[发明专利]一种煤与瓦斯突出的检测装置和检测方法

权利要求书

1.一种煤与瓦斯突出的检测装置，其特征在于：包括高速摄像机、信息采集装置以及试样罐；

所述试样罐置于恒温水浴中，所述试样罐用于装载具有瓦斯吸附性的煤样或不具有瓦斯吸附性的岩样样品，试样罐分别连接温度控制装置、压力控制阀和高精度压力表，所述温度控制装置由温度控制器和控制开关组成；试样罐上还装有管路控制阀门；

试样罐的一端固定连接圆锥形筒，圆锥形筒上带有刻度，高速摄像机设置在圆锥形筒的开口处正对面，高速摄像机与信息采集装置连接；所述带有刻度的圆锥形筒管内部设有应变片瞬时测力器。

2.根据权利要求1所述的煤与瓦斯突出的检测装置，其特征在于：所述岩样样品具有与煤样样品相同的密度、粒径大小，但无吸附性，以岩样样品作对比进行煤与瓦斯突出模拟实验。

3.根据权利要求1所述的煤与瓦斯突出的检测装置，其特征在于：所述的高精度压力表，采用精确度为小数点后三位的数字压力表。

4.根据权利要求1所述的煤与瓦斯突出的检测装置，其特征在于：所述的压力控制阀，能对阀门进行压力设置，使其达到压力的预定设置值时，控制阀门自动开启，使煤样中的瓦斯从其薄弱点突出。

5.根据权利要求1所述的煤与瓦斯突出的检测装置，其特征在于：所述的圆锥形筒由透明的有机材料制成，便于高速摄像机对煤与瓦斯突出瞬态的图像信息的采集。

6.根据权利要求1所述的煤与瓦斯突出的检测装置，其特征在于：所述的应变片瞬时测力器均匀设置在圆锥形筒中，且与圆锥形筒的轴线方向垂直设置。

7.一种煤与瓦斯突出的检测方法，采用权利要求1~6任一项所述的煤与瓦斯突出的检测装置，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、煤样的选取与破碎：采集现场煤层的煤样严密封装，在实验室进行破碎，用标准筛对破碎后的煤样进行筛分，使煤样的粒径在0.2-0.25mm之间；

步骤2、通过荧光染料对破碎的煤进行染色，得到荧光煤，使高速摄像机能更加清晰的采集图像信息，采集的信息更加准确、辨识度更高；

步骤3、将煤样装入空试样罐中，经煤样死空间测定装置进行测定，得到装煤试样罐死空间V_煤死；

步骤4、在圆锥形筒中安装瞬时测力器，检查系统确保连接的可靠，将恒温水浴调整到预定值30℃；

步骤5、高速摄像机的安装与调试：按照设定的实验目的和实验场景放置目标物，同时根据光线强弱对图像采集的摄像机进行曝光和增益的调整，以达到实验的目标；

步骤6、打开第一管路控制阀门与气体减压阀进行充气，将通过第一管路控制阀门向装煤样试样罐以1mL/min的速率充入CH₄高压气源，使装煤试样罐中的煤粉处于吸附平衡状态，当试样罐中瓦斯压力达到一定值时，自动控制压力阀门打开瞬间，突出的煤与瓦斯气体经过连接在试样罐一端的带有刻度的圆锥筒管释放出来；

步骤7、采用高速摄像机视觉成像技术多角度地将荧光煤的碰撞角度α、瓦斯各个突出气体体积Q信息的采集，全面准确记录煤与瓦斯突出发展过程中的运移情况；

步骤8、采集装煤试样罐中的气体量Q与时间t的数据传送到计算机信息采集装置中，然后做出Q-t图；采集各时刻的瞬时测力器上的力值F；

步骤9. 整理实验记录，根据实际气体状态方程PV=nRTZ，分析计算数据；根据荧光煤的碰撞角度α及碰撞后的路径分析计算出突出瞬间的力值F₀ 及突出时的角度α₀ =α；

步骤10.将试样罐中的煤样替换为与煤样具有相同的密度、粒径大小，但无吸附性的岩样样品，使装岩样样品的试样罐的死空间满足V_岩死=V_煤死，重复上述步骤。

8.根据权利要求7所述的煤与瓦斯突出的检测方法，其特征在于：所述的荧光煤，通过荧光染料对粒径在0.2-0.25mm之间的煤进行染色，染色后可使煤呈现出颜色，便于高速摄像机信息收集，且不改变煤的其他性质。

9.根据权利要求7所述的煤与瓦斯突出的检测方法，其特征在于：所述煤样死空间测定装置包括U型管、装煤试样罐和甲烷高压气源，甲烷高压气源出口设有第一管路控制阀门，装煤试样罐与真空泵连接的管道上设有第二管路控制阀门，装煤试样罐和甲烷高压气源连通且连通管道上设有减压阀；U型管由底部连通的第一直管和第二直管组成，通过调节第一直管和第二直管的相对高度来调节U型管内液面的高度；第一直管和第二直管底部的连通管上设有第四管路控制阀门，装煤试样罐与U型管的第二直管连接且通过第三管路控制阀门控制其开闭；

煤样死空间测定方法为：

①首先在U型管内通过排水法收集200ml的氦气，量筒中装有红色液体，液体上方为收集的氦气；

②打开真空泵对装煤试样罐进行脱气，脱气完毕后装煤试样罐中处于负压状态，关闭第二管路控制阀门；

③打开U型管的第三、第四管路控制阀门，此时试样罐中为负压，量筒中的氦气在负压作用下会进入到试样罐中，认为氦气占据了试样罐的死空间，调节U型管第一直管和第二直管的相对位置，使得在进氦气的过程中U形管两端液面时刻保持持平，设液面终止高度为V_终，则进入试样罐中氦气体积就是200-V_终；

④当量筒内的氦气不再进入试样罐时，调整U型管的高度使U型管第一直管和第二直管左右液面高度一致，关闭U型管第三、第四管路控制阀门，读取U型管内液面终止所在高度，可得到进入试样罐中的氦气的体积，即为装煤试样罐死空间V_煤死。