煤矿井下CO来源机理和消失机理研究用实验装置及方法

摘要

本发明公开了一种煤矿井下CO来源机理和消失机理研究用实验装置，包括密封箱，密封箱内放置切割工具，密封箱内有破碎机，破碎机上设置破碎室，破碎室上设置加热装置，密封箱上设置排气管、取气管和两个进气管。该实验装置为研究煤矿井下CO来源和消失机理提供充要实验环境。本发明还公开了研究煤矿井下CO来源机理实验方法，其通过在绝氧环境下、一定温度条件下对煤样破碎处理，检测由破碎室释放出来的气体中CO气体的浓度，其实验方法简便。本发明还公开了研究煤矿井下CO消失机理实验方法，其通过在绝氧环境下对煤样破碎处理，对破碎室进行充氮气处理后，再对煤样加热，进而检测由破碎室释放出来的气体中CO气体的浓度，其实验方法简便。

说明书

技术领域

本发明属于煤矿井下CO来源机理和消失机理研究技术领域，具体涉 及一种煤矿井下CO来源机理和消失机理研究用实验装置及方法。

背景技术

煤矿采空区遗煤自燃时会产生大量的有毒有害气体，CO气体问题最为 突出。为了及时有效地控制采空区火情，必要时会封闭工作面，减少漏风， 并对发火区域采取相关综合灭火措施，以达到灭火的目的。此时，采空区 就形成了一个相对密闭的空间。实践表明，在灭火过程中采空区CO气体 会迅速消失，而对其消失机理目前还不明确，学者们有两种观点：一是由 于漏风风流稀释了CO气体，并将其从回风流带出采空区；二是采空区里 的CO被遗煤吸附，从而检测不到。

另外，对于采空区CO来源的研究，相关学者持不同观点。有的认为 在成煤过程中，原煤中赋存有CO气体；有的人则认为，当原煤被揭露， 与空气接触，氧化生成了CO。如何研究煤矿井下CO来源，以及采空区CO 消失机理，是相关领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种煤矿井下CO 来源机理和消失机理研究用实验装置。该实验装置在使用时能够有效的实 现绝氧环境，并能够对有效实现对煤样的破碎，同时还能够实现对煤样的 加热，从而为研究煤矿井下CO来源机理和消失机理提供了必要和充分的 实验环境，其结构简单，实验有效性高。

为实现上述目的，本发明煤矿井下CO来源机理和消失机理研究用实 验装置采用的技术方案是：煤矿井下CO来源机理和消失机理研究用实验 装置，其特征在于：包括密封箱，所述密封箱由一端开口的箱体和用于封 闭所述开口的密封箱盖构成，所述密封箱上开设有两个操作孔，所述操作 孔上密封连接有手套，所述密封箱内放置有用于供操作人员戴着所述手套 将煤样表面煤体切掉的切割工具，所述密封箱内安装有用于对去掉表面煤 体的煤样进行破碎处理的破碎机，所述破碎机上设置有用于盛放煤样的破 碎室，所述破碎室上设置有用于对其进行加热进而使煤样升温的加热装 置，所述密封箱上设置有用于将氮气通向密封箱的第一进气管、用于将CO 气体和氮气的混合气体或者氮气通向所述破碎室的第二进气管、用于将所 述密封箱内的气体排到密封箱外部的排气管和用于将所述破碎室内的气 体排到密封箱外部以供检测CO气体浓度的取气管。

上述的煤矿井下CO来源机理和消失机理研究用实验装置，其特征在 于：所述破碎机包括安装在箱体内的底座和安装在所述底座上的电机，所 述破碎室安装在所述电机的机壳上，所述电机的输出轴伸入所述破碎室且 在伸入所述破碎室的部位安装有破碎刀片，所述破碎室上设置有破碎室密 封盖。

上述的煤矿井下CO来源机理和消失机理研究用实验装置，其特征在 于：包括用于测量煤样温度的温度传感器，所述破碎室密封盖上设置有供 所述温度传感器插入的插孔。

上述的煤矿井下CO来源机理和消失机理研究用实验装置，其特征在 于：所述加热装置采用缠绕在所述破碎室外壁上的电加热丝。

上述的煤矿井下CO来源机理和消失机理研究用实验装置，其特征在 于：所述电加热丝包括镍铬合金带和包裹在所述镍铬合金带外侧的绝缘 体，所述绝缘体由多层无碱玻璃纤维制成。

上述的煤矿井下CO来源机理和消失机理研究用实验装置，其特征在 于：所述箱体为透明结构。

上述的煤矿井下CO来源机理和消失机理研究用实验装置，其特征在 于：所述箱体与所述密封箱盖法兰连接。

本发明还公开了一种研究煤矿井下CO来源机理的实验方法，该实验 方法通过对同一煤矿的相同煤样在不同温度下进行破碎处理，进而分析CO 气体浓度变化，进而研究对于某一特定煤矿中相同煤样而言，其CO气体 浓度是由脱离煤体吸附状态而产生，还是由化学键断裂而产生的。该实验 方法，操作简便，能够有效隔绝外界因素的干扰，实验结果准确可靠。

为实现上述目的，本发明研究煤矿井下CO来源机理的实验方法采用 的技术方案是：一种研究煤矿井下CO来源机理的实验方法，其特征在于： 通过在温度T条件下利用上述的实验装置对煤样进行实验，一个温度T对 应一个煤样逐次对多个相同煤样进行实验，所述温度T随实验次数的增加 而逐次递增，其中每个煤样的实验方法包括以下步骤：

步骤一、将待测煤样装入密封箱内，然后将密封箱盖密封安装在箱体 上；

步骤二、通过第一进气管向密封箱内充入氮气，并通过排气管将密封 箱内的空气排净；

步骤三、操作人员戴上连接在操作孔上的手套后伸入密封箱内，并使 用切割工具将所述煤样表面的煤体切掉；

步骤四、将表面煤体切掉的煤样放入破碎室内，并通过第二进气管向 破碎室内持续通入氮气，破碎室内的空气通过取气管排净；

步骤五、启动加热装置对破碎室加热以使煤样升温至温度T；

步骤六、启动破碎机对破碎室内的煤样进行破碎处理；

步骤七、采集取气管排出的气体，并检测排出的所述气体中的CO气 体浓度C；

采用上述步骤一至步骤七对多个相同煤样实验完毕后，以温度T为横 坐标，以CO气体浓度C为纵坐标，绘制CO气体浓度C随温度T的变化曲 线，如果所述变化曲线上有峰值出现，则说明产生的CO气体中包含由脱 离煤体吸附状态而产生的CO气体；如果所述变化曲线上出现直线段或平 滑曲线段，则说明产生的CO气体中包含由化学键断裂产生的CO气体。

本发明还公开了一种研究煤矿井下CO消失机理的实验方法，该实验 方法通过对同一煤矿的相同煤样在不同温度下分析出排出的CO气体浓度 变化，进而检测煤体对CO气体吸附能力，进而研究对于某一特定煤矿中 相同煤样而言，其CO气体消失是否是因为吸附的原因。该实验方法，操 作简便，能够有效隔绝外界因素的干扰，实验结果准确可靠。

为实现上述目的，本发明研究煤矿井下CO消失机理的实验方法采用 的技术方案是：一种煤矿井下CO消失机理的研究方法，其特征在于，通 过在温度T条件下利用上述的实验装置对煤样进行实验，一个温度T对应 一个煤样逐次对多个相同煤样进行实验，所述温度T随实验次数的增加而 逐次递增，其中每个煤样的实验方法包括以下步骤：

步骤一、将待测煤样装入密封箱内，然后将密封箱盖密封安装在箱体 上；

步骤二、通过第一进气管向密封箱内充入氮气，通过排气管将密封箱 内的空气排净；

步骤三、操作人员戴上连接在操作孔上的手套后伸入密封箱内，使用 切割工具将煤样表面煤体切掉；

步骤四、将表面煤体切掉的煤样放入破碎室内，并启动破碎机对破碎 室内的煤样进行破碎处理；

步骤五、通过第二进气管向破碎室内通入氮气，通过取气管排净破碎 室内的空气；

步骤六、启动加热装置对破碎室加热以使煤样升温至温度T；

步骤七、通过第二进气管向破碎室内通入氮气和CO气体的混合气体；

步骤八、采集取气管排出的气体，并检测排出的所述气体中的CO气 体浓度C；

采用上述步骤一至步骤八对多个煤样实验完毕后，根据所记录的CO 气体浓度C的数值变化来观测煤体吸附CO气体的能力，即CO气体浓度C 的数值变化大说明煤体吸附CO气体的能力强，CO气体浓度C的数值变化 小说明煤体吸附CO气体的能力弱，CO气体浓度C的数值无变化则说明煤 体对CO气体无吸附，从而判断煤矿井下CO消失是否是由于煤体对CO气 体而消失的。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明实验装置的结构简单，设计新颖合理。

2、本发明实验装置通过密封箱以及充入氮气的方式实现绝氧环境， 通过安装有破碎室的破碎机对煤样实现绝氧环境下的破碎处理，并通过加 热装置对煤样进行加热处理，从而有效的满足了研究煤矿井下CO来源机 理和消失机理的实验时所必须具备的实验环境，其结构简单，便于操作。

3、本发明所述破碎机结构简单，能够有效的实现对煤体的破碎处理， 操作起来简单方便。

4、本发明所述箱体为透明结构。具体的，所述箱体由有机玻璃制成。 这样能够方便操作人员进行观察，比如在戴着手套对煤样进行切割时，可 以方便观察以进行有效切割，在将煤样放入破碎室时，也可以方便观察进 行快速操作。

5、本发明所述研究煤矿井下CO来源机理的实验方法，其通过在绝氧 环境下、且在一定温度条件下对煤样进行破碎处理，进而检测由破碎室释 放出来的气体中CO气体的浓度，通过对不同煤样进行实验以观测CO气体 的浓度的变化，进而研究煤矿井下CO是由脱离煤体吸附状态而产生，还 是由化学键断裂而产生的，其实验方法简便，操作简单。

6、本发明所述研究煤矿井下CO消失机理的实验方法，其通过在绝氧 环境下对煤样进行破碎处理，随后对破碎室进行充氮气处理后，再对煤样 加热，进而检测由破碎室释放出来的气体中CO气体的浓度，通过对不同 煤样进行实验以观测CO气体的浓度的变化，进而能够得出煤样对CO气体 的吸附能力，进而研究煤矿井下CO的消失是否是因煤样对CO气体的吸附 造成的，其实验方法简便，操作简单。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实验装置的结构示意图。

图2为本发明破碎机的结构示意图。

图3为本发明电加热丝的横截面结构示意图。

图4为本发明研究煤矿井下CO来源机理的实验方法中对每个煤样实验 时的方法流程图。

图5为本发明研究煤矿井下CO消失机理的实验方法中对每个煤样实 验时的方法流程图。

附图标记说明:

1—密封箱；       1-1—箱体；         1-2—密封箱盖；

2—操作孔；       3—手套；           4—第一进气管；

5—取气管；       6—第二进气管；     7—排气管；

8—破碎室；       9—底座；           10—电机；

11—破碎刀片；    12—电加热丝；      12-1—镍铬合金带；

12-2—绝缘体；    13—破碎室密封盖；  14—插孔；

15—进气管接头；  16—取气管接头。

具体实施方式

如图1所示的一种煤矿井下CO来源机理和消失机理研究用实验装置， 包括密封箱1，所述密封箱1由一端开口的箱体1-1和用于封闭所述开口 的密封箱盖1-2构成，所述密封箱1上开设有两个操作孔2，所述操作孔 2上密封连接有手套3，所述密封箱1内放置有用于供操作人员戴着所述 手套3将煤样表面煤体切掉的切割工具，所述密封箱1内安装有用于对去 掉表面煤体的煤样进行破碎处理的破碎机，所述破碎机上设置有用于盛放 煤样的破碎室8，所述破碎室8上设置有用于对其进行加热进而使煤样升 温的加热装置，所述密封箱1上设置有用于将氮气通向密封箱1的第一进 气管4、用于将CO气体和氮气的混合气体或者氮气通向所述破碎室8的第 二进气管6、用于将所述密封箱1内的气体排到密封箱1外部的排气管7 和用于将所述破碎室8内的气体排到密封箱1外部以供检测CO气体浓度 的取气管5。

本实施例中，该实验装置在使用时能够有效的实现绝氧环境，并能够 对有效实现对煤样的破碎，同时还能够实现对煤样的加热，从而为研究煤 矿井下CO来源机理和消失机理提供了必要和充分的实验环境，其结构简 单，实验有效性高。

本实施例中，所述第一进气管4、第二进气管6、排气管7和取气管5 上均螺纹连接有盖帽。所述切割工具采用小型切割机。所述手套3选用橡 胶手套。

如图2所示，所述破碎机包括安装在箱体1-1内的底座9和安装在所 述底座9上的电机10，所述破碎室8安装在所述电机10的机壳上，所述 电机10的输出轴伸入所述破碎室8且在伸入所述破碎室8的部位安装有 破碎刀片11，所述破碎室8上设置有破碎室密封盖13。

本实施例中，所述破碎机结构简单，能够有效的实现对煤体的破碎处 理，操作起来简单方便。所述破碎室密封盖13上设置有用于与第一进气管 4连接的进气管接头15和用于与取气管5连接的取气管接头16。

如图2所示，该煤矿井下CO来源机理和消失机理研究用实验装置包 括用于测量煤样温度的温度传感器，所述破碎室密封盖13上设置有供所 述温度传感器插入的插孔14。通过设置温度传感器，可以有效的检测出煤 样的具体温度，进而能够与温度控制器的配合下，进而控制加热装置12 工作或停止。

本实施例中，所述加热装置采用缠绕在所述破碎室8外壁上的电加热 丝12。如图3所示，具体的，所述电加热丝12包括镍铬合金带12-1和包 裹在所述镍铬合金带12-1外侧的绝缘体12-2，所述绝缘体12-2由多层无 碱玻璃纤维制成。其中，所述镍铬合金带12-1具有发热快，热效率高， 使用寿命长等特点，由多层无碱玻璃纤维制成的绝缘体12-2，具有良好的 耐高温性能和可靠的绝缘性能。其结构柔软，加热效果好，使用时可直接 方便的缠绕在所述破碎室8的外表面进行加热。

本实施例中，所述箱体1-1为透明结构。具体的，所述箱体1-1由有 机玻璃制成。这样能够方便操作人员进行观察，比如在戴着手套3对煤样 进行切割时，可以方便观察以进行有效切割，在将煤样放入破碎室8时， 也可以方便观察进行快速操作。

本实施例中，所述箱体1-1与所述密封箱盖1-2法兰连接。这样能够 实现快速将所述密封箱1打开或关闭。

如图4所示的一种研究煤矿井下CO来源机理的实验方法，通过在温 度T条件下利用所述的实验装置对煤样进行实验，一个温度T对应一个煤 样逐次对多个相同煤样进行实验，所述温度T随实验次数的增加而逐次递 增，其中每个煤样的实验方法包括以下步骤：

步骤一、将待测煤样装入密封箱1内，然后将密封箱盖1-2密封安装 在箱体1-1上。

步骤二、通过第一进气管4向密封箱1内充入氮气，并通过排气管7 将密封箱1内的空气排净；其作用是通过向密封箱1内充入氮气，进而排 走密封箱1内的气体，进而使密封箱1内处于氮气环境，实现密封箱1的 绝氧。

步骤三、操作人员戴上连接在操作孔2上的手套3后伸入密封箱1内， 并使用切割工具将所述煤样表面的煤体切掉；这个步骤的目的是通过将煤 样表面的煤体切掉，避免煤样表面的煤体携带的氧气对实验结果造成影 响，实现全面的绝氧条件。

步骤四、将表面煤体切掉的煤样放入破碎室8内，并通过第二进气管 6向破碎室8内持续通入氮气，破碎室8内的空气通过取气管5排净；此 时即可停止通过第一进气管4向密封箱1内充入氮气。这个步骤中，通过 向破碎室8内通入氮气，能够确保破碎室8处于绝氧环境。

步骤五、启动加热装置对破碎室8加热以使煤样升温至温度T。

步骤六、启动破碎机对破碎室8内的煤样进行破碎处理；通过对煤样 进行有效的破碎处理，在绝氧条件下使得煤体中分子活性官能团断裂。

步骤七、采集取气管5排出的气体，并检测排出的所述气体中的CO 气体浓度C；具体的，通过气相色谱仪分析气体成分，并记录CO气体的浓 度C。

采用上述步骤一至步骤七对多个相同煤样实验完毕后，以温度T为横 坐标，以CO气体浓度C为纵坐标，绘制CO气体浓度C随温度T的变化曲 线，如果所述变化曲线上有峰值出现，则说明产生的CO气体中包含由脱 离煤体吸附状态而产生的CO气体；如果所述变化曲线上出现直线段或平 滑曲线段，则说明产生的CO气体中包含由化学键断裂产生的CO气体。

本实施例中，所述煤样为取自相同煤矿、相同煤层中相同的煤样。本 实施例中，选取七个煤样进行实验，第一次实验时的温度T为30℃，所述 温度T随实验次数逐渐递增1℃，即第二次实验时的温度T为31℃，第三 次实验时的温度T为32℃，第四次实验时的温度T为33℃，第五次实验 时的温度T为34℃，第六次实验时的温度T为35℃，第七次实验时的温 度T为36℃。

由于煤矿井下CO气体主要有三个来源，分别是脱离煤体吸附状态而 产生；化学键断裂而产生；煤体氧化而产生，本实施例只探究在煤矿井下 CO气体是由脱离煤体吸附状态产生的还是化学键断裂产生的。本实施例根 据“当CO气体浓度C随温度T的变化曲线为平滑曲线或直线则表示CO气 体是由化学键断裂产生，当CO气体浓度C随温度T的变化曲线为非平滑 曲线则表示CO气体是由脱离煤体吸附产生”这一经验原则进行判断。

本实施例中，该研究煤矿井下CO来源机理的实验方法，通过对同一 煤矿的相同煤样在不同温度下进行破碎处理，进而分析CO气体浓度变化， 进而研究对于某一特定煤矿中相同煤样而言，其CO气体浓度是由脱离煤 体吸附状态而产生，还是由化学键断裂而产生的。该实验方法，操作简便， 能够有效隔绝外界因素的干扰，实验结果准确可靠。

如图5所示的一种煤矿井下CO消失机理的研究方法，通过在温度T 条件下利用所述的实验装置对煤样进行实验，一个温度T对应一个煤样逐 次对多个相同煤样进行实验，所述温度T随实验次数的增加而逐次递增， 其中每个煤样的实验方法包括以下步骤：

步骤一、将待测煤样装入密封箱1内，然后将密封箱盖1-2密封安装 在箱体1-1上。

步骤二、通过第一进气管4向密封箱1内充入氮气，通过排气管7将 密封箱1内的空气排净；其作用是通过向密封箱1内充入氮气，进而排走 密封箱1内的气体，进而使密封箱1内处于氮气环境，实现密封箱1的绝 氧。

步骤三、操作人员戴上连接在操作孔2上的手套后伸入密封箱1内， 使用切割工具将煤样表面煤体切掉；这个步骤的目的是通过将煤样表面的 煤体切掉，避免煤样表面的煤体携带的氧气对实验结果造成影响，实现全 面的绝氧条件。

步骤四、将表面煤体切掉的煤样放入破碎室8内，并启动破碎机对破 碎室8内的煤样进行破碎处理；通过对煤样进行破碎处理，使得煤样充分 破碎，增大可煤样的表面积，进而提高了煤体与气体的接触面积。

步骤五、通过第二进气管6向破碎室8内通入氮气，通过取气管5排 净破碎室8内的空气；此时，通过向破碎室8内通入氮气，可以有效的排 出由破碎而使煤体挥发出来的气体，确保破碎室8内被氮气充满，进而避 免其它气体对实验结果的影响。

步骤六、启动加热装置对破碎室8加热以使煤样升温至温度T；

步骤七、通过第二进气管6向破碎室8内通入氮气和CO气体的混合 气体；通过在所述温度T条件下，通入氮气和CO气体的混合气体，从而 测试在一定温度下煤体对CO气体的吸附能力。

步骤八、采集取气管5排出的气体，并检测排出的所述气体中的CO 气体浓度C；具体的，通过气相色谱仪分析气体成分，并记录由取气管5 排出的气体中CO气体的浓度，由于上述步骤七中，通入的CO气体浓度为 已知的，进而可以计算出被破碎的煤样吸附走的CO气体的浓度。

采用上述步骤一至步骤八对多个煤样实验完毕后，根据所记录的CO 气体浓度C的数值变化来观测煤体吸附CO气体的能力，即CO气体浓度C 的数值变化大说明煤体吸附CO气体的能力强，CO气体浓度C的数值变化 小说明煤体吸附CO气体的能力弱，CO气体浓度C的数值无变化则说明煤 体对CO气体无吸附，从而判断煤矿井下CO消失是否是由于煤体对CO气 体而消失的。

本实施例中，所述煤样为取自相同煤矿、相同煤层中相同的煤样。本 实施例中，选取七个煤样进行实验，第一次实验时的温度T为30℃，所述 温度T随实验次数逐渐递增1℃，即第二次实验时的温度T为31℃，第三 次实验时的温度T为32℃，第四次实验时的温度T为33℃，第五次实验 时的温度T为34℃，第六次实验时的温度T为35℃，第七次实验时的温 度T为36℃。

本实施例中，该研究煤矿井下CO消失机理的实验方法，通过对同一 煤矿的相同煤样在不同温度下分析出排出的CO气体浓度变化，进而检测 煤体对CO气体吸附能力，进而研究对于某一特定煤矿中相同煤样而言， 其CO气体消失是否是因为吸附的原因。该实验方法，操作简便，能够有 效隔绝外界因素的干扰，实验结果准确可靠。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡 是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效 结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。