松散煤体中放射性氡多角度扩散实验装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种松散煤体中放射性氡多角度扩散实验装置，包括扩散管道、第一人字梯、第二人字梯、钢丝绳、恒温油槽和智能温度巡回检测仪表，第一人字梯下方固定有底座，第一人字梯顶部安装定滑轮，扩散管道底部一端支撑在底座顶部，扩散管道底部另一端支撑在第二人字梯上，扩散管道另一端顶部与钢丝绳一端连接，钢丝绳另一端绕过定滑轮且固定在底座上，扩散管道包括外管和内管，内管两端均穿出外管且端部连接有法兰，内管内设有取样棍，取样棍上安装有多个活性炭吸附球，恒温油槽与扩散管道的环形腔体连通，内管内设有温度传感器。本发明通过调节扩散管道的角度，进行不同方向上氡的扩散实验，完善对氡运移和吸附规律的研究。
【专利说明】松散煤体中放射性氡多角度扩散实验装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种扩散实验装置，尤其是涉及一种松散煤体中放射性氡多角度扩散 实验装置。
【背景技术】
[0002] 煤炭是我国重要的基础能源，是不可再生资源。煤层自燃严重威胁着矿井的安全 生产，而且造成资源大量浪费，然而煤层自燃火灾发生于地下数百米深处，由于人员无法靠 近以及火源的隐蔽性，给防灭防火工作带来了巨大困难。因此，自燃火源位置的精确探测一 直是煤矿安全生产中的重大难题之一。地面同位素测氡法探测火源位置作为一种行之有效 的技术已在自燃发火严重的矿井进行了应用，但没有形成一个完善的理论，因此，深入研究 煤地下自燃时岩层中氡的运移规律，可进一步提高同位素测氡法探测煤层自燃火源位置的 精度，可有效的解决矿井火源位置探测这一关键技术，对煤层火灾治理意义重大。目前，对 于煤体中放射性氡坚直方向上的运移规律已经有所研究，但由于煤矿井下火源存在于一个 空间，氡的扩散是各向的，仅研究氡在单一坚直方向上的运移和吸附规律，不能满足氡法探 测火源的需要，且无法保证探测结果的准确性。因此，需充分考虑氡的空间各向扩散特性， 在水平和倾斜方向上进行进一步研究，完善和扩充氡的运移和吸附规律，为氡法探测火源 提供可靠依据，提高探测精度，及时消除火源，保证煤炭企业安全生产。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种松散煤体中放射性氡多 角度扩散实验装置，其特别适用于煤体中放射性氡在水平或倾斜方向上的扩散及吸附规律 研究，该装置可以设置煤样的温度、粒度和空隙度等多个变量进行实验，满足不同的实验需 求，最大限度贴近煤矿井下实际条件，较准确地模拟煤体中放射性氡的扩散及吸附过程，为 矿井中煤层自燃隐蔽火源位置的探测提供一定的理论指导。
[0004] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种松散煤体中放射性氡多角度扩 散实验装置，其特征在于：包括扩散管道、第一人字梯、第二人字梯、底座、钢丝绳、恒温油 槽、智能温度巡回检测仪表和设置在所述扩散管道内的取样棍，所述第一人字梯、第二人字 梯和底座均固定在基面上，所述底座设置在第一人字梯的下方且与第一人字梯固定连接， 所述第一人字梯的顶部安装有定滑轮，所述扩散管道穿过第一人字梯和第二人字梯且底部 一端支撑在底座的顶部，所述扩散管道与底座转动连接，所述扩散管道的底部另一端支撑 在第二人字梯上且能够在第二人字梯上调节支撑位置，所述扩散管道的另一端顶部与钢丝 绳的一端连接，所述钢丝绳的另一端绕过定滑轮且固定在底座上，所述扩散管道包括外管 和内管，所述内管的两端均穿出外管且端部均连接有法兰，所述外管的两端均与内管密封， 所述外管与内管之间形成环形腔体，所述取样棍设置在内管内，所述取样棍上安装有多个 活性炭吸附球，所述环形腔体通过第一连接管和第二连接管与恒温油槽连通且经恒温油槽 的内置油泵与环形腔体形成循环回路，所述内管内设置有用于检测其内部所放煤样温度的 温度传感器，所述温度传感器通过高温线与智能温度巡回检测仪表的接线端连接且由智能 温度巡回检测仪表显示所检测温度。
[0005] 上述的松散煤体中放射性氡多角度扩散实验装置，其特征在于：所述底座的顶部 固定有轴承座，所述轴承座内安装有轴承，所述轴承座的数量为两个且两个轴承座前后对 称设置，两个轴承之间连接有转轴，所述转轴的中部固定有连接座，所述连接座与外管固定 连接。
[0006] 上述的松散煤体中放射性氡多角度扩散实验装置，其特征在于：所述第二人字梯 的前侧由上至下固定有多个第一限位环，所述第二人字梯的后侧由上至下固定有多个第二 限位环，所述第一限位环和第二限位环均设置在第二人字梯的右部，所述第一限位环和第 二限位环的位置相对应，所述外管通过支撑架支撑在第二人字梯上，所述支撑架的形状为T 字形，所述支撑架的横梁两端分别卡入第一限位环和第二限位环。
[0007] 上述的松散煤体中放射性氡多角度扩散实验装置，其特征在于：所述第一连接管 的一端与恒温油槽的出口连接，所述第一连接管的另一端与环形腔体的进口连接，所述第 二连接管的一端与环形腔体的出口连接，所述第二连接管的另一端与恒温油槽的进口连 接，所述第一连接管上均设置有第一阀门，所述第二连接管上设置有第二阀门。
[0008] 上述的松散煤体中放射性氡多角度扩散实验装置，其特征在于：所述取样棍上还 安装有多个煤样吸附球，所述煤样吸附球设置在靠近活性炭吸附球位置处，多个活性炭吸 附球均匀设置，多个煤样吸附球均匀设置。
[0009] 上述的松散煤体中放射性氡多角度扩散实验装置，其特征在于：所述活性炭吸附 球和煤样吸附球均通过铁丝固定在取样棍上，所述活性炭吸附球由第一铁丝网和设置在第 一铁丝网内的活性炭组成，所述煤样吸附球由第二铁丝网和设置在第二铁丝网内的煤样组 成。
[0010] 上述的松散煤体中放射性氡多角度扩散实验装置，其特征在于：所述温度传感器 的数量为多个，多个温度传感器均匀设置在内管内。
[0011] 上述的松散煤体中放射性氡多角度扩散实验装置，其特征在于：所述钢丝绳通过 手拉葫芦固定在底座上，所述手拉葫芦的其中一个挂钩与钢丝绳连接，所述手拉葫芦的另 一个挂钩勾挂在底座上。
[0012] 上述的松散煤体中放射性氡多角度扩散实验装置，其特征在于：所述恒温油槽为 GX-2050型恒温油槽，所述智能温度巡回检测仪表为XMZ-J型温度巡回检测仪表。
[0013] 上述的松散煤体中放射性氡多角度扩散实验装置，其特征在于：所述第二连接管 为不锈钢软管，所述第一连接管靠近恒温油槽的一段为不锈钢软管。
[0014] 本发明与现有技术相比具有以下优点：
[0015] 1、本发明可通过调节扩散管道的角度，进行不同方向上氡的扩散实验，填补在水 平和倾斜方向上的研究空缺，完善对氡运移和吸附规律的研究，为氡法探测矿井煤火提供 一定的理论依据。
[0016] 2、本发明能最大限度贴近煤矿井下实际条件，充分考虑影响氡运移和吸附的各种 因素，可以设置煤样的温度、粒度和空隙度等多个变量进行实验，较准确模拟矿井中放射性 氡在不同方向上的扩散及吸附过程，保证研究成果的科学性和实用性。
[0017] 3、本发明结构稳定、安全性高，结构简单、加工成本小，且安装、拆卸和操作方便。
[0018] 下面通过附图和实施例，对本发明做进一步的详细描述。
【专利附图】
【附图说明】
[0019] 图1为本发明的结构示意图。
[0020] 图2为图1的A处放大图。
[0021] 图3为图1的B处放大图。
[0022] 图4为图1去除第一限位环、第二限位环、支撑架和手拉葫芦后的右视图。
[0023] 图5为图2的C处放大图。
[0024] 图6为本发明第二人字梯、支撑架、外管和内管的安装关系示意图。
[0025] 图7为图6的左视图。
[0026] 图8为本发明取样棍、活性炭吸附球和煤样吸附球的安装关系示意图。
[0027] 图9为本发明活性炭吸附球的结构示意图。
[0028] 图10为本发明煤样吸附球的结构示意图。
[0029] 附图标记说明：
[0030] 1 一环形腔体； 2-恒温油槽； 3-智能温度巡回检测仪表；
[0031] 4 一温度传感器； 5-取样棍； 6-支撑架；
[0032] 7-定滑轮； 8-底座； 9 一轴承座；
[0033] 9-1 一轴承； 9-2-转轴； 9-3-连接座；
[0034] 10-1一第一人字梯；1〇-2-第二人字梯；11-1 一第一连接管；
[0035] 11-2-第二连接管；12-钢丝绳； 13-1-第一阀门；
[0036] 13-2一第二阀门； 14-1一第一限位环；14-2-第二限位环；
[0037] 15-外管； 16-内管； 17-法兰；
[0038] 18-活性炭吸附球；18-1-第一铁丝网；18-2-活性炭；
[0039] 19-金属棍； 20-手拉葫芦； 21-煤样吸附球；
[0040] 21-1-第二铁丝网；21-2-煤样； 22-铁丝；
[0041 ] 23一袖矿石。
【具体实施方式】
[0042] 如图1至图5所示，本发明包括扩散管道、第一人字梯10-1、第二人字梯10-2、底 座8、钢丝绳12、恒温油槽2、智能温度巡回检测仪表3和设置在所述扩散管道内的取样棍 5,所述第一人字梯10-1、第二人字梯10-2和底座8均固定在基面上，所述底座8设置在第 一人字梯10-1的下方且与第一人字梯10-1固定连接，所述第一人字梯10-1的顶部安装有 定滑轮7,所述扩散管道穿过第一人字梯10-1和第二人字梯10-2且底部一端支撑在底座 8的顶部，所述扩散管道与底座8转动连接，所述扩散管道的底部另一端支撑在第二人字梯 10-2上且能够在第二人字梯10-2上调节支撑位置，所述扩散管道的另一端顶部与钢丝绳 12的一端连接，所述钢丝绳12的另一端绕过定滑轮7且固定在底座8上，所述扩散管道包 括外管15和内管16,所述内管16的两端均穿出外管15且端部均连接有法兰17,所述外管 15的两端均与内管16密封，所述外管15与内管16之间形成环形腔体1，所述取样棍5设 置在内管16内，所述取样棍5上安装有多个活性炭吸附球18,所述环形腔体1通过第一连 接管11-1和第二连接管11-2与恒温油槽2连通且经恒温油槽2的内置油泵与环形腔体1 形成循环回路，所述内管16内设置有用于检测其内部所放煤样温度的温度传感器4,所述 温度传感器4通过高温线与智能温度巡回检测仪表3的接线端连接且由智能温度巡回检测 仪表3显示所检测温度。
[0043] 如图1、图2、图4和图5所示，所述底座8的顶部固定有轴承座9,所述轴承座9内 安装有轴承9-1,所述轴承座9的数量为两个且两个轴承座9前后对称设置，两个轴承9-1 之间连接有转轴9-2,所述转轴9-2的中部固定有连接座9-3,所述连接座9-3与外管15固 定连接。
[0044] 如图1、图3、图6和图7所示，所述第二人字梯10-2的前侧由上至下固定有多个第 一限位环14-1，所述第二人字梯10-2的后侧由上至下固定有多个第二限位环14-2,所述第 一限位环14-1和第二限位环14-2均设置在第二人字梯10-2的右部，所述第一限位环14-1 和第二限位环14-2的位置相对应，所述外管15通过支撑架6支撑在第二人字梯10-2上， 所述支撑架6的形状为T字形，所述支撑架6的横梁两端分别卡入第一限位环14-1和第二 限位环14-2。第二人字梯10-2上设置供支撑架6穿过的多个第一限位环14-1和多个第二 限位环14-2,通过支撑架6对扩散管道施加向上的支撑力，以将调节角度后的扩散管道稳 定固定在第二人字梯10-2上，保证实验装置的稳定性和安全性。实际制作时，可根据扩散 管道的旋转角度，增设合理数量的第一限位环14-1和第二限位环14-2。
[0045] 如图1所示，所述第一连接管11-1的一端与恒温油槽2的出口连接，所述第一连 接管11-1的另一端与环形腔体1的进口连接，所述第二连接管11-2的一端与环形腔体1的 出口连接，所述第二连接管11-2的另一端与恒温油槽2的进口连接，所述第一连接管11-1 上均设置有第一阀门13-1，所述第二连接管11-2上设置有第二阀门13-2。
[0046] 如图1和图8所示，所述取样棍5上还安装有多个煤样吸附球21，所述煤样吸附 球21设置在靠近活性炭吸附球18位置处，多个活性炭吸附球18均匀设置，多个煤样吸附 球21均匀设置；煤样吸附球21的设置提高了实验精度。
[0047] 如图1、图8、图9和图10所示，所述活性炭吸附球18和煤样吸附球21均通过铁丝 22固定在取样棍5上，所述活性炭吸附球18由第一铁丝网18-1和设置在第一铁丝网18-1 内的活性炭18-2组成，所述煤样吸附球21由第二铁丝网21-1和设置在第二铁丝网21-1 内的煤样21-2组成。
[0048] 如图1所示，所述温度传感器4的数量为多个，多个温度传感器4均匀设置在内管 16内，提高了温度检测准确性。
[0049] 如图1所示，所述钢丝绳12通过手拉葫芦20固定在底座8上，所述手拉葫芦20 的其中一个挂钩与钢丝绳12连接，所述手拉葫芦20的另一个挂钩勾挂在底座8上；手拉葫 芦20可通过钢丝绳12对扩散管道施加一定的拉力，使扩散管道倾斜一定的角度。
[0050] 本实施例中，所述恒温油槽2为GX-2050型恒温油槽，所述智能温度巡回检测仪表 3为XMZ-J型温度巡回检测仪表，能很好的满足实验需求。
[0051] 本实施例中，所述第二连接管11-2为不锈钢软管，所述第一连接管11-1靠近恒温 油槽2的一段为不锈钢软管，便于连接和扩散管道的角度调节。
[0052] 如图8所示，所述取样棍5由多根金属棍19组成，相邻金属棍19之间通过螺纹方 式连接，方便装卸。
[0053] 本实施例中，所述第一人字梯10-1、第二人字梯10-2和底座8均通过膨胀螺栓固 定在基面上，所述底座8与第一人字梯10-1的连接方式为焊接。
[0054] 本实施例中，所述外管15和内管16均为不锈钢管，所述底座8为不锈钢底座，所 述第一人字梯10-1和第二人字梯10-2均为不锈钢人字梯，所述支撑架6为不锈钢支撑架， 使得整体实验装置强度大和刚度高。
[0055] 本发明的工作原理为：氡是自然界唯一的天然放射性气体，它广泛存在于岩石和 土壤中。地下煤自燃引起周围煤岩体温度升高，使煤岩体内原本稳定的放射性氡气体分子 开始活跃运动，发生不断运移和吸附的过程，且受温度、煤岩体粒度、空隙度等因素的影响， 氡运移和吸附的剧烈程度会产生不同的变化，因此造成煤岩体内氡的不均匀分布。在一定 时间内，煤岩体内氡浓度与火源的空间位置关系呈现出一定的相关性和规律性。因此，研究 出地下煤火引起放射性氡运移和吸附规律，可为煤矿井下氡法探测隐蔽火源提供一定的理 论依据。
[0056] 本发明利用氡源（铀矿石）模拟煤火源，通过调节扩散管道的角度，实现煤火引发 煤岩体中放射性氡在不同方向上的运移和吸附过程。本发明充分考虑影响氡运移和吸附的 各种因素，可设置扩散角度、温度、煤岩体粒度、空隙度等变量，进行全面系统地研究。通过 测得不同变量条件下，扩散管道1内与氡源不同距离处氡的浓度及吸附量，拟合得出氡的 运移和吸附数学模型，进而可得到氡运移和吸附规律，指导于工程实践。
[0057] 本发明进行扩散实验的具体操作过程为：制取预定数量的第一铁丝网18-1和第 二铁丝网21-1，在每个第一铁丝网18-1中装入等量的活性炭18-2,形成活性炭吸附球18 ; 在每个第二铁丝网21-1中装入等量的煤样21-2,形成煤样吸附球21，然后以一个活性炭吸 附球18和一个煤样吸附球21为一组，用铁丝22按照预设间距成组均匀的捆扎在取样棍5 上，并按离氡源距离由近及远进行编号，将安装有活性炭吸附球18和煤样吸附球21的取样 棍5放入内管16中。打开扩散管道两端的法兰17,将煤样装入环形腔体1内（装入环形腔 体1内的煤样与煤样21-2为同一煤样），同时将温度传感器4埋入煤样中，关闭法兰17,封 闭扩散管道。通过恒温油槽2设定油温，待油加热到指定温度后，打开恒温油槽2的内置油 泵、第一阀门13-1和第二阀门13-2。使油循环流动，加热内管16中的煤样，待煤样温度达 到指定温度后，打开扩散管道的左端法兰17,放入铀矿石23作为氡源，关闭法兰17以封闭 扩散管道。拉动手拉葫芦20,将扩散管道倾斜到预定角度，调节支撑架6的位置，使其插装 在相应的第一限位环14-1和第二限位环14-2中，确保支撑架6稳固的支撑在扩散管道的 底部。扩散吸附一定时间后，将扩散管道中的煤样取出，拿出取样棍5,将活性炭吸附球18 中的活性炭和煤样吸附球21中的煤样取出，分别密封在专用样品瓶中，测量活性炭18-2和 煤样21-2中吸附氡的量。如需水平方向上测量活性炭18-2和煤样21-2中吸附氡的量，则 无需倾斜扩散管道。
[0058] 实验过程中，智能温度巡回检测仪表3可实时显示温度传感器4所检测的煤样温 度；实验中可以设置煤样的温度、粒度和空隙度多个变量，满足不同的实验需求，最大限度 贴近煤矿井下实际条件，较准确的模拟矿井中放射性氡的水平扩散及吸附过程。
[0059] 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。
【权利要求】
1. 一种松散煤体中放射性氡多角度扩散实验装置，其特征在于：包括扩散管道、第一 人字梯（10-1)、第二人字梯（10-2)、底座（8)、钢丝绳（12)、恒温油槽（2)、智能温度巡回检 测仪表（3)和设置在所述扩散管道内的取样棍（5)，所述第一人字梯（10-1)、第二人字梯 (10-2)和底座（8)均固定在基面上，所述底座（8)设置在第一人字梯（10-1)的下方且与第 一人字梯（10-1)固定连接，所述第一人字梯（10-1)的顶部安装有定滑轮（7)，所述扩散管 道穿过第一人字梯（10-1)和第二人字梯（10-2)且底部一端支撑在底座（8)的顶部，所述 扩散管道与底座（8)转动连接，所述扩散管道的底部另一端支撑在第二人字梯（10-2)上且 能够在第二人字梯（10-2)上调节支撑位置，所述扩散管道的另一端顶部与钢丝绳（12)的 一端连接，所述钢丝绳（12)的另一端绕过定滑轮（7)且固定在底座（8)上，所述扩散管道 包括外管（15)和内管（16)，所述内管（16)的两端均穿出外管（15)且端部均连接有法兰 (17) ，所述外管（15)的两端均与内管（16)密封，所述外管（15)与内管（16)之间形成环形 腔体（1)，所述取样棍（5)设置在内管（16)内，所述取样棍（5)上安装有多个活性炭吸附球 (18) ，所述环形腔体（1)通过第一连接管（11-1)和第二连接管（11-2)与恒温油槽（2)连 通且经恒温油槽（2)的内置油泵与环形腔体（1)形成循环回路，所述内管（16)内设置有用 于检测其内部所放煤样温度的温度传感器（4)，所述温度传感器（4)通过高温线与智能温 度巡回检测仪表（3)的接线端连接且由智能温度巡回检测仪表（3)显示所检测温度。
2. 按照权利要求1所述的松散煤体中放射性氡多角度扩散实验装置，其特征在于：所 述底座（8)的顶部固定有轴承座（9)，所述轴承座（9)内安装有轴承（9-1)，所述轴承座（9) 的数量为两个且两个轴承座（9)前后对称设置，两个轴承（9-1)之间连接有转轴（9-2)，所 述转轴（9-2)的中部固定有连接座（9-3)，所述连接座（9-3)与外管（15)固定连接。
3. 按照权利要求1或2所述的松散煤体中放射性氡多角度扩散实验装置，其特征在 于：所述第二人字梯（10-2)的前侧由上至下固定有多个第一限位环（14-1)，所述第二人字 梯（10-2)的后侧由上至下固定有多个第二限位环（14-2)，所述第一限位环（14-1)和第二 限位环（14-2)均设置在第二人字梯（10-2)的右部，所述第一限位环（14-1)和第二限位环 (14-2)的位置相对应，所述外管（15)通过支撑架（6)支撑在第二人字梯（10-2)上，所述支 撑架￠)的形状为T字形，所述支撑架￠)的横梁两端分别卡入第一限位环（14-1)和第二 限位环（14-2)。
4. 按照权利要求1或2所述的松散煤体中放射性氡多角度扩散实验装置，其特征在于： 所述第一连接管（11-1)的一端与恒温油槽（2)的出口连接，所述第一连接管（11-1)的另 一端与环形腔体（1)的进口连接，所述第二连接管（11-2)的一端与环形腔体（1)的出口连 接，所述第二连接管（11-2)的另一端与恒温油槽（2)的进口连接，所述第一连接管（11-1) 上均设置有第一阀门（13-1)，所述第二连接管（11-2)上设置有第二阀门（13-2)。
5. 按照权利要求1或2所述的松散煤体中放射性氡多角度扩散实验装置，其特征在于： 所述取样棍（5)上还安装有多个煤样吸附球（21)，所述煤样吸附球（21)设置在靠近活性炭 吸附球（18)位置处，多个活性炭吸附球（18)均匀设置，多个煤样吸附球（21)均匀设置。
6. 按照权利要求5所述的松散煤体中放射性氡多角度扩散实验装置，其特征在于：所 述活性炭吸附球（18)和煤样吸附球（21)均通过铁丝（22)固定在取样棍（5)上，所述活性 炭吸附球（18)由第一铁丝网（18-1)和设置在第一铁丝网（18-1)内的活性炭（18-2)组成， 所述煤样吸附球（21)由第二铁丝网（21-1)和设置在第二铁丝网（21-1)内的煤样（21-2) 组成。
7. 按照权利要求1或2所述的松散煤体中放射性氡多角度扩散实验装置，其特征在于： 所述温度传感器（4)的数量为多个，多个温度传感器（4)均匀设置在内管（16)内。
8. 按照权利要求1或2所述的松散煤体中放射性氡多角度扩散实验装置，其特征在于： 所述钢丝绳（12)通过手拉葫芦（20)固定在底座（8)上，所述手拉葫芦（20)的其中一个挂 钩与钢丝绳（12)连接，所述手拉葫芦（20)的另一个挂钩勾挂在底座（8)上。
9. 按照权利要求1或2所述的松散煤体中放射性氡多角度扩散实验装置，其特征在于： 所述恒温油槽（2)为GX-2050型恒温油槽，所述智能温度巡回检测仪表（3)为XMZ-J型温 度巡回检测仪表。
10. 按照权利要求1或2所述的松散煤体中放射性氡多角度扩散实验装置，其特征在 于：所述第二连接管（11-2)为不锈钢软管，所述第一连接管（11-1)靠近恒温油槽（2)的一 段为不锈钢软管。
【文档编号】G01N33/00GK104155419SQ201410431281
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月28日 优先权日:2014年8月28日
【发明者】张辛亥, 王辉, 郭戎, 成小雨 申请人:西安科技大学