一种采空区二氧化碳输运耗散实验装置的制作方法

本发明属于煤炭开采领域，具体涉及一种采空区二氧化碳输运耗散实验装置。

背景技术：

采空区中下部覆岩垮落破碎与遗煤混合的区域，是煤矿灾害的重要发生部位，区域内的遗煤和岩体被上覆岩层压裂后形成导气通道，从煤自燃火灾的成因来看，煤氧化放热后热量的聚集是引起采空区煤自燃的主要原因，煤炭自燃涉及到热量的产生与传递，是生热与散热博弈的结果。根据煤自燃气化理论，煤自燃是风流场持续提供热氧气、遗煤氧化蓄热、热量积聚综合作用的结果。受采空区多孔介质孔隙特性、风流场、温度场的影响，采空区煤自燃具有灾害隐蔽性较强、流场复杂、治理难度大等特点。由于采空区内煤岩体构成的孔隙具有无向性、弯曲性和随机性等特点，采空区中的风流形式包括了湍流、过渡流、层流以及非线性渗流；根据热传递理论，漏风作为热量对流的媒介，是煤自燃生热传输的重要途径。因此，研究采空区煤自燃生热传热规律是防治煤自燃的重要理论基础。

二氧化碳惰化采空区技术是采空区煤自燃防治方法之一，由于二氧化碳气体具有惰化率高、抑爆性能好、速度快、成本低等特点，在通常状态下不与其他物质发生反应，可快速沉入火区底部置换底部二氧化碳，使火区因缺氧而窒息，同时又因为煤对二氧化碳的吸附能力大，脱附温度高，在矿井火灾防治应用中取得了较好的效果。

然而，采用二氧化碳防灭火技术时，二氧化碳与采空区漏风场相互作用，引起采空区内的风流场发生变化，此外，由于破碎煤岩体与二氧化碳发生吸附作用和热量传递、采空区温度场影响二氧化碳的理化性质，使得采空区内二氧化碳气体的储存和流动过程极其复杂。

二氧化碳对煤自燃过程的抑制作用主要体现在被破碎煤岩体吸附排除氧气、覆盖包裹煤体隔绝氧气、降低采空区氧气浓度、吸收并传导采空区热量。由于二氧化碳气体密度较大，可快速沉入火区底部，且煤岩体吸附二氧化碳气体的能力较大，脱附温度高，对煤低温吸附氧气过程有重要影响，使火区因缺氧而窒息，抑制煤氧化升温过程。国内外许多学者采用吸附、色谱吸氧及红外光谱分析等研究了煤对二氧化碳的吸附特性；在温度影响二氧化碳惰化特征方面，对二氧化碳抑制煤低温氧化特性进行了大量实验研究，得出了二氧化碳对煤的氧化自燃环境起到了惰化降氧和吸附阻氧作用，抑制了氧化产物产生，这些研究对指导二氧化碳防治煤自燃提供了很好的借鉴意义。

目前对于采空区流场的研究主要采用物理相似模拟和数值模拟两种方法，数值模拟方法将采空区假设成某种孔隙结构下的多孔介质，根据工作面实际地质和开采条件，采用砌体梁理论、“o”型圈理论计算采空区的孔隙率、内部阻力等参数，结合navier-stokes方程建立采空区的流体分布计算模型，利用有限元网格化处理方法，计算采空区的流场分布。这些基本参数的使用大部分依靠经验公式，得出的模拟结果也只是采空区流场分布的近似解，且经常存在模拟收敛性较差、计算结果数据量庞大、使用不变等问题。

物理相似模拟主要按实际比例，搭建采场相似物理平台，早期采用示踪剂、烟雾等手段观察气体的流迹，随着监测技术的发展，瓦斯、氧气浓度、压力、风速等传感器被用来监测采空区内气体浓度、压力、流速等数据。物理模拟要求在缩小模型的同时不改变原结构的特性参数，对于实验平台的设计要求较高，数值模拟使用方便，但关键基础参数的准确性直接影响模拟结果的精确度。

因此，本申请提出一种采空区二氧化碳输运耗散实验装置。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种采空区二氧化碳输运耗散实验装置。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种采空区二氧化碳输运耗散实验装置，包括气体混合器、装置本体、监控系统和数据显示系统；

所述装置本体包括恒温箱、升温实验炉和抽出式排风机；所述升温实验炉用于模拟采空区内部环境，所述升温实验炉设在所述恒温箱内，所述抽出式排风机设置在所述恒温箱外侧，所述抽出式排风机的进风管道穿过所述恒温箱并与所述升温实验炉连通；

所述气体混合器通过进气管道与所述升温实验炉连通，为所述升温实验炉提供混合气体，所述进气管道上设置有单向阀，气体从所述气体混合器进入所述升温实验炉时所述单向阀打开，气体反向回流时所述单向阀关系；

所述监控系统包括自动控制系统、监测系统、数据传输系统、数据处理系统和数据输出系统；

所述监测系统用于实时监测采空区内的气体浓度指标和温度指标，同时将监测到的数据发送到所述数据传输系统；

所述数据传输系统用于获取所述监测系统采集的实时数据，并将实时数据发送给所述数据处理系统；

所述数据处理系统对接收的数据进行分析，生成决策指令分别发送给所述自动控制系统、数据输出系统和数据显示系统；

所述自动控制系统根据接收的决策指令对所述气体混合器的流量和抽出式排风机进行自动控制；

所述数据输出系统根据接收的决策指令对将数据发送至存储单元；

所述数据显示系统通过执行所述数据处理系统发放的指令，对超过初始阈值的参数进行声光预警，对当前实验的状态进行图形显示，实时显示数据。

优选地，所述监测系统包括一氧化碳浓度传感器、氧气浓度传感器、甲烷浓度传感器、二氧化碳浓度传感器、乙烯浓度传感器、乙炔浓度传感器、温度传感器、流量传感器，各传感器按照点阵方式布置在所述升温实验炉中；

所述数据传输系统包括数据集成器和数据传输线缆，所述数据集成器按照设置的采样间隔时间，同时获取各类传感器的实时数据，通过所述数据传输线缆将实时数据发送给所述数据处理系统；

所述数据处理系统包括监测主机、信号转换器、解码器和数据分析器，通过对接收到的数据进行转换、解码，由数据分析器进行数据分析，生成决策指令分别发送给所述自动控制系统、数据输出系统和数据显示系统；

所述自动控制系统包括二氧化碳流量自动释放器、氧气自动释放器和控制器，所述二氧化碳流量自动释放器、氧气自动释放器和抽出式排风机均与所述控制器通信连接；所述控制器通过执行所述数据处理系统发放的指令，对二氧化碳和氧气的浓度及排风机的流量进行自动控制；

所述数据显示系统包括数据预警和屏幕显示，通过执行所述数据处理系统发放的指令，对超过初始阈值的参数进行声光预警，对当前实验的状态进行图形显示，实时显示数据。

优选地，所述气体混合器包括混合箱和与所述混合箱连通的二氧化碳注入管和氧气注入管，所述二氧化碳流量自动释放器和氧气自动释放器分别设置在所述二氧化碳注入管和氧气注入管上。

优选地，所述二氧化碳流量自动释放器和氧气自动释放器均为流量控制阀。

本发明提供的采空区二氧化碳输运耗散实验装置具有以下有益效果：

通过构建自动控制系统、监测系统、数据传输系统、数据处理系统、数据分析系统，可实现采空区二氧化碳惰化条件下不同灌注参数对二氧化碳吸附量、扩散运移量、涌出量及煤自燃预警指标的自动监测分析，该装置实用性强，具有广泛推广应用价值；

利用采空区煤自燃温度无线监测技术，即利用无线监测信号在高干扰下的冗余传播技术，设计监测阵列与多通道传播及数据整合分析；

可实现对采空区二氧化碳注入参数(注入量、采空区压力)、吸附量、扩散运移量与煤自燃临界指标参数(温度、一氧化碳浓度)的测定。

附图说明

图1为本发明实施例1的采空区二氧化碳输运耗散实验装置的结构示意图；

图2为本发明实施例1的采空区二氧化碳输运耗散实验方法的流程图；

图3为本发明实施例1的采空区二氧化碳输运耗散实验方法的实验数据处理流程图。

附图标记说明：

二氧化碳注入管1、氧气注入管2、氧气自动释放器3、混合箱4、升温实验炉5、恒温箱6、抽出式排风机7、监测系统8、二氧化碳流量自动释放器9。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案并能予以实施，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”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的技术方案和简化描述，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。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定或限定，术语“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。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，在此不再详述。

实施例1

本发明提供了一种采空区二氧化碳输运耗散实验装置，具体如图1所示，包括气体混合器、装置本体、监控系统和数据显示系统；

装置本体包括恒温箱6、升温实验炉5和抽出式排风机7；升温实验炉5用于模拟采空区内部环境，升温实验炉5设在恒温箱6内，抽出式排风机7设置在恒温箱6外侧，抽出式排风机7的进风管道穿过恒温箱6并与升温实验炉5连通；

气体混合器通过进气管道与升温实验炉5连通，为升温实验炉5提供混合气体，进气管道上设置有单向阀10，气体从气体混合器进入升温实验炉5时单向阀10打开，气体反向回流时单向阀10关系，通过单向阀10防止气流回流至气体混合器中；

监控系统包括自动控制系统、监测系统8、数据传输系统、数据处理系统和数据输出系统；

监测系统8用于实时监测采空区内的气体浓度指标和温度指标，同时将监测到的数据发送到数据传输系统；

数据传输系统用于获取监测系统8采集的实时数据，并将实时数据发送给数据处理系统；

数据处理系统对接收的数据进行分析，生成决策指令分别发送给自动控制系统、数据输出系统和数据显示系统；

自动控制系统根据接收的决策指令对气体混合器的流量和抽出式排风机7进行自动控制；

数据输出系统根据接收的决策指令对将数据发送至存储单元；

数据显示系统通过执行数据处理系统发放的指令，对超过初始阈值的参数进行声光预警，对当前实验的状态进行图形显示，实时显示数据。

进一步地，本实施例中，监测系统8包括一氧化碳浓度传感器、氧气浓度传感器、甲烷浓度传感器、二氧化碳浓度传感器、乙烯浓度传感器、乙炔浓度传感器、温度传感器、流量传感器，各传感器按照点阵方式布置在升温实验炉5中；

数据传输系统包括数据集成器和数据传输线缆，数据集成器按照设置的采样间隔时间，同时获取各类传感器的实时数据，通过数据传输线缆将实时数据发送给数据处理系统；

数据处理系统包括监测主机、信号转换器、解码器和数据分析器，通过对接收到的数据进行转换、解码，由数据分析器进行数据分析，生成决策指令分别发送给自动控制系统、数据输出系统和数据显示系统；

自动控制系统包括二氧化碳流量自动释放器9、氧气自动释放器3和控制器，二氧化碳流量自动释放器9、氧气自动释放器3和抽出式排风机7均与控制器通信连接；控制器通过执行数据处理系统发放的指令，对二氧化碳和氧气的浓度及排风机的流量进行自动控制；数据显示系统包括数据预警和屏幕显示，通过执行数据处理系统发放的指令，对超过初始阈值的参数进行声光预警，对当前实验的状态进行图形显示，实时显示数据。

为了进气量进行精确控制，本实施例中，气体混合器包括混合箱4和与混合箱4连通的二氧化碳注入管1和氧气注入管2，二氧化碳流量自动释放器9和氧气自动释放器3分别设置在二氧化碳注入管1和氧气注入管2上。煤样需要根据孔隙率按照粒径要求制作，并将煤样完全覆盖监测传感器，气体通过二氧化碳流量自动释放器9、氧气自动释放器3进行控制，二氧化碳气体由二氧化碳注入管1、氧气由和氧气注入管2分别进入混合箱4，达到设置浓度后再由管道输送到升温实验炉5中，气体流动的动能由抽出式排风机7提供。

具体地，本实施例中，二氧化碳流量自动释放器9和氧气自动释放器3均为流量控制阀。

本实施例的另一目的在于提供一种采空区二氧化碳输运耗散实验方法，该实验主要是分析co2在破碎煤体(采空区、升温炉)中与煤体发生吸附作用程度，以及分析外部的气体(o2)对于整个空间中气体分布规律的影响情况，如图2和图3所示，包括以下步骤：

步骤1、实验准备；在升温实验炉5中加入煤样，打开监控系统和数据显示系统；

步骤2、实验初始参数设定；进行实验装置参数调控方式选择，实验装置的调控方式分为流量调控或者压力调控，流量调控模式通过调控二氧化碳的注入量，重点分析二氧化碳浓度对输运耗散的影响；压力调控模式通过调控排风机的负压，重点分析环境压力对二氧化碳输运耗散的影响，并发出显示当前状态指令；

步骤3、打开恒温箱6将温度控制在实验设定的工况；

步骤4、打开二氧化碳流量自动释放器9、氧气自动释放器3以及排风机7；

步骤5、实验状态分析；通过判断参数的监测数据，包括氧气浓度、温度、风速，判断系统是否处于稳定状态；

步骤6、实验自动控制；若系统状态不稳定时，判断排风机7是否已经启动，以及氧化碳流量自动释放器9、氧气自动释放器3是否已经打开，若没有打开，则发出预警和调控指令，返回步骤4；

步骤7、实验数据自动分析；

步骤8、实验结束条件判断；以煤体温度是否达到设定温度作为实验结束的条件，若未达到条件，则返回步骤4；若达到结束条件，则向数据输出系统发送数据分析结果，包括二氧化碳吸附增加量、扩散运移量、涌出量、风速、温度；

步骤9、实验结果输出；利用数据输出系统显示实验全过程参数变化情况。

以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。