安全工程专业实验教程8.3煤的瓦斯吸附解吸规律物理模拟

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图8-4 煤的瓦斯解吸规律模拟实验装置
二、仪器设备
（1）充气单元：实验所用的瓦斯气源是高纯甲烷气体，甲烷气体 浓度为 99.9%，压力大于10MPa，满足实验需求。充气时3号甲烷钢 瓶先向4号充气罐充气，4号充气罐起到缓冲作用，然后通过4号充气 罐向3个5号大煤样罐充气，完成充气过程。
（2）温控单元：恒温水槽，使充气罐和煤样罐以及大部分的管路 都放置在恒温水槽中，通过恒温水器对水槽进行恒温控制，误差±1℃ 。
（3）真空单元：实验采用直联旋片真空泵，主要技术参数如下： 抽气速率：2L/s；极限压力：0.06pa；电动机功率：0.37kw；进气 口直径：KF25。
（4）解吸单元：先快速放掉大罐中的游离瓦斯，然后连接解吸仪 进行解吸。
实验系统可以同时进行3个煤样的瓦斯吸附-解吸实验，如图8-3所 示，可同时开展3种不同煤样进行同组对比实验，保障了模拟实验条 件（温度、充气压力等）的一致性，通过阀门控制，3个煤样也可视 为3个独立实验系统，小系统又包括了大小煤样罐各一个，大煤样罐 可装入600～1000g左右的煤样，实现了对大质量煤样进行模拟实验 ，起到减小误差的作用；小煤样罐可以装500g左右煤样，可以与瓦 斯解吸实验同步模拟瓦斯解吸指标的测定。
斯解吸指标（K 1值和△h2值）等工作方面突出危险性预测参数，同时 模拟卸压后煤的瓦斯解吸规律，计算煤的瓦斯解吸参数（K1值和△h2
值），并互相校验；在以上实验的基础上，建立突出区域性预测指标 和工作面预测指标的关系。
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四、实验步骤
1、煤样采集
煤样应采集于新鲜暴露的煤壁，采集煤样点数按瓦斯地质单元布置，每 个瓦斯地质单元至少采集有代表性的软、硬煤各1份，每份煤样采集10Kg 左右，并按附表要求描述取样点煤的破坏类型，做好记录。同时收集采样 点附近如表8-3所示的信息。
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三、实验原理
煤为多孔性固体，具有庞大的吸附表面和复杂的孔隙结构，煤对甲 烷有较强的吸附力，吸附量除与煤质因素有关外，还与吸附条件即温 度和压力等因素有关。煤对甲烷的吸附为物理吸附，即吸附和解吸是 可逆的。气体分子在煤粒表面上浓集称吸附，气体分子脱离煤粒表面 称解吸。大量的研究表明，煤层的煤与瓦斯突出危险性与煤的瓦斯解 吸初始段速度、解吸量有密切关系。该实验首先对煤样充一定量的瓦 斯，使煤对瓦斯的充分吸附、达到平衡，以模拟试验矿井（煤层）瓦 斯压力和煤层瓦斯含量等突出区域预测参数；然后实验室测定煤的瓦
××学院
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一、实验目的
通过实验，研究不同煤的瓦斯解吸特性与规律，查
明煤层瓦斯含量和瓦斯压力与煤的瓦斯解吸指标（K1 值和△h2值）之间的关系，为确定煤层突出危险性的区
域性预测指标和工作面预测指标及其临界值提供实验 数据。
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二、仪器设备
实验系统主要分为充气单元、温控单元、真空单元和解 吸单元四部分，如图8-3和图8-4所示。
表8-5 煤样坚固性系数和放散初速度测定结果样表
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四、实验步骤
煤的瓦斯解吸过程所用煤样制备方法：粉碎煤样，将所选煤样过6mm
、3mm、1mm、0.5mm、0.2mm的标准筛组，取小于0.2mm、0.2-
0.5mm、0.5-1.0mm、1-3mm和3-6mm之间煤样颗粒，并将制备后的
2、制备煤样
制备煤样前，首先测定煤的坚固性系数，瓦斯放散初速度、煤的瓦 斯吸附常数、工业分析、真假密度和孔隙率等基本参数，并将测定结果 记入表8-5（吸附常数附等温吸附曲线）。
针对不同变质程度（挥发分或煤的牌号）的煤样，选取软、硬煤样各 两份，每份50g左右，粒度分别为3-6mm和0.17-0.25mm（60-80目 ），为采用压汞法和液氮吸附法测定煤的孔隙结构制备煤样。
© 安全工管路采用的是外径为6mm，内径为4mm的紫铜管 ，原因是它内径比较细，减少了管道内的死空间体积，而且可以根 据实验系统的管路需要随意弯曲变形，并且气密性也有保障；管路 接口所用的阀门都是高压卡套式针阀，公称压力0～16（MPa）， 适用介质油、蒸汽、水、天然气等。
煤样信息记录于表8-6，装入磨口瓶中密封加签备用，每份煤样质量不少
于1500g。
表8-6 煤的解吸规律煤样粒度筛分记录样表
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四、实验步骤
3、煤的解吸规律模拟实验
（1）检验实验系统气密性 实验系统的各管路、容器及接口的气密性是保证实验研究成功的关键
，本实验系统搭建完毕后，在煤样罐不盛煤样的情况下，对系统充入约 6MPa的高压氮气，放置24h，安装在充气罐和煤样罐上的压力表显示 压力一直保持不变，证明了所搭建的系统气密性是可靠的。在每做完一 个煤样后，重新进行上述试压实验，确保实验系统具有完好的气密性。 数据记录于表8-7。
表8-3 煤样采点信息记录样表
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四、实验步骤
在采样点打钻，孔深15m，收集6-7m和14-15m的钻屑， 并将筛分结果记录于表8-4，做粒度分析。煤样采集完成后密 封保存，立即送实验室制备，防止煤样的氧化及水分损失。
表8-4 钻屑粒度筛分记录样表
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四、实验步骤
1-卡套针阀, 2-压力表, 3-高压甲烷气瓶, 4-充气罐, 5-大煤样罐,6-真空表, 7-真空泵, 8解吸仪, 9-恒温水槽
图8-3 构造煤瓦斯解吸规律研究实验系统示意图
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二、仪器设备
整个实验过程可以简单的概括为先对煤样进行抽真空， 连续抽真空12h以上；然后进行充气，煤样对瓦斯吸附12h 以上，达到吸附平衡压力后，开始模拟瓦斯解吸规律的实验 。
表8-7 实验系统气密性记录样表
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四、实验步骤
（2）标定实验系统体积 在正式测定前，进行严格的校准仪器密闭空间是十分必要的。为了保
证实验结果的准确性，需要对充气罐、煤样罐及所属的管路进行体积标 定。
标定的体积包括罐体积和压力表、接头、阀门、连通管的通径体积之 和。标定方法为：先将被测罐及其所含管路与真空脱气单元连通，将其 内部抽成真空，压力降至10Pa，关闭阀门；然后，将其与标准量管接通 ，读取量管初始液面高度值h1；最后，打开阀门让空气进入被测罐及其 所含管路中，此时量管液面上升至h2，h2-h1所对应的量管体积即为被 测罐及所含管路的体积，分别对充气罐和三个煤样罐进行重复实验，并 将测定过程信息记录于表8-8及8-9，如此重复测试5次，取其平均值， 标定实际测量值见表8-8。