保存。
[0009]优选地，所述煤样罐内部的注液管为可伸缩材质，在放置煤样过程中注液管可穿过筛网拉伸至煤样罐罐口附近，便于与煤样中部的注液喷嘴处的注液快速接头进行连接；为了避免注水体积对实验结果产生影响，进行干燥含瓦斯煤解吸实验时，注液管拉伸至筛网以下，将同等体积的溶液注入支撑架的下方，防止对上方的煤样产生影响。
[0010]所述定量注液装置包括流量显示装置，装置开关以及盛放溶液的容量瓶组成，流量显示装置可以实时显示溶液的流量速率和累计流量，在数据采集系统可以设置气泵的泵液压力，气泵实现定压将溶液注入煤样罐内的煤体中。
[0011]优选地，所述容量瓶中的溶液依次盛放蒸馏水和含有表面活性剂的溶液。其中，表面活性剂具有亲水、低表面张力的特性，可以有效降低煤体表面自由能和吸附能力，消除水锁效应，提高水在煤体孔隙
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裂隙的运移速率和瓦斯解吸效果，增加煤体的润湿范围和捕获粉尘的能力。
[0012]所述气袋用于煤样罐中游离瓦斯量的测定，解吸仪用于吸附瓦斯的解吸速率和解吸量的测定，通过实验结果的测量与计算，定量地分析煤层注液前后对含瓦斯煤解吸特性的影响。
[0013]本专利技术技术方案还提供了一种含瓦斯煤定量注液的实验方法，包括如下三个步骤：
[0014]S1干燥含瓦斯煤解吸实验；避免注入溶液体积对实验结果的影响，将确定体积的溶液注入煤样罐底部支撑架下方，防止煤样与溶液接触，待煤样瓦斯压力再次平衡后进行解吸量与解吸速率的测定；
[0015]S2含瓦斯煤定量注蒸馏水实验；将确定体积的蒸馏水注入煤样中部的钻孔内，对煤样瓦斯压力、水在煤体表面运移情况以及瓦斯压力平衡后的解吸量与解吸速率进行实时测定；
[0016]S3含瓦斯煤定量注表面活性剂溶液解吸实验；为了增强水对煤体的润湿能力、提高瓦斯的解吸效果，将确定体积的表面活性剂溶液注入煤样中部的钻孔内，对煤样瓦斯压力、水在煤体表面运移情况以及瓦斯压力平衡后的解吸量与解吸速率进行实时测定。
[0017]进一步地，在步骤S1中的干燥含瓦斯煤解吸实验包括如下步骤：
[0018]S11将干燥的煤样装入煤样罐中，注液管伸缩至筛网与支撑架的下方；
[0019]S12拧紧煤样罐，关闭排气接口上方的排气阀和煤样罐下方的注液阀，打开进气接口上方的进气阀，检查煤样罐与左侧注气系统的气密性，并确定煤样罐中的剩余体积V
d
；
[0020]S13利用真空泵对注气系统和煤样罐进行抽真空处理24h，将系统和煤样内部的气体排出；
[0021]S14向煤样罐中充入甲烷气体，并达到预定吸附平衡压力P0，关闭进气阀并计算充
入煤样罐中的甲烷量Q0；
[0022]S15启动定量注液装置，打开煤样罐下方的注液阀，利用气泵将一定体积V0的蒸馏水注入筛网与支撑架的下方，煤样罐内压力增加，之后并再次达到吸附平衡P1；
[0023]S16首先打开气袋上方的气袋阀，关闭解吸仪左侧的解吸阀，再打开排气阀，观察数据采集系统中煤样罐中的压力值变化情况，当数值降至0时，快速关闭气袋阀，打开解吸阀，并进行解吸速率和解吸量的记录；
[0024]S17此时，干燥的含瓦斯煤解吸实验完成，清理煤样罐中溶液与煤样，并对其干燥处理；
[0025]进一步地，在步骤S2含瓦斯煤定量注蒸馏水实验包括如下步骤：
[0026]S21将注液管伸缩至煤样罐罐口附近与煤样中部的注液喷嘴处的注液快速接头进行连接，并装入煤样罐中；
[0027]S22重复步骤S12
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S14，进行煤样罐的气密本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含瓦斯煤定量注液的实验系统及方法，其特征在于：包括气瓶、真空泵、煤样罐、气泵、定量注液装置、解吸仪、气袋、数据采集系统、压力传感器和拍摄装置，煤样罐上方进气接口和排气接口分别连通充气系统和解吸系统，定量泵液装置将确定体积的蒸馏水/亲水性表面活性剂的溶液注入煤样罐中的煤体钻孔内部，并利用压力传感器和拍摄装置对煤样罐中的压力和水在煤样内部的运移变化进行实时监测，待煤样罐压力再次平衡后，使用解吸装置对注液后煤样解吸速率和解吸量进行测定与记录。2.根据权利要求1所述的含瓦斯煤定量注液的实验系统，其特征在于：所述煤样罐是由煤样罐罐盖和煤样罐罐体两部分组成，罐盖上方有一个进气接口和一个排气接口，罐体内部的侧壁安装有压力传感器和拍摄装置，其下方设有注液接口、注液管和带筛网支撑架。其中，注液管通过注液快速接头与注液喷嘴连通，并利用聚氨酯等封孔材料将煤样中部的钻孔进行封孔。3.根据权利要求2所述的含瓦斯煤定量注液的实验系统，其特征在于：所述煤样是由粒度为40
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60目、60
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80目、100
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200目和200目以下按照1:1:1:1的比例并添加粘合剂压制而成，煤样右侧涂抹了用于表征水的运移情况的水敏显示剂和刻度尺。拍摄装置在拍摄时开启闪光功能，并对水敏显示剂变化进行实时拍摄；拍摄装置和压力传感器可以在数据采集系统中对采集时间间隔进行设置，并将采集的数据进行自动记录和保存。4.根据权利要求2所述的含瓦斯煤定量注液的实验系统，其特征在于：所述煤样罐内部的注液管为可伸缩材质，在放置煤样过程中注液管可穿过筛网拉伸至煤样罐罐口附近，便于与煤样中部的注液喷嘴处的注液快速接头进行连接；为了避免注水体积对实验结果产生影响，进行干燥含瓦斯煤解吸实验时，注液管拉伸至筛网以下，将同等体积的溶液注入支撑架的下方，防止对上方的煤样产生影响。5.根据权利要求1所述的含瓦斯煤定量注液的实验系统，其特征在于：所述定量注液装置包括流量显示装置，装置开关以及盛放溶液的容量瓶组成，流量显示装置可以实时显示溶液的流量速率和累计流量，在数据采集系统可以设置气泵的泵液压力，气泵实现定压将溶液注入煤样罐内的煤体中。6.根据权利要求1
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5所述的一种含瓦斯煤定量注液的实验系统及方法，其特征在于，包括如下三个步骤：S1干燥含瓦斯煤解吸实验；避免注入溶液体积对实验结果的影响，将确定体积的溶液注入煤样罐底部支撑架下方，防止煤样与溶液接触，待煤样瓦斯压力再次平衡后进行解吸量与解吸速率的测定；S2含瓦斯煤定量注蒸馏水实验；将确定体积的蒸馏水注入煤样中部的钻孔内，对煤样瓦斯压力、水在煤体表面运移情况以及瓦斯压力平衡后的解吸量与解吸速率进行实时测定；S3含瓦斯煤定量注表面活性剂溶液解吸实验；为了增强水对煤体的润湿能力、提高瓦斯的解吸效果，将确定体积的表面活性剂溶液注入煤样中部的钻孔内，对煤样瓦斯压力、水在煤体表面运移情况以及瓦斯压力平衡后的解吸量与解吸速率进行实时测定。7.根据权利要求6所述的一种含瓦斯煤定量注液的实验系统及方法，其特征在于，在步骤S1中的干燥含瓦斯煤解吸...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐超，杨通，王凯，付强，吴世敏，李晓敏，郭海军，赵伟，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：