一种模拟瓦斯与煤自燃共生灾害的试验装置及工作方法与流程

本发明涉及一种试验装置及工作方法，具体是一种模拟瓦斯与煤自燃共生灾害的试验装置及工作方法。

背景技术：

目前我国的浅部煤炭资源已接近枯竭，许多煤矿已开始进入深部开采，开采深度可达800～1500m，随着开采深度的增加，煤层瓦斯含量和瓦斯压力不断增高，地温梯度急剧增大，大量浅部低瓦斯矿井升级为高瓦斯矿井甚至是煤与瓦斯突出矿井，不易自燃煤层转变成自燃甚至容易自燃煤层，导致瓦斯与煤自燃灾害交织共生，灾害风险不断增大，煤矿安全生产形势愈加严峻。瓦斯与煤自燃共生重大灾害的发生会造成严重损失，因此要对瓦斯与煤自燃共生灾害进行防治，目前许多学者提出了一些防治方法，例如公开号为：cn106014480a的中国发明专利，其利用注浆和瓦斯抽采的方法对单一厚煤层综放工作面瓦斯与煤自燃协同治理和公开号为：cn104775849a的中国发明专利，其利用建立监测基站配合采场气体取样仪监测煤矿采场瓦斯与煤自燃耦合灾害，均对瓦斯与煤自燃共生灾害的研究起到一定作用，但是并没有对瓦斯与煤自燃共生灾害的影响因素进行有效的研究。目前已知的情况是煤在一定的风量和瓦斯浓度的影响下，不断蓄热升温，进而发生煤自燃，然后引爆瓦斯，最终导致瓦斯爆炸。反过来，瓦斯浓度过高将会抑制煤自然氧化反应，但是会因为瓦斯压力过大引起煤岩突出事故，因此矿井均具有井下通风系统，井下通风可以有效降低瓦斯浓度，但可能加速煤自然氧化反应。由此可知，瓦斯与煤自燃共生灾害是多尺度、多时度和多物理过程耦合作用的结果，温度场、煤岩裂隙场、传质场、煤-氧反应场的危险交汇区域是瓦斯与煤自燃共生灾害易发区域。

因此如何模拟多种因素耦合产生瓦斯与煤自燃共生灾害易发区域，从而实现各个因素变化情况对产生共生灾害易发区域的影响进行研究，最终为煤矿内通风情况、温度变化及瓦斯浓度调节降低产生瓦斯与煤自燃共生灾害易发区域起到数据支撑；是本行业亟需解决的问题。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种模拟瓦斯与煤自燃共生灾害的试验装置及工作方法，能模拟工作面处于不同通风情况下温度及瓦斯浓度在工作面不同位置的变化情况，进而得出工作面的瓦斯与煤自燃共生灾害易发区域的分布变化情况；为防止煤矿发生瓦斯与煤自燃共生灾害提供数据支撑。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种模拟瓦斯与煤自燃共生灾害的试验装置，包括模拟系统、瓦斯运移系统和监测分析系统；

所述模拟系统包括模拟巷道、模拟工作面和通风系统，模拟工作面采用多个多孔隔板围成矩形、且模拟工作面内部采用多孔隔板均匀分隔成多个监测区域ⅰ；每个监测区域ⅰ上部均由亚克力板覆盖；模拟巷道将模拟工作面的三个侧面包围；通风系统包括进风管、通风管路和风机，进风管一端与模拟巷道一端连通，进风管上装有流量计ⅰ和阀门ⅰ；通风管路一端与模拟巷道一端连通、通风管路另一端设有出风口，通风管路上装有风机和阀门ⅱ；每个监测区域ⅰ内划分成多个形状相同的监测区域ⅱ；

所述瓦斯运移系统包括瓦斯瓶、瓦斯主管道和多个瓦斯支管路，多个瓦斯支管路均匀分布在模拟工作面内、且均与瓦斯主管道一端连通，瓦斯主管道另一端与瓦斯瓶连通，瓦斯主管道上装有阀门ⅲ和流量计ⅱ；每个瓦斯支管路均装有多个瓦斯排入管、且各个瓦斯排入管一端分别与各个监测区域ⅱ连通，瓦斯排入管上均装有阀门ⅳ；

所述监测分析系统包括信息处理装置和气样管路网，气样管路网由多个气样支管路均匀分布在模拟工作面内且相互连通组成；每个监测区域ⅱ内均设有取样管和温度检测探头，每个取样管通过软管分别与气样支管路连通，在每个软管与气样支管路连接处均装有瓦斯传感器；流量计ⅰ、各个瓦斯传感器和各个温度检测探头均通过数据线与信息处理装置电连接。

进一步，所述监测区域ⅰ下部均设有卸料阀门。设置卸料阀门，方便试验结束后煤样的取出。

进一步，所述多孔隔板孔径为2cm，孔间距为2cm，材质为耐高温材料。采用这种尺寸，能保证多孔隔板对气体的渗透性，同时具有较好的支撑性。

进一步，所述信息处理装置为超级计算机。采用超级计算机能加快数据处理的速度，保证得出的瓦斯与煤自燃共生灾害易发区域的分布变化情况精确性。

优选的，所述阀门ⅰ、阀门ⅱ、阀门ⅲ和阀门ⅳ均为电控式阀门。采用电控式能快速实现对各个不同阀门的开闭及开度的控制。

优选的，所述取样管的侧壁开设多个取样孔。采用这种结构能便于取样管对监测区域ⅱ内采集瓦斯。

一种模拟瓦斯与煤自燃共生灾害的试验装置工作方法，具体步骤为：

a、先从所需模拟煤矿中采集煤体，然后将该煤体加工成多个形状相同的煤样；

b、在各个监测区域ⅰ内分别放置一个煤样，并各自盖上亚克力板；然后依次对各个监测区域ⅱ编号后存储在信息处理装置内；

c、使阀门ⅲ完全打开和各个阀门ⅳ半开，瓦斯瓶内的瓦斯依次经过瓦斯主管道、瓦斯支管路和瓦斯排入管，分别注入各个监测区域ⅱ内，流量计ⅱ实时监测注入的总瓦斯流量，此时各个瓦斯传感器通过取样管实时检测各个监测区域ⅱ内的瓦斯浓度，并将检测数据反馈给信息处理装置，信息处理装置获取各个监测区域ⅱ内的实时瓦斯浓度，并计算出各个监测区域ⅱ内实时瓦斯浓度平均值，然后通过控制各个阀门ⅳ的开度调节进入各个监测区域ⅱ内的瓦斯量，若该监测区域ⅱ内的实时瓦斯浓度高于平均值，则减小该监测区域ⅱ对应的阀门ⅳ开度，若该监测区域ⅱ内的实时瓦斯浓度低于平均值，则增大该监测区域ⅱ对应的阀门ⅳ开度；若该监测区域ⅱ内的实时瓦斯浓度等于平均值，则保持该监测区域ⅱ对应的阀门ⅳ开度；如此实时检测及调节，直至使各个监测区域ⅱ内实时瓦斯浓度相同后，关闭阀门ⅲ和各个阀门ⅳ；

d、使阀门ⅰ和阀门ⅱ半开，并开启风机对通风管路抽风，使模拟巷道形成负压，外部空气经过进风管进入模拟巷道内，外部空气流过模拟巷道后经通风管路和风机从出风口排出，外部空气在模拟巷道内流动过程中会与模拟工作面形成热交换，并有部分空气透过多孔隔板进入模拟工作面内；持续设定时间后，调节阀门ⅰ和阀门ⅱ的开度，继续向模拟巷道内注入空气，如此进行多次调节；直至达到通风设定总时间后关闭风机、阀门ⅰ和阀门ⅱ；流量计ⅰ实时监测进入模拟巷道的外部空气流量并反馈给信息处理装置；

e、从风机启动开始直至风机停止，各个温度检测探头和各个瓦斯传感器实时采集各个监测区域ⅱ内的温度值及瓦斯浓度值，并反馈给信息处理装置进行处理；信息处理装置结合流量计ⅰ和各个监测区域ⅱ内的温度值及瓦斯浓度值，得出模拟巷道处于不同气流量时各个监测区域ⅱ内的温度变化情况及瓦斯浓度变化情况，由于已知瓦斯与煤自燃共生灾害易发区域所需的瓦斯浓度范围及温度范围，从而根据变化情况得出各个监测区域ⅱ实时是否为瓦斯与煤自燃共生灾害易发区域；然后根据各个监测区域ⅱ编号排列，拟合出处于不同气流量时整个模拟工作面的瓦斯与煤自燃共生灾害易发区域的分布变化情况；

f、试验完成后，打开卸料阀门，将各个煤样从各个监测区域ⅰ内卸出。

与现有技术相比，本发明采用模拟系统、瓦斯运移系统和监测分析系统相结合方式，模拟系统用于模拟工作面、巷道及通风系统，瓦斯运移系统用于向模拟工作面注入瓦斯，从而模拟煤矿工作面具有的瓦斯浓度；使用时，先通过瓦斯运移系统向模拟工作面注入瓦斯，达到一定瓦斯浓度后，开启并调节通风系统，使模拟管道内在不同时间段内处于不同的通风气流量；然后监测分析系统能实时检测处于不同的通风气流量情况下，模拟工作面各个区域的瓦斯浓度变化及温度变化情况，由于已知瓦斯与煤自燃共生灾害易发区域所需的瓦斯浓度范围及温度范围，因此根据其变化情况，能拟合出处于不同气流量时整个模拟工作面的瓦斯与煤自燃共生灾害易发区域的分布变化情况。最终该分布变化情况能为防止煤矿发生瓦斯与煤自燃共生灾害提供数据支撑。

附图说明

图1是本发明试验装置的整体结构示意图；

图2是本发明中瓦斯运移系统和气样管路网的结构示意图；

图3是本发明中监测区域ⅱ与瓦斯运移系统及气样管路网的连接示意图；

图4是本发明中取样管的结构示意图；

图5是本发明中模拟工作面的区域划分图。

图中：1、模拟系统，2、模拟工作面，3、模拟巷道，4、卸料阀门，5、多孔隔板，6、进风管，7、流量计ⅰ，8、阀门ⅰ，9、通风管路，10、阀门ⅱ，11、风机，12、出风口，13、信息处理装置，14、瓦斯排入管，15、取样管，16、阀门ⅲ，17、流量计ⅱ，18、瓦斯瓶，19、瓦斯支管路，20、气样支管路，21、瓦斯传感器，22、阀门ⅳ，23、软管，24、温度检测探头。

具体实施方式

下面将对本发明作进一步说明。

如图1至图4所示，一种模拟瓦斯与煤自燃共生灾害的试验装置，包括模拟系统1、瓦斯运移系统和监测分析系统；

所述模拟系统包括模拟巷道3、模拟工作面2和通风系统，模拟工作面2采用多个多孔隔板5围成矩形、且模拟工作面2内部采用多孔隔板5均匀分隔成16个监测区域ⅰ；每个监测区域ⅰ上部均由亚克力板覆盖；模拟巷道3将模拟工作面2的三个侧面包围；通风系统包括进风管6、通风管路9和风机11，进风管6一端与模拟巷道3一端连通，进风管6上装有流量计ⅰ7和阀门ⅰ8；通风管路9一端与模拟巷道3一端连通、通风管路9另一端设有出风口12，通风管路9上装有风机11和阀门ⅱ10；每个监测区域ⅰ内划分成4个形状相同的监测区域ⅱ，共64个监测区域ⅱ；

所述瓦斯运移系统包括瓦斯瓶18、瓦斯主管道和多个瓦斯支管路19，多个瓦斯支管路19均匀分布在模拟工作面2内、且均与瓦斯主管道一端连通，瓦斯主管道另一端与瓦斯瓶18连通，瓦斯主管道上装有阀门ⅲ16和流量计ⅱ17；每个瓦斯支管路19均装有多个瓦斯排入管14、且各个瓦斯排入管14一端分别与各个监测区域ⅱ连通，瓦斯排入管上均装有阀门ⅳ22；

所述监测分析系统包括信息处理装置13和气样管路网，气样管路网由多个气样支管路20均匀分布在模拟工作面2内且相互连通组成；每个监测区域ⅱ内均设有取样管15和温度检测探头24，每个取样管15通过软管23分别与气样支管路20连通，在每个软管23与气样支管路20连接处均装有瓦斯传感器21；流量计ⅰ7、各个瓦斯传感器21和各个温度检测探头24均通过数据线与信息处理装置13电连接。

进一步，所述监测区域ⅰ下部均设有卸料阀门4。设置卸料阀门4，方便试验结束后煤样的取出。

进一步，所述多孔隔板5孔径为2cm，孔间距为2cm，材质为耐高温材料。采用这种尺寸，能保证多孔隔板5对气体的渗透性，同时具有较好的支撑性。

进一步，所述信息处理装置13为超级计算机。采用超级计算机能加快数据处理的速度，保证得出的瓦斯与煤自燃共生灾害易发区域的分布变化情况精确性。

优选的，所述阀门ⅰ8、阀门ⅱ10、阀门ⅲ16和阀门ⅳ22均为电控式阀门。采用电控式能快速实现对各个不同阀门的开闭及开度的控制。

优选的，所述取样管15的侧壁开设多个取样孔。采用这种结构能便于取样管15对监测区域ⅱ内采集瓦斯。

一种模拟瓦斯与煤自燃共生灾害的试验装置工作方法，具体步骤为：

a、先从所需模拟煤矿中采集煤体，然后将该煤体加工成多个形状相同的煤样；

b、在各个监测区域ⅰ内分别放置一个煤样，并各自盖上亚克力板；然后依次对各个监测区域ⅱ编号后存储在信息处理装置内；如图5所示，编号分别为anbn，n＝1，2，…，8；

c、使阀门ⅲ16完全打开和各个阀门ⅳ22半开，瓦斯瓶18内的瓦斯依次经过瓦斯主管道、瓦斯支管路19和瓦斯排入管14，分别注入各个监测区域ⅱ内，流量计ⅱ17实时监测注入的总瓦斯流量，此时各个瓦斯传感器21通过取样管15实时检测各个监测区域ⅱ内的瓦斯浓度，并将检测数据反馈给信息处理装置13，信息处理装置13获取各个监测区域ⅱ内的实时瓦斯浓度，并计算出各个监测区域ⅱ内实时瓦斯浓度平均值，然后通过控制各个阀门ⅳ22的开度调节进入各个监测区域ⅱ内的瓦斯量，若该监测区域ⅱ内的实时瓦斯浓度高于平均值，则减小该监测区域ⅱ对应的阀门ⅳ22开度，若该监测区域ⅱ内的实时瓦斯浓度低于平均值，则增大该监测区域ⅱ对应的阀门ⅳ22开度；若该监测区域ⅱ内的实时瓦斯浓度等于平均值，则保持该监测区域ⅱ对应的阀门ⅳ22开度；如此实时检测及调节，直至使各个监测区域ⅱ内实时瓦斯浓度相同后，关闭阀门ⅲ16和各个阀门ⅳ22；

d、使阀门ⅰ8和阀门ⅱ10半开，并开启风机11对通风管路9抽风，使模拟巷道3形成负压，外部空气经过进风管6进入模拟巷道3内，外部空气流过模拟巷道3后经通风管路9和风机11从出风口12排出，外部空气在模拟巷道3内流动过程中会与模拟工作面2形成热交换，并有部分空气透过多孔隔板5进入模拟工作面2内；持续设定时间后，调节阀门ⅰ8和阀门ⅱ10的开度，继续向模拟巷道3内注入空气，如此进行多次调节；直至达到通风设定总时间后关闭风机11、阀门ⅰ8和阀门ⅱ10；流量计ⅰ7实时监测进入模拟巷道3的外部空气流量并反馈给信息处理装置13；

e、从风机11启动开始直至风机11停止，各个温度检测探头24和各个瓦斯传感器21实时采集各个监测区域ⅱ内的温度值及瓦斯浓度值，并反馈给信息处理装置13进行处理；信息处理装置13结合流量计ⅰ7和各个监测区域ⅱ内的温度值及瓦斯浓度值，得出模拟巷道3处于不同气流量时各个监测区域ⅱ内的温度变化情况及瓦斯浓度变化情况，由于已知瓦斯与煤自燃共生灾害易发区域所需的瓦斯浓度范围及温度范围，因此根据实时变化情况得出各个监测区域ⅱ实时是否为瓦斯与煤自燃共生灾害易发区域；然后根据各个监测区域ⅱ编号排列，拟合出处于不同气流量时整个模拟工作面2的瓦斯与煤自燃共生灾害易发区域的分布变化情况；

f、试验完成后，打开卸料阀门4，将各个煤样从各个监测区域ⅰ内卸出。