本发明涉及煤自燃实验技术领域，特别涉及一种煤自燃氧气浓度实验测试装置及实验测试方法。
背景技术
煤自燃是指不经点燃而自行着火的现象，自燃火灾包括煤田自燃及矿井自燃。煤田自燃是指在自燃环境下，因氧化聚热引发的自燃状态的煤层沿露头燃烧的现象。煤田自燃不断向深部发展所形成的大面积煤田火灾，是人类面临的重大自燃灾害之一。由于煤田自燃难以控制，治理难度大，成为极难解决的问题。
对于目前现有技术的研究，j.b.stott等1979年在美国匹兹堡实验室设计建立圆柱形煤自然发火实验炉，进行煤自燃的传质、传热过程研究。x.d.chen等在1987-1990年期间，在坎特伯雷大学又建立了煤体自然发火实验台，用于研究煤的耗氧和传热性。90年代以后，出现了大吨位的煤炭自然发火实验台。a.c.smith等1991年建立了装煤量13吨的大型煤自燃实验炉；d.cliiff等1998年建立了装煤量16吨的大型煤自燃实验炉。徐精彩于20世纪80年代末自主设计并研制了我国首台大型的自然发火实验台(装煤0.85吨)，之后在对该实验台进行改进提升的基础上，装煤量扩大到1.5吨，在2013年全面改造后装煤量扩大到约为2.5吨，并在山东兖矿集团南屯煤矿建立了能够装煤15吨的大型实验炉。通过实验台模拟自燃火灾的发展过程，对煤火发生、发展过程中的临界温度、耗氧速率、放热强度、最短自然发火期等参数进行了相关的研究。
综上所述，目前现有的实验方法成本高、实验周期长，对于煤田自燃火灾预测预报技术对不同漏风位置以及氧气浓度场分布带来的影响研究不足，无法满足对煤自燃预测技术的需要，更无法为实际生产提供更为有效的特性参数以及工作中提供更为有效的技术指导。
技术实现要素：
本发明提供一种煤自燃氧气浓度实验测试装置及实验测试方法，可以解决现有技术中的上述问题。
本发明提供了一种煤自燃氧气浓度实验测试装置，包括：炉体，炉体的侧壁上均匀设有多个第一通孔、多个第二通孔和多个漏风口，炉体内设有多个陶瓷加热棒、多个钢棒、多个温度传感器和多个气体采集铜管，多个陶瓷加热棒一一对应通过多个第一通孔插入炉体内，多个钢棒一一对应通过多个第二通孔插入炉体内，多个钢棒在靠近炉体中心位置处均固定有气体采集铜管，在靠近炉壁处均固定有温度传感器，多个陶瓷加热棒和多个钢棒按照东、南、西、北四个方位交叉布置在炉体内，上下相邻的两个陶瓷加热棒之间的间距为150mm，炉体上设有温度控制装置、炉体外设有气体吸收池、氧气激光光谱检测装置、数据采集卡和计算机控制系统，多个陶瓷加热棒和多个温度传感器分别与温度控制装置连接，多个气体采集铜管与气体吸收池相连通，氧气激光光谱检测装置正对气体吸收池设置，温度控制装置与数据采集卡连接，数据采集卡和氧气激光光谱检测装置分别与计算机控制系统连接。
多个漏风口分别通过进气管道连接空气泵，空气泵上设有电磁阀，进气管道上均设有流量计，流量计与数据采集卡连接，电磁阀和计算机控制系统连接。
所述炉体的底部设有多个液压支架，多个液压支架均匀设置在炉体底部的周向边缘。
所述陶瓷加热棒为24个，钢棒为48个，温度传感器为48个，气体采集铜管为48个，漏风口为100个。
所述氧气激光光谱检测装置包括：信号发生器、激光驱动器、dfb激光器、光纤准直器、气体吸收池、带前置放大器的光电探测器、锁相放大器，激光驱动器和锁相放大器分别与信号发生器连接，激光驱动器、dfb激光器和光纤准直器依次连接，气体吸收池正对光纤准直器和带前置放大器的光电探测器设置，带前置放大器的光电探测器、锁相放大器和计算机控制系统依次连接，信号发生器产生一个由低频锯齿波信号与高频正弦信号叠加的信号，低频锯齿波调制信号用以缓慢扫描氧气的吸收峰；高频正弦信号用以产生谐波信号，经过激光驱动器和dfb激光器后将电信号转换为激光发出，激光经光纤准直器后入射到充有氧气的气体吸收池内，然后经聚焦透镜射入带前置放大器的光电探测器中；带前置放大器的光电探测器把经过气体吸收池后的微弱光信号转换成微弱电信号后发送到锁相放大器，锁相放大器提取微弱电信号进行谐波检测，锁相放大器将检测出的二次谐波信号传输至计算机控制系统，计算机控制系统根据朗伯-比尔定律反演出氧气浓度。
所述气体吸收池内设有：球面物镜b、球面物镜c、球面场镜m、入射偏转镜和出射偏转镜，入射偏转镜和出射偏转镜均位于在场镜m的边缘，场镜m到物镜b的距离和场镜m到物镜c之间的距离均等于场镜m的曲率半径r，场镜m的曲率中心cc[m]位于物镜b和物镜c的交界处，物镜b的曲率中心位于场镜m上点cc[b]，物镜c的曲率中心位于场镜m上点cc[c]，物镜b的曲率中心cc[b]和物镜c的曲率中心cc[c]到场镜m中心点的距离相等。
所述多个温度传感器为k型热电偶温度传感器。
所述炉体包括内层、中层和外层，内层设有耐火砖，中层设有保温层，保温层选用气凝胶材料制成，外层由碳钢材料制成。
一种煤自燃氧气浓度实验测试装置的实验测试方法，包括以下步骤：
s1、通过颚式破碎机将煤样破碎后进行煤样粒径的分布分析；
s2、将粒径分布分析后的煤样装进炉体内；
s3、将多个陶瓷加热棒通过多个第一通孔插入煤样中，通过温度控制装置控制不同位置的陶瓷加热棒对煤样进行加热升温，将多个钢棒通过多个第二通孔插入炉体内，通过多个温度传感器对不同位置的温度进行实时监控，不同位置的温度变化情况通过数据采集卡传送到计算机控制系统进行分析；
s4、通过漏风口改变炉体内的通风量，采用氧气激光光谱检测装置检测通过气体采集铜管进入气体吸收池的炉内气体中的氧气，并通过计算机控制系统反演出不同位置的氧气浓度；
s5、计算机控制系统根据加热温度及氧气浓度来确定煤自燃所需的温度和氧气浓度。
步骤s4中的漏风口的通风量是通过计算机控制系统控制电磁阀开启空气泵同时根据进气管道上的流量计来计算漏风口的通风量。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明的煤自燃氧气浓度实验测试装置具有快速、高效、准确度高以及实时监控的优点。能够通过各层布置的气体采集点和温度监测点有效的监测在煤自燃的情况下不同位置气体变化情况以及温度场的移动规律；通过氧气激光光谱检测装置有效的监测氧气浓度的变化情况，从而得出在煤层自燃情况下氧气浓度场的分布规律；通过不同位置的漏风口改变通风量，进而研究不同漏风位置对温度场的影响；本实验装置用煤量相对较少，试验周期短，能大量减少实验成本并且提高实验数据的精度。
附图说明
图1为本发明提供的一种煤自燃氧气浓度实验测试装置纵截面的结构示意图。
图2为本发明提供的一种煤自燃氧气浓度实验测试装置的原理框图。
图3为本发明气体吸收池的结构示意图。
图4为本发明氧气激光光谱检测装置的结构示意图。
图5为本发明煤自燃氧气浓度实验测试方法的流程图。
附图标记说明：
1-炉体，2-温度控制装置，3-陶瓷加热棒，4-钢棒，5-液压支架，6-第一通孔，7-第二通孔，8-漏风口，9-计算机控制系统，10-温度传感器，11-气体采集铜管，12-气体吸收池，13-氧气激光光谱检测装置，14-数据采集卡。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
如图1和图2所示，本发明实施例提供的一种煤自燃氧气浓度实验测试装置，包括：炉体1，炉体1的侧壁上均匀设有多个第一通孔6、多个第二通孔7和多个漏风口8，炉体1内设有多个陶瓷加热棒3、多个钢棒4、多个温度传感器10和多个气体采集铜管11，多个陶瓷加热棒3一一对应通过多个第一通孔6插入炉体1内，多个钢棒4一一对应通过多个第二通孔7插入炉体1内，多个钢棒4在靠近炉体中心位置处均固定有气体采集铜管11，在靠近炉壁处均固定有温度传感器10，，多个陶瓷加热棒3和多个钢棒4均按照东、南、西、北四个方位交叉布置在炉体1内，上下相邻的两个陶瓷加热棒3之间的间距为150mm，炉体1上设有温度控制装置2、炉体1外设有气体吸收池12、氧气激光光谱检测装置13、数据采集卡14和计算机控制系统9，多个陶瓷加热棒3和多个温度传感器10分别与温度控制装置2连接，多个气体采集铜管11与气体吸收池12相连通，氧气激光光谱检测装置13正对气体吸收池12设置，温度控制装置2与数据采集卡14连接，数据采集卡14和氧气激光光谱检测装置13分别与计算机控制系统9连接，数据采集卡14与计算机控制系统9采用lora无线技术进行连接。
工作过程及原理：多个陶瓷加热棒3通过多个第一通孔6进入炉体1内，对炉体1内不同位置的煤样进行加热，氧气激光光谱检测装置13通过检测气体吸收池12内由多个气体采集铜管11采集不同位置的气体来对不同位置的氧气浓度进行检测，通过温度控制装置2控制多个陶瓷加热棒3的加热温度对煤样进行加热，通过多个温度传感器10检测煤样中不同位置的温度，通过关闭或开启不同的漏风口8来控制炉体1内的空气进入量，计算机控制系统9通过采集的不同加热位置的实时温度及不同位置处的实时氧气浓度来确定煤层自燃情况下氧气浓度场的分布规律。
如图1所示，陶瓷加热棒3的布置采用正东，正南，正西，正北的布置方式，共布置三层。本布置方式能合理有效的使用各个装置，各个陶瓷加热棒3可以使得炉体1内的煤样受热均匀，避免出现局部煤体温度过高的情况，合理的模拟煤田自燃情况，各个温度传感器10能够有效的实时监测煤自燃下，温度的变化情况，各个气体采集铜管能够对改变不同供风位置以及煤体在加热过程中的不同条件下，进行气体收集，避免出现局部位置气体检测不到的情况。
本发明的实验测试装置非接触、快速、高效、高选择性、高灵敏性及实时在线监测，实时检测煤自燃过程中的氧气气体的痕量变化，及时掌握煤自燃发火的程度，实现煤自燃的早期预警，提高了实验数据的精度。
多个漏风口8分别通过进气管道连接空气泵，空气泵上设有电磁阀，进气管道上均设有流量计，流量计与数据采集卡14连接，计算机控制系统9采用lora无线技术对电磁阀进行控制。
为了掌握多个漏风口8的空气通入量与氧气浓度之间的关系，通过电磁阀和流量计来控制多个漏风口8的空气通入量。
所述炉体1的底部设有多个液压支架5，多个液压支架5均匀设置在炉体1底部的周向边缘。
通过改变多个液压支架5中的液压杆的高度来改变炉体1的倾斜角度，左右两端可分别控制，用来模拟不同煤层赋存状态下煤体自燃发展趋势。
所述陶瓷加热棒3为24个，钢棒4为48个，温度传感器10为48个，气体采集铜管11为48个，漏风口8为100个。
所述炉体1为长方体，炉体1的外形尺寸l*w*h为700mm*700mm*650mm，炉体1内的炉膛的外形尺寸l*w*h为600mm*600mm*600mm，壁厚为50mm。
炉体外观尺寸为长700mm×宽700mm×高650mm，炉膛尺寸为长600mm×宽600mm×高600mm，壁厚50mm。实验所用煤量经过破碎处理后直接放置入炉体内，装煤量约为0.367吨，漏风直径均为5mm，第一通孔6和第二通孔7的直径均为10mm。
如图4所示，所述氧气激光光谱检测装置9包括：信号发生器、激光驱动器、dfb激光器(分布式反馈激光器)、光纤准直器、气体吸收池、带前置放大器的光电探测器、锁相放大器，激光驱动器和锁相放大器分别与信号发生器连接，激光驱动器、dfb激光器和光纤准直器依次连接，气体吸收池正对光纤准直器和带前置放大器的光电探测器设置，带前置放大器的光电探测器、锁相放大器和计算机控制系统依次连接，信号发生器产生一个由低频锯齿波信号与高频正弦信号叠加的信号，低频锯齿波调制信号用以缓慢扫描氧气的吸收峰；高频正弦信号用以产生谐波信号，经过激光驱动器和dfb激光器后将电信号转换为激光发出，激光经光纤准直器后入射到充有氧气的气体吸收池内，然后经聚焦透镜射入带前置放大器的光电探测器中；带前置放大器的光电探测器把经过气体吸收池后的微弱光信号转换成微弱电信号后发送到锁相放大器，锁相放大器提取微弱电信号进行谐波检测，锁相放大器将检测出的二次谐波信号传输至计算机控制系统，计算机控制系统9根据朗伯-比尔定律反演出氧气浓度。为了准确提取氧气二次谐波峰值信号，采用levenberg-marquardt非线性型拟合算法，本方法是一种迭代法，它是通过反复迭代使目标函数取得最小值，进而求出待求参数最优解。选用洛伦兹线型作为光谱进行线性拟合，进行拟合之后，所得拟合参数用于氧气体积分数的计算。
光源所选用波长为760nm的nanoplusdistributedfeedbacklaser半导体激光器。
所述气体吸收池12内设有：球面物镜b、球面物镜c、球面场镜m、入射偏转镜和出射偏转镜，入射偏转镜和出射偏转镜均位于在场镜m的边缘，场镜m到物镜b的距离和场镜m到物镜c之间的距离均等于场镜m的曲率半径r，场镜m的曲率中心cc[m]位于物镜b和物镜c的交界处，物镜b的曲率中心位于场镜m上点cc[b]，物镜c的曲率中心位于场镜m上点cc[c]，物镜b的曲率中心cc[b]和物镜c的曲率中心cc[c]到场镜m中心点的距离相等。
如图3所示，场镜m和物镜b、c之间的距离等于它们的曲率半径r，由几何光学知识易得，球面镜的曲率半径是其焦距f的两倍，即r＝2f。场镜m的曲率中心cc[m]位于物镜b和c的交界处。而物镜b和c的曲率中心cc[b]和cc[c]均位于场镜m上，其中物镜b的曲率中心cc[b]在场镜m位于中心点的下方，物镜c的曲率中心cc[c]位于场镜m的上方，两曲率中心到球面镜m的中心点的距离相等，均为l，l是很小的一段距离。
另外，在场镜m边缘，还安装有一个入射偏转镜itm和一个出射偏转镜otm。一般情况下，当怀特池的结构确定时，出射偏转镜的位置有入射偏转镜的位置决定。它们的作用分别是将光反射进和反射出怀特池，另外，通过调整这两个偏转镜的位置还可以调节怀特池中的光程长度。
所述多个温度传感器10为k型热电偶温度传感器。
所述炉体1包括内层、中层和外层，内层设有耐火砖，中层设有保温层，保温层选用气凝胶材料制成，外层由碳钢材料制成。
保温层避免炉体1内的温度通过炉体向外热传导，模拟煤自燃的状况，提高了实验进程。
如图5所示，一种煤自燃氧气浓度实验测试方法，包括以下步骤：
s1、通过颚式破碎机将煤样破碎后进行煤样粒径的分布分析；
s2、将粒径分布分析后的煤样装进炉体1内；
s3、将多个陶瓷加热棒3通过多个第一通孔6插入煤样中，通过温度控制装置2控制不同位置的陶瓷加热棒3对煤样进行加热升温，将多个钢棒4通过多个第二通孔7插入炉体1内，通过多个温度传感器10对不同位置的温度进行实时监控，不同位置的温度变化情况通过数据采集卡14传送到计算机控制系统9进行分析；
s4、通过漏风口8改变炉体1内的通风量，采用氧气激光光谱检测装置9检测通过气体采集通管11进入气体吸收池12的炉内气体中的氧气，并通过计算机控制系统9反演出不同位置的氧气浓度；
s5、计算机控制系统9根据加热温度及氧气浓度来确定煤自燃所需的温度和氧气浓度。
步骤s4中的漏风口8的通风量是通过计算机控制系统9控制电磁阀开启空气泵同时根据进气管道上的流量计来计算漏风口8的通风量。
使用方法及工作原理：本发明一种煤自燃氧气浓度实验测试装置选用耐高温材料进行设计，具有快速、高效、准确度高以及实时监控等优点。
通过上述的温度检测与控制系统能够有效的控制炉内的温度并防止温度扩散，从而达到减少温度损耗的目的以保证试验数据的合理性，在装入试验煤样进行试验后可以通过温度控制装置的仪表得到试验所需数据操作方便。
通过氧气激光光谱检测装置13有效地监测各个气体检测孔的氧气浓度的变化情况，从而得出在煤层自燃情况下氧气浓度场的分布规律。
本发明利用激光测试煤田火区氧气浓度场分布的方法，测试在半封闭复杂漏风条件下，地下煤火氧气浓度及其分布特征，能够提供在煤自燃情况下氧气浓度场的移动规律。
通过本实验装置能对煤层自燃情况下的氧气浓度场分布规律的模拟研究，可对矿井煤层自燃情况提供较为准确的指导，从而有效减少煤层火灾带来的损失以及影响。
本发明的煤自燃氧气浓度实验测试装置选用耐高温材料进行设计，具有快速、高效、准确度高以及实时监控等优点。①通过上述的温度检测与控制系统能够有效的控制炉内的温度并防止温度扩散，从而达到减少温度损耗的目的以保证试验数据的合理性，在装入试验煤样进行试验后可以通过温度控制装置的仪表得到试验所需数据操作方便；②通过氧气激光光谱检测装置有效地监测各个气体检测孔氧气浓度的变化情况，从而得出在煤层自燃情况下氧气浓度场的分布规律；③通过调节不同位置的漏风口，应用上述气体采集与分析系统选择不同的位置进行气体采集以及分析，进而研究不同漏风位置对温度场的影响；④炉体下方加设液压实验台支架，左右两端可分别控制，用以改变实验台的角度，以模拟不同煤层赋存状态下的煤体自燃发展趋势；⑤本实验装置所需装煤量约为0.367吨，用煤量相对较少，试验周期短，能大量减少实验成本并且提高实验数据的精度。
本发明的煤自燃氧气浓度实验测试装置具有快速、高效、准确度高以及实时监控的优点。能够通过各层布置的气体采集点和温度监测点有效的监测在煤自燃的情况下不同位置气体变化情况以及温度场的移动规律，通过氧气激光光谱检测装置有效的监测氧气浓度的变化情况，从而得出在煤层自燃情况下氧气浓度场的分布规律；通过不同位置的漏风口改变通风量，进而研究不同漏风位置对温度场的影响；本实验装置用煤量相对较少，试验周期短，能大量减少实验成本并且提高实验数据的精度。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。