[發明專利]檢測煤自燃產熱產氣特性對瓦斯濃度場影響的裝置及方法

在審

• 申請號: 202010623063.8
• 申請日: 2020-06-30
• 公開（公告）號: CN111650242A
• 公開（公告）日: 2020-09-11
• 發明（設計）人: 施式亮;凌紫城;魯義;吳寬;李賀;曾明圣
• 申請（專利權）人: 湖南科技大學
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20;G01N30/02
• 代理公司: 洛陽啟越專利代理事務所(普通合伙) 41154
• 代理人: 吳楠

1.一種檢測煤自燃產熱產氣特性對瓦斯濃度場影響的裝置，其特征在于，包括模擬試驗箱、通風系統、加熱裝置、氣體注入系統、溫度及氣體采集系統和分析主機；

所述模擬試驗箱包括保溫箱體、采煤工作面模型、采空區模型、進風巷模型和回風巷模型，采煤工作面模型、采空區模型、進風巷模型和回風巷模型均處于保溫箱體內，其中采煤工作面模型放置在保溫箱體底板一側，采空區模型放置在采煤工作面模型與保溫箱體底板另一側之間，進風巷模型和回風巷模型分別設置在采煤工作面模型兩端、且進風巷模型和回風巷模型相互平行；

所述通風系統包括變速器和風機，變速器和風機均處于保溫箱體外部，風機通過管路與變速器的進風口連通，變速器的出風口通過管路與進風巷模型內部連通；

所述加熱裝置包括溫度控制儀和電加熱棒，電加熱棒處于采空區模型底部，電加熱棒上方設有篩網放置架，電加熱棒與溫度控制儀電連接，溫度控制儀與分析主機電連接，用于對保溫箱體內加熱；

所述氣體注入系統包括第一注氣管、第二注氣管、第三注氣管、三通接頭、一氧化碳氣瓶和甲烷氣瓶，在電加熱棒旁邊的保溫箱體底板開設注氣孔，注氣孔通過第一注氣管與三通接頭其中一個端口連接，三通接頭另外兩個端口分別通過第二注氣管和第三注氣管與一氧化碳氣瓶和甲烷氣瓶連接；所述第一注氣管上裝有第一壓力表、轉子流量計和氣體流量調節閥；第二注氣管上裝有第一針閥和第二壓力表；第三注氣管上裝有第二針閥和第三壓力表；

所述溫度及氣體采集系統包括監測裝置和氣相色譜儀，監測裝置由多層監測網組成，多層監測網設置在采空區模型內且相互平行；每層監測網均由多個氣體采集管等間距并排設置組成，每個氣體采集管上均開設多個等間距分布的氣體采樣孔，每個氣體采樣孔處均裝有瓦斯傳感器和溫度傳感器，各個瓦斯傳感器和各個溫度傳感器通過數據線均與分析主機電連接，各個氣體采集管均與氣相色譜儀連接，氣相色譜儀與分析主機電連接。

2.根據權利要求1所述的一種檢測煤自燃產熱產氣特性對瓦斯濃度場影響的裝置，其特征在于，所述電加熱棒為兩個，注氣孔處于兩個電加熱棒之間。

3.根據權利要求1所述的一種檢測煤自燃產熱產氣特性對瓦斯濃度場影響的裝置，其特征在于，所述注氣孔為旋轉式氣孔結構。

4.根據權利要求1所述的一種檢測煤自燃產熱產氣特性對瓦斯濃度場影響的裝置，其特征在于，所述風機為無級變速風機。

5.一種根據權利要求1所述的檢測煤自燃產熱產氣特性對瓦斯濃度場影響的裝置的工作方法，其特征在于，具體步驟為：

A、進行實驗之前，先對各個溫度傳感器、各個瓦斯傳感器和氣相色譜儀進行校正，校正完畢后，將煤塊破碎并篩分，取一定質量破碎后的煤塊作為煤樣，將煤樣放置在篩網放置架上，然后對整個裝置進行氣密性檢查；

B、開啟風機并通過變速器調節風機工況至預定實驗風速值，此時以該風速值向進風巷模型內注入氣流；打開第二針閥和氣體流量調節閥，甲烷氣瓶經過第三注氣管和第一注氣管向采空區模型內注入一定流量的甲烷，通過第三壓力表實時觀察甲烷氣瓶內的壓力值，轉子流量計實時監測注入采空區模型的甲烷流量，待轉子流量計顯示通過的甲烷流量達到預定值時，關閉氣體流量調節閥和第二針閥，停止充入甲烷；

C、模擬煤自燃產熱產氣實驗：先設定從25℃開始升溫，最終溫度設定為225℃；然后分析主機通過溫度控制儀，使電加熱棒開始升溫，且控制升溫速率為1℃/min，升溫過程中，每個氣體采樣孔處的溫度傳感器和瓦斯傳感器實時監測采空區模型內溫度和瓦斯濃度的變化，將各個溫度傳感器實時監測的溫度值求取平均值，每當溫度平均值升溫5℃，通過監測網的各個氣體采樣管采集氣樣并注入氣相色譜儀進行氣體成分分析，將溫度與瓦斯濃度實時監測值和每次氣樣分析結果輸入分析主機進行記錄；當溫度平均值達到225℃時，控制電加熱棒停止加熱，分析主機通過現有數據處理軟件對數據進行整理并繪制出采空區內溫度場和瓦斯濃度場分布圖；最后關閉風機，并利用空氣泵抽取采空區模型內殘余氣體進行收集，直至第一壓力表數值顯示為0時停止抽氣，完成當前實驗；

D、模擬煤自燃僅產氣實驗：先將步驟C中收集的殘余氣體進行取樣，并注入氣相色譜儀進行成分分析，從而得到步驟C升溫過程中煤自燃標志性氣體CO的生成量，作為對比值存儲在分析主機內；然后重步驟A和B，完成后打開氣體流量調節閥和第一針閥，一氧化碳氣瓶經過第二注氣管和第一注氣管向采空區模型內開始充入CO氣體，并通過氣體流量調節閥和第一針閥的開度調節流速，轉子流量計實時監測注入采空區模型的CO流量，同時在CO氣體充入過程中，通過監測網的各個氣體采樣管多次采集氣樣并注入氣相色譜儀進行氣體成分分析，每次采樣分析結果輸入分析主機，其中分析主機將每次分析結果中得出的CO的生成量與對比值進行比對，當分析結果中得出的CO的生成量達到對比值時，立即關閉第一針閥和氣體流量調節閥，分析主機通過現有數據處理軟件對數據進行整理并繪制出采空區內瓦斯濃度場分布圖；最后關閉風機，完成當前實驗；

E、調整電加熱棒的升溫速率，并重復步驟A～C多次，得出不同升溫速率下采空區內溫度場和瓦斯濃度場分布圖；從而能得出不同升溫速率與采空區瓦斯濃度場變化之間的關系。