一种松散介质液氮渗流运移特征测试实验装置及方法与流程

本发明涉及液氮渗流运移特征测试技术领域，特别是涉及一种松散介质液氮渗流运移特征测试实验装置及方法。

背景技术：

我国煤矿自然发火事故十分严重，全国煤矿中有56％的矿井存在煤层自然发火危险，其中厚煤层开采自然发火更为严重。煤矿采空区自燃发生时，受制于煤矿工作面作业空间和监测手段的影响，当前还无法实现煤矿采空区深部高温自燃点的准确探测。当前国内外主要使用的煤矿采空区自燃治理方法有：注水灌浆、惰性气体、均压防灭火、凝胶灭火、泡沫灭火等，以上技术对于治理煤自燃发挥了重要作用，但是由于煤矿采空区自燃点位置判定困难，除惰性气体外的其它火区治理方法很难直接作用于发火区域。然而，惰性气体由于良好的流动性和扩散性既容易作用于高温发火区域也容易扩散流失，因此注惰所产生的窒息作用及流动带走的热量对于遗煤自燃的治理作用有限。随着液态惰气制备和冷藏运输技术的发展，液惰直注技术在矿井火灾治理中被逐渐应用，该技术充分利用液氮相变吸热快速降低高温松散介质温度。但是由于缺乏液氮在松散介质内液、气运移及换热过程研究，导致现场应用液氮时其注入参数设计缺乏理论支撑，难以发挥液氮的最佳灭火性能，致使液氮注入后火区内仍然存在高温区域，延误火区治理时间。

当液氮注入松散介质后，液氮首先沸腾汽化，然后液氮和低温气体在重力和惯性力的作用下深入松散介质底部沿着孔隙进行最优流动路径渗流，低温氮气在液氮汽化膨胀作用下进行强迫对流扩散。随着液氮水平移动距离的增加，液、气两态中液氮比例逐渐降低直至完全汽化，其中完全汽化位置距液氮注入口的间距称完全汽化半径。在完全汽化半径内，松散介质内高温主要通过液氮汽化吸热和低温氮气驱替置换作用进行消除，该范围内的降温效果最为直接和有效。在完全汽化半径外，低温氮气仅是通过热量驱替置换作用进行高温抑制，其对高温松散介质的热量置换并不充分，当液氮注入不连续时，该区域积存气体又会被高温破碎煤岩加热。

当前关于液氮直注煤矿采空区后的液氮渗流运移特征研究较少，致使对液氮直注煤矿采空区时的热置换过程及效率缺乏认识，液氮在煤矿采空区内的运移特性与煤矿采空区内的渗透率、平台倾角、液氮注入参数有关，因此通过在实验室搭建物理相似模型开展不同参数变化下，研究液氮在松散介质内的运移路径及完全汽化半径，为煤矿采空区火灾救灾时液氮注入参数的设计提供依据。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种松散介质液氮渗流运移特征测试实验装置及方法，弥补现有技术存在的空白，能够测定煤矿采空区松散介质内液氮运移路径、完全汽化半径及汽化速率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种松散介质液氮渗流运移特征测试实验装置，包括实验箱、液氮注入系统、数据采集仪以及与所述数据采集仪连接的信息处理终端；

所述实验箱用于盛放松散介质；

在所述实验箱的侧面设置有液氮注入口和压差温度测量口；在所述压差温度测量口处设置有压差计和温度测量计；所述液氮注入系统中的液氮输送管通过伸入到所述液氮注入口内以实现液氮注入所述实验箱；

在所述实验箱底部的设定区域上布置有多个温度传感器；

在所述实验箱的顶部开设有气体释放口，且在所述气体释放口处设置有气体质量流量计；

所述气体质量流量计、所述压差计、所述温度测量计以及所有所述温度传感器均与所述数据采集仪连接。

可选的，所述装置还包括箱体倾斜结构；所述箱体倾斜结构，设置在所述实验箱底部的调整区域下，用于调整所述实验箱的倾斜角度。

可选的，所述液氮注入系统包括液氮罐、电子天平和氮气罐；所述氮气罐中存储有高压氮气；所述液氮罐设置在所述电子天平上；所述液氮罐通过氮气输送管与所述氮气罐连通。

可选的，在所述氮气输送管上设置有减压阀。

可选的，所述液氮注入口和所述压差温度测量口对角设置在所述实验箱的同一侧面。

可选的，所述温度传感器均匀的布置在所述设定区域内。

一种基于松散介质液氮渗流运移特征测试实验装置的方法，包括：

步骤一，预处理；具体为使用氮气对实验箱内部的气体进行置换，然后在实验箱内填充不同粒径的松散介质；

步骤二，记录实验箱倾斜角度；

步骤三，调整液氮进入实验箱的速度并记录；

步骤四，记录实验箱底部的温度信息、压差温度测量口出的压力信息以及气体释放口处的气体质量流量信息。

可选的，所述方法还包括：

步骤五，调整实验箱倾斜角度，重复步骤三至步骤四。

可选的，所述方法还包括：

步骤六，更换松散介质，重复步骤一至步骤五。

可选的，所述松散介质为煤或者石子。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种松散介质液氮渗流运移特征测试实验装置及方法，该测试实验装置能够模拟不同松散介质导热率、不同松散介质渗透率、不同实验平台倾角、不同液氮注入速度条件下液氮沿平台底部的运移路径区域变化、运移速度及液氮汽化率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例松散介质液氮渗流运移特征测试实验平台的结构示意图；

图2为本发明实施例液氮注入系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

图1为本发明实施例松散介质液氮渗流运移特征测试实验平台的结构示意图；图2为本发明实施例液氮注入系统的结构示意图。

参见图1至图2，本实施例提供的松散介质液氮渗流运移特征测试实验装置主要包括实验箱1、液氮注入系统、数据采集仪2以及与所述数据采集仪2连接的信息处理终端3。

实验箱1顶部盖可以打开，用于填装松散介质。该松散介质为不同粒径的介质，该松散介质为石子或者煤。

在实验箱1的侧面设置有液氮注入口4和压差温度测量口5；在压差温度测量口5处设置有压差计和温度测量计；液氮注入系统中的液氮输送管21通过伸入到液氮注入口4内以实现液氮注入实验箱1。

在实验箱1底部的设定区域上布置有多个温度传感器6。

在实验箱1的顶部开设有气体释放口7，且在气体释放口7处设置有气体质量流量计。

气体质量流量计、压差计、温度测力计以及所有温度传感器均与数据采集仪2连接。

液氮注入系统还包括液氮罐22、电子天平23和氮气罐24；氮气罐24中存储有高压氮气；液氮罐22设置在电子天平23的上；液氮罐24通过氮气输送管25与氮气罐24连通，且在氮气输送管25上还设置有减压阀26。

通过调节减压阀26可以将高压氮气压入液氮罐22，液氮在氮气压力作用下就会通过液氮输送管21排出，其排出的大小与高压氮气的供给量正相关，另外还可以通过电子天枰23可以实时监测液氮罐22的重量变化，进而可以监测液氮的输送量。

该装置还包括箱体倾斜结构；箱体倾斜结构，设置在实验箱1底部的调整区域下，用于调整所述实验箱1的倾斜角度。其中，设定区域位于实验箱1底部的中央区域，调整区域为位于在实验箱1底部的两端区域。

信息处理终端1通过数据采集仪2实时获取实验箱1底板的温度信息、压差温度测量口5处的压力信息和温度信息，以及气体释放口7处的气体质量流量信息；信息处理终端1通过内置的温度插值方法和获取的实验箱1底板的温度信息绘制随时间变化的等温线变化图以分析液氮扩散路径；信息处理终端1通过内置的液氮汽化率计算方法以及压差温度测量口5处的压力信息和温度信息、气体释放口7处的气体质量流量信息计算液氮汽化速率。

其中，液氮汽化率的计算方法：

假设液氮注入质量流量为akg/s，气体释放口监测到的气体质量流量为bkg/s，压差温度测量口监测到实验箱内外的压差为cmpa，温度为tk，实验箱内原有氮气质量为m1kg，实验箱充填完松散介质后的剩余体积为dm³(忽略液氮充入后所占体积)，因此：

(1)实验箱内的气体质量m2为：m2＝pvm/rt

式中：p＝(c+1)×101325pa

v＝d

m＝0.028kg/mol

r＝8.314

(2)液氮的汽化速率q为：

作为一种优选的实施例，液氮注入口4和压差温度测量口5对角设置在实验箱1的同一侧面，且液氮注入口4在压差温度测量口5的下面。

作为一种优选的实施例，温度传感器6均匀的布置在所述设定区域内。

作为一种优选的实施例，信息处理终端3为电脑。

作为一种优选的实施例，实验箱1由透明亚克力板构成。

实施例二

本发明采用实施例一提供的装置，提供了一种实验方法，具体包括如下步骤：

步骤一，预处理；具体为使用氮气对实验箱内部的气体进行置换，然后在实验箱内填充不同粒径的松散介质。

步骤二，记录实验箱倾斜角度。

步骤三，调整液氮进入实验箱的速度并记录。

步骤四，记录实验箱底部的温度信息、压差温度测量口出的压力信息以及气体释放口处的气体质量流量信息。

步骤五，调整实验箱倾斜角度，重复步骤三至步骤四。

步骤六，更换松散介质，重复步骤一至步骤五。

实验人员根据实施例一中提供的计算方法绘制随时间变化的等温线变化图以分析液氮扩散路径，根据实施例一中提供的计算方法计算液氮汽化速率。

实施例三

本发明采用实施例一提供的装置，还提供了一种实验方法，具体包括如下步骤：

步骤1、实验开始之前先使用氮气对实验箱内气体进行置换，然后通过实验箱顶部分别填充直径为1-2cm，2-3cm，3-5cm的石子作为松散介质进行实验(平均粒径的不同会导致松散介质渗透率的差异)。

步骤2、将实验箱倾斜角度调整为水平(即0度)，通过调节减压阀调整氮气进液氮罐的速度，进而调整液氮进入实验箱内的速度。

步骤3、液氮通过液氮注入口注入实验箱内后，利用温度传感器监测实验箱底板各地点温度变化，采用信息处理终端中的温度插值方法绘制实验箱底板随时间变化的等温线变化图，来于分析液氮扩散路径。

步骤4、通过压差计实时监测实验箱内压力变化，温度测量计实时监测实验箱内的温度变化，结合气体释放口处的气体质量流量计测量结果，采用信息处理终端中的液氮汽化率计算方法反算液氮汽化率，最终分析渗透率对于液氮运移路径及汽化速率的影响。

步骤5、分别调整实验平台倾角为15度，30度，45度和60度，重复步骤1-4实验过程，分析实验平台倾角对于液氮运移路径及汽化速率的影响。

步骤6、将填充介质改为煤，重复步骤1-5实验过程，分析充填介质的差异对液氮运移路径及汽化速率的影响。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。