基于采空区空气参数实测的遗煤氧化升温模拟试验方法与流程

本发明属于煤矿采空区遗煤自燃防治研究领域，具体涉及一种基于采空区空气参数实测的遗煤氧化升温模拟试验方法。

背景技术：

煤矿行业生产过程中，采空区遗煤自燃给煤层安全开采造成极大威胁。采空区遗煤氧化升温自燃，导致采空区火灾，高温和大量的有毒有害气体严重损害井下工作人员的生命健康，并损坏工作面设备，造成巨大的经济损失。研究采空区遗煤氧化升温特性，有利于指导采空区遗煤自燃的防治，促进工作面的安全回采。煤矿采空区在工作推采方向上，氧气、温度均有一定的变化规律，由此使得采空区没内遗煤氧化升温存在一定的分布规律，划分出采空区散热带、氧化带、窒息带，但从煤矿开采工程经验来看，但各矿区之间差别较大，即便同一矿区的不同采区，亦有各自的特点。

本研究领域内对煤体氧化升温特征的现有研究方法，大多是于实验室中，人为设定实验参数条件，进行煤的氧化升温特性分析。而对于某一具体开采条件下的工作面采空区遗煤的氧化升温过程，通过传统的束管监测，难以实现精确的分析，且采空区内环境复杂多变，测量误差给测定造成了较大干扰。

本发明针对这一现状，致力于发明一种基于采空区空气参数实测的遗煤氧化升温模拟试验方法，能够基于采空区空气条件，进行采空区煤样氧化升温模拟试验。

技术实现要素：

一种基于采空区空气参数实测的遗煤氧化升温模拟试验方法，其特征在于：主要操作步骤如下：

步骤一、采空区空气参数采集，其包括以下分步骤：

a根据工作面长度，沿工作面布置若干等距节点I₁，I₂，…，I_n；

b结合煤矿采空区束管监测技术，沿工作面布置一条束管，每个节点处对应埋设一路测线，所述测线包括气样采集管、气流传感器线路。在每个节点位置处，束管设置一个接口，接口通过快速接头与一保护筒相连，所述保护筒内包含气样采集端头、气流传感器，保护筒周身布设有多个气孔，便于气流流通和采集。束管在工作面回风巷道内的末端连接采气站，节点位置处的采空区空气通过气样采集管流至采气站，节点位置处的采空区漏风风流速度由气流传感器测定，并将电信号通过气流传感器线路传至采气站处的电子显示表；

c在工作面推进过程中，每日定时采集采空区空气参数数据，所述采空区空气参数包括采空区内空气的氧气浓度、空气湿度、漏风风流速度，其中，氧气浓度和空气速度由井下工作人员每日定时从束管采气站中抽取气样，带至地面进行化验获得，漏风风流速度由工作人员通过采气站处的电子显示表读数获得；

步骤二、绘制采空区空气参数变化曲线

根据步骤一所得到的各节点处的空气参数数据和采集时间，绘制不同时刻采空区I₁，I₂，…，I_n节点位置处的采空区空气参数对应表，利用origin软件进行数据拟合，得到各节点位置处的空气参数随时间的变化曲线；

步骤三、编制采空区空气参数变化伺服程序

依据步骤二中得到的采空区空气参数随时间的变化曲线，利用计算机编程方法，编制模拟采空区空气参数变化的伺服控制程序，并导入计算机；

步骤四、进行煤样氧化升温试验，其包括以下分步骤：

a准备实验硬件，所述实验硬件为遗煤氧化升温模拟试验台，包括控制计算机、试验箱、加热器、氧气瓶、加湿机、鼓风机、数据监测系统、气相色谱分析仪；

所述计算机装载有伺服控制程序，可通过编制伺服控制程序，实现对试验系统各部分装置的伺服控制，由此实现对试验箱内氧气浓度、温度、湿度、气流速度的调节；

所述试验箱为一立方体封闭箱体，其外壳由绝热材料制作，顶部有圆形箱盖，可旋接于箱体实现密闭，试验箱右侧为进风口，左侧为出风口，进风口与鼓风机相连，出风口设置取气点，与气相色谱分析仪相连；

所述数据监测系统由多个传感器及线路组成，所述传感器包括氧气浓度传感器、湿度传感器、温度传感器；

所述气相色谱分析仪可对出风口处的气样进行收集和分析，实时监测和显示试验箱体内煤自燃指标气体浓度，所述煤自燃指标气体包括乙烯、一氧化碳、乙炔；

b将煤矿工作面现场采集的松散煤样置于试验箱中，启动计算机中的伺服控制程序，调整试验箱内空气参数至初始值，其中，试验箱体内的氧气由氧气瓶提供，湿度由加湿机通过连接在试验箱内的喷头喷射水雾进行调节，初始温度值设定为工作面温度，由计算机控制加热器进行调节；

c由计算机按照采空区内实际条件，连续模拟采空区空气参数变化；

d通过温度传感器实时监测煤样温度，生成数据变化曲线，通过I₁，I₂，…，I_n多个节点位置处对应的煤样氧化升温变化曲线；通过气相色谱分析仪对气样的分析，得到采空区遗煤氧化过程中的指标气体浓度变化曲线；

本发明所带来的有益成果在于：

本发明提供的一种基于采空区空气参数实测的遗煤氧化升温模拟试验方法，通过现场测量采空区真实的空气参数，利用计算机编制伺服控制程序，在实验室内实现自动化的升温氧化试验，操作方便快捷。通过氧化升温试验，进行连续的遗煤氧化升温模拟和观测，可深入分析遗煤的氧化升温特性和机理，以及各项遗煤自燃指标气体浓度变化特征，相比采空区的复杂环境，试验箱体内的环境相对封闭，环境干扰因素少，方便对采空区遗煤氧化自燃特性进行科学的观测和准确的分析，有利于对于煤矿采空区遗煤自燃灾害防治的深入研究。

附图说明

下面结合附图，对本发明作进一步清楚、完整的说明：

图1为基于采空区空气参数实测的遗煤氧化升温模拟试验方法流程图；

图2为束管接口处结构示意图；

图3为I₁节点位置空气参数随时间的变化曲线；

图4为遗煤氧化升温模拟试验系统结构示意图；

图中：1、气样采集管，2、气流传感器线路，3、快速接头，4、保护筒，5、气样采集端头，6、气流传感器，7、气孔，8、计算机，9、试验箱，10、加热器，11、氧气瓶，12、加湿机，13、鼓风机，14、气相色谱分析仪，15、箱盖，16、进风口，17、出风口，18、氧气浓度传感器，19、湿度传感器，20、温度传感器。

具体实施方式

本发明提供了一种基于采空区空气参数实测的遗煤氧化升温模拟试验方法，下面通过附图和实施例，以某矿S1煤层3302工作面开采为工程背景，实际应用本技术。对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

一种基于采空区空气参数实测的遗煤氧化升温模拟试验方法，其特征在于：主要操作步骤如下：

步骤一、采空区空气参数采集，其包括以下分步骤：

a 3302工作面长160m，结合工作面开采和设备条件，将工作面以20m为间距，划分得到9个节点I₁，I₂，…，I₉；

b沿3302工作面布置一条束管，每个节点处对应埋设一路测线，所述测线包括气样采集管1、气流传感器线路2。在每个节点位置处，束管设置一个接口，接口通过快速接头3与一保护筒4相连，所述保护筒4内包含气样采集端头5、气流传感器6，保护筒4周身布设有多个气孔7，便于气流流通和采集。束管在工作面回风巷道内的末端连接采气站，节点位置处的采空区空气通过气样采集管1流至采气站，节点位置处的采空区漏风风流速度由气流传感器6测定，并将电信号通过气流传感器线路2传至采气站处的电子显示表；

c在工作面推进过程中，每日定时采集采空区空气参数数据，所述采空区空气参数包括采空区内空气的氧气浓度、空气湿度、漏风速度，其中，氧气浓度和空气速度由井下工作人员每日定时从束管采气站中抽取气样，带至地面进行化验获得，漏风速度由工作人员通过采气站处的电子显示表读数获得；

步骤二、绘制采空区空气参数变化曲线

根据步骤一所得到的各节点处的空气参数数据和采集时间，绘制不同时刻采空区I₁，I₂，…，I₉位置处的采空区空气参数对应表，利用origin软件进行数据拟合，得到各位置处的空气参数随时间的变化曲线，以I₁节点为例进行说明，I₁节点位置处的空气参数变化曲线如图3所示；

步骤三、编制采空区空气参数变化伺服程序

依据步骤二中的采空区空气参数随时间的变化曲线，利用计算机C语言编程方法，编制模拟采空区空气参数变化的伺服控制程序，并导入计算机8内；

步骤四、进行煤样氧化升温试验，其包括以下分步骤：

a准备实验硬件，所述实验硬件为遗煤氧化升温模拟试验台，包括控制计算机8、试验箱9、加热器10、氧气瓶11、加湿机12、鼓风机13、数据监测系统、气相色谱分析仪14；

所述计算机8装载有伺服控制程序，可通过编辑伺服控制程序，实现对试验系统各部分装置的伺服控制，由此实现对试验箱9内氧气浓度、温度、湿度、气流速度的调节；

所述试验箱9为一立方体封闭箱体，其外壳由绝热材料制作，顶部有圆形箱盖15，可旋接箱体实现密闭，试验箱9右侧为进风口16，左侧为出风口17，进风口16与鼓风机13相连，出风口17设置取气点与气相色谱分析仪14相连；

所述数据监测系统由多个传感器及线路组成，所述传感器包括氧气浓度传感器18、湿度传感器19、温度传感器20；

所述气相色谱分析仪14可对出风口17处的气样进行收集和分析，实时监测和显示试验箱9内煤自燃指标气体浓度，所述煤自燃指标气体包括乙烯、一氧化碳、乙炔；

b将煤矿工作面现场采集的松散煤样置于试验箱9中，启动计算机中的伺服控制程序，调整试验箱9内空气参数至初始值，其中，试验箱9内的氧气由氧气瓶11提供，湿度由加湿机12通过连接在试验箱内的喷头喷射水雾进行调节，初始温度设定为工作面温度19℃，由计算机8控制加热器10进行设置；

c由计算机按照采空区内实际条件，连续模拟采空区空气参数变化；

d通过温度传感器实时监测煤样温度，生成数据变化曲线，通过I₁，I₂，…，I₉多个节点位置处对应的煤样氧化升温变化曲线；通过气相色谱分析仪14对气样的分析，得到上述各节点位置处遗煤氧化过程中的指标气体浓度变化曲线。