采用液态二氧化碳灭火时的煤降温规律实验装置及方法与流程

本发明属于采用液态二氧化碳进行煤矿灭火的技术领域，具体是涉及一种采用液态二氧化碳灭火时的煤降温规律实验装置及方法。

背景技术：

煤自燃火灾作为全球性灾难之一，它不仅对煤炭资源、生产设备、通风系统和大气环境造成严重的破坏，甚至会造成人员伤亡重大事故。现有的煤矿防灭火技术方法中，液态二氧化碳方法由于在惰化的基础上能够实现快速降温，在矿井火区治理上表现出极大的优势。

目前，直注液态二氧化碳技术在防治煤自燃工作中起到了重要作用，但对于液态二氧化碳对高温煤体降温的具体规律掌握不明。首先，位于释放口附近液态二氧化碳的相变现象虽时间极短，但变化剧烈，并显著改变了环境温度。而煤体的物性参数和氧化放热特性对温度十分敏感。然而目前缺少对于液态二氧化碳在松散介质中的快速相变导致的煤体温度变化等内容的研究。其次，液态二氧化碳释放后，其流动受压力和相变共同驱动，加之多孔介质复杂的渗流通道环境。导致对松散介质中二氧化碳渗流规律掌握不清，进而无法有效研究煤体内二氧化碳的传质传热过程。导致煤体内吸热降温的主要区域以及大范围气体的逸散行为与灌注条件之间的关系不明，从而不能科学地设计液态二氧化碳的释放量、释放位置和释放强度等工艺参数。不仅严重影响了应用二氧化碳防灭火技术的效果，一旦发生工作面泄露则严重影响了系统安全。

煤体自燃后，液态二氧化碳注入后引起的温度变化特征与煤体初始温度分布、注入位置、口径、压注流量、压力等参数关系十分密切，其影响因素多，物理过程复杂，现场测试随机性太强，无法获得准确的数据。因此，需要利用物理实验模拟的方法够排出无关因素的影响，分析现象与各物理量之间的复杂关系和变化规律，分析直注液态二氧化碳后，高温煤体降温范围的变化规律。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种采用液态二氧化碳灭火时的煤降温规律实验装置。该实验装置模拟采用液态二氧化碳对煤矿中自燃后的煤进行灭火，以摸清液态二氧化碳在松散介质中快速相变导致的煤体温度变化规律。

为实现上述目的，本发明采用液态二氧化碳灭火时的煤降温规律实验装置采用的技术方案是：采用液态二氧化碳灭火时的煤降温规律实验装置，其特征在于：包括气态二氧化碳储罐、液态二氧化碳储罐、缓冲罐和测试容器，所述气态二氧化碳储罐的出气口通过气相输送管与缓冲罐的气相进口相连接，所述气态二氧化碳储罐的出气口处设置有出气关断阀，所述液态二氧化碳储罐的出液口通过液相输送管与缓冲罐的液相进口相连接，所述液态二氧化碳储罐的出液口设置有出液关断阀，所述缓冲罐上设置有放空阀，所述缓冲罐的底部设置有出口阀，所述测试容器上设置有接入管，所述出口阀和所述接入管通过压注管相连接，所述接入管上设置有旋拧阀，所述测试容器内设置用于加热其内的煤体已使煤自燃的电加热棒和用于检测煤自燃后温度变化的多个温度传感器，多个所述温度传感器与温度巡检仪相接。

上述的采用液态二氧化碳灭火时的煤降温规律实验装置，其特征在于：所述缓冲罐侧壁的内部嵌有电加热丝。

上述的采用液态二氧化碳灭火时的煤降温规律实验装置，其特征在于：所述压注管上设置有温度变送器和压力变送器，所述缓冲罐上设置有压力表。

上述的采用液态二氧化碳灭火时的煤降温规律实验装置，其特征在于：所述测试容器内设置有沿其高度方向间隔布设的多个测点固定架，多个所述温度传感器布设在所述测点固定架上。

上述的采用液态二氧化碳灭火时的煤降温规律实验装置，其特征在于：所述接入管的数量为多个，多个所述接入管沿其高度方向在所述测试容器的下部间隔布设。

上述的采用液态二氧化碳灭火时的煤降温规律实验装置，其特征在于：所述接入管的外壁设置有外螺纹，所述测试容器上开设有用于与所述接入管螺纹连接的螺纹孔。

上述的采用液态二氧化碳灭火时的煤降温规律实验装置，其特征在于：还包括电子平台秤，所述液态二氧化碳储罐放置在所述电子平台秤上。

上述的采用液态二氧化碳灭火时的煤降温规律实验装置，其特征在于：所述测试容器的侧壁包括内层护壁和外层护壁，所述内层护壁和所述外层护壁之间设置有保温棉。

为了有效的采用上述实验装置进行实现，本发明还提供了一种利用如上述的煤降温规律实验装置进行实验的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、测试容器内的电加热棒通电加热，以使测试容器内的煤开始自燃；

步骤二、关闭接入管上的旋拧阀，打开气态二氧化碳储罐上的出气关断阀和所述缓冲罐上的放空阀，使气态二氧化碳进入缓冲罐，然后通过放空阀从缓冲罐排出；

步骤三、关闭放空阀；

步骤四、关闭气态二氧化碳储罐上的出气关断阀；

步骤五、打开液态二氧化碳储罐上的出液关断阀，向缓冲罐内注入液态二氧化碳；

步骤六、打开缓冲罐底部的出口阀，以使缓冲罐和压注管内的压力相同；

步骤七、打开接入管上的旋拧阀，将液态二氧化碳通入测试容器内；

步骤八、通过温度巡检仪获取测试容器内各温度传感器采集到的温度信号。

上述的实验方法，其特征在于：在步骤四中，首先观察缓冲罐上的压力表，当缓冲罐内压力升至0.5mpa时，再关闭所述出气关断阀；在步骤六之前，通过缓冲罐侧壁内的电加热丝对缓冲罐内的液态二氧化碳进行加热，使部分液态二氧化碳气化，当缓冲罐内的压力达到2mpa时，所述电加热丝断电。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明煤降温规律实验装置通过向测试容器内通入液态二氧化碳，从而通过液态二氧化碳对测试容器内自燃后的煤体进行灭火，并通过测试容器内的温度传感器对测试容器内的煤体温度进行检测，进而模拟通过液态二氧化碳对煤矿中自燃后的煤进行灭火，以摸清液态二氧化碳在松散介质中快速相变导致的煤体温度变化规律。

2、本发明煤降温规律实验装置中，通过设置电加热丝，通过对电加热丝通电，进而加热缓冲罐罐体，以实现对缓冲罐内的液态二氧化碳加热气化，从而增加缓冲罐内的压力，避免液态二氧化碳在输送过程中由于压力过低而产生结冰现象。

3、本发明煤降温规律实验装置中，通过在测试容器上设置多个接入管，这样可以观察液态二氧化碳通入不同高度的进入管时，所引起的煤体温度变化情况。

4、本发明煤降温规律实验装置中，接入管与测试容器螺纹连接，这样可以通过更换不同内径的接入管，来观察通过不同内径接入管向测试容器内通入液态二氧化碳时，煤体温度的降温变化规律。

5、本发明煤降温规律实验装置中，通过设置电子平台秤来观察液态二氧化碳储罐重量变化，来获知液态二氧化碳的输出量。

6、本发明实验方法的操作简单，方便。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明煤降温规律实验装置的结构示意图。

图2为本发明煤降温规律实验装置中测试容器的横截面示意图。

图3为本发明实验方法的方法流程图。

附图标记说明:

1—气态二氧化碳储罐；2—出气关断阀；3—气相输送管；

4—液态二氧化碳储罐；5—电子平台秤；6—出液关断阀；

7—液相输送管；8—缓冲罐；9—放空阀；

10—出口阀；11—压力表；12—压注管；

13—温度变送器；14—压力变送器；15—接入管；

16—旋拧阀；17—测试容器；17-1—内层护壁；

17-2—外层护壁；17-3—保温棉；18—测点固定架；

19—温度传感器。

具体实施方式

如图1所示的一种采用液态二氧化碳灭火时的煤降温规律实验装置，包括气态二氧化碳储罐1、液态二氧化碳储罐4、缓冲罐8和测试容器17，所述气态二氧化碳储罐1的出气口通过气相输送管3与缓冲罐8的气相进口相连接，所述气态二氧化碳储罐1的出气口处设置有出气关断阀2，所述液态二氧化碳储罐4的出液口通过液相输送管7与缓冲罐8的液相进口相连接，所述液态二氧化碳储罐4的出液口设置有出液关断阀6，所述缓冲罐8上设置有放空阀9，所述缓冲罐8的底部设置有出口阀10，所述测试容器17上设置有接入管15，所述出口阀10和所述接入管15通过压注管12相连接，所述接入管15上设置有旋拧阀16，所述测试容器17内设置用于加热其内的煤体已使煤自燃的电加热棒和用于检测煤自燃后温度变化的多个温度传感器19，多个所述温度传感器19与温度巡检仪相接。

本实施例中，该煤降温规律实验装置通过向测试容器17内通入液态二氧化碳，从而通过液态二氧化碳对测试容器17内自燃后的煤体进行灭火，并通过测试容器17内的温度传感器19对测试容器17内的煤体温度进行检测，进而模拟通过液态二氧化碳对煤矿中自燃后的煤进行灭火，以摸清液态二氧化碳在松散介质中快速相变导致的煤体温度变化规律。

本实施例中，所述缓冲罐8侧壁的内部嵌有电加热丝。通过设置电加热丝，通过对电加热丝通电，进而加热缓冲罐8罐体，以实现对缓冲罐8内的液态二氧化碳加热气化，从而增加缓冲罐8内的压力，避免液态二氧化碳在输送过程中由于压力过低而产生结冰现象。

如图1所示，所述压注管12上设置有温度变送器13和压力变送器14，所述缓冲罐8上设置有压力表11。

结合图1和图2，所述测试容器17内设置有沿其高度方向间隔布设的多个测点固定架18，多个所述温度传感器19布设在所述测点固定架18上。

本实施例中，通过设置多个测点固定架18，能够有效的安装温度传感器19，并且由于多个测点固定架18沿测试容器17的其高度方向间隔布设，确保了温度传感器19能够全面的检测整个测试容器17内的煤体温度。本实施例中，所述测点固定架18的测点有32个，对应的，所述温度传感器19的数量为32个。

如图1所示，所述接入管15的数量为多个，多个所述接入管15沿其高度方向在所述测试容器17的下部间隔布设。通过设置多个接入管15，每个接入管15上对应安装有旋拧阀16，这样可以观察，液态二氧化碳通入不同高度的进入管15时，所引起的煤体温度变化情况。

本实施例中，所述接入管15的外壁设置有外螺纹，所述测试容器17上开设有用于与所述接入管15螺纹连接的螺纹孔。这样设计的目的在于，能够方便接入管15的更换，并通过更换不同内径的接入管15，来观察通过不同内径接入管15向测试容器17内通入液态二氧化碳时，煤体温度的降温变化规律。

如图1所示，该实验装置，还包括电子平台秤5，所述液态二氧化碳储罐4放置在所述电子平台秤5上。通过设置电子平台秤5来观察液态二氧化碳储罐4重量变化，来获知液态二氧化碳的输出量。

如图2所示，所述测试容器17的侧壁包括内层护壁17-1和外层护壁17-2，所述内层护壁17-1和所述外层护壁17-2之间设置有保温棉17-3。这样能够确保测试容器17具有良好的保温效果，避免测试容器17与外界进行热交换而影响实验数据的真实性。

如图3所示的一种利用如述的煤降温规律实验装置进行实验的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、测试容器17内的电加热棒通电加热，以使测试容器17内的煤开始自燃；

步骤二、关闭接入管15上的旋拧阀16，打开气态二氧化碳储罐1上的出气关断阀2和所述缓冲罐8上的放空阀9，使气态二氧化碳进入缓冲罐8，然后通过放空阀9从缓冲罐8排出；

在本实施例的步骤二中，通过向缓冲罐8内通入气态二氧化碳，从而能够有效的排出缓冲罐8内的杂质气体，一般情况下，需要通气5分钟。同时，还能够使缓冲罐8的温度降低，从而有利于液态二氧化碳的进入。

步骤三、关闭放空阀9；

步骤四、关闭气态二氧化碳储罐1上的出气关断阀2；

本实施例中，先关闭放空阀9，再关闭出气关断阀2，这样能够在缓冲罐8内预置一定的压力，防止2mpa的液相co2进入缓冲罐8后直接形成干冰。

步骤五、打开液态二氧化碳储罐4上的出液关断阀6，向缓冲罐8内注入液态二氧化碳；

步骤六、打开缓冲罐8底部的出口阀10，以使缓冲罐8和压注管12内的压力相同；

在本实施例的步骤六中，由于此时缓冲罐8和压注管12内的压力相同，通过温度变送器13和压力变送器14记录此时压注管12中的压力和温度，即为压注的初始状态。

步骤七、打开接入管15上的旋拧阀16，将液态二氧化碳通入测试容器17内；

在本实施例的步骤七中，还可以在向测试容器17中通入液态二氧化碳的同时，通过电子平台秤5记录液态二氧化碳储罐4的质量变化情况，进而得出输出的液态二氧化碳的量。在压注过程不能改变旋拧阀16的开度，以避免影响压注流量。

步骤八、通过温度巡检仪获取测试容器17内各温度传感器19采集到的温度信号。

在步骤四中，首先观察缓冲罐8上的压力表11，当缓冲罐8内压力升至0.5mpa时，再关闭所述出气关断阀2；在步骤六之前，通过缓冲罐8侧壁内的电加热丝对缓冲罐8内的液态二氧化碳进行加热，使部分液态二氧化碳气化，当缓冲罐8内的压力达到2mpa时，所述电加热丝断电。

本实施例中，通过对电加热丝通电，进而加热缓冲罐8罐体，以实现对缓冲罐8内的液态二氧化碳加热气化，从而使缓冲罐8内的压力达到2mpa，避免液态二氧化碳在输送过程中由于压力过低而产生结冰现象。

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。