阅读说明：本技术 一种煤矿井下煤层瓦斯含量自动化测量装置及测量方法 (Automatic measuring device and method for gas content of coal seam in coal mine ) 是由 康建宏 王有湃 刘应科 夏同强 于 2019-09-24 设计创作，主要内容包括：一种煤矿井下煤层瓦斯含量自动化测量装置及测量方法,由PLC控制器控制系统中的电磁阀Ⅰ、电磁阀Ⅱ、电磁阀Ⅲ、电磁阀Ⅳ、电磁阀Ⅴ、防爆伺服电机Ⅰ、防爆伺服电机Ⅱ、防爆高速电机的开闭和启停,中央多功能处理显示器通过感知液体压力传感器Ⅰ、液体压力传感器Ⅱ、气体压力传感器、温度传感器、甲烷浓度传感器、智能流量计的测量数据,对损失瓦斯量进行估计；随后不打开煤样罐,通过预设程序打碎煤样,减少瓦斯散失；最后系统自动校正各阶段的瓦斯含量,并计算出最终的煤层瓦斯含量,出具报告。本发明能够通过触控屏实现一键式操作,自动进行瓦斯解吸量的计量,大幅度提高煤层瓦斯含量的测量效率,且测定结果准确,结构简单、工艺操作方便。(An automatic measuring device and a measuring method for the gas content of a coal seam under a coal mine are disclosed, wherein a PLC (programmable logic controller) controls the opening, closing and starting of a solenoid valve I, a solenoid valve II, a solenoid valve III, a solenoid valve IV, a solenoid valve V, an explosion-proof servo motor I, an explosion-proof servo motor II and an explosion-proof high-speed motor in a system, and a central multifunctional processing display estimates the lost gas amount by sensing the measured data of a liquid pressure sensor I, a liquid pressure sensor II, a gas pressure sensor, a temperature sensor, a methane concentration sensor and an intelligent flowmeter; then, breaking the coal sample by a preset program without opening the coal sample tank, so as to reduce the loss of gas; and finally, automatically correcting the gas content of each stage by the system, calculating the final coal bed gas content, and issuing a report. The invention can realize one-key operation through the touch screen, automatically measure the gas desorption amount, greatly improve the measurement efficiency of the coal bed gas content, and has accurate measurement result, simple structure and convenient process operation.)

一种煤矿井下煤层瓦斯含量自动化测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种煤层瓦斯含量测量装置，具体是一种煤矿井下煤层瓦斯含量自动化测量装置及测量方法，属于煤矿瓦斯灾害防治技术领域。

背景技术

煤层瓦斯含量是进行瓦斯涌出量预测、瓦斯抽采效果评价和煤与瓦斯突出危险性预测的重要参数之一，目前我国普遍采用井下解吸法测定煤层瓦斯含量，并制定有国家标准《煤层瓦斯含量井下直接测定方法》(GB/T 23250-2009)。但如何快速准确测定煤层瓦斯含量，一直是煤矿瓦斯防治领域急待解决的难题。

目前，已公开的专利文献，例如中国发明专利2012年10月3日公开的一种公开号为CN102706768A的“瓦斯解吸仪”，由单片机控制实验过程，对水位高度进行监测，对瓦斯解吸量随时间变化规律进行分析计算，实现瓦斯解吸量的智能测定，该瓦斯解吸仪解吸采用排水集气法，解吸瓦斯产生的气泡导致水面起伏严重，影响读数可靠性；另外，解吸初期气量大，水量下降速度快，人工读数不准确。中国发明专利2013年5月1日公开的一种公开号为CN202916270U的“可井下测量的煤层防突瓦斯含量测定装置”，还是需要人工进行读数，量筒体积固定，超出部分无法测量；还需将采集到的煤样送到地面的实验室进行残余瓦斯含量的测定，测定周期长，且在运输过程中瓦斯易散失，造成测量结果偏小；测定数据需要人工进行计算拟合，过程繁琐，容易出错。

发明内容

本发明的目的是提供一种煤矿井下煤层瓦斯含量自动化测量装置及测量方法，能够自动进行瓦斯解吸量的计量，大幅度提高煤层瓦斯含量的测量效率，且数据准确，降低实验数据偏差率，系统结构简单、工艺操作方便。

为了实现上述目的，本发明提供一种煤矿井下煤层瓦斯含量自动化测量装置，包括煤样罐以及设置在煤样罐中的组合刀片，所述的组合刀片通过安装在煤样罐上的防爆高速电机带动，还包括感知环境温度的温度传感器和大气压力的气体压力传感器Ⅰ，煤样罐的上端通过管路连接针阀的一端，与针阀另一端连接的管路上依次设置气固分离器、甲烷浓度传感器后连接三通接头Ⅰ的进口，三通接头Ⅰ的第一出口通过电磁阀Ⅰ连接至智能流量计，三通接头Ⅰ的第二出口连接三通接头Ⅵ的进口，三通接头Ⅵ的第一出口连接气体压力传感器Ⅱ，三通接头Ⅵ的第二出口连接三通接头Ⅴ的进口，三通接头Ⅴ的第一出口通过电磁阀Ⅲ连接至三通接头Ⅲ的进口，三通接头Ⅲ的第一出口连接量筒Ⅰ的顶端入口，三通接头Ⅲ的第二出口通过电磁阀Ⅱ连接至三通接头Ⅱ的第一进口；三通接头Ⅴ的第二出口通过电磁阀Ⅳ连接至三通接头Ⅳ的进口，三通接头Ⅳ的第一出口连接量筒Ⅱ的顶端入口，三通接头Ⅳ的第二出口通过电磁阀Ⅴ连接至三通接头Ⅱ的第二进口；三通接头Ⅱ的出口连接防爆真空泵；在量筒Ⅰ、量筒Ⅱ的内部底端分别安装液体压力传感器Ⅰ、液体压力传感器Ⅱ；

量筒Ⅰ的底端侧壁通过胶管Ⅰ连通至集液罐Ⅰ的底部，在胶管Ⅰ上安装有电磁阀Ⅵ，在集液罐Ⅰ的底端安装有防爆伺服电机Ⅰ，蜗杆Ⅰ两端通过轴承固定在设备外壳上，防爆伺服电机Ⅰ驱动蜗轮带动蜗杆Ⅰ转动，使得集液罐Ⅰ沿着蜗杆Ⅰ上下移动；

量筒Ⅱ的底端侧壁通过胶管Ⅱ连通至集液罐Ⅱ的底部，在胶管Ⅱ上安装有电磁阀Ⅶ，在集液罐Ⅱ的底端安装有防爆伺服电机Ⅱ，蜗杆Ⅱ两端通过轴承固定在设备外壳上，防爆伺服电机Ⅱ驱动蜗轮带动蜗杆Ⅱ转动，使得集液罐Ⅱ沿着蜗杆Ⅱ上下移动；

温度传感器、气体压力传感器Ⅰ、气体压力传感器Ⅱ、智能流量计、甲烷浓度传感器、液体压力传感器Ⅰ、液体压力传感器Ⅱ分别通过线路将检测到的信号传送至中央多功能处理显示器的输入端口，中央多功能处理显示器的输出端口经线路连接至PLC控制器；

PLC控制器通过接收中央多功能处理显示器的指令来控制电磁阀Ⅰ、电磁阀Ⅱ、电磁阀Ⅲ、电磁阀Ⅳ、电磁阀Ⅴ、电磁阀Ⅵ、电磁阀Ⅶ、防爆真空泵的开启与关闭，以及控制防爆高速电机、防爆伺服电机Ⅰ、防爆伺服电机Ⅱ的转速信号。

为了加快瓦斯的快速解吸，本发明选择在煤样罐的侧面安装电磁加热圈。

为了保证系统的密封性，降低其他因素对该装置带来的影响，提高实验数据的数据性，的准确性，本发明将组合刀片的轴部通过机械密封件连接在煤样罐的顶端。

智能流量计有两个档位，分别为档位Ⅰ：量程0～500ml/min，档位Ⅱ：量程0～1000ml/min，可以根据实际测量流量，自动切换，使得计量结果更加准确；

煤样罐可装煤粉至少为1000g，耐压高于5Mpa。

液体压力传感器Ⅰ、液体压力传感器Ⅱ的量程均为0.1～1MPa，精度0.001MPa；气体压力传感器Ⅰ、气体压力传感器Ⅱ的测量范围为0.1～1MPa，精度0.001MPa；温度传感器的测量范围为0～95℃，精度0.05℃；甲烷浓度传感器量程为0～100.00％CH₄，精度1.00％CH₄。

防爆伺服电机Ⅰ、防爆伺服电机Ⅱ的转速均低于3000r/min；防爆高速电机的转速高于500r/min；量筒Ⅰ、量筒Ⅱ的体积均小于等于1500ml，集液罐Ⅰ、集液罐Ⅱ的体积均小于等于1500ml。

一种煤矿井下煤层瓦斯含量自动化测量方法，包括以下步骤：

①向量筒Ⅰ和量筒Ⅱ中加满无毒无害防腐蚀且带颜色的液体，开启测量装置，防爆电池为整个装置供电，在开始煤矿井下打钻的同时，点击中央多功能处理显示器上的开始采样按钮，当打钻取出煤屑后，剔除矸石、泥石及研磨烧焦的部分，称重，随后迅速装入煤样罐中并拧紧，并点击中央多功能处理显示器上的停止采样按钮，中央多功能处理显示器自动记录从打钻开始至将煤样装入煤样罐的时间t₁，随后在提示窗口输入称重的煤样质量m；

②由温度传感器器、气体压力传感器Ⅰ实时感知环境温度T和大气压力P，并分别通过线路传送到中央多功能处理显示器；

③打开针阀，点击中央多功能处理显示器上的开始自然解吸测定按钮，煤样罐中解吸的瓦斯气体先通过气固分离器，滤去随气流飘散的煤尘，然后经过甲烷浓度传感器感知解吸瓦斯气体的浓度，并将结果传送到中央多功能处理显示器；

④当甲烷浓度传感器有数据传到中央多功能处理显示器时，由PLC控制器控制电磁阀Ⅰ打开，电磁阀Ⅳ、电磁阀Ⅲ关闭，瓦斯气体率先通过智能流量计，并将结果传送到中央多功能处理显示器，中央多功能处理显示器根据瓦斯气体流量判定测定状态，并发出指令，开始步骤⑤；

⑤当感知到瓦斯气体流量为500～1000ml/min之间时，智能流量计采用档位Ⅱ的测量数据；当感知到瓦斯气体流量为100～500ml/min之间时，智能流量计采用档位Ⅰ的测量数据，并将数据传到中央多功能处理显示器，其中测量值为500ml/min时采用档位Ⅱ的测量数据；

⑥当感知到瓦斯气体流量为0～100ml/min之间时，由PLC控制器控制电磁阀Ⅰ、电磁阀Ⅳ、电磁阀Ⅱ、电磁阀Ⅴ关闭，电磁阀Ⅲ、电磁阀Ⅵ开启，瓦斯气体通过管路进入量筒Ⅰ中，与管路连通的气体压力传感器Ⅱ实时感知解吸瓦斯气体的压力，并将数据传送到中央多功能处理显示器，液体压力传感器Ⅰ通过感知量筒Ⅰ中液位变化引起的液压变化来测算解吸的瓦斯气体量，并将测算值传送到中央多功能处理显示器；在此过程中，瓦斯气体进入量筒Ⅰ中，将量筒Ⅰ中的液体通过胶管Ⅰ排入到集液罐Ⅰ中，此时中央多功能处理显示器根据气体压力传感器Ⅱ的测量数据，通过PLC控制器控制防爆伺服电机Ⅰ的运转来驱动涡轮使蜗杆Ⅰ转动，使得集液罐Ⅰ沿着蜗杆Ⅰ上下移动，保证气体压力传感器Ⅱ检测到的气体压力始终为大气压力，来保持集液罐Ⅰ与量筒Ⅰ中的液位平行，消除液压差产生的压力；

⑦当量筒Ⅰ中的液体量不足量筒Ⅰ高度的1/6时，由PLC控制器控制电磁阀Ⅰ、电磁阀Ⅲ、电磁阀Ⅴ关闭，电磁阀Ⅳ、电磁阀Ⅱ、电磁阀Ⅶ开启，管路中的瓦斯气体进入量筒Ⅱ中，与管路连通的气体压力传感器Ⅱ实时感知解吸瓦斯气体的压力，并将数据传送到中央多功能处理显示器，液体压力传感器Ⅱ通过感知量筒Ⅱ中液位变化引起的液压变化来测算解吸的瓦斯气体量，并将测算值传送到中央多功能处理显示器；在此过程中，瓦斯气体进入量筒Ⅱ中，将量筒Ⅱ中的液体通过胶管Ⅱ排入到集液罐Ⅱ中，此时中央多功能处理显示器根据气体压力传感器Ⅱ的测量数据，通过PLC控制器控制防爆伺服电机Ⅱ的运转来驱动涡轮使蜗杆Ⅱ转动，使得集液罐Ⅱ沿着蜗杆Ⅱ上下移动，保证气体压力传感器Ⅱ39检测到的气体压力始终为大气压力，来保持集液罐Ⅱ与量筒Ⅱ中的液位平行，消除液压差产生的压力；

同时，由PLC控制器控制防爆真空泵开启，抽净量筒Ⅰ中的瓦斯气体，并将集液罐Ⅰ中的液体吸回量筒Ⅰ；同理，当量筒Ⅱ中的液体量不足量筒Ⅱ高度的1/6时，由PLC控制器控制电磁阀Ⅰ、电磁阀Ⅳ、电磁阀Ⅱ关闭，电磁阀Ⅲ、电磁阀Ⅴ、电磁阀Ⅵ、防爆真空泵开启，瓦斯气体通路切换到由量筒Ⅰ计量，并通过抽净量筒Ⅱ中的瓦斯气体重新将液体补满，如此循环往复；

⑧在井下解吸瓦斯量测定过程中，每隔30s记录一次解吸瓦斯体积，连续记录60min或者解吸量小于2ml/min时，系统自动停止井下自然解吸瓦斯量测定，同时自动记录井下自然解吸瓦斯量的测定时间t₂和井下自然解吸瓦斯量V₂；

⑨待井下自然解吸瓦斯量测定完毕后，中央多功能处理显示器按照预先设定的煤样打碎程序，通过PLC控制器控制防爆高速电机带动组合刀片打碎煤样，同时电磁加热圈通电加热煤样罐中的煤样，加速解吸，并按照上述步骤③、④、⑤、⑥、⑦，自动计量并记录解吸的瓦斯体积；连续打碎10min后，系统自动停止打碎程序，随后继续测量30min，即完成了残余瓦斯含量的测定，并记录破碎瓦斯解吸量为V₃；

⑩各阶段瓦斯解吸量测定完成后，系统根据记录的煤样解吸数据，利用预设的瓦斯解吸动力学拟合模型，快速计算损失瓦斯量V₁，并自动对各阶段瓦斯解吸量进行气体体积校正与解吸瓦斯浓度的计算，从而得出煤层瓦斯含量；

测定和计算流程完毕后，防爆真空泵将液体全部吸入量筒Ⅰ和量筒Ⅱ中，同时电磁阀Ⅵ、电磁阀Ⅶ、电磁阀Ⅳ、电磁阀Ⅴ、电磁阀Ⅱ、电磁阀Ⅲ全部闭合，保证量筒Ⅰ和量筒Ⅱ中的液体在搬运过程中不会溢出；同时关闭针阀，防止杂物进入管路系统；

取出煤样，清理仪器，自动出具测定报告。

瓦斯解吸动力学拟合模型为：

其中：V_t为在时间t内解吸的气体总量；

V_∞为在无限时间内解吸的气体总量；

Φ为常数；

r₀为煤粒半径；

D_f为扩散系数；

λ、β为分数阶参数；

t为解吸时间。

为了方便观察液位高度，本发明将步骤①中的液体为高锰酸钾与水的配比液，高锰酸钾与水的比例为1:100。

与现有技术相比，本发明利用中央多功能处理显示器来显示智能流量计、甲烷浓度传感器、液体压力传感器Ⅰ、液体压力传感器Ⅱ检测到的各项参数，并在中央多功能处理显示器的界面实时展示，然后通过PLC控制器控制系统中的电磁阀Ⅰ、电磁阀Ⅱ、电磁阀Ⅲ、电磁阀Ⅳ、电磁阀Ⅴ、防爆伺服电机Ⅰ、防爆伺服电机Ⅱ、防爆高速电机的开闭和启停，通过感知液体压力传感器Ⅰ、液体压力传感器Ⅱ、气体压力传感器Ⅰ、气体压力传感器Ⅱ、温度传感器、甲烷浓度传感器、智能流量计的测量数据，按照预先内置的拟合模型，对损失瓦斯量进行估计；随后在不打开煤样罐的前提下，通过PLC控制程序打碎煤样，减少测量程序造成的瓦斯散失；最后系统自动校正各阶段瓦斯含量，并计算出最终的煤层瓦斯含量，出具报告。同时，该装置及方法测定精度高、速度快、智能化程度高，省去了将煤样带至井上实验室测定的流程，能够实现井下一站式测定瓦斯含量，操作简单，数据可靠，可大幅度提高煤矿井下煤层瓦斯含量测定的效率，减少人工工作量；其中智能流量计和由防爆真空泵、量筒Ⅰ、量筒Ⅱ、液体压力传感器Ⅰ、液体压力传感器Ⅱ、集液罐Ⅰ、防爆伺服电机Ⅰ、集液罐Ⅱ、防爆伺服电机Ⅱ构成的智能气排液装置联用弥补了现有系统大流量测不准和小流量测不到的缺陷，能够全范围测定各个时间段的瓦斯解吸量。

附图说明

图1是本发明的工作原理示意图。

图中：1、温度传感器，2、气体压力传感器，3、中央多功能处理显示器，4、PLC控制器，5、电磁阀Ⅰ，6、智能流量计，7、三通接头Ⅰ，8、防爆电池，9、甲烷浓度传感器，10、气固分离器，11、组合刀片，12、煤样罐，13、针阀，14、防爆真空泵，15、蜗杆Ⅰ，16、量筒Ⅰ，17、电磁阀Ⅱ，18、三通接头Ⅱ，19、三通接头Ⅲ，20、电磁阀Ⅲ，21、集液罐Ⅰ，22、防爆伺服电机Ⅰ，23、胶管Ⅰ，24、液体压力传感器Ⅰ，25、液体压力传感器Ⅱ，26、胶管Ⅱ，27、防爆伺服电机Ⅱ，28、集液罐Ⅱ，29、量筒Ⅱ，30、蜗杆Ⅱ，31、电磁阀Ⅳ，32、电磁阀Ⅴ，33、三通接头Ⅳ，34、三通接头Ⅴ，35、电磁阀Ⅵ，36、电磁阀Ⅶ，37、防爆高速电机，38、电磁加热圈，39、气体压力传感器Ⅱ，40、三通接头Ⅵ。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种煤矿井下煤层瓦斯含量自动化测量装置，包括煤样罐12以及设置在煤样罐12中的组合刀片11，所述的组合刀片11通过安装在煤样罐12上的防爆高速电机37带动，还包括感知环境温度的温度传感器1和大气压力的气体压力传感器2，本发明将防爆高速电机安装在煤样罐12的顶端，有利于防止煤粉滑落到电机轴承密封件中，延长防爆高速电机的使用寿命并保证系统的密封性能；煤样罐12的上端通过管路连接针阀13的一端，与针阀13另一端连接的管路上依次设置气固分离器10、甲烷浓度传感器9后连接三通接头Ⅰ7的进口，三通接头Ⅰ7的第一出口通过电磁阀Ⅰ5连接至智能流量计6，三通接头Ⅰ7的第二出口连接三通接头Ⅵ40的进口，三通接头Ⅵ40的第一出口连接气体压力传感器Ⅱ39，三通接头Ⅵ40的第二出口连接三通接头Ⅴ34的进口，三通接头Ⅰ7的第二出口连接三通接头Ⅴ34的进口，三通接头Ⅴ34的第一出口通过电磁阀Ⅲ20连接至三通接头Ⅲ19的进口，三通接头Ⅲ19的第一出口连接量筒Ⅰ16的顶端入口，三通接头Ⅲ19的第二出口通过电磁阀Ⅱ17连接至三通接头Ⅱ18的第一进口；三通接头Ⅴ34的第二出口通过电磁阀Ⅳ31连接至三通接头Ⅳ33的进口，三通接头Ⅳ33的第一出口连接量筒Ⅱ29的顶端入口，三通接头Ⅳ33的第二出口通过电磁阀Ⅴ32连接至三通接头Ⅱ18的第二进口；三通接头Ⅱ18的出口连接防爆真空泵14；在量筒Ⅰ16、量筒Ⅱ29的内部底端分别安装液体压力传感器Ⅰ24、液体压力传感器Ⅱ25；

量筒Ⅰ16的底端侧壁通过胶管Ⅰ23连通至集液罐Ⅰ21的底部，在胶管Ⅰ23上安装有电磁阀Ⅵ35，在集液罐Ⅰ21的底端安装有防爆伺服电机Ⅰ22，蜗杆Ⅰ15两端通过轴承固定在设备外壳上，防爆伺服电机Ⅰ22驱动蜗轮带动蜗杆Ⅰ15转动，使得集液罐Ⅰ21沿着蜗杆Ⅰ15上下移动；

量筒Ⅱ29的底端侧壁通过胶管Ⅱ26连通至集液罐Ⅱ28的底部，在胶管Ⅱ26上安装有电磁阀Ⅶ36，在集液罐Ⅱ28的底端安装有防爆伺服电机Ⅱ27，蜗杆Ⅱ30两端通过轴承固定在设备外壳上，防爆伺服电机Ⅱ27驱动蜗轮带动蜗杆Ⅱ30转动，使得集液罐Ⅱ28沿着蜗杆Ⅱ30上下移动；

温度传感器1、气体压力传感器Ⅰ2、气体压力传感器Ⅱ39、智能流量计6、甲烷浓度传感器9、液体压力传感器Ⅰ24、液体压力传感器Ⅱ25分别通过线路将检测到的信号传送至中央多功能处理显示器3的输入端口，中央多功能处理显示器3的输出端口经线路连接至PLC控制器4；

PLC控制器4通过接收中央多功能处理显示器3的指令来控制电磁阀Ⅰ5、电磁阀Ⅱ17、电磁阀Ⅲ20、电磁阀Ⅳ31、电磁阀Ⅴ32、电磁阀Ⅵ35、电磁阀Ⅶ36、防爆真空泵14的开启与关闭，以及控制防爆高速电机37、防爆伺服电机Ⅰ22、防爆伺服电机Ⅱ27的转速信号。

煤样罐12的侧面安装有电磁加热圈38。

组合刀片11的轴部通过机械密封件连接在煤样罐12的顶端。

智能流量计6有两个档位，分别为档位Ⅰ：量程0～500ml/min，档位Ⅱ：量程0～1000ml/min。

煤样罐12可装煤粉不少于1000g，耐压不低于5Mpa。

液体压力传感器Ⅰ24、液体压力传感器Ⅱ25的量程均为0.1～1MPa，精度0.001MPa；液体压力传感器Ⅰ24、液体压力传感器Ⅱ25可分别探测量筒Ⅰ16、量筒Ⅱ29的液位变化导致的液压变化来测算分别进入量筒Ⅰ16、量筒Ⅱ29中气体的体积；量筒Ⅰ16、量筒Ⅱ29的体积均小于等于1500ml，集液罐Ⅰ21、集液罐Ⅱ28的体积均小于等于1500ml，集液罐Ⅰ21、集液罐Ⅱ28的体积均不大于1500ml；以上数据均传送到中央多功能处理显示器3，省去了人工读数的步骤，提高数据准确度和计量效率；

气体压力传感器Ⅰ2、气体压力传感器Ⅱ39的测量范围为0.1～1MPa，精度0.001MPa；温度传感器1的测量范围为0～95℃，精度0.05℃；甲烷浓度传感器9量程为0～100.00％CH₄，精度1.00％CH₄。

防爆伺服电机Ⅰ22、防爆伺服电机Ⅱ27的转速均低于3000r/min；防爆高速电机37的转速高于500r/min，本申请的组合刀片11由防爆高速电机37带动，防爆高速电机37通过线路由PLC控制器4控制，可高速打碎煤样罐12中的煤样，省去了将煤样带到地面实验室进行破碎的步骤，能够实现井下一站式测定瓦斯含量，操作简单，数据可靠，可大幅度提高煤矿井下煤层瓦斯含量测定的效率，减少人工工作量。

一种煤矿井下煤层瓦斯含量自动化测量方法，包括以下步骤：

①向量筒Ⅰ16和量筒Ⅱ29中加满比例为1:100的高锰酸钾与水的配比液，开启测量装置，防爆电池8为整个装置供电，在开始煤矿井下打钻的同时，点击中央多功能处理显示器3上的开始采样按钮，当打钻取出煤屑后，剔除矸石、泥石及研磨烧焦的部分，称重，随后迅速装入煤样罐12中并拧紧，并点击中央多功能处理显示器3上的停止采样按钮，中央多功能处理显示器3自动记录从打钻开始至将煤样装入煤样罐12的时间t₁，随后在提示窗口输入称重的煤样质量m；

②由温度传感器器1、气体压力传感器Ⅰ2实时感知环境温度T和大气压力P，并分别通过线路传送到中央多功能处理显示器3；

③打开针阀13，点击中央多功能处理显示器3上的开始自然解吸测定按钮，煤样罐12中解吸的瓦斯气体先通过气固分离器10，滤去随气流飘散的煤尘，然后经过甲烷浓度传感器9感知解吸瓦斯气体的浓度，并将结果传送到中央多功能处理显示器3；

④当甲烷浓度传感器9有数据传到中央多功能处理显示器3时，由PLC控制器4控制电磁阀Ⅰ5打开，电磁阀Ⅳ31、电磁阀Ⅲ20关闭，瓦斯气体率先通过智能流量计6，并将结果传送到中央多功能处理显示器3，中央多功能处理显示器3根据瓦斯气体流量判定测定状态，并发出指令，开始步骤⑤；

⑤当感知到瓦斯气体流量为500～1000ml/min之间时，智能流量计6采用档位Ⅱ的测量数据；当感知到瓦斯气体流量为100～500ml/min之间时，智能流量计6采用档位Ⅰ的测量数据，并将数据传到中央多功能处理显示器3，其中测量值为500ml/min时采用档位Ⅱ的测量数据；

⑥当感知到瓦斯气体流量为0～100ml/min之间时，由PLC控制器4控制电磁阀Ⅰ5、电磁阀Ⅳ31、电磁阀Ⅱ17、电磁阀Ⅴ32关闭，电磁阀Ⅲ20、电磁阀Ⅵ35开启，瓦斯气体通过管路进入量筒Ⅰ16中，与管路连通的气体压力传感器Ⅱ39实时感知解吸瓦斯气体的压力，并将数据传送到中央多功能处理显示器3，液体压力传感器Ⅰ24通过感知量筒Ⅰ16中液位变化引起的液压变化来测算解吸的瓦斯气体量，并将测算值传送到中央多功能处理显示器3，在此过程中，瓦斯气体进入量筒Ⅰ16中，将量筒Ⅰ16中的液体通过胶管Ⅰ23排入到集液罐Ⅰ21中，此时中央多功能处理显示器3根据气体压力传感器Ⅱ39的测量数据，通过PLC控制器4控制防爆伺服电机Ⅰ22的运转来驱动涡轮使蜗杆Ⅰ15转动，使得集液罐Ⅰ21沿着蜗杆Ⅰ15上下移动，保证气体压力传感器Ⅱ39检测到的气体压力始终为大气压力，即保持集液罐Ⅰ21与量筒Ⅰ16中的液位平行，消除了二者因为液压差产生的压力；

⑦当量筒Ⅰ16中的液体量不足量筒Ⅰ16高度的1/6时，由PLC控制器4控制电磁阀Ⅰ5、电磁阀Ⅲ20、电磁阀Ⅴ32关闭，电磁阀Ⅳ31、电磁阀Ⅱ17、电磁阀Ⅶ36开启，管路中的瓦斯气体进入量筒Ⅱ29中，与管路连通的气体压力传感器Ⅱ39实时感知解吸瓦斯气体的压力，并将数据传送到中央多功能处理显示器3，液体压力传感器Ⅱ25通过感知量筒Ⅱ29中液位变化引起的液压变化来测算解吸的瓦斯气体量，并将测算值传送到中央多功能处理显示器3；在此过程中，瓦斯气体进入量筒Ⅱ29中，将量筒Ⅱ29中的液体通过胶管Ⅱ26排入到集液罐Ⅱ28中，此时中央多功能处理显示器3根据气体压力传感器Ⅱ39的测量数据，通过PLC控制器4通过控制防爆伺服电机Ⅱ27的运转来驱动涡轮使蜗杆Ⅱ30转动，使得集液罐Ⅱ28沿着蜗杆Ⅱ30上下移动，保证气体压力传感器Ⅱ39检测到的气体压力始终为大气压力，即保持集液罐Ⅱ28与量筒Ⅱ29中的液位平行，消除了二者因为液压差产生的压力；

同时，由PLC控制器4控制防爆真空泵14开启，抽净量筒Ⅰ16中的瓦斯气体，并将集液罐Ⅰ21中的液体吸回量筒Ⅰ16；同理，当量筒Ⅱ29中的液体量不足量筒Ⅱ29高度的1/6时，由PLC控制器4控制电磁阀Ⅰ5、电磁阀Ⅳ31、电磁阀Ⅱ17关闭，电磁阀Ⅲ20、电磁阀Ⅴ32、电磁阀Ⅵ35、防爆真空泵14开启，瓦斯气体通路切换到由量筒Ⅰ16计量，并通过抽净量筒Ⅱ29中的瓦斯气体重新将液体补满，如此循环往复，使液体能够循环利用，保证装置在煤矿井下无液体地点也能正常工作；

⑧在井下解吸瓦斯量测定过程中，每隔30s记录一次解吸瓦斯体积，连续记录60min或者解吸量小于2ml/min时，系统自动停止井下自然解吸瓦斯量测定，同时自动记录井下自然解吸瓦斯量的测定时间t₂和井下自然解吸瓦斯量V₂；

⑨待井下自然解吸瓦斯量测定完毕后，中央多功能处理显示器3会按照预先设定的煤样打碎程序，通过PLC控制器4控制防爆高速电机37带动组合刀片11打碎煤样，同时电磁加热圈通电加热煤样罐12中的煤样，加速解吸，并按照上述步骤③、④、⑤、⑥、⑦所述，自动计量并记录解吸的瓦斯体积；连续打碎10min后，系统自动停止打碎程序，随后继续测量30min，即完成了残余瓦斯含量的测定，并记录破碎瓦斯解吸量为V₃；

⑩各阶段瓦斯解吸量测定完成后，系统根据记录的煤样解吸数据，利用预设的瓦斯解吸动力学拟合模型，快速计算损失瓦斯量V₁，并自动对各阶段瓦斯解吸量进行气体体积校正与解吸瓦斯浓度的计算，从而得出煤层瓦斯含量；

测定和计算流程完毕后，防爆真空泵14将液体全部吸入量筒Ⅰ16和量筒Ⅱ29中，同时电磁阀Ⅵ35、电磁阀Ⅶ36、电磁阀Ⅳ31、电磁阀Ⅴ32、电磁阀Ⅱ17、电磁阀Ⅲ20全部闭合，保证量筒Ⅰ16和量筒Ⅱ29中的液体在搬运过程中不会溢出；同时关闭针阀13，防止杂物进入管路系统；

取出煤样，清理仪器，自动出具测定报告。

瓦斯解吸动力学拟合模型为：

其中：V_t为在时间t内解吸的气体总量；

V_∞为在无限时间内解吸的气体总量；

Φ为常数；

r₀为煤粒半径；

D_f为扩散系数；

λ、β为分数阶参数；

t为解吸时间。

实施例

①向量筒Ⅰ16和量筒Ⅱ29中加满1：100的高锰酸钾与水的配比液，开启测量装置电源，在开始煤矿井下打钻的同时，点击中央多功能处理显示器上的开始采样按钮，当打钻取出钻屑后，剔除矸石、泥石及研磨烧焦的部分，称重，随后迅速装入煤样罐并拧紧，并点击中央多功能处理显示器上的停止采样按钮，中央多功能处理显示器自动记录打钻至装入煤样罐的时间为10min，随后在提示窗口输入称重的煤样质量400g；

②度传感器1和气体压力传感器Ⅰ2实时感知环境温度25℃和大气压力0.1MPa，并分别通过线路传送到中央多功能处理显示器3；

③打开针阀13，点击中央多功能处理显示器3上的开始自然解吸测定按钮，煤样罐12中解吸的瓦斯气体先通过气固分离器10，滤去随气流飘散的煤尘，然后经过甲烷浓度传感器9感知解吸瓦斯气体的浓度，并将结果传送到中央多功能处理显示器3；

④当甲烷浓度传感器9有数据传到中央多功能处理显示器3时，由PLC控制器4控制电磁阀Ⅰ5打开，电磁阀Ⅳ31、电磁阀Ⅲ20关闭，瓦斯气体率先通过智能流量计6，并将结果传送到中央多功能处理显示器3，中央多功能处理显示器3根据瓦斯气体流量判定测定状态，并发出指令；

⑤若瓦斯气体流量为250ml/min，则智能流量计6采用档位Ⅰ的测量数据，并将数据传到中央多功能处理显示器3；

⑥当瓦斯气体流量为0～100ml/min之间时，由PLC控制器4控制电磁阀Ⅰ5、电磁阀Ⅳ31、电磁阀Ⅱ17、电磁阀Ⅴ32关闭，电磁阀Ⅲ20、电磁阀Ⅵ35开启，瓦斯气体通过管路进入量筒Ⅰ16中，与管路联通的气体压力传感器Ⅱ39实时感知解吸瓦斯气体的压力，并将数据传送到中央多功能处理显示器3，液体压力传感器Ⅰ24通过感知量筒Ⅰ16中液位变化引起的液压变化来测算解析解吸的瓦斯气体量，并将测算值传送到中央多功能处理显示器3，在此过程中，瓦斯气体进入量筒Ⅰ16中，将量筒Ⅰ16中的液体通过胶管Ⅰ23排入到集液罐Ⅰ21中，此时中央多功能处理显示器3根据气体压力传感器Ⅱ39的测量数据，通过同时PLC控制器4通过控制防爆伺服电机Ⅰ22的运转来驱动涡轮使蜗杆Ⅰ15转动，使得集液罐Ⅰ21沿着蜗杆Ⅰ15上下移动，保证气体压力传感器Ⅱ39检测到的气体压力始终为大气压力，即来保持集液罐Ⅰ21与量筒Ⅰ16中的液位平行，消除了二者因为液压差产生的压力；

⑦当量筒Ⅰ16中的液体量不足量筒Ⅰ16高度的1/6时，由PLC控制器4控制电磁阀Ⅰ5、电磁阀Ⅲ20、电磁阀Ⅴ32关闭，电磁阀Ⅳ31、电磁阀Ⅱ17、电磁阀Ⅶ36开启，管路中的瓦斯气体进入量筒Ⅱ29中，与管路联通的气体压力传感器Ⅱ39实时感知解吸瓦斯气体的压力，并将数据传送到中央多功能处理显示器3，液体压力传感器Ⅱ25通过感知量筒Ⅱ29中液位变化引起的液压变化来测算解析解吸的瓦斯气体量，并将测算值传送到中央多功能处理显示器3，；在此过程中，瓦斯气体进入量筒Ⅱ29中，将量筒Ⅱ29中的液体通过胶管Ⅱ26排入到集液罐Ⅱ28中，此时中央多功能处理显示器3根据气体压力传感器Ⅱ39的测量数据，同时通过PLC控制器4通过控制防爆伺服电机Ⅱ27的运转来驱动涡轮使蜗杆Ⅱ30转动，使得集液罐Ⅱ28沿着蜗杆Ⅱ30上下移动，保证气体压力传感器Ⅱ39检测到的气体压力始终为大气压力，即来保持集液罐Ⅱ28与量筒Ⅱ29中的液位平行，消除了二者因为液压差产生的压力；

同时，由PLC控制器4控制防爆真空泵14开启，抽净量筒Ⅰ16中的瓦斯气体，并将集液罐Ⅰ21中的液体吸回量筒Ⅰ16；同理，当量筒Ⅱ29中的液体量不足量筒Ⅱ29高度的1/6时，由PLC控制器4控制电磁阀Ⅰ5、电磁阀Ⅳ31、电磁阀Ⅱ17关闭，电磁阀Ⅲ20、电磁阀Ⅴ32、电磁阀Ⅵ35、防爆真空泵14开启，瓦斯气体通路切换到由量筒Ⅰ16计量，并通过抽净量筒Ⅱ29中的瓦斯气体重新将液体补满，如此循环往复；

⑧在井下解吸瓦斯量测定过程中，每隔30s记录一次解吸瓦斯体积，连续记录60min，系统自动停止井下自然解吸瓦斯量测定，同时自动记录井下自然解吸瓦斯量的测定时间为60min和井下自然解吸瓦斯量为800ml；

⑨待井下自然解吸瓦斯量测定完毕后，中央多功能处理显示器3会按照预先设定的煤样打碎程序通过PLC控制器4控制防爆高速电机37带动组合刀片11程序打碎煤样，同时电磁加热圈通电加热煤样罐12中的煤样，加速解吸，并按照上述步骤③、④、⑤、⑥、⑦所述，自动计量并记录解吸的瓦斯体积；连续打碎10min后，系统自动停止打碎程序，随后继续测量30min，即完成了残余瓦斯含量的测定，并记录破碎瓦斯解吸量为400ml；

⑩各阶段瓦斯解吸量测定完成后，系统根据记录的煤样解吸时的上述参数，利用预设的瓦斯解吸动力学拟合模型，快速计算损失瓦斯量为600ml，并自动对各阶段瓦斯解吸量进行气体体积校正与解吸瓦斯浓度的计算，从而得出煤层瓦斯含量为4.5m³/t；

测定和计算流程完毕后，防爆真空泵14将液体全部吸入量筒Ⅰ16和量筒Ⅱ29中，同时电磁阀Ⅵ35、电磁阀Ⅶ36、电磁阀Ⅳ31、电磁阀Ⅴ32、电磁阀Ⅱ17、电磁阀Ⅲ20全部闭合，保证量筒Ⅰ16和量筒Ⅱ29中的液体在搬运过程中不会溢出；同时关闭针阀13，防止杂物进入管路系统；

取出煤样，清理仪器，自动出具测定报告。

本发明的整个测定流程2h内即可完成，能够快速为评价煤层突出危险性提供判定指标。