[發明專利]基于差壓法的煤塊中氣體擴散系數測量裝置及方法

有效

• 申請號: 201611179960.4
• 申請日: 2016-12-19
• 公開（公告）號: CN106596353B
• 公開（公告）日: 2019-02-26
• 發明（設計）人: 胡海翔;邢彥飛
• 申請（專利權）人: 中國科學院武漢巖土力學研究所
• 主分類號: G01N13/04
• 分類號: G01N13/04
• 代理公司: 武漢宇晨專利事務所 42001
• 代理人: 余曉雪;王敏鋒

1.一種基于基于差壓法的煤塊中氣體擴散系數測量裝置的待測煤塊中氣體擴散系數測量方法，所述基于差壓法的煤塊中氣體擴散系數測量裝置包括氣源輸入端、恒溫裝置、第一擴散室(4)、第二擴散室(9)、差壓計(8)以及第二閥門(6)；所述氣源輸入端分別與第一擴散室(4)以及第二擴散室(9)相貫通；所述第一擴散室(4)與第二擴散室(9)之間設置有差壓計(8)；所述第一擴散室(4)通過第二閥門(6)與第二擴散室(9)相貫通；待測煤塊(13)懸掛于第一擴散室(4)中；所述第一擴散室(4)以及第二擴散室(9)共同置于恒溫裝置中；所述第一擴散室(4)以及第二擴散室(9)在使用前是處于真空狀態；

所述基于差壓法的煤塊中氣體擴散系數測量裝置還包括第五閥門(12)以及第四閥門(11)；所述氣源輸入端通過第五閥門(12)與第一擴散室(4)相貫通；所述氣源輸入端通過第四閥門(11)與第二擴散室(9)相貫通；

所述基于差壓法的煤塊中氣體擴散系數測量裝置還包括第一閥門(5)以及第三閥門(10)；所述第一擴散室(4)依次通過第一閥門(5)、差壓計(8)、第三閥門(10)與第二擴散室(9)相貫通；

其特征在于：所述方法包括以下步驟：

1)選擇并制備待測煤塊(13)；選取完整且不含明顯裂縫的煤塊作為待測煤塊后并對待測煤塊進行脫氣以及干燥處理；所述待測煤塊(13)的厚度小于5mm，所述待測煤塊(13)是橫截面積小于500mm²的長方體；所述明顯裂縫的寬度大于1μm；

2)將步驟1)制備得到的待測煤塊(13)懸掛于第一擴散室(4)中，同時將第一擴散室(4)以及第二擴散室(9)密封；對第一擴散室(4)以及第二擴散室(9)抽真空處理，抽真空后將第一擴散室(4)以及第二擴散室(9)同時置于恒溫裝置中；

3)通過氣源輸入端同時向第一擴散室(4)以及第二擴散室(9)中注入待測氣體，依次關閉第五閥門(12)、第四閥門(11)以及第二閥門(6)；隨著時間推移第一擴散室(4)中的氣體向待測煤塊(13)中擴散并被待測煤塊(13)吸附，通過差壓計(8)測量得到第一擴散室(4)與第二擴散室(9)之間的壓力差，最終獲得第一擴散室(4)以及第二擴散室(9)之間的壓力差隨時間變化的曲線，所述曲線是吸附曲線；

4)待第一擴散室(4)以及第二擴散室(9)之間的壓力差不再隨時間變化時，開啟第二閥門(6)，重新平衡第一擴散室(4)以及第二擴散室(9)之間的壓力，關閉第二閥門(6)后，通過差壓計(8)重新測量第一擴散室(4)與第二擴散室(9)之間的壓力差，獲得第一擴散室(4)與第二擴散室(9)之間的泄漏率差；

5)通過步驟4)得到的第一擴散室(4)與第二擴散室(9)之間的泄漏率差對步驟3)得到的吸附曲線進行校正，獲得消除泄漏影響的實際吸附曲線，根據菲克非穩態擴散定律，在一定的初始和邊界條件下對擴散方程求解，將理論曲線向實驗值回歸，最終求得氣源輸入端所輸入氣體在待測煤塊(13)中的擴散系數。

2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于：所述步驟5)中擴散方程的具體表達式是：

其中：

C(x,0)是t＝0時氣源輸入端所輸入氣體的初始濃度；

x為空間坐標；

l為待測煤塊(13)的厚度；

D為氣源輸入端所輸入氣體在待測煤塊中的擴散系數；

t為時間；

C₁為第一擴散室(4)內輸入端所輸入氣體濃度；

方程(1)的解析解為：

其中：

M_t代表t時刻待測煤塊(13)對氣源輸入端所輸入氣體的吸附量；

M_∞代表待測煤塊(13)對氣源輸入端所輸入氣體的最大吸附量；

若用表示當時的值，則當待測煤塊(13)對氣源輸入端所輸入氣體的吸附量達到最大吸附量的一半時有

在誤差不超過0.001％的情況下，(3)可化簡為

根據式(4)和實驗測得的值計算出待測煤塊(13)的擴散系數。