一种模拟采空区内防灭火材料滞留特性测试装置及方法

本发明涉及一种滞留特性测试装置及方法，具体为一种模拟采空区内防灭火材料滞留特性测试装置及方法，属于防灭火材料性能测试。

背景技术：

1、采空区内的遗煤在氧化过程中生成的热量，易于积存在采空区，蓄积的热量促进了采空区遗煤自燃。灌浆防灭火作为一种常用的防治煤自燃手段，借助注浆管道灌注于采空区内。但采空区灌浆措施不容易实施,在进行采空区灌浆时，其灌浆量一旦大于采空区承受能力，就会发生泥浆淹面事故。同时受重力作用影响，浆液容易出现跑浆、溃浆等现象，因此即使进行灌浆，浆液向工作面前流失，其防灭火材料在采空区只沿着地势较低的地方流动，不能均匀覆盖煤体、不能向高处堆积、易形成“拉沟”现象，使采空区内的大量顶板落煤得不到防火材料的覆盖。

2、防灭火材料通过钻孔或煤体裂隙进入采空区高温区，因具有很好的挂壁性滞留在煤岩裂隙表面，避免发生溃浆浆液的大量流失。浆液快速降低煤表面温度，残余固体形成隔离层，阻碍煤氧接触而进一步氧化自燃；而流动的部分混合液随着煤体的温度的升高，在不远处及煤体孔隙里固化，包裹煤体、隔绝氧气、使煤氧化、放热反应终止。但是由于目前未有可视化模拟测试防灭火材料在采空区内滞留效果的装置及方法，即不清楚在裂隙倾斜角度、采空区内孔隙率、防灭火材料粘度、防灭火材料时变特性及温变特性下的滞留特性，进而导致无法针对不同环境的采空区采取对应的注浆措施，最终使得不同情况的采空区注入防灭火材料后所达到的效果相差较大，因此如何研究裂隙倾斜角度、采空区内孔隙率、防灭火材料粘度、防灭火材料时变特性及温变特性下对防灭火材料滞留特性的影响，是本行业的研究方向之一。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种模拟采空区内防灭火材料滞留特性测试装置及方法，能获取不同采空区倾斜角度、不同的采空区内孔隙率、不同的防灭火材料粘度、不同高温点位置及其温度条件下，防灭火材料的时变特性及温变特性对防灭火材料滞留特性的影响。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种模拟采空区内防灭火材料滞留特性测试装置，包括采空区模拟试验架、浆液收集装置、注浆装置、真空抽气泵和数据采集及处理系统；

3、所述采空区模拟试验架包括支撑架、采空区相似模拟区和真空测试腔体，所述支撑架包括测试平台和多个伸缩支杆，多个伸缩支杆的固定端放置在地面上、伸缩端均与测试平台下部铰接，通过调节各个伸缩支杆的伸出长度能控制测试平台的倾斜角度；所述采空区相似模拟区装在测试平台上，其包括壳体、浆液收集腔、浆液混合腔和热电偶，壳体包括第一玻璃板、第二玻璃板和两个侧板，第一玻璃板处于第二玻璃板的正上方，且通过两个侧板固定连接，使壳体为两端开口的矩形体；浆液收集腔和浆液混合腔分别固定在壳体两端，且均与壳体内部连通；壳体内部装有由煤柱模块和周边裂隙模块组成的采空区相似模型，用于模拟采空区内的地质情况；热电偶布设在采空区相似模型内部，用于模拟煤自燃升温过程中的高温点；所述真空测试腔体装在测试平台下部，且其与壳体内部连通，真空测试腔体上装有数字真空压力表；

4、所述注浆装置通过注浆管与浆液混合腔连接，用于向采空区相似模型注入防灭火材料；所述浆液收集装置与浆液收集腔连接，用于将采空区相似模型排出的防灭火材料收集；所述真空抽气泵与真空测试腔体连接，用于对采空区相似模型进行抽真空；

5、所述数据采集及处理系统包括多个红外热像仪、多个流速传感器、多个压力传感器、数据采集装置、上位机和三维激光扫描仪；多个红外热像仪均处于采空区相似模拟区上方且均朝向采空区相似模拟区内部拍摄，用于对采空区相似模拟区内部各个位置进行红外图像采集并反馈给数据采集装置，多个流速传感器和多个压力传感器均布设在采空区相似模型内部，分别将采集的流速及压力数据均反馈给数据采集装置；所述三维激光扫描仪设置在采空区模拟试验架一侧，且朝向采空区相似模拟区，用于采集浆液滞留数据并反馈给数据采集装置，数据采集装置将获取的数据反馈给上位机，上位机对反馈的数据进行综合分析处理。

6、进一步，所述两个侧板均为透明材质制成。采用透明材质更便于观察。

7、进一步，所述伸缩支杆为螺纹千斤顶。采用该结构使得角度调节更稳定，支撑效果更好。

8、进一步，所述煤柱模块和周边裂隙模块的相似尺寸选择以实际模拟采空区内实际煤柱及其周边裂隙范围分布确定；且煤柱模块和周边裂隙模块的孔隙率采用体积填充法确定。这样能进一步保证模拟更贴合实际情况。

9、进一步，所述煤柱模块和周边裂隙模块均采用深黑色的煤颗粒和矸石填充组成。这样设置是为了更加明显的对比出防灭火材料渗流、扩散效果。

10、进一步，所述第一玻璃板和第二玻璃板均为方形，第一玻璃板的长宽厚分别为2500mm×1250mm×20mm，第二玻璃板的长宽厚分别为2500mm×1250mm×30mm；壳体内部的高度为250mm。

11、进一步，所述采空区相似模型靠近浆液混合腔的一侧开设注浆孔，在采空区相似模型内部距离注浆孔250mm范围内，从注浆孔起始沿采空区相似模型的纵向中心线布设由流速传感器组成的流速传感器弧形排列和由压力传感器组成的压力传感器弧形排列，且两种排列交替间隔设置。采用这种布设方式，能保证对注浆过程中的流速及压力进行更精准的监测，使得后续能获取更精准的数据。

12、进一步，所述注浆装置包括储浆桶和注浆泵，储浆桶通过注浆泵及注浆管与浆液混合腔连接。

13、上述模拟采空区内防灭火材料滞留特性测试装置的工作方法，具体步骤为：

14、步骤1：布设采空区相似模拟区：先获取所需模拟的采空区内实际煤柱及其周边裂隙范围分布情况，进而确定煤柱模块和周边裂隙模块的相似尺寸，并采用体积填充法确定煤柱模块和周边裂隙模块的孔隙率，从而在壳体内形成布设形成采空区相似模型，该模型采用分层铺设，在其内部布设热电偶作为模拟高温点，并依次布设多组压力传感器弧形排列和流速传感器弧形排列，完成采空区相似模拟区布设；

15、步骤2：防灭火材料滞留特性测试装置组装及初始数据设定：将滞留特性测试装置的各个部件组装完成后，分别设定初始采空区倾角、初始孔隙率、防灭火材料的初始粘度、防灭火材料注入流速及压力、热电偶的最高加热温度；

16、步骤3：配制防灭火材料：根据步骤2确定的防灭火材料的初始粘度，配置所需的防灭火材料，注入储浆罐中备用，所需的防灭火材料的粘度与设定的初始粘度相同；

17、步骤4：防灭火材料滞留特性测试：根据步骤2设定的初始采空区倾角，通过支撑架使采空区相似模拟区达到设定倾角，并且使热电偶以设定的最高加热温度，并保持该温度加热一定时间模拟高温点，随后停止加热；接着通过注浆装置以设定的防灭火材料注入流速及压力将步骤3中的防灭火材料注入采空区相似模拟区，通过压力传感器和流速传感器实时监测对注浆过程中的流速及压力进行调整，使其始终保持在设定值；同时启动红外热像仪和三维激光扫描仪对注浆全过程实时监测，并将获取的数据经过数据采集装置反馈上位机，在注浆过程中流速传感器和压力传感器分别将采集的流速及压力数据均反馈给上位机，上位机对反馈的数据进行综合分析处理，随着注浆持续，浆液经过采空区相似模拟区进入浆液收集腔并最终到达浆液收集装置；

18、步骤5：数据处理：红外热像仪获取的实时数据，用于观察防灭火材料在模拟区内浆液热图像变化，结合防灭火材料的初始粘度，利用时变公式η(t)＝ηpoekt和温变公式τ(t)＝μp(t)γ，其中ηpo为防灭火浆液初始粘度，k为常系数，γ为剪切速率，μp为塑性粘度，得出在当前高温条件下防灭火材料粘度变化规律；同时三维激光扫描仪获取的实时数据，用于分析防灭火材料在煤层壁面滞留浆液的体积进行三维记录，定义为滞留系数，其中v总＝qt＝2πr0vt，v为注浆速率，t为注浆时间，v′总为单位时刻总注浆体积变化率，v'滞为单位时刻滞留体积变化率，同时检查浆液收集装置内的浆液，并进行质量称重，与注浆前的浆液质量进行对比，利用公式其中ρ为防灭火材料密度、r0为注浆管半径、v为注浆速度、s为浆液收集装置底面积、h为浆液收集装置中浆液高度；从而计算得出在当前高温条件下防灭火材料的滞留能力情况；

19、步骤6：堵漏效果测试：待防灭火材料滞留特性测试结束后停止注浆，此时滞留的防灭火材料会将煤柱模块和周边裂隙模块的孔隙封堵，启动真空抽气泵对于真空测试腔体抽真空，由于真空测试腔体与采空区相似模拟区下部连通，通过监测数字真空压力表示数随时间变化，能反映出防灭火材料的滞留效果稳定性；即数字真空压力表随时间变化越快说明防灭火材料堵漏效果越好，反之，说明防灭火材料堵漏效果越差；

20、步骤7：试验完成及清洗：待堵漏效果测试结束后，清洗整个测试装置；

21、步骤8：改变初始采空区倾角、初始孔隙率、防灭火材料的初始粘度、防灭火材料注入流速及压力、热电偶的最高加热温度和热电偶的布设位置，完成后重复步骤1至7，从而获取当前高温点位置及其温度条件下防灭火材料粘度变化规律、防灭火材料的滞留能力情况及滞留效果稳定性；持续改变不同数据并重复多次测试，从而能监测到在不同高温点位置及其温度条件下煤块各个位置处的浆液热图像变化，煤层壁面体积分数变化、防灭火材料扩散后总量的变化和防灭火材料堵漏隔风效果的变化，最终能得到不同采空区倾斜角度、不同的采空区内孔隙率、不同的防灭火材料粘度、不同高温点位置及其温度条件下，防灭火材料的时变特性及温变特性对防灭火材料滞留特性的影响。

22、与现有技术相比，本发明具有如下优点：

23、1、本发明在整个试验过程中实现了可视化，利用三维激光扫描仪和红外热像仪能够对模拟区内煤块壁面滞留体积变化进行三维记录、对受高温影响下浆液流动时的热分布场进行真实直观的记录，反映防灭火材料的降温效果，获取更精准的数据。

24、2、本发明在整个实验过程中可通过调整高温点位置，模拟采空区内不同高温区域；通过千斤顶调整，模拟不同煤层倾角下防灭火材料在煤块壁面滞留体积变化；通过调整模拟区煤块充填孔隙率，模拟不同注浆工况，最终实现不同采空区倾斜角度、不同的采空区内孔隙率、不同的防灭火材料粘度、不同高温点位置及其温度条件的模拟。

25、3、本发明在上述模拟的不同条件下，从防灭火材料热图像变化得出在高温条件下材料粘度随温度、时间变化规律，利用三维激光扫描仪得出滞留总量变化，最后利用滞留浆体堵漏隔风效果相互对比分析得出采空区内防灭火材料的滞留特性，最终得出不同条件下，防灭火材料的时变特性及温变特性对防灭火材料滞留特性的影响，工作人员根据分析结果，为后续不同环境的采空区内采取对应的注浆措施提供数据支撑，最终使得不同情况的采空区内注入防灭火材料后所达到的效果均较好。