火风压驱动地裂缝气流作用下地下煤火实验测试装置的制作方法

本实用新型涉及地下煤火灾害领域，具体是涉及一种火风压驱动地裂缝气流流动作用下地下煤火实验测试装置与方法。

背景技术：

地下煤火是一种危害煤炭资源、生态环境和居民健康安全的全球性灾害，主要分布在中国、印度、美国、南非、澳大利亚和印度尼西亚等地。我国是受地下煤火危害最为严重的国家之一，每年直接烧毁约2000万吨煤炭资源，造成间接煤炭损失近2亿吨，排放出约5750万吨温室气体（CO2和CH4），占全球化石燃料CO2排放总量的~0.22%；此外，我国地下煤火还释放出大量的有毒有害物质（如CO、NOx、多环芳香烃（PAHs）、汞、砷和氟等），造成大面积的地表下沉，污染、破坏我国环境和生态系统，危害居民健康和安全，如图1所示。近几年，我国关闭了大量的小型煤矿，赋存在这些废弃矿井地下的煤体容易发生自燃，形成地下煤火灾害。在去产能及能源结构优化的新形势下，我国地下煤火灾害形势将十分严峻。

地下煤火是一种主要在火风压（热浮力）驱动地裂缝气流流动作用下地下煤层非控燃烧而形成的、沿煤层走向蔓延的特殊火灾。地下煤火作为全球最难扑灭的火灾之一，其主要根源是无需外部风力、仅靠自身产生的火风压驱动地表空气通过地裂缝进入地下煤层，使地下煤层燃烧，形成地下煤火灾害。因此，测试实验研究火风压驱动地裂缝气流作用下地下煤火对该灾害的防治是十分重要的。

目前关于火风压驱动地裂缝气流作用下地下煤火的实验测试装置和方法尚没有，但相近的煤田火灾实验测试有如下两种：

1）煤田火区燃烧特性参数测试实验

该实验装置和方法可测试煤高温贫氧燃烧的温度和气体产物，实验测试最高温度600℃，采用压缩气瓶强制供气。

2）煤田露头火区模拟实验

该实验装置和方法可测试煤阴燃温度、气体产物和裂隙火风压等，实验测试最高温度400℃，采用压缩气瓶强制供气。

通过文献调研，目前与本实用新型最相近的技术方案是煤田火区燃烧特性参数测试实验。测试的基本原理是，将不同氧气浓度的气体通过压缩气瓶通入燃烧炉内，炉内装有煤样和加热器，通过加热器加热使煤样温度升高，同时通入的氧气与煤样发生氧化反应放出热量，使煤样温度进一步升高。测试装置包括气源、高温反应炉、尾气处理和气样分析四个部分，具体装置结构示意图如图2所示。

该实验能测试不同氧浓度、不同升温速率或升温方式等条件下煤燃烧的温度和气体产物。该实验测试方法的步骤如下：

1）将煤样使用颚式破碎机破碎,并经筛分、混合后制成实验所用的混合煤样，然后将煤样填入燃烧炉内；

2）在升温开始前，预通30 min空气，待出气口气体组分稳定后，开始加热升温;

3）煤样温度达到20 ℃，开始取气，进行色谱分析；

4）煤样温度达到600 ℃，终止实验。

现有测试实验缺点：

地下煤火是一种主要在火风压驱动地裂缝气流流动作用下地下煤层非控燃烧而形成的、沿煤层走向蔓延的受限空间特殊火灾。因此，火风压、地裂缝、地下受限空间和深度等是测试地下煤火十分重要的、不可或缺的要素。另外，现场调研结果表明地下煤火高温达到800~1300℃。上述测试实验的缺点在于：（1）没有考虑火风压驱动气流流动、地下空间、地裂缝、深度等重要要素；（2）煤层燃烧温度较低（400~600℃）。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，在大量的野外调研实践和长期的实验、理论研究的基础上，提出一种包含地下煤火关键要素、与实际地下煤火燃烧温度一致的地下煤火实验测试新装置。

本实用新型所述的一种火风压驱动地裂缝气流流动作用下地下煤火实验测试装置，包括地裂缝装置、反应炉、点火器、热电偶、烟气冷却过滤装置、烟气分析仪、风速测量仪、数据采集器和主机，所述地裂缝装置包括出口地裂缝管和入口地裂缝管，所述出口地裂缝管通过法兰设在所述反应炉的顶端，所述入口地裂缝管为“L”型结构，其横边通过法兰与所述反应炉底部连接，所述点火器设在所述反应炉内并通过点火控制器与所述主机连接，所述烟气冷却过滤装置的一端与所述出口地裂缝管连通，其另一端通过烟气分析仪与所述主机连接，所述热电偶设在所述反应炉内并通过温度测量模块与所述数据采集器连接，两个所述风速测量仪的传感器端对应插入所述出口地裂缝管和所述入口地裂缝管内，每个所述风速测量仪的接线端分别与所述数据采集器连接，所述数据采集器通过数据线连接所述主机。

优选的，所述反应炉包括炉体和支架，所述炉体设在所述支架上，所述炉体内侧壁上设有保温层，所述炉体内设有内部中空且上下开口的不锈钢圆筒，其位于所述炉体的底部，所述不锈钢圆筒的上下两端分别设有金属网，所述炉体壁上开设有放置所述热电偶的炉体通孔。

所述不锈钢圆筒位于所述炉体底部，构成便于空气流通的空间，所述金属网用于支撑煤样；当进行地下煤火向上蔓延试验时，点火器放置在煤样下方；当进行地下煤火向下蔓延试验时，点火器放置在煤样上方。

优选的，所述烟气冷却过滤装置包括1#烟气采样管、2#烟气采样管、1#过滤器、2#过滤器、冷却气瓶和水槽，所述冷却气瓶放置在所述水槽内，所述1#烟气采样管和所述2#烟气采样管上分别对应设有所述1#过滤器和所述2#过滤器，所述冷却气瓶通过1#烟气采样管与所述出口地裂缝管连通，所述烟气分析仪通过2#烟气采样管与所述冷却气瓶连接。

优选的，所述入口地裂缝管的顶端设有空心塞子。

优选的，所述出口地裂缝管内侧壁上设有保温材料。

采用上述的一种火风压驱动地裂缝气流流动作用下地下煤火实验测试装置进行测试的方法，其步骤为：

1）准备实验煤样：采集新鲜的、未氧化的煤样，手动破碎煤体，筛选若干不同粒径的煤样，将筛选后的煤样密封储存；

2）放置点火器和填充煤样：将煤样均匀填充整个反应炉，每次测试时选择不同变质程度和粒径的煤样，用于测试分析煤变质程度和渗透性的影响作用；通过调整点火器与煤样位置关系，测试不同地下煤火蔓延方向特性：当进行地下煤火向上蔓延测试时，先放置点火器，然后在点火器上填充煤样；当进行地下煤火向下蔓延测试时，先向炉体中填充煤样，然后再放置点火器；

3）组装测试装置：连接和组装上述实验装置中的各部件，将空心塞子安装在所述入口地裂缝管的顶端，根据实验要求，调控空心塞子不同直径、以及竖向和水平地裂缝的不同长度，测试地裂缝宽度、深度和水平距离对地下煤火的影响作用；

4）关闭实验室的门窗，防止外部环境风影响火风压驱动气流流动；

5）加热点火和参数测量：在主机的软件系统中设置点火温度和加热功率，通电加热，产生烟气形成火风压，驱动外部空气通过空心塞子和入口地裂缝与实验煤体接触，促进煤燃烧，其燃烧温度可达到与现场调研结果基本一致的温度（800~1300℃），测量气流流速、温度、烟气浓度各参数；

6）保存数据：当实验结束后，软件系统自动保存所有数据。

本实用新型首次提出一种能在实验室内测试火风压驱动地裂缝气流流动作用下地下煤火的测试装置，其优点在于：

1）可替代野外观察、打钻孔探测的传统方法，降低成本、简化操作、缩短测试周期；

2）实验温度与野外调研温度基本一致（800~1300℃），真实反应地下煤火高温特点；

3）考虑地裂缝、深度和火风压等地下煤火重要要素，空气仅在火风压驱动作用下通过地裂缝进入地下空间与煤发生高温燃烧反应；

4）同步实时测量地表裂缝气流流速、地下煤层燃烧温度、烟气温度和关键成分（O2、CO2、CO）浓度等，这种多参数、同时测量的方法，能比较全面地反应地下煤层燃烧状态；

5）通过实验调控方法（正交实验），分析煤层渗透性、煤层变质程度、地裂缝宽度、地裂缝深度、地裂缝水平距离、火蔓延方向以及季节气压气温影响因素（测试实验变量）对地下煤火影响作用。

附图说明

为了使本实用新型的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本实用新型作进一步详细的说明。

图1是地下煤火灾害示意图。

图2是现有技术煤田火区燃烧特性参数测试实验装置。

图3是本实用新型测试装置结构示意图。

图4是空心塞子结构示意图。

其中：1- 地裂缝装置，11-出口地裂缝管，12-入口地裂缝管，13-空心塞子，2-反应炉，21-炉体，22-支架，23-不锈钢圆筒，24-金属网，25-保温层，3-点火器，31-点火控制器，4-热电偶，5-烟气冷却过滤装置，51-烟气分析仪，52-1#烟气采样管，53-2#烟气采样管，54-冷却气瓶，55-水槽，56-1#过滤器，57-2#过滤器，6-温度测量模块，7-风速测量仪，8-数据采集器， 9-主机，10-煤样。

具体实施方式

如图3、4所示，本实用新型所述的火风压驱动地裂缝气流流动作用下地下煤火实验测试装置，包括地裂缝装置1、反应炉2、点火器3、点火控制器31、热电偶4、烟气冷却过滤装置5、烟气分析仪51、温度测量模块6、风速测量仪7、数据采集器8和主机9。

所述反应炉2包括炉体21、支架22和不锈钢圆筒23，所述炉体21设在所述支架22上，所述炉体21为采用耐高温的316不锈钢制成的空心圆筒，其外径为12cm、高为60cm、厚度为4mm；所述炉体21的内侧壁上设有3cm厚的硅酸铝针刺毯耐高温保温层25，可模拟地下岩层良好的保温效果；内部中空且上下开口的不锈钢圆筒23设在所述炉体21底部，所述不锈钢圆筒的高度约为10cm，外径为6cm，所述不锈钢圆筒23的上下两端分别设有金属网24，该空心不锈钢圆筒的内部空间可使空气均匀进入煤层；炉体21外侧壁上的轴向方向，除了上下两端10cm的长度外，其中间部分的侧壁从上之下等距开设有20个直径为3.5mm的炉体通孔，上下每两个相邻的炉体通孔之间的距离均为2cm，每个通孔中均设有一个热电偶4，本实施例中采用K型铠装热电偶（直径3mm，长度18cm），将其通过炉体侧壁通孔水平插至炉体21的中心轴线上，所述K型铠装热电偶6的外端部通过所述温度测量模块6（本实施例温度测量模块型号为I-7018Z模块，ICP DAS Co., Ltd）与所述数据采集器8连接，所述数据采集器8通过数据线与所述主机9连接。

不锈钢圆筒顶部的金属网24的上方设有所述点火器3，所述点火器3通过点火控制器31与所述主机9连接，所述点火器3优选采用底盘为蚊香型的圆盘，其直径为8cm，由于点火器3需放置在反应炉内，但反应炉内温度很高，因此，加热底盘设有长度40cm的竖直耐高温保护套，用来保护连接加热盘的导线；点火器3的最大功率为500W，点火器的功率可通过点火控制器31手动调控。

地裂缝是地下煤火燃烧所需氧气和产生烟气的输送通道，本实用新型采用耐高温不锈钢圆管来模拟地裂缝；所述的地裂缝装置1（包括出口地裂缝管11和入口地裂缝管12）为内径均6cm、耐高温不锈钢圆管；所述出口地裂缝管11通过法兰竖直设在所述炉体21的顶端，由于地下岩层具有较好的保温条件，因此在所述出口地裂缝管内侧壁上设有3cm厚的保温层25，所述入口地裂缝管12包括垂直连接的横边和竖边，二者构成“L”型结构，其横边通过法兰与所述炉体21的底部连接，所述入口地裂缝管12的竖边与所述出口地裂缝管平行；所述出口地裂缝管11和入口地裂缝管12的高度均可通过法兰链接调节高度，所述法兰连接处采用耐温硅胶密封垫，保证良好的气密性；所述入口地裂缝管12的上端口出设有空心塞子13，空心塞子内径可调控（0~6 cm）实现模拟调节地裂缝宽度。

所述烟气冷却过滤装置5包括1#烟气采样管52、2#烟气采样管53、冷却气瓶54、水槽55、1#过滤器46和2#过滤器57，所述冷却气瓶54放置在所述水槽55内，所述1#烟气采样管52和所述2#烟气采样管53上分别对应设有所述1#过滤器56和所述2#过滤器57，所述1#烟气采样管52和所述2#烟气采样管53的底端均位于所述冷却气瓶54中，所述出口地裂缝管的中部开设有直径为1cm的圆形孔，所述冷却气瓶54通过1#烟气采样管52与所述出口地裂缝管的圆形孔连接，出口地裂缝管中的烟气可沿所述1#烟气采样管进入冷却气瓶54，冷却气瓶中的烟气通过2#烟气采样管进入烟气分析仪51中进行检测。

烟气冷却过滤装置用来冷却高温烟气、过滤烟气中的灰尘、细小颗粒和焦油蒸气等，本实施例中采用的过滤器可过滤1μm固体颗粒和0.01μm的焦油蒸气，冷却气瓶采用二口烧瓶，烟气管路采用内径为7mm的橡胶皮管。

本实施例中采用的烟气分析仪为德图Testo 350烟气分析仪，其可测量烟气中O2、CO2和CO浓度，三种成分测量量程分别为30%、100%和40%，精度分别为满量程的±0.2%、±0.2%和±4%。

所述出口地裂缝管11和所述入口地裂缝管12上分别开设有直径8mm的连接孔，两个连接孔分别位于各自地裂缝管的中心位置，本实施例中的采用的风速测量仪7为Omega FMA900R-V1空气流速变送器，其测量精度为满量程的±2%，量程为1.02 m/s；所述两个风速测量仪7的传感器端分别通过连接孔对应插至出口地裂缝管和入口地裂缝管的中心轴线上，两个所述风速测量仪7的接线端分别通过数据线与所述数据采集器8连接。

本实用新型所述的火风压驱动地裂缝气流流动作用下地下煤火测试装置，包括出口地裂缝管和入口地裂缝管，以及由准地表面、空心塞子、地裂缝管-反应炉-地裂缝“U”型结构，形成在火风压作用下驱动气流流动通路：地表-地裂缝-地下煤层-地裂缝-地表；还包括气流速率、温度、烟气浓度等参数测量系统。通过烟气测量仪、风速测量仪、温度测量仪构成的参数测量系统对地表裂缝气流流速、地下煤层燃烧温度、烟气温度和关键成分（O2、CO2、CO）浓度进行测量，并通过数据采集器传至主机自动存储。

采用上述的火风压驱动地裂缝气流流动作用下地下煤火灾实验测试装置进行测试的方法，其步骤为：

1）准备实验煤样：采集新鲜的、未氧化的煤样，手动破碎煤体，分别筛选粒径为6mm、9mm、15mm的煤样，将筛选后的不同粒径的煤样分别密封储存；

2）放置点火器和填充煤样：分别选择步骤1）中得到的其中一种煤样均匀填充整个反应炉，每次采用不同变质程度和粒径的煤样，测试分析煤变质程度和渗透性的影响作用；通过调整点火器与煤样位置关系，测试不同地下煤火蔓延方向特性：当进行地下煤火向上蔓延测试时，先放置点火器，然后在点火器上填充煤样；当进行地下煤火向下蔓延测试时，先向炉体中填充煤样，然后再放置点火器；

3）组装测试装置：连接和组装上述实验测试装置的各个部件，将空心塞子安装在所述入口地裂缝管的顶端，根据实验要求，调控空心塞子不同直径、竖向和水平地裂缝的不同长度，测试地裂缝宽度、深度和水平距离对地下煤火的影响作用；

4）关闭实验室的门窗，防止外部环境风影响火风压驱动气流流动；

5）加热点火和参数测量：在软件系统中设置点火温度和加热功率，通电加热，产生烟气形成火风压，驱动外部空气通过空心塞子和入口地裂缝与实验煤体接触，促进煤燃烧，其燃烧温度可达到与现场调研结果基本一致的温度（800~1300℃），开始测量气流流速、温度、烟气浓度各参数；

6）保存数据：当实验结束后，软件系统自动保存所有数据。

保证火风压是地裂缝气流流动的唯一动力源的方法：整个实验过程中不使用任何机械力供风，模拟实验在大空间实验室内开展，实验时关闭门窗，排除外部风力影响，保证仅在火风压驱动作用下通风供氧，空气从入口地裂缝管进入炉体中。

本实用新型的实验变量包括煤层渗透性、煤层变质程度、地裂缝宽度、地裂缝深度、地裂缝水平距离、火蔓延方向以及季节影响因素（测试实验变量）。在本实用新型所述的火风压驱动地裂缝气流流动作用下地下煤火测试方法中，实验变量的具体调控方法为：

n 煤层渗透性：煤层渗透性可通过粒径等调控，每次实验时采用步骤1）中得到其中一种粒径的煤样，包括但不仅限于步骤1）所述的粒径。

n 煤层变质程度：采集并测试典型的不同变质程度的褐煤、烟煤和无烟煤煤样进行测试实验。

n 地裂缝宽度：地裂缝上端口可衔接内径可调的空心塞子，通过空心塞子内径调节地裂缝宽度。

n 地裂缝深度和水平距离：地裂缝管可通过法兰连接，通过改变竖直地裂缝管长度和水平地裂缝管的长度分别调控地裂缝的深度和水平距离。

n 火蔓延方向：通过调控加热器与煤层的相对位置，实现地下煤火蔓延方向的变化，当进行地下煤火向上蔓延测试时，先放置点火器，然后在点火器上填充煤样；当进行地下煤火向下蔓延测试时，先向炉体中填充煤样，然后再放置点火器。

n 季节变化：在夏季、冬季分别开展相同实验条件实验，测试夏、冬季节的气压气温影响作用。

本实用新型中自主开发的地下煤火测试数据采集与控制软件能显示存储测量的温度、气流速率，数据采样率可调；可绘制温度随时间变化曲线；能实现自动控制点火功能，即当温度达到设定的点火温度时，自动断电，停止加热。

点火器将煤样10点燃后， K型铠装热电偶将测量的温度信息传输温度测量模块进而传送至数据采集器，数据采集器将采集的电信号转化为数字信号，通过通讯线将信号传输至主机中的地下煤火测试数据采集与控制软件，当煤层温度达到地下煤火测试数据采集与控制软件中设置的点火温度后，点火控制器关闭点火器，停止加热；烟气从出口地裂缝管排出，在德图Testo 350烟气分析仪泵的抽吸作用下，少量的高温烟气被吸入1#烟气采样管，通过1#过滤器过滤灰尘、细小颗粒后，进入水槽中的冷却气瓶冷却，这可以剔除大部分焦油蒸气，然后烟气通过2#烟气采样管进入2#过滤器，进一步剔除焦油蒸气，最后进入德图Testo 350烟气分析仪；风速测量仪测量地裂缝中气流流速，风速测量仪的传感器端通过地裂缝管壁开口插入地裂缝管中心轴线上，风速测量仪输出信号通过电线输入数据采集器，数据采集器将采集的电压信号转化为数字信号，传送至电脑主机中的地下煤火测试数据采集与控制软件中显示和储存。

以上所述仅为本实用新型的优选方案，并非作为对本实用新型的进一步限定，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的各种等效变化均在本实用新型的保护范围之内。