技术领域
[0001] 本
发明属于煤矿安全技术领域，特别是涉及一种测定不同振动条件下煤对瓦斯
吸附解吸特征和
粉碎解吸特征的实验系统及实验方法。
背景技术
[0002] 以往的煤对瓦斯的吸附解吸实验系统未考虑振动荷载对煤样吸附解吸的影响。煤矿采掘活动中存在采煤机割煤扰动、井下爆破振动、矿压显现、矿震、冲击地压等多种振源，振动作用使得瓦斯在煤体骨架表面上的附着
力降低，同时振动产生的
热能使煤体
温度升高，由朗格缪尔吸附曲线可知，煤对瓦斯的吸附作用随着温度升高逐渐降低；另一方面，受振动影响煤体内部原生裂隙再次发育，增加了煤体透气性；因此，振动作用对煤体瓦斯解吸扩散有较大促进作用。已有的实验系统不能反映采动过程振动效应对煤吸附解吸瓦斯的影响。
[0003] 目前，研究煤样粉碎过程解吸量的实验系统未考虑不同振动条件时解吸规律。由于不同的振动扰动活动，振动幅值、振动
频率、振动速度等均不相同，振动产生的热效应及对煤体
破碎程度等都有一定差异，瓦斯解吸规律也存在一定差异。煤样粉碎过程，不同振动强度对煤样解吸规律也有一定影响，目前的实验系统仅限于研究最终的解吸总量，不能完成对不同振动条件下煤样粉碎过程中解吸规律的实验。
发明内容
[0004] 针对
现有技术存在的问题，本发明提供一种测定振动条件下煤对瓦斯解吸特征的实验系统及实验方法，本发明能够测定不同振动条件下煤对瓦斯的吸附解吸特征和粉碎解吸特征。
[0005] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种测定振动条件下煤对瓦斯解吸特征的实验系统，包括变频振动系统、振动监测系统、煤样粉碎系统、脱气系统、瓦斯吸附系统及瓦斯解吸系统；
[0006] 所述变频振动系统包括振动
电机、振动平台、减振
弹簧、机座、
变频器、电源按钮及外接电位器，所述振动电机固定在振动平台上，振动平台设置在机座上方，振动平台与机座之间通过减振弹簧相连接；在所述振动电机的上、下两端分别设置有第一偏心重锤和第二偏心重锤，所述振动电机、电位器及电源按钮分别与变频器相连接；
[0007] 所述振动监测系统包括振动
传感器和振动参数分析仪，所述振动传感器固定在振动平台上，其与振动参数分析仪相连接；
[0008] 所述煤样粉碎系统包括料钵及冲击
块，所述料钵安装在振动平台上，冲击块放置在料钵内；所述料钵配置有密封盖，在密封盖上设置有气嘴；在振动平台上设置有活动梁，活动梁与料钵密封盖相
接触；
[0009] 所述脱气系统包括
真空泵、第三控制
阀、第五
控制阀、真空规管及真空计，所述
真空泵与第三控制阀的一端相连接，第三控制阀的另一端一路经第五控制阀与料钵密封盖上的气嘴相连接，另一路经真空规管与真空计相连接；
[0010] 所述瓦斯吸附系统包括高压气瓶、第一控制阀、调压阀、压力表及第二控制阀，所述高压气瓶的出口经第一控制阀与调压阀的一端相连接，调压阀的另一端经压力表与第二控制阀的一端相连接，第二控制阀的另一端与料钵密封盖上的气嘴相连接；
[0011] 所述瓦斯解吸系统包括瓦斯解吸速度测定仪及第四控制阀，所述瓦斯解吸速度测定仪固定在
水槽内，在水槽内设置有
温度计；所述瓦斯解吸速度测定仪通过第四控制阀与料钵密封盖上的气嘴相连接。
[0012] 所述减振弹簧设置有六个，减振弹簧与振动电机的
转轴平行设置。
[0013] 在所述振动平台上设置有安装料钵的凹槽，料钵安装在所述凹槽内。
[0014] 在所述料钵上设置有两个把柄。
[0015] 所述冲击块为圆柱体，采用硬质
合金钢制成。
[0016] 在所述料钵与密封盖的结合处设置有密封垫。
[0017] 所述气嘴采用空心螺杆型，气嘴的底端伸入到料钵密封盖内侧，与料钵腔体相连通。
[0018] 在所述活动梁与料钵密封盖之间设置有
橡胶垫。
[0019] 在所述振动平台上设置有压紧把手，活动梁通过压紧把手压紧固定密封盖。
[0020] 采用所述的测定振动条件下煤对瓦斯解吸特征的实验系统的实验方法，包括不同振动条件下煤对瓦斯的吸附解吸实验方法和不同振动条件下煤样粉碎解吸实验方法；
[0021] 不同振动条件下煤对瓦斯的吸附解吸实验方法，包括如下步骤：
[0022] 步骤一：实验前准备
[0023] 在新鲜的采掘工作面煤壁采集煤样，进行严密封装后送至实验室，将煤样制成颗粒状或标准正方体或长方体试件，并放入恒温箱中烘干；将料钵中的冲击块取出，实验过程中料钵内不放置冲击块；检查系统内各管线是否连接可靠及各通气装置的气密性，首先，高压气瓶采用氮气气瓶进行气密性检查；关闭第二控制阀，打开第一控制阀，观测压力表的示数是否稳定，稳定则不漏气，慢速调节调压阀，检查调压阀是否连接可靠；关闭第四控制阀和第五控制阀，打开第二控制阀，检查料钵是否漏气；打开第四控制阀，检查瓦斯解吸速度测定仪是否连接可靠；关闭第二控制阀和第四控制阀；打开第三控制阀，启动真空泵，检查真空规管和真空计是否连接可靠；打开第五控制阀，对料钵抽真空，检查料钵是否漏气；通过电源按钮启动振动电机，分别调节电位器和变频器，观察振动效果，同时检查振动参数分析仪是否连接可靠；启动振动电机后，重复上述步骤再次检测系统内各管线是否连接可靠及各通气装置的气密性；
[0024] 步骤二：煤样脱气
[0025] 关闭第五控制阀，取下料钵，将煤样放入料钵内，并安装好密封垫和密封盖，提起把柄将料钵放置在振动平台上，在料钵密封盖上放置橡胶垫，将活动梁压在橡胶垫上，并放下压紧把手将密封盖压紧卡死；
[0026] 打开第五控制阀，启动真空泵对煤样脱气，持续抽真空数小时，待真空计的压力示数保持不变时，关闭第五控制阀，关闭真空泵；
[0027] 步骤三：煤样吸附
[0028] 高压气瓶采用瓦斯气瓶，打开第二控制阀对煤样充气，通过调压阀控制充气压力使充气压力维持稳定值；待吸附达到平衡后，通过电源按钮启动振动电机，使煤样吸附过程处于振动环境，通过调节电位器改变振动速度，通过调节变频器改变振动频率，通过调节振动电机上的第一偏心重锤和第二偏心重锤的相对
角度改变振动幅值，并通过振动参数分析仪记录振动参数，进行不同振动条件下的吸附实验；
[0029] 步骤四：煤样解吸
[0030] 首先，关闭第一控制阀和第二控制阀，打开第四控制阀，通过电源按钮启动振动电机，使煤样解吸过程处于振动环境，通过调节电位器改变振动速度，通过调节变频器改变振动频率，通过调节振动电机上的第一偏心重锤和第二偏心重锤的相对角度改变振动幅值，并通过振动参数分析仪记录振动参数；每隔一定时间观测并记录一次瓦斯解吸速度测定仪的读数，同时记录水槽内温度计测得的水温，并记录解吸过程中实验环境的
大气压，进行不同振动条件下的解吸实验；
[0031] 不同振动条件下煤样粉碎解吸实验方法，包括如下步骤：
[0032] 步骤一：检查系统内各管线是否连接可靠及各通气装置的气密性，首先，高压气瓶采用氮气气瓶进行气密性检查；关闭第二控制阀，打开第一控制阀，观测压力表的示数是否稳定，稳定则不漏气，慢速调节调压阀，检查调压阀是否连接可靠；关闭第四控制阀和第五控制阀，打开第二控制阀，检查料钵是否漏气；打开第四控制阀，检查瓦斯解吸速度测定仪是否连接可靠；通过电源按钮启动振动电机，分别调节电位器和变频器，观察振动效果，同时检查振动参数分析仪是否连接可靠；启动振动电机后，重复上述步骤再次检测系统内各管线是否连接可靠及各通气装置的气密性；
[0033] 步骤二：关闭第二控制阀和第四控制阀，取下料钵，将煤样和冲击块放入料钵内，并安装好密封垫和密封盖，提起把柄将料钵放置在振动平台上，在料钵密封盖上放置橡胶垫，将活动梁压在橡胶垫上，并放下压紧把手将密封盖压紧卡死；
[0034] 步骤三：打开第四控制阀，通过电源按钮启动振动电机，通过调节电位器改变振动速度，通过调节变频器改变振动频率，通过调节振动电机上的第一偏心重锤和第二偏心重锤的相对角度改变振动幅值，并通过振动参数分析仪记录振动参数；每隔一定时间观测并记录一次振动过程中瓦斯解吸速度测定仪的读数，同时记录水槽内温度计测得的水温，并记录实验过程中实验环境的大气压，进行不同振动条件下的粉碎解吸实验，直到瓦斯解吸速度测定仪中一直没有气体冒出时，停止实验，关闭电源按钮。
[0035] 本发明的有益效果：
[0036] 本发明的实验系统可以提供不同的振动频率、振动速度和振动幅值；本发明不仅可以进行不同振动条件下煤对瓦斯的吸附解吸实验，还可以进行不同振动条件下煤样粉碎解吸实验；能够测定不同振动条件下煤对瓦斯的吸附解吸特征和粉碎解吸特征。
附图说明
[0037] 图1是本发明的实验系统的一个
实施例的结构示意图；
[0038] 图2是图1中振动强度可控的煤样粉碎机的结构示意图；
[0039] 图3是图2中煤样粉碎机料钵的结构示意图；
[0040] 图4是图1中瓦斯解吸速度测定仪的局部放大图；
[0041] 图中：1-电源按钮，2-电位器，3-变频器，4-煤样粉碎机，5-振动传感器，6-振动参数分析仪，7-高压气瓶，8-调压阀，9-压力表，10-水槽，11-瓦斯解吸速度测定仪，12-温度计，13-真空泵，14-真空规管，15-真空计，16-第一控制阀，17-第二控制阀，18-固定
支架，19-第四控制阀，20-第五控制阀，21-第三控制阀，22-压紧把手，23-活动梁，24-橡胶垫，25-密封盖，26-密封垫，27-料钵，28-冲击块，29-振动平台，30-减振弹簧，31-振动电机，32-第一偏心重锤，33-第二偏心重锤，34-机座，35-气嘴，36-把柄，37-电源端口，38-高压气管，
39-
导线。
具体实施方式
[0042] 下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
[0043] 如图1～图4所示，一种测定振动条件下煤对瓦斯解吸特征的实验系统，包括变频振动系统、振动监测系统、煤样粉碎系统、脱气系统、瓦斯吸附系统及瓦斯解吸系统；
[0044] 所述变频振动系统包括振动电机31、振动平台29、减振弹簧30、机座34、变频器3、电源按钮1及外接电位器2，所述振动电机31固定在振动平台29上，振动平台29设置在机座34上方，振动平台29与机座34之间通过减振弹簧30相连接；在所述振动电机31的上、下两端分别设置有第一偏心重锤32和第二偏心重锤33，第一偏心重锤32和第二偏心重锤33提供偏心力，振动电机31通过固定支架18固定在振动平台29上，带动振动平台29产生振动效应，变频器3通过导线39与振动电机31的电源端口37相连接；所述振动电机31、电位器2及电源按钮1分别通过导线39与变频器3相连接；所述振动电机31通过变频器3改变振动频率，通过调节外接电位器2改变振动速度，通过调节振动电机31上、下两端的第一偏心重锤32和第二偏心重锤33的
相位角(即相对角度)，改变振动轨迹(即振动幅值)；振动电机31通过连接在变频器3上的电源按钮1控制其启动与关闭；
[0045] 所述振动监测系统包括振动传感器5和振动参数分析仪6，所述振动传感器5固定在振动平台29上，其通过
电缆与振动参数分析仪6相连接，振动参数分析仪6通过振动传感器5测定振动平台29的振动幅值、振动频率、振动速度、振动位移和振动相位；
[0046] 所述煤样粉碎系统采用煤样粉碎机4，包括料钵27及冲击块28，所述料钵27安装在振动平台29上，冲击块28放置在料钵27内；所述料钵27配置有密封盖25，密封盖25与料钵27相互咬合严密，在密封盖25上设置有气嘴35；在振动平台29上设置有活动梁23，活动梁23与料钵27密封盖25相接触；
[0047] 所述脱气系统包括真空泵13、第三控制阀21、第五控制阀20、真空规管14及真空计15，所述真空泵13与第三控制阀21的一端相连接，第三控制阀21的另一端一路经第五控制阀20与料钵27密封盖25上的气嘴35相连接，另一路经真空规管14与真空计15相连接；
[0048] 所述瓦斯吸附系统包括高压气瓶7、第一控制阀16、调压阀8、压力表9及第二控制阀17，所述高压气瓶7的出口经第一控制阀16与调压阀8的一端相连接，调压阀8的另一端经压力表9与第二控制阀17的一端相连接，第二控制阀17的另一端与料钵27密封盖25上的气嘴35相连接；
[0049] 所述瓦斯解吸系统包括瓦斯解吸速度测定仪11及第四控制阀19，所述瓦斯解吸速度测定仪11固定在水槽10内保持瓦斯解吸速度测定仪11中水温恒定，在水槽10内设置有温度计12；所述瓦斯解吸速度测定仪11通过第四控制阀19与料钵27密封盖25上的气嘴35相连接。
[0050] 所述减振弹簧30设置有六个，减振弹簧30与振动电机31的转轴平行设置。
[0051] 在所述振动平台29上设置有安装料钵27的凹槽，料钵27安装在所述凹槽内。
[0052] 在所述料钵27上设置有两个把柄36。
[0053] 所述冲击块28为圆柱体，采用硬质
合金钢制成。本实施例中，冲击块28设置有八块，有两种尺寸，一块直径较大的冲击块和七块相同直径且直径较小的冲击块，冲击块28与料钵27容积相匹配。
[0054] 在所述料钵27与密封盖25的结合处设置有密封垫26。
[0055] 所述气嘴35采用空心螺杆型，气嘴35的底端伸入到料钵27密封盖25内侧，与料钵27腔体相连通；各部件与气嘴35通过高压气管38相连接。
[0056] 在所述活动梁23与料钵27密封盖25之间设置有橡胶垫24防止滑动。
[0057] 在所述振动平台29上设置有压紧把手22，活动梁23通过压紧把手22压紧固定密封盖25。
[0058] 采用所述的测定振动条件下煤对瓦斯解吸特征的实验系统的实验方法，包括不同振动条件下煤对瓦斯的吸附解吸实验方法和不同振动条件下煤样粉碎解吸实验方法；
[0059] 不同振动条件下煤对瓦斯的吸附解吸实验方法，包括如下步骤：
[0060] 步骤一：实验前准备
[0061] 在新鲜的采掘工作面煤壁采集煤样，进行严密封装后送至实验室，将煤样制成颗粒状或标准正方体或长方体试件，并放入恒温箱中烘干；将料钵27中的冲击块28取出，实验过程中料钵27内不放置冲击块28；检查系统内各管线是否连接可靠及各通气装置的气密性，首先，高压气瓶7采用氮气气瓶进行气密性检查；关闭第二控制阀17，打开第一控制阀16，观测压力表9的示数是否稳定，稳定则不漏气，慢速调节调压阀8，检查调压阀8是否连接可靠；关闭第四控制阀19和第五控制阀20，打开第二控制阀17，检查料钵27是否漏气；打开第四控制阀19，检查瓦斯解吸速度测定仪11是否连接可靠；关闭第二控制阀17和第四控制阀19；打开第三控制阀21，启动真空泵13，检查真空规管14和真空计15是否连接可靠；打开第五控制阀20，对料钵27抽真空，检查料钵27是否漏气；通过电源按钮1启动振动电机31，分别调节电位器2和变频器3，观察振动效果，同时检查振动参数分析仪6是否连接可靠；启动振动电机31后，重复上述步骤再次检测系统内各管线是否连接可靠及各通气装置的气密性；
[0062] 步骤二：煤样脱气
[0063] 关闭第五控制阀20，取下料钵27，将煤样放入料钵27内，并安装好密封垫26和密封盖25，提起把柄36将料钵27放置在振动平台29上，在料钵27密封盖25上放置橡胶垫24，将活动梁23压在橡胶垫24上，并放下压紧把手22将密封盖25压紧卡死；
[0064] 打开第五控制阀20，启动真空泵13对煤样脱气，持续抽真空24小时，待真空计15的压力示数显示20Pa并保持不变三个小时以上时，关闭第五控制阀20，关闭真空泵13；
[0065] 步骤三：煤样吸附
[0066] 高压气瓶7采用瓦斯气瓶，打开第二控制阀17对煤样充气，通过调压阀8控制充气压力使充气压力维持稳定值；待吸附达到平衡后(煤样持续吸附60小时，同时压力表9示数连续三小时保持不变时，认为吸附达到平衡)；考虑振动效应对煤吸附瓦斯的影响时，通过电源按钮1启动振动电机31，使煤样吸附过程处于振动环境，通过调节电位器2改变振动速度，通过调节变频器3改变振动频率，通过调节振动电机31上的第一偏心重锤32和第二偏心重锤33的相对角度改变振动幅值，并通过振动参数分析仪6记录振动参数，进行不同振动条件下的吸附实验；不考虑振动对吸附的影响时，关闭电源按钮1；
[0067] 步骤四：煤样解吸
[0068] 煤样瓦斯解吸规律主要通过测定单位时间瓦斯解吸量和累计瓦斯解吸量反映，首先，关闭第一控制阀16和第二控制阀17，打开第四控制阀19，通过电源按钮1启动振动电机31，使煤样解吸过程处于振动环境，通过调节电位器2改变振动速度，通过调节变频器3改变振动频率，通过调节振动电机31上的第一偏心重锤32和第二偏心重锤33的相对角度改变振动幅值，并通过振动参数分析仪6记录振动参数；每隔一定时间观测并记录一次瓦斯解吸速度测定仪11的读数，同时记录水槽10内温度计12测得的水温，为将解吸气体换算成标准状况下的气体体积还需要记录解吸过程中实验环境的大气压，进行不同振动条件下的解吸实验；不考虑振动对解吸的影响时，关闭电源按钮1。
[0069] 步骤五：
整理实验记录，分析实验数据，总结规律。
[0070] 实验背景：煤样自然解吸后还有一部分瓦斯不能解吸出来，可以通过煤样粉碎及振动效应将残存的瓦斯气体解吸出来，本发明的实验系统可以进行瓦斯含量测定中残存量的测定，同时还可以进行不同振动条件下粉碎解吸量测定。
[0071] 不同振动条件下煤样粉碎解吸实验方法，包括如下步骤：
[0072] 步骤一：检查系统内各管线是否连接可靠及各通气装置的气密性，首先，高压气瓶7采用氮气气瓶进行气密性检查；关闭第二控制阀17，打开第一控制阀16，观测压力表9的示数是否稳定，稳定则不漏气，慢速调节调压阀8，检查调压阀8是否连接可靠；关闭第四控制阀19和第五控制阀20，打开第二控制阀17，检查料钵27是否漏气；打开第四控制阀19，检查瓦斯解吸速度测定仪11是否连接可靠；通过电源按钮1启动振动电机31，分别调节电位器2和变频器3，观察振动效果，同时检查振动参数分析仪6是否连接可靠；启动振动电机31后，重复上述步骤再次检测系统内各管线是否连接可靠及各通气装置的气密性；
[0073] 步骤二：关闭第二控制阀17和第四控制阀19，取下料钵27，将煤样和冲击块28放入料钵27内，并安装好密封垫26和密封盖25，提起把柄36将料钵27放置在振动平台29上，在料钵27密封盖25上放置橡胶垫24，将活动梁23压在橡胶垫24上，并放下压紧把手22将密封盖25压紧卡死；本发明通过振动平台29将振动作用传递给料钵27，引起料钵27内的冲击块28产生振动，通过冲击块28之间的相互冲击作用产生破碎效果；
[0074] 步骤三：打开第四控制阀19，通过电源按钮1启动振动电机31，通过调节电位器2改变振动速度，通过调节变频器3改变振动频率，通过调节振动电机31上的第一偏心重锤32和第二偏心重锤33的相对角度改变振动幅值，并通过振动参数分析仪6记录振动参数；每隔一定时间观测并记录一次振动过程中瓦斯解吸速度测定仪11的读数，同时记录水槽10内温度计12测得的水温，并记录实验过程中实验环境的大气压，进行不同振动条件下的粉碎解吸实验，直到瓦斯解吸速度测定仪11中一直没有气体冒出时，停止实验，关闭电源按钮1；
[0075] 步骤四：整理实验记录，分析实验数据，总结规律。
[0076] 本发明不限于上述实施方式，还可以进行改进，以测定煤样在振动环境下吸附解吸时的
变形规律，通过在煤样上贴应变片，用动态
信号测试仪测定振动过程中煤样的变形。
