一种模拟采空区自然发火及三带分布的实验系统及方法与流程

本发明属于煤炭开采技术领域，涉及一种模拟采空区自然发火及三带分布的实验系统及方法。

背景技术：

煤炭自燃是煤炭开采和储运过程中常见的灾害之一，造成资源的极大浪费，严重威胁人们的生命财产。以往研究表明，煤自燃的发生和发展是一个极其复杂的、动态变化的、自动加速的物理化学过程，加上煤是一种物理结构和化学矿物质组成极其复杂的不均匀体，其确切的分子结构模型尚无定论，很难从理论上搞清煤自燃发生和发展的过程。另外，由于煤自燃常发生于地下数百米深处的采空区，人员无法接近，火源的隐蔽性，使得自燃火源位置的精确探测成为防灭火的关键技术。迄今为止，国内外还没有一种十分有效的探测方法来准确对煤炭自燃进行早期预报和确定其位置。因此，研究发明一种模拟煤自然发火及三带分布的实验装置及方法，实验不同煤种、氧浓度、煤厚等条件下的采空区煤自燃和不同分布带煤燃烧时的气体运移和成分变化、温度分布，监测自燃过程温度、气体组分变化，气体运移趋势，对煤的氧化性、放热性及煤自燃过程中的其它一些特性参数进行研究，并提出煤自燃过程判断指标，对煤炭自燃进行早期预报。具有至关重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种模拟采空区自然发火及三带分布的实验系统及方法，本发明的有益效果是可以在实验室准确有效地模拟密封条件下采空区煤自然发火和不同分布带燃烧的全过程。

本发明所采用的技术方案是包括实验炉体部分、采空区相似材料部分、供风和排气部分、气体采集与分析部分、自动测温和监控系统、机械部分六部分组成。

所述实验炉体主要包括：炉体外层钢板、普通砖层、聚氨酯隔热层、水夹层、耐火砖层、进风管、回风管、顶盖、出煤口。

所述采空区相似材料部分包括：煤层、相似材料底板、模拟的采煤工作面、拱形镂空护管。

所述供能和排气部分包括：鼓风机、换热器、换热器控制柜、气体压力表、气体测温热电偶、涡街流量计、加热管。

所述气体采集与分析部分包括：取气束管、气体采集器、气相色谱仪。

所述自动测温和监控系统部分包括：多点热电偶测杆、热电偶、温度采集模块、工控机。

所述压力和密封部分包括：千斤顶、连接支架、密封钢板。

进一步，模拟采空区自然发火的方法，包括以下步骤：

步骤1，相似材料的选取

根据相似原理理论，以河砂为骨料，粘土为胶结物，利用正交试验和全面实验方法分析不同材料配比下的单轴抗压强度，并与利用相似原理计算的抗压强度进行对比，确定满足相似比的不同顶底板岩层河砂和粘土配比；在工作现场采集所需煤块，作为实验用煤。选取黄土作为覆盖层。根据现场实际厚度的1/10～1/30的几何缩放比确定煤层和顶底板相似材料的厚度。

步骤2，模拟采空区系统的构建

通过不同压力的千斤顶铺设三部分采煤工作面，分别是散热带、自燃带和窒息带，形成煤自燃“三带”，“三带”煤体松散致密程度由大到小排列，并将煤自然“三带”分别用密封钢板密封。

所述实验炉进风管、进风巷、采煤工作面、回风巷以及回风管构成了模拟采空区及工作面系统的进回风系统，进风巷、采煤工作面和回风巷均由拱形镂空护管构建，可模拟进风巷和工作面向采空区内的漏风。

步骤3，测温和取气束管布置

在铺设采空区煤层及顶板相似材料的同时，在相应位置点埋设多点热电偶测杆和取气束管，测杆和取气束管与相似材料紧密接触，取气束管取气口有防尘保护，防止漏风。

所述多点热电偶测杆高度方向由下到上共布置多个热电偶测点，能监测到采空区底板到顶板不同高度上的温度值。热电偶测杆呈网格化布置，可以监测到整个采空区三维空间的温度值。

所述取气束管在采空区范围内呈网格化分布，每个位置的取气束管可对采空区高度方向上的多个位置点进行取气，从而分析得到煤自燃“三带”和采空区三维空间的气体组分、浓度分布和演化规律。

步骤4，相似模拟材料及采空区系统的铺设

在实验炉体内自下而上敷设相似材料底板、煤自燃“三带”，边铺设边利用不同压力的千斤顶进行压实处理，使其具有一定的强度，满足采空区顶底板岩层强度相似比的要求。

从煤层开始，在进风巷、采煤工作面和回风巷铺设拱形镂空护管，支撑煤体形成一定的通道空间，以构建采空区和工作面的进回风系统。所述进风巷与实验炉上的进风管相连，回风巷与实验炉上的回风管相连。

步骤5，采空区煤自然发火过程的模拟

由于进风巷和和采煤工作面的漏风，导致采空区内遗煤与氧气接触，在煤氧的物理吸附、化学吸附和氧化反应作用下，产生微小的热量，且在一定条件下氧化产热速率大于向环境的散热速率，产生热量积聚使得煤体温度缓慢而持续地上升，当达到煤的临界自热温度后，氧化升温速率加快，最后达到煤的着火点温度而燃烧起来，由此称之为煤自然发火过程。

煤自燃是煤的氧化产热与向环境散热的矛盾发展的结果，因此只要与煤自燃过程产热和热量向环境散热相关的因素都能影响煤的自然发火过程。可分为内在因素和外在因素。其内在因素包括煤化程度、煤的水分、煤岩成分、煤的含硫量、煤的粒度与孔隙结构、煤的瓦斯含量；其外在因素包括煤层地质赋存条件(煤层厚度、倾角、埋藏深度、地质构造及围岩性质)、采掘技术因素(采区回采速度、回采期、采空区丢煤量及其集中程度、顶板管理方法、煤柱及其破坏程度、采空区封闭难易等)、通风管理因素(采空区密封量)。

步骤6，煤自燃“三带”分布区发火过程模拟

将加热管插入在散热带或自燃带某一点，通过加热而使该点煤体达到着火点而燃烧起来。

本发明所述的一种模拟采空区自然发火和三带分布的实验装置，既可以对某一特定条件下的采空区进行煤自然发火过程的模拟；又可以采用控制变量法，对影响煤自燃的一个或多个因素开展试验研究。

上述步骤5中对某一特定条件下的采空区煤自然发火过程的模拟子步骤包括：根据现场采空区的实际情况，包括上述内在因素和外在因素，在实验室尺度采用相似理论模拟采空区煤自然发火过程，得到采空区自然发火期；采空区自燃高温区范围及扩展规律，包括着火点(火源)位置、范围、着火强度，温度场分布的研究；采空区自燃指标气体浓度、组分、分布及扩展规律。上述步骤6通过对不同位置进行人工燃烧得到不同分布带燃烧对着火强度、温度场分布、气体浓度、组分、分布和扩展规律的影响。

上述步骤5、6中采用控制变量法对影响煤自燃的一个或多个因素开展试验研究的子步骤包括：选取上述内在因素和外在因素中的一个或多个影响因素，通过该因素的数值变化，研究该因素对煤自然发火过程的影响程度，分析该因素变化对煤自燃主要特征(如自然发火期、温度场、浓度场分布、指标气体变化规律等)、自然发火期以及采空区的影响规律。

步骤7，数据监测与分析

本发明所述实验过程中的主要监测数据为：进风参数(温度、压力、流量)、回风参数(温度、压力、流量、气体组分)、采空区监测点温度值、采空区监测点气体组分和浓度值。

所述进风参数由布置于进气管路上的气体测温热电偶、气体压力表、涡街流量计等设备监测；所述回风参数由布置于回风管路上的气体测温热电偶、气体压力表、涡街流量计、气相色谱仪等设备监测；所述采空区监测点温度值由布置于采空区内的多点热电偶测杆内的热电偶监测；所述采空区监测点气体组分和浓度值由布置于采空区内的取气束管和气相色谱仪等设备监测。

所有监测数据通过数据采集模块采集并输送到工控机，由相关监测软件进行数据的记录、分析和存储。

附图说明

图1为煤自燃“三带”煤体松散破碎程度分布图

图2为采空区煤自燃模拟实验装置立面图；

图3为采空区煤自燃模拟实验装置平面系统图；

图4为三带分布图。

图中：图中：1-炉体外层钢板；2-普通砖层；3-聚氨酯绝热层；4-水夹层；5-耐火砖层；6-千斤顶；7-顶盖；8-出煤口；9-相似材料底板；10-窒息带；11-煤层；12-自燃带；13-热电偶；14-取气束管；15-拱形镂空护管；16-进风管；17-回风管；18-散热带；19-鼓风机；20-换热器；21-换热器控制柜；22-气体压力表；23-气体测温热电偶；24-涡街流量计；25-温度采集模块；26-气体采集器；27-气相色谱仪；28-工控机；29-进风巷；30-回风巷；31-模拟的采煤工作面；32-多点热电偶测杆；33-密封钢板；34-连接支架；35-加热管。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明系统如图1和图2所示，实验炉体主要包括：炉体外层钢板1、普通砖层2、聚氨酯隔热层3、水夹层4、耐火砖层5、进风管16、回风管17、顶盖7、出煤口8。本发明实验炉体整体为圆柱体，实验炉外径为3.73m，实验炉体内内径为2.8m，实验炉体内净高为2.5m。

所述采空区相似材料部分包括：煤层11、相似材料底板9、窒息带10、自燃带12、散热带18、拱形镂空护管15、进风巷29、回风巷30、模拟的采煤工作面31。所述采空区范围为1.4m×2.0m区域，相似材料底版高0.3m，煤自燃“三带”高0.6m。

所述供能和排气部分包括：鼓风机19、换热器20、换热器控制柜21、气体压力表22、气体测温热电偶23、涡街流量计24、加热管35。

所述气体采集与分析部分包括：取气束管14、气体采集器32、气相色谱仪33。

所述自动测温和监控系统部分包括：多点热电偶测杆32、热电偶13、温度采集模块25、工控机28。

所述压力和密封部分包括：千斤顶6、密封钢板33、连接支架34。

本发明试验方法如图3所示，包括以下步骤：

步骤1，相似材料的选取

根据相似原理理论，以河砂为骨料，粘土、石膏为胶结物，利用正交试验和全面实验方法分析不同材料配比下的单轴抗压强度，并与利用相似原理计算的抗压强度进行对比，确定满足相似比的不同顶底板岩层河砂和粘土配比；在工作现场采集所需煤块，作为实验用煤。选取黄土作为覆盖层。根据现场实际厚度的1/10～1/30的几何缩放比确定煤层和顶底板相似材料的厚度，基于相似材料配比铺设煤层及顶底板相似材料。

步骤2，模拟采空区系统的构建

通过铺设拱形镂空护管15构建采空区及工作面的进风巷29、回风巷30。

所述实验炉进风管16、进风巷29、回风巷30以及回风管17构成了模拟采空区及工作面系统的进回风系统，进风巷29、采煤工作面31和回风30巷均由拱形镂空护管15构建，可模拟进风巷29和工作面31向采空区内的漏风。

步骤3，测温和取气布置

在铺设采空区煤层11及煤自燃“三带”的同时(三带分布如图4)，在相应位置点埋设多点热电偶测杆32和取气束管14，测杆32和取气束管14与相似材料紧密接触，取气束管14取气口有防尘保护，以防漏风，确保密封。

所述多点热电偶测杆32高度方向由下到上共布置多个热电偶13测点，能监测到“三带”不同高度上的温度值。热电偶测杆32呈网格化布置，可以监测到整个采空区三维空间的温度值。

所述取气束管14在采空区范围内呈网格化分布，每个位置的取气束管14可对采空区高度方向上的多个位置点进行取气，从而分析得到采空区三维空间的气体组分、浓度分布和演化规律。

步骤4，相似模拟材料及采空区系统的铺设

在实验炉体内最下层敷设相似材料底板9，在其上铺设1.4m×2.0m的煤自燃“三带”-窒息带10、自燃带12、散热带18，分别用70mpa、50mpa、30mpa的千斤顶进行压实处理，并用密封钢板33密封。

从煤层8开始，在进风巷29、采煤工作面31和回风巷30铺设拱形镂空护管15，支撑煤体形成一定的通道空间，以构建采空区和工作面的进回风系统。所述进风巷29与实验炉上的进风管16相连，回风巷30与实验炉上的回风管17相连。

步骤5，采空区煤自然发火过程的模拟

由于进风巷29和采煤工作面31的密封，导致采空区内遗煤与氧气接触，在煤氧的物理吸附、化学吸附和氧化反应作用下，产生微小的热量，且在一定条件下氧化产热速率大于向环境的散热速率，产生热量积聚使得煤体温度缓慢而持续地上升，当达到煤的临界自热温度后，氧化升温速率加快，最后达到煤的着火点温度而燃烧起来，由此称之为煤自然发火(或煤自燃)过程。

煤自燃是煤的氧化产热与向环境散热的矛盾发展的结果，因此只要与煤自燃过程产热和热量向环境散热相关的因素都能影响煤的自然发火过程。可分为内在因素和外在因素。其内在因素包括煤化程度、煤的水分、煤岩成分、煤的含硫量、煤的粒度与孔隙结构、煤的瓦斯含量；其外在因素包括煤层地质赋存条件(煤层厚度、倾角、埋藏深度、地质构造及围岩性质)、采掘技术因素(采区回采速度、回采期、采空区丢煤量及其集中程度、顶板管理方法、煤柱及其破坏程度、采空区封闭难易等)、通风管理因素(采空区密封量)。

步骤6，煤自燃“三带”分布区发火过程模拟

将加热管35插入在散热带18或自燃带12某一位置，通过加热而使该位置煤体达到着火点而燃烧起来。

本发明所述的一种模拟采空区自然发火和三带分布的实验装置，既可以对某一特定条件下的采空区进行煤自然发火过程的模拟；又可以采用控制变量法，对影响煤自燃的一个或多个因素开展试验研究。

上述步骤5中对某一特定条件下的采空区煤自然发火过程的模拟子步骤包括：根据现场采空区的实际情况，包括上述内在因素和外在因素，在实验室尺度采用相似理论模拟采空区煤自然发火过程，得到采空区自然发火期；采空区自燃高温区范围及扩展规律，包括着火点(火源)位置、范围、着火强度，温度场分布的研究；采空区自燃指标气体浓度、组分、分布及扩展规律。上述步骤6通过对不同位置进行人工燃烧得到不同分布带燃烧对着火强度、温度场分布、气体浓度、组分、分布和扩展规律的影响。

上述步骤5、6中采用控制变量法对影响煤自燃的一个或多个因素开展试验研究的子步骤包括：选取上述内在因素和外在因素中的一个或多个影响因素，通过该因素的数值变化，研究该因素对煤自然发火过程的影响程度，分析该因素变化对煤自燃主要特征(如自然发火期、温度场、浓度场分布、指标气体变化规律等)、自然发火期以及采空区的影响规律。

步骤7，数据监测与分析

本发明所述实验过程中的主要监测数据为：进风参数(温度、压力、流量)、回风参数(温度、压力、流量、气体组分)、采空区监测点温度值、采空区监测点气体组分和浓度值。

所述进风参数由布置于进气管路上的气体测温热电偶23、气体压力表22、涡街流量计24等设备监测；所述回风参数由布置于回风管路上的气体测温热电偶23、气体压力表22、涡街流量计24、气相色谱仪27等设备监测；所述采空区监测点温度值由布置于采空区内的多点热电偶测杆32内的热电偶13监测；所述采空区监测点气体组分和浓度值由布置于采空区内的取气束管14和气相色谱仪27等设备监测。

所有监测数据通过数据采集模块25采集并输送到工控机28，由相关监测软件进行数据的记录、分析和存储。

本发明的优点还在于：

(1)该装置可构建大尺度采煤工作面、进风巷、回风巷和采空区系统，采用拱形镂空护管模拟工作面生产系统的进风巷、工作面和回风巷，并可模拟进风巷和工作面向采空区范围内的漏风条件。

(2)该实验装置可进行某一特定条件下的采空区煤自然发火过程模拟以及通过采用控制变量法对影响煤自燃的一个或多个因素开展试验研究的模拟。

(3)实验炉体内部可铺设煤自燃“三带”不同松散破碎程度的煤层，可以更好地进行不同分布带发火过程模拟。

(4)现有采空区煤自燃模拟实验装置尺寸小，因此难以从较大空间尺度上更真实地模拟采空区遗煤自燃过程。本发明实验装置内径为2.8m，内高为2.5m，可模拟采空区范围为1.4m×2.0m。

(5)现有的采空区煤自燃模拟实验装置内部无法铺设煤层顶底板相似材料，或者铺设高度有限，因此无法更真实地模拟采空区遗煤的顶底板赋存条件。本发明实验炉体整体为圆柱体，内净高为2.5m，即可以铺设多层的相似材料底板、煤层以及相似材料顶板，总高度可达2.8m，实验炉体内径为2.8m，总内部填充体积为15.4m³，总填充煤层和相似材料可达30吨(平均相似材料容重为2000kg/m³)。因此，本发明填充量大，满足了较大尺度的采空区相似材料模拟。

(6)现有的采空区煤自燃模拟实验装置无法模拟采空区煤自燃“三带”，因此无法更真实地模拟三带不同的松散破碎状态、采空区遗煤的压实情况及密封状况。本发明实验装置通过不同压力的千斤顶分别对不同分布带进行压实，可以更好的模拟遗煤的松散破碎状态、采空区遗煤的压实情况，并通过密封钢板对三带进行更好的密封。

以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。