煤矿采空区内低温氮气运移规律模拟实验平台及实验方法与流程

本发明属于煤矿采空区自燃治理研究的实验装置技术领域，尤其是涉及一种煤矿采空区内低温氮气运移规律模拟实验平台及实验方法。

背景技术

我国煤矿煤炭自然发火事故十分严重，全国煤矿中有56％的矿井存在煤层自然发火危险，其中厚煤层开采自然发火更为严重。采空区自燃发生时，受制于煤矿工作面作业空间和监测手段的影响，当前还无法实现采空区深部高温自燃点的准确探测。当前国内外主要使用的采空区自燃治理方法有：注水灌浆、惰性气体、均压防灭火、凝胶灭火、泡沫灭火等，以上技术对于治理煤自燃发挥了重要作用，但是由于采空区自燃点位置判定困难，除惰性气体外的其它火区治理方法很难直接作用于发火区域。然而，惰性气体由于良好的流动性和扩散性既容易作用于高温发火区域也容易扩散流失，致使非连续注惰所产生的窒息作用对于遗煤自燃的治理作用有限，目前普遍使用低温惰性气体，其中低温氮气是当前经常使用的一种方法。但是，由于采空区内充满垮落岩石，人员无法进行观测，也没有相应的模拟实验平台对其进行研究，所以，当前关于低温氮气在采空区内的运移规律、热置换效率以及热置换盲区缺乏研究，给煤矿采空区自燃治理带来了一定困难。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在提出一种煤矿采空区内低温氮气运移规律模拟实验平台及实验方法，以解决当前由于没有相应的模拟实验平台，导致低温氮气在采空区内的运移规律、热置换效率以及热置换盲区缺乏研究的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

煤矿采空区内低温氮气运移规律模拟实验平台，其特征在于：包括模拟采空区、模拟采煤工作台、模拟通风系统、温度监控系统、加热系统、注氮系统和角度调节机构；

其中，模拟采空区为一个由隔热保温板组装而成的长方体结构，模拟采空区内填充鹅卵石作为松散填充介质，模拟采煤工作台固接在模拟采空区的前侧底部，模拟采煤工作台为一个由隔热保温板组装而成的长方体结构，并且模拟采煤工作台与模拟采空区内部相通；模拟采空区与角度调节机构相连接，且角度调节机构用于调节模拟采空区的倾斜角度；

模拟通风系统包括进风管、回风管和一个风机，其中，风机采用离心风机，进风管和回风管分别插接在模拟采煤工作台的前侧面的两端，进风管和回风管上安装有阀门，回风管入口连接风机；注氮系统包括多根分别插接在模拟采空区不同位置处的注氮管；加热系统包括一个电加热板，电加热板设置在模拟采空区底部中央；温度监控系统包含若干温度传感器和一个数据采集卡，温度传感器通过导线连接至数据采集卡，数据采集卡通过数据线与计算机中的通讯软件进行数据传输。

进一步地，模拟采煤工作台与模拟采空区相接的位置采用连接孔板作为分隔，连接孔板为一块布满通孔的金属板。

进一步地，加热系统中还设置了辅助加热装置；辅助加热装置包括四根热风管和四个电热风枪；四根热风管均布插接在模拟采空区的后侧面上，每根热风管上设有蝶阀且在每根热风管附近安装一个电热风枪，电热风枪的喷口对准的热风管入口。

进一步地，注氮系统包括六根注氮管，六根注氮管分别插接在模拟采空区上不同的位置，其中，一号注氮管设置在回风管内且穿过模拟采煤工作台，插接在模拟采空区前侧面底部的一侧，二号注氮管设置在进风管内且穿过模拟采煤工作台，插接在模拟采空区前侧面底部的另一侧，三号注氮管插接在模拟采空区的顶面中央，四号注氮管插接在模拟采空区顶面前侧的其中一个顶角附近，六号注氮管插接在模拟采空区顶面前侧的另外一个顶角附近，五号注氮管插接在模拟采空区顶面前侧的中间位置。

进一步地，角度调节机构包括一个悬吊支架，模拟采空区悬吊在该悬吊支架上；其中，模拟采空区顶面的四个顶角附近分别安装四个吊环，每个吊环连接一个起重葫芦，起重葫芦安装在悬吊支架上，且起重葫芦的锁链长度可以调节。

进一步地，温度监控系统中的温度传感器分布在模拟采煤工作台和模拟采空区中的不同位置；其中，在模拟采煤工作台中布置有5个排成一排且均布排列的温度传感器，在模拟采空区前半部分空间内布置有2排温度传感器，每一排设有5组温度传感器，每一组设有3个位于同一条竖直线上的温度传感器，这3个温度传感器分别位于模拟采空区的底部、中间和顶部。

进一步地，煤矿采空区内低温氮气运移规律模拟实验方法，应用权利要求6所述的煤矿采空区内低温氮气运移规律模拟实验平台，包括如下步骤：

步骤a、将进风管和回风管上的阀门打开，开启风机；

步骤b、保持模拟采空区为同一倾斜角度，选择不同注氮点进行模拟实验，获取模拟采空区内温度随时间变化的数据；

步骤b1、将电加热板和电热风枪接通电源，对模拟采空区持续加热一定时间，当模拟采空区内温度达到实验要求时，停止加热；

步骤b2、选择一号注氮管注入氮气：在注入氮气前，应先在模拟采空区内布置好温度传感器；之后从一号注氮管持续注入一定量的低温氮气，此时各个温度传感器将温度随时间变化的数据传输至计算机数据分析软件中；

步骤b3、分别选择二号注氮管、三号注氮管、四号注氮管、五号注氮管和六号注氮管注入氮气，重复步骤b1和步骤b2，分别进行在不同注氮条件下，低温氮气在模拟采空区内的运移规律的模拟实验；

步骤c、分别调整模拟采空区倾角为15度、30度、45度和60度，重复步骤b的过程，依次进行不同煤层倾角时，煤矿采空区内低温氮气的运移规律的模拟实验；

步骤d、将进风管和回风管上的阀门关闭，同时关闭风机，重复步骤b和步骤c的过程，进行在不通风条件下，煤矿采空区内低温氮气的运移规律的模拟实验；

步骤e、对上述步骤中分别采集的温度数据进行数据分析，得出在不同的实验条件下煤矿采空区内低温氮气的运移规律；

步骤e1、绘制模拟采空区内任一截面上的等温线；

步骤e2、计算低温氮气在模拟采空区内任一位置处的置换速度。

进一步地，所述步骤b2中，在注入氮气前，在模拟采空区内布置温度传感器的具体方法为:根据离注氮点越近温度传感器布置越密集的原则，在模拟采空区内布置好温度传感器；在模拟采空区内设有2排5列温度传感器，当选择注氮点为一号注氮管、二号注氮管、四号注氮管和六号注氮管的其中一个时，以离注氮点最近的一列温度传感器与注氮点之间的垂直距离为基数，之后，较远一列温度传感器与前一列温度传感器之间的距离呈等比数列增加；当选择注氮点为三号注氮管或五号注氮管时，温度传感器对称分布在注氮点的两侧，对注氮点任一侧的温度传感器的布置同样采用上述方式：即以离注氮点最近的一列温度传感器与注氮点之间的垂直距离为基数，之后，较远一列温度传感器与前一列温度传感器之间的距离呈等比数列增加。

进一步地，所述步骤e1中，绘制模拟采空区内任一截面上的等温线的方法为：选取模拟采空区内任一截面为参考面，读取某一时刻该截面上的温度数据，基于kriging插值方法对温度数据进行插值处理，之后将得到的数据输入matlab软件中，使用matlab软件绘制出该截面处的等温线，作为分析煤矿采空区内低温氮气的运移规律的依据。

进一步地，所述步骤e2中，计算低温氮气在模拟采空区内任一位置处的置换速度的方法为：读取任意两个相邻温度传感器的温度随时间变化的数据，根据该数据在同一个坐标系中分别绘制出两条温度随时间变化的曲线，分别为曲线a和曲线b，该坐标系的横坐标对应的变量为时间，纵坐标对应的变量为温度，在横坐标轴上分别读取两条曲线的拐点所对应的时刻ta和tb，量取该相邻两个温度传感器之间的距离d，则可以计算得到低温氮气在此处的置换速度为：v＝d/(tb-ta)。

相对于现有技术，本发明具有以下优势：

本发明所述的煤矿采空区内低温氮气运移规律模拟实验平台及实验方法，弥补现有技术存在的空白，通过在实验室搭建物理相似模型开展在不同情况下，研究低温氮气在采空区内的运移规律。能够模拟不同采空区倾角、不同松散介质渗透率、不同通风环境、不同低温氮气注入位置和参数条件下低温氮气的运移规律以及热置换区域大小变化。本发明可以解决当前由于没有相应的模拟实验平台，导致低温氮气在采空区内的运移规律、热置换效率以及热置换盲区缺乏研究的问题，可以为现场施工最佳注入位置及低温氮气注入参数提供设计依据。

因直接测量氮气的运移轨迹难度较大，本实验方法中充分利用了低温氮气不属于常温气体的特性，利用氮气温度作为示踪来监测氮气运移规律。通过在采空区布置温度传感器，监测采空区横纵不同方向上的温度数据，揭示采空区内低温氮气的运移规律(通过温度传感器之间变化反算获得)及有效降温区域，从而分析低温氮气在氮气采空区内的流动、换热规律以及热置换盲区范围。本实验方法大大降低了实验难度，可以保证测量的精度，同时结合数据分析和处理方法可以得出在不同情况下低温氮气的运移速率，实现了利用氮气温度作为示踪来测定流速的目的。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的结构示意图；

图2为温度传感器在模拟采空区内的分布示意图；

图3为图1中a部分的放大示意图；

图4为模拟采空区在悬吊支架中的安装示意图；

图5为计算低温氮气置换速度时采用的数据分析示意图。

附图标记说明：

1-模拟采空区；11-电加热板；12-热风管；2-模拟采煤工作台；3-连接孔板；41-回风管；42-进风管；5-风机；61-一号注氮管；62-二号注氮管；63-三号注氮管；64-四号注氮管；65-五号注氮管；66-六号注氮管；7-温度传感器；8-悬吊支架；9-起重葫芦。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1-4所示，煤矿采空区内低温氮气运移规律模拟实验平台，包括模拟采空区1、模拟采煤工作台2、模拟通风系统、温度监控系统、加热系统、注氮系统和角度调节机构；

其中，模拟采空区1为一个由隔热保温板组装而成的长方体结构，该长方体结构台长1000mm，高600mm，模拟采空区1内填充鹅卵石作为松散填充介质，模拟采煤工作台2固接在模拟采空区1的前侧底部，模拟采煤工作台2为一个由隔热保温板组装而成的长方体结构，并且模拟采煤工作台2与模拟采空区1内部相通，在两者相接的位置采用连接孔板3作为分隔，连接孔板3上布满若干通孔；

在该实验平台中设置有模拟通风系统，用于模拟煤矿采空区的通风环境，具体地，模拟采煤工作台2的前侧面的两端分别插接进风管42和回风管41，回风管41入口连接有一个风机5，且风机5采用离心风机，进风管42和回风管41上安装有阀门，用于开启和闭合管道。

在该实验平台中设置有注氮系统，注氮系统中包括六根注氮管，六根注氮管分别插接在模拟采空区1上不同的位置，用于模拟不同低温氮气注入位置条件下低温氮气的运移规律。其中，一号注氮管61和二号注氮管62用于模拟井下注氮，两者穿过在模拟采煤工作台2，三号注氮管63、四号注氮管64、五号注氮管65和六号注氮管66用于模拟地面注氮，这四根注氮管均插接在模拟采空区1顶面，且他们的下部管口距离顶面50mm；根据采空区自燃三带理论，井下火灾通常发生在自燃带，即靠近巷道一侧，所以六根注氮管均设置于模拟采空区1的前侧部分，具有实际意义。

具体地，一号注氮管61设置在回风管41内且穿过模拟采煤工作台2，插接在模拟采空区1前侧面底部的一侧，二号注氮管62设置在进风管42内且穿过模拟采煤工作台2，插接在模拟采空区1前侧面底部的另一侧，三号注氮管63插接在模拟采空区1的顶面中央，四号注氮管64插接在模拟采空区1顶面前侧的其中一个顶角附近，六号注氮管66插接在模拟采空区1顶面前侧的另外一个顶角附近，五号注氮管65插接在模拟采空区1顶面前侧的中间位置；

为了模拟煤矿采空区的火灾现场，在该实验平台中设置有加热系统，具体地址，在模拟采空区1底部中央安装一个电加热板11，用于模拟采空区1内热源，同时，为了保证快速加热模拟采空区1的松散介质，加热系统中还设置了辅助加热装置，具体地址，在模拟采空区1的后侧面上插接有四个均布排列的热风管12；在每根热风管12附近安装一个电热风枪，电热风枪的喷口对准的热风管12入口，通过电热风枪向模拟采空区1内喷射热空气对松散介质进行辅助加热，在每根热风管12上设有蝶阀，当使用电热风枪进行辅助加热时，打开蝶阀，供入热风，当供风停止时，关闭蝶阀。

因在自然环境中，不同煤矿的地质条件不同，有些煤矿中煤层是水平的，有些煤矿中煤层是倾斜的，为了模拟不同煤层倾角，模拟采空区1设置角度调节机构；具体地，在地面上放置有一个悬吊支架8，模拟采空区1悬吊在该悬吊支架8上，具体地，在模拟采空区1顶面的四个顶角附近分别安装四个吊环，每个吊环连接一个起重葫芦9，起重葫芦9安装在悬吊支架8上，其中，起重葫芦9的锁链长度可以调节，通过调节四个起重葫芦9的锁链长度可调整模拟采空区1的倾斜角度。

在本实验平台中还设置有温度监控系统，温度监控系统包含若干温度传感器7和一个数据采集卡，温度传感器7通过导线连接至数据采集卡，数据采集卡通过数据线与计算机中的通讯软件进行数据传输。在采空区内布置若干温度传感器7，通过监测采空区横纵不同方向上的温度数据，揭示采空区内低温氮气的运移规律及有效降温区域，从而分析低温氮气在氮气采空区内的流动、换热规律以及热置换盲区范围。

在模拟采煤工作台2中布置有5个排成一排且均布排列的温度传感器7，在模拟采空区1前半部分空间内布置有2排温度传感器7，每一排设有5组温度传感器7，每一组设有3个位于同一条竖直线上的温度传感器7，这3个温度传感器7分别位于模拟采空区1的底部、中间和顶部。在模拟采空区1内布置温度传感器7时，随着注氮点位置的不同，温度传感器7的布置也有所不同，因注氮点附近温度梯度较大，因此离注氮点越近，温度传感器7布置的越密集，离注氮点越远的地方，温度传感器7布置的相对稀松，这样便于获得较为精确的数据。

应用上述实验平台，煤矿采空区内低温氮气运移规律模拟实验方法，包括如下步骤：

步骤a、将进风管42和回风管41上的阀门打开，开启风机5，创造通风环境，可用于进行在通风条件下，煤矿采空区内低温氮气的运移规律的模拟实验；

步骤b、保持模拟采空区1为同一倾斜角度，选择不同注氮点进行模拟实验，获取模拟采空区1内温度随时间变化的数据；

步骤b1、将电加热板11和电热风枪接通电源，对模拟采空区1持续加热一定时间，用以模拟煤矿采空区内的火灾现场，当模拟采空区1内温度达到实验要求时，停止加热；

步骤b2、选择一号注氮管61注入氮气：在注入氮气前，应先根据离注氮点越近，温度传感器7布置越密集的原则在模拟采空区1内布置好温度传感器7；之后从一号注氮管61持续注入一定量的低温氮气，此时各个温度传感器7将温度随时间变化的数据传输至计算机数据分析软件中；

所述步骤b2中，在注入氮气前，在模拟采空区1内布置温度传感器7的具体方法为:在模拟采空区1内设有2排5列温度传感器7，排间距为250mm；当选择注氮点为一号注氮管61、二号注氮管62、四号注氮管64和六号注氮管66的其中一个时，离注氮点最近的一列温度传感器7与注氮点之间的垂直距离为l＝100mm，之后，较远一列温度传感器7与前一列温度传感器7之间的距离呈等比数列增加，比如：第二列温度传感器7与第一列温度传感器7之间的间距l1＝100*1.2；第三列温度传感器7与第二列温度传感器7之间的间距l2＝100*1.2²；第四列……以此类推；

当选择注氮点为三号注氮管63或五号注氮管65时，温度传感器7对称分布在注氮点的两侧，对注氮点任一侧的温度传感器7的布置同样采用上述方式：即离注氮点最近的一列温度传感器7与注氮点之间的垂直距离为l＝100mm，之后，较远一列温度传感器7与前一列温度传感器7之间的距离呈等比数列增加。

步骤b3、分别选择二号注氮管62、三号注氮管63、四号注氮管64、五号注氮管65和六号注氮管66注入氮气，重复步骤b1和步骤b2，分别进行在不同注氮条件下，低温氮气在模拟采空区1内的运移规律的模拟实验；

步骤c、分别调整模拟采空区1倾角为15度、30度、45度和60度，重复步骤b的过程，依次进行不同煤层倾角时，煤矿采空区内低温氮气的运移规律的模拟实验；

步骤d、将进风管42和回风管41上的阀门关闭，同时关闭风机5，创造不通风环境，重复步骤b和步骤c的过程，可用于进行在不通风条件下，煤矿采空区内低温氮气的运移规律的模拟实验；

步骤e、对上述步骤中分别采集的温度数据进行数据分析，得出在不同的实验条件下煤矿采空区内低温氮气的运移规律。

步骤e1、绘制模拟采空区1内任一截面上的等温线；可用于直观地观测低温氮气在该截面上的分布规律，分析降温效果；

选取模拟采空区1内任一截面为参考面，读取某一时刻该截面上的温度数据，基于kriging插值方法对温度数据进行插值处理，之后将得到的数据输入matlab软件中，使用matlab软件绘制出该截面处的等温线，作为分析煤矿采空区内低温氮气的运移规律的依据。

步骤e2、计算低温氮气在模拟采空区1内任一位置处的置换速度；可以根据计算的结果更加直接地得出低温氮气在模拟采空区1内的热置换效率，从而反应降温效果。

低温氮气在模拟采空区1内运移时，其所经过区域就会导致该区域温度下降，温度下降越快代表低温氮气流经该区域的越多，即低温氮气在此处的置换速度越快，计算低温氮气在模拟采空区1内某位置处的置换速度的方法为：

读取任意两个相邻温度传感器7的温度随时间变化的数据，根据该数据在同一个坐标系中分别绘制出两条温度随时间变化的曲线，分别为曲线a和曲线b，该坐标系的横坐标对应的变量为时间，纵坐标对应的变量为温度，在横坐标轴上分别读取两条曲线的拐点所对应的时刻ta和tb，量取该相邻两个温度传感器7之间的距离d，则可以计算得到低温氮气在此处的置换速度为：v＝d/(tb-ta)。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。