一种自发采空区温度分布快速模拟实验装置及方法与流程

本发明属于煤炭技术领域，具体涉及一种自发采空区温度分布快速模拟实验装置及方法。

背景技术：

采空区遗煤自燃是煤炭开采过程中常见的灾害之一，不仅严重威胁着人们的生命财产安全，同时还造成了严重的资源浪费和环境污染。煤自燃的发展过程极为复杂，包含多种物理化学作用，加上煤是一种物理结构和化学组成及其复杂且不均匀体，其确切的分子构成现在还无准确描述，导致很难从理论上搞清楚煤自燃的发生和发展过程。监测采空区中温度分布及变化是防治采空区煤自燃的一种关键手段。但采空区位于地下，且内部垮落严重，人员无法直接接近了解采空区内部温度情况。目前国内外研究采空区温度变化及分布大多通过数值模拟推算，虽然计算过程严密、速度快、不受现场条件约束，但对于非线性、大变形、非连续介质方面，由于岩体物理属性上参数选择上有困难，特别是给定初始条件的偏颇，因此结果往往有一定的局限性。同时，对于采空区容易引起自燃的高温点的监测方面，无法较为明确地研究高温点运移轨迹。而采空区风流对于遗煤自燃起着至关重要的作用。对于风流分布的研究也大都采用模拟的方法，与真实情况有一定误差。

中国专利cn205263061u公开了一种采空区自然发火的模拟实验装置，缺点包括：

1.现有实验装置均采用外部热源加热煤体，人为加快氧化反应，不能真实反应煤氧化放热进程；

2.现有采空区煤自燃模拟装置在不适用外部热源加热情况下实验周期较为漫长；

3.现有采空区煤自燃模拟装置采空区温度检测采用热电偶监测，不能直接观测，且只能通过有限的点来反映采空区温度，无法获得采空区风流与温度耦合的实验结果，无法真实反映采空区风流情况。

技术实现要素：

本发明的目的之一是提供一种自发采空区温度分布快速模拟实验装置，可实现氧化放热反应自发进行条件下，对采空区内部温度分布及变化情况、高温点运移轨迹的直接快速的观测，进而为采空区防灭火以及采空区自燃三带划分创造良好实验条件。

本发明的目的之二是提供一种基于上述实验装置进行自发采空区温度分布快速模拟的实验方法，步骤简单。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种自发采空区温度分布快速模拟实验装置，包括试验台主体、实验参数监测系统、红外监控系统和终端控制系统；

所述实验台主体包括采空区等效主体、回风巷等效管、进风巷等效管和含水雾风流发生器，所述采空区等效主体为中空立方盒体，内部填充氧化钙颗粒，所述采空区等效主体的前侧面和后侧面上分别设有多个通风口，所述通风口处设置有可开合的盖子，所述回风巷等效管和进风巷等效管分别与所述通风口连接，构成等效不同工作面，所述含水雾风流发生器包括超声波水雾发生器和鼓风机，所述超声波水雾发生器置于所述鼓风机前方，所述超声波水雾发生器的水箱中存储有有色水，所述鼓风机的鼓风口与所述进风巷等效管的进风端密封连接；

所述实验参数监控系统包括若干个湿度传感器、温度传感器、风速传感器和热电偶，所述湿度传感器、温度传感器、风速传感器分别设置在所述回风巷等效管和进风巷等效管的近采空区等效主体一端，所述热电偶位于所述采空区等效主体内部，垂直于采空区等效主体底部设置，高度不超过氧化钙颗粒的填充高度；

所述红外监控系统包括两台红外摄像仪，其中一台红外摄像仪架设于所述采空区等效主体的正上方，另一台红外摄像仪架设于所述采空区等效主体的左侧面或右侧面；

所述终端控制系统包括控制器和电脑终端，所述控制器的输入端分别与所述湿度传感器、温度传感器、风速传感器、热电偶电连接，所述控制器的输出端和红外摄像仪分别与所述电脑终端电连接。

优选的，所述鼓风机的鼓风口与所述进风巷等效管的进风端的连接处采用硅胶垫密封。

进一步地，所述采空区等效主体与进风巷等效管以及回风巷等效管的连接处均设有可调节阻隔网。

优选的，所述采空区等效主体上部盖子为可开合连接。

本发明还提供一种自发采空区温度分布快速模拟的实验方法，包括以下步骤：

第一步，根据实验所需要模拟的通风方式，调节采空区等效主体上不同位置预留通风口的开合，将打开的预留通风口分别连接进风巷等效管和回风巷等效管，模拟所需开采方式巷道布置，构成采空区基工作面的进回风系统，模拟进风巷和工作面向采空区内漏风；

第二步，分别在进风巷等效管、回风巷等效管近采空区端设置风速传感器、温度传感器及湿度传感器，在采空区等效主体内各关键测点位置设置热电偶，组成热电偶网，分别在采空区等效主体的正上方和侧面架设一台红外摄像仪；

第三步，选取合适粒径的氧化钙颗粒作为煤体等效颗粒，自下而上、自前而后地铺设在采空区等效主体内，直至没过热电偶网的高度，根据研究目的不同，选择不同铺设方式；

第四步，设置湿度为0，打开超声波水雾发生器和鼓风机，模拟工作面基采空区风流流动，检测各连接处是否漏风，漏风处使用硅胶密封；

第五步，调节实验所需风速与湿度，利用氧化钙吸水放热的特性，加速模拟采空区遗煤自然过程中温度变化；

第六步，由进风巷等效管中风速传感器、湿度传感器、温度传感器监测进风参数，由回风巷等效管中风速传感器、湿度传感器、温度传感器监测回风参数，由热电偶网及红外摄像仪监测采空区等效区域参数；所有监测数据通过控制器采集并输送到电脑终端，由相关监测软件进行数据的记录，分析和存储；

第七步，实验结束后，将采空区等效主体内部氧化钙颗粒层去除一定厚度，观察剖面的颜色分布情况，有色部分即为风流经过的路径，颜色的深浅表示风流大小，进一步确定采空区风流分布及漏风位置。

氧化钙在采空区中堆积，类似于遗煤在采空区中堆积状态，风流中水雾与氧化钙反应放热，类似于煤氧的物理吸附、化学吸附和氧化反应作用下产生的微小热量。在一定条件下，热量产生速率大于向环境的散热速率后，产生的热量积聚，氧化钙温度上升，氧化钙反应速率大于煤氧反应，温度变化更快，从而能快速模拟采空区温度变化。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明在氧化放热反应不受外界干扰，自发进行的情况下，更加快速的模拟出采空区温度变化、高温点运移轨迹及分布情况，同时可以进行传感器监测和借助红外摄像仪直接进行观测，还可以通过有色水在氧化钙颗粒层中的颜色分布情况，进一步确定采空区风流分布及漏风位置，观测结果更为真实直接，为采空区煤自燃防治提供了一种指导方案。

附图说明

图1为本发明的自发采空区温度分布快速模拟实验装置示意图；

图2为不同工作面布置方式下采空区等效主体示意图；

图3为含水雾风流发生器结构示意图；

图4为热电偶布置示意图；

图5为本发明的数据控制原理图；

图中：1-采空区等效主体，2-回风巷等效管，3-进风巷等效管，4-含水雾风流发生器，5-红外摄像仪，6-湿度传感器，7-风速传感器，8-控制器，9-电脑终端，10-可调节通风口，11-摄像仪支撑架，12-热电偶，13-鼓风机，14-超声波水雾发生器，15-温度传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明的一种自发采空区温度分布快速模拟实验装置，包括试验台主体、实验参数监测系统、红外监控系统和终端控制系统。

所述实验台主体包括采空区等效主体1、回风巷等效管2、进风巷等效管3和含水雾风流发生器4，所述采空区等效主体1为空心立方体，内部填充氧化钙颗粒，选取不同粒径的氧化钙颗粒可以实现采空区不同孔隙率分布等效，所述采空区等效主体1的前侧面和后侧面上分别设有多个通风口10，所述通风口10处设置有可开合的盖子，所述回风巷等效管2和进风巷等效管3分别与所述通风口10连接，构成等效不同工作面，所述含水雾风流发生器4连接于所述进风巷等效管3的进风端，所述含水雾风流发生器4包括超声波水雾发生器14和鼓风机13，如图3所示，超声波水雾发生器13置于鼓风机13前方，所述超声波水雾发生器14的水箱中存储有有色水，所述鼓风机的鼓风口与所述进风巷等效管的进风端密封连接，例如采用硅胶垫密封；通过超声震动产生水雾，鼓风机13风流携带水雾形成具有一定湿度的风流。

所述实验参数监控系统包括若干个风流湿度传感器6、温度传感器15、风速传感器7和热电偶12，所述风流湿度传感器6、温度传感器15、风速传感器7分别设置在所述回风巷等效管2和进风巷等效管3的近采空区等效主体1一端，所述热电偶12位于所述采空区等效主体1内部，垂直于采空区等效主体1底部设置，高度不超过氧化钙颗粒的填充高度。

所述红外监控系统包括两台红外摄像仪5，其中一台红外摄像仪5架设于所述采空区等效主体1的正上方，另一台红外摄像仪架5设于所述采空区等效主体1的侧面；红外摄像仪架5采用摄像仪支撑架11固定，使得红外摄像仪5可以在同一位置进行长时间连续拍摄。

如图1和图5所示，所述终端控制系统包括控制器8和电脑终端9，所述控制器8的输入端分别与所述风流湿度传感器6、温度传感器15、风速传感器7、热电偶12电连接，所述控制器8的输出端和红外摄像仪12分别与所述电脑终端9电连接。

所述采空区等效主体1与进风巷等效管3以及回风巷等效管2的连接处均设有可调节阻隔网，阻隔网用于阻隔氧化钙颗粒，以及通过调节阻隔网疏密来控制同等阻力。

所述采空区等效主体1上部盖子为可开合连接，例如可以采用铰链连接，盖子与采空区等效主体1的接合处采用硅胶垫密封。

本发明还提供一种自发采空区温度分布快速模拟的实验方法，包括以下步骤：

第一步，根据实验所需要模拟的通风方式，调节采空区等效主体1上不同位置预留通风口10的开合，将打开的预留通风口分别连接进风巷等效管3和回风巷等效管2，模拟所需开采方式巷道布置，构成采空区基工作面的进回风系统；可以模拟的工作面布置方式如图2所示，可以模拟u型，u+l型，y型，w型，e型，z型等布置方式。

第二步，分别在进风巷等效管3、回风巷等效管2近采空区端设置风速传感器7、湿度传感器6及温度传感器15，在采空区等效主体1内各关键测点位置设置热电偶12，组成如图4所示的热电偶网，利用摄像仪支撑架11分别在采空区等效主体1的正上方和侧面架设一台红外摄像仪5；

第三步，选取合适粒径的氧化钙颗粒作为煤体等效颗粒，自下而上，自前而后铺设地铺设在采空区等效主体1内，直至没过热电偶网的高度，根据研究目的不同，选择不同铺设方式；在模拟y型，z型巷道布置时，在采空区等效主体1内注意遗留巷道空间；

第四步，设置湿度为0，打开含水雾风流发生器4，模拟工作面基采空区风流流动，检测各连接处是否漏风，漏风处使用硅胶密封；

第五步，调节实验所需风速与湿度，利用氧化钙吸水放热的特性，加速模拟采空区遗煤自然过程中温度变化；氧化钙在采空区中堆积，类似于遗煤在采空区中堆积状态，风流中水雾与氧化钙反应放热，类似于煤氧的物理吸附、化学吸附和氧化反应作用下产生的微小热量。在一定条件下，热量产生速率大于向环境的散热速率后，产生的热量积聚，氧化钙温度上升，氧化钙反应速率大于煤氧反应，温度变化更快，从而能快速模拟采空区温度变化；

第六步，由进风巷等效管3中风速传感器7、湿度传感器6、温度传感器15监测进风参数，由回风巷等效管2中风速传感器7、湿度传感器6、温度传感器15监测回风参数，由热电偶网及红外摄像仪5监测采空区等效区域参数；所有监测数据通过控制器8采集并输送到电脑终端9，由相关监测软件进行数据的记录，分析和存储；

第七步，实验结束后，打开采空区等效主体1的上盖，将采空区等效主体1内部氧化钙颗粒层去除一定厚度，观察剖面的颜色分布情况，有色部分即为风流经过的路径，颜色的深浅表示风流大小，进一步确定采空区风流分布及漏风位置；与传感器监测数据进行对比，可以更加准确地描述风流与采空区自燃的关系。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应该视为本发明的保护范围。