一种煤与瓦斯突出两相流可视化模拟试验系统

1.本实用新型涉及一种煤与瓦斯突出两相流可视化模拟试验系统，属于煤与瓦斯突出测试领域。


背景技术：

2.目前，我国能源结构中煤炭仍占据主导地位，煤炭的消耗量占一次性能源的70％以上。煤与瓦斯突出作为一种极其复杂的矿井瓦斯动力现象，严重地威胁到了煤矿的安全高效生产，已成为制约我国煤炭工业健康发展的关键因素。其具体表现为在几秒至几十秒极短时间内，大量的煤和瓦斯向采场、周围巷道等采掘空间喷出，并常伴有巨大的动力效应，具有极强的突发性和破坏性。喷出的煤可高达上万吨，瓦斯可高达数百万立方米，并且有可能造成瓦斯爆炸、风流逆转等其他矿井灾害。
3.煤与瓦斯突出两相流的运移规律对于突出的研究十分关键。然而根据以往试验者进行的模拟试验发现，煤与瓦斯突出两相流运移过程极为迅速和剧烈，且由于瓦斯流本身为无色，无法清晰地对突出过程中两相流的运移情况进行记录和分析，同时煤与瓦斯突出的发生过程中装置会产生震动而不稳定，故并不能很好的得到两相流的运移规律和参数特征。因此，实验室需要对煤与瓦斯突出物理模拟试验的方法上进行改进和创新，以便清晰地对突出过程中两相流的运移过程进行指示。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足之处，提供一种结构简单，使用方便，能够快速模拟瓦斯在煤层中不同突出状态的煤与瓦斯突出两相流可视化模拟试验系统。
5.为实现上述技术目的，本实用新型的一种煤与瓦斯突出两相流可视化模拟试验系统，其特点在于：包括水平设置的试验容器和气源模拟装置，所述的试验容器为一端封闭另一端开放的透明筒状结构，透明筒状结构底部设有可以调节筒状结构水平角度的固定支架；其中透明筒状结构中设有支撑板，支撑板将透明筒状结构内的空腔分隔成煤样罐和透明模拟巷道，其中为透明筒状结构密封一侧，透明模拟巷道为开放一侧；煤样罐内填满煤粉，透明模拟巷道靠近端部设有煤粉过滤装置，支撑板上设有爆破片，透明模拟巷道侧设有高速摄像机(16)，透一侧设有设有高速摄像机，气源模拟装置包括混合有示踪气体的气体混合罐，气体混合罐的出口通过管路与煤样罐侧壁上设置的充气口连接，气体混合罐的的入口分别与混合有示踪气体的气源连接，同时还通过气体回收管路与煤粉过滤装置开口的端部连接以回收逸散的气体。
6.进一步，所述气源模拟装置包括示踪气体瓶和瓦斯气体瓶，示踪气体瓶和瓦斯气体瓶的出气口分别通过管路与气体混合罐的入口连接，气体混合罐内部设有以确保示踪气体与瓦斯气体充分混合的气体混合辅助装置。
7.进一步，所述气体混合辅助装置为电机设置在气体混合罐外侧、旋转叶片在气体混合罐内侧的风扇。
8.进一步，气体混合罐与充气口之间的管路上设有流量控制阀，气体混合罐与流量控制阀之间的管路上分别设有真空泵以及用于将混合气体加压打入煤样罐的增压泵。
9.有益效果：
10.1)在煤与瓦斯突出模拟试验的方法上，本试验系统利用示踪气体对瓦斯气体流进行染色，可以清晰地对煤与瓦斯两相流运移过程进行指示。
11.2)在煤与瓦斯突出模拟试验装置上，利用固定支架将试验装置进行固定，以防止煤与瓦斯突出发生时装置震动影响试验研究。
12.3)在突出两相流规律的研究上，本试验系统在突出发生后继续向煤样罐中补充混合瓦斯气体并通过流量控制阀控制混合瓦斯气体的流量以模拟突出现场不同瓦斯源补充速度对于煤与瓦斯突出的影响。
13.4)本试验系统可以对于煤与瓦斯突出两相流进行回收利用，大程度节约成本。
14.5)本试验系统结构简单、使用方便，实现了煤与瓦斯突出发生、发展和终止全过程。
附图说明
15.图1为本实用新型的煤与瓦斯突出两相流可视化模拟试验系统结构示意图。
16.图中：1-示踪气体瓶，2-瓦斯气体瓶，3-气体混合罐，4-风扇，5-真空泵，6-增压泵，7-流量控制阀，8-充气口，9-煤样罐，10-煤粉，11-支撑板，12-爆破片，13-固定支架，14-透明模拟巷道，15-煤粉过滤装置，16-高速摄像机，17-气体回收管路。
具体实施方式
17.下面结合附图对本实用新型的实施例做进一步说明：
18.如图1所示，本实用新型的煤与瓦斯突出两相流可视化模拟试验系统，包括水平设置的试验容器，所述的试验容器包括筒状结构的煤样罐9，煤样罐9为一端开口一端封口，煤样罐9开口一端连接有尺寸匹配的透明模拟巷道14，透明模拟巷道14为筒状结构并内部设置煤粉过滤装置15，煤与瓦斯突出两相流经煤粉过滤装置15过滤掉煤粉后与气体混合罐3相连，煤样罐9内塞满煤粉10，煤样罐9与透明模拟巷道14之间设有抵住煤粉10的支撑板11，支撑板11的尺寸与煤样罐9匹配，支撑板11的圆心处设有爆破片12；其中透明模拟巷道14侧设有高速摄像机16，透明模拟巷道突出口处采用固定支架13固定，煤样罐9上通过管路连接有混合瓦斯气体输入装置。混合瓦斯气体输入装置包括示踪气体瓶1和瓦斯气体瓶2，示踪气体瓶1和瓦斯气体瓶2出气口管路连接有气体混合罐3，气体混合罐3内部安装有风扇4，以确保示踪气体与瓦斯气体充分混合，气体混合罐3的出气口接有流量控制阀7，并通过管路与煤样罐9连接。气体混合罐3出口处设有真空泵5和用于将混合气体加压打入煤样罐9的增压泵6。煤样罐9与气体混合罐3管路连接处设有控制混合瓦斯气体进入煤样罐9的流量控制阀7和充气口8，充气口8设置在煤样罐9靠近封口一端的侧壁上。
19.工作流程：通过示踪气体对瓦斯气体进行染色，实现煤与瓦斯突出过程中固-气两相流的可视化，进行两相流可视化模拟试验方法的步骤如下：
20.a.在煤样罐9中装入适量煤粉10，运用真空泵5充分抽真空；
21.b.瓦斯气体瓶2与示踪气体瓶1分别与气体混合罐3相连，进行突出试验前，两气体
瓶分别控制气体进入气体混合罐3中，待利用风扇4使瓦斯气体与示踪气体在气体混合罐3中充分混合并染色后备用；
22.c.打开高速摄像机16，将混合气体利用增压泵6加压并通过流量控制阀7和充气口8冲入煤样罐9中，待煤粉充分吸附该混合气体后打开爆破片12实现突出过程，使煤与瓦斯两相流均运移至透明模拟巷道14内，当煤与瓦斯两相流运移至透明模拟巷道14尾部时，通过气体回收管路17对气体进行循环利用。同时继续向煤样罐9中补充混合瓦斯气体并通过流量控制阀控制混合瓦斯气体的流量以模拟突出现场中不同瓦斯源补充速度对于煤与瓦斯突出的影响；
23.d.试验人员通过高速摄像机16记录两相流在透明模拟巷道14中的运移过程，分别计算气相流瓦斯和固相流煤粉的运移速度，得出运移速度规律，以用于后续现场防灾避灾的指导工作。
24.示踪气体与瓦斯气体冲入气体混合罐3中将充分混合并达到平衡状态，且示踪气体与瓦斯气体不会发生化学反应而影响瓦斯气体在煤粉中的吸附性，保证混合气体在整个试验过程中均呈现稳定状态。在瓦斯突出过程中，固相煤粉流和气相瓦斯流运移速度不同，其中煤粉流本身呈现黑色，可通过可视化巷道直接观察，而原本呈无色的瓦斯流也由于进行染色将呈现出明显的颜色，因此，固-气两相流运移过程均可通过高速摄像机16进行实时观测，为实验人员观察、计算运移速度等参数提供方便。