变工况可调节煤矿采空区相似模拟实验平台

本发明涉及煤炭采空区，具体来说是变工况可调节煤矿采空区相似模拟实验平台。

背景技术：

1、煤炭采空区是指在煤矿作业过程中，将地下煤炭或煤矸石等开采完成后留下的空洞或空腔。在对煤矿开采过程中，由于采空区遗留残煤较多、漏风严重，并且废弃的矿坑中残留很多易燃气体，风流中携带一定量的氧气，无形中增加了采空区出现火灾的概率。因此采空区自燃隐患常常给煤矿的正常生产带来危害。

2、煤矿井下采空区内部环境复杂，多种气体浓度场共同耦合，其自燃危险区域受多种因素影响，复杂多变，导致判定井下煤自燃环境瓦斯爆炸危险性和自燃危险性判定与防治的难度大大提升，至今缺少有效的研究手段。现场测试数据最为准确，但是现场测试数据需要大量的人力物力，而井下环境较为复杂，测试面临着环境条件的制约，测试时间较长，并且现场测试数据量有限，从而无法有效地对煤矿井下采空区内部环境进行有效的分析。

3、鉴于上述问题，普遍采用相似实验模拟平台模拟煤矿井下采空区内部环境，解决了上述存在的问题。该相似实验模拟平台具有长方体结构腔体的模拟采空区、模拟采空区工作面和模拟供风系统，其中模拟采空区工作面通常位于模拟采空区内，并通过模拟采空区的工作面上等间距划分多个割缝与模拟采空区连通，而模拟供风系统均具有与模拟采空区工作面密封连通的进风巷和回风巷，该相似实验模拟平台给出是在模拟采空区定尺寸的前提下，能够通过相似模拟实验再现井下采空区的真实状态。实验室测试数据可重复性好、数据测试手段多样，可以有效地研究采空区内部的流场、气体体积分数场以及温度场等参数变化规律。但是还无法分析采空区内局部遗煤氧化升温条件下的物理场分布，多源漏风条件下的复杂流场状态问题。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供的变工况可调节煤矿采空区相似模拟实验平台，为研究人员从实验室尺度分析采空区内物理场变化规律提供可能；进而为分析采空区内局部遗煤氧化升温条件下的物理场分布，多源漏风条件下的复杂流场状态问题提供一种实验室测试与分析方法。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

3、变工况可调节煤矿采空区相似模拟实验平台，包括：模拟采空区、模拟采空区工作面、模拟供风系统以及模拟惰性气体注入系统，所述模拟采空区为长方体结构，所述模拟采空区工作面设在模拟采空区内，且模拟采空区的工作面上等间距划分多个割缝，多个割缝均与模拟采空区连通，所述模拟供风系统中的进风巷和回风巷分别与模拟采空区工作面密封连通，且所述进风巷上连接有风机，所述模拟惰性气体注入系统中的惰性气体送入模拟采空区内，所述模拟采空区内还填充有混合均匀的破碎煤块、石头及细沙，还包括：设在模拟采空区底部的加热板，所述加热板与温控模块连接；模拟采空区工作面连通有抽采泵；模拟采空区连通有瓦斯气源存储瓶；

4、模拟气体浓度采集系统，包括多个设在模拟采空区内的气体浓度传感器，均与多通道数据采集卡连接；

5、模拟漏风系统，包括模拟采空区的外部漏风模拟、模拟采空区工作面的内部漏风模拟，当模拟外部漏风时，通过多个气泵与开设在模拟采空区不同位置上的多个第一通孔连通，实时模拟风流向采空区的漏入或流出；当模拟内部漏风时，通过将多个第一风速传感器设置在模拟采空区工作面所开设多个第二通孔内，根据相邻第一风速传感器所监测风速值的压力差与模拟采空区工作面的断面积，计算相邻两个风速传感器测点距离之间的实际漏风量。

6、优选地，所述模拟供风系统包括变频器、进风巷与回风巷，进风巷和回风巷分别与模拟采空区工作面密封连通并构成模拟巷道，所述进风巷上还连接有风机，所述风机与变频器连通，所述模拟巷道由方管制成，所述模拟采空区工作面内还设有增阻板，所述抽采泵通过软管和流量计与模拟采空区连通，通过流量计改变抽采流量。

7、优选地，在进行外部漏风模拟时，多个所述第一通孔分别开设在模拟采空区的侧面、顶面以及下面，开设在模拟采空区侧面的多个所述第一通孔，用于模拟侧面煤柱漏风，开设在模拟采空区顶面的多个第一通孔，用于模拟顶部漏风，开设在模拟采空区底部的多个第一通孔，用于模拟切眼侧漏风源，各所述第一通孔与气泵之间还连接有用于控制各个第一通孔风量大小的流量计。

8、优选地，还包括模拟惰性气体注入系统，所述模拟惰性气体注入系统包括氮气气体存储罐和二氧化碳气体存储罐，所述氮气气体存储罐和二氧化碳气体存储罐分别通过金属管路将氮气和二氧化碳送入模拟采空区内。

9、优选地，所述模拟采空区内铺设有多根金属网，多个所述气体浓度传感器均匀布设于各金属网上，每个所述气体浓度传感器通过传感器接线与金属网连接，所述模拟采空区的一侧壁上设有接线端子，由多根金属网延伸出的传感器接线与接线端子的一端连接，接线端子的另一端通过数据线与多通道数据采集卡相连接，实现对数据的多通道采集。

10、优选地，所述模拟采空区内还设有多个热电偶温度传感器，多个热电偶温度传感器分布在所述模拟采空区的不同位置，且多个热电偶温度传感器通过导线与多通道数据采集卡相连接。

11、优选地，所述模拟采空区上还设有模拟监测系统，模拟监测系统包括压力传感器和第二风速传感器，所述压力传感器设在靠近设在模拟采空区工作面所开设的第三通孔内，所述第二风速传感器设在模拟采空区工作面所开设的第四通孔内，用于检测模拟采空区内的气压以及模拟采空区工作面的气压，所述压力传感器和第二风速传感器通过导线与多通道数据采集卡相连接。

12、优选地，所述模拟采空区由底座、多个具有底板的箱体以及l形加强肋拼接成长方体结构，各箱体所具有的四个侧边，两个箱体间的相邻侧边内设有硅橡胶垫和聚氨酯，并通过固定件对两个箱体间的相邻侧边进行密封紧固，多个箱体相互拼接构成长方体结构的顶面和四个侧面，相邻的两个侧面、四个侧面与顶面以及四个侧面与底座间通过l形加强肋连接。

13、优选地，所述模拟采空区的外部设有高度调节装置，所述高度调节装置与模拟采空区连接，用于调节模拟采空区的倾斜角度。

14、优选地，包括如下步骤：

15、根据实验场地空间条件，确定构成变工况可调节煤矿采空区相似模拟实验平台几何尺寸与原型几何尺寸之比为λ；

16、分析模拟采空区内不同漏风流场影响遗煤氧化升温条件下的物理场分布时，调整模拟采空区工作面进风风速至与原型工作面风速相等，模型漏风量与原型漏风量之比为λ，调整气泵流量给予模拟切眼侧漏风源、煤柱漏风源、地表漏风源、工作面漏风源不同漏风量，向模拟采空区内漏入空气；模拟采空区工作面内设置增阻板，调整模拟采空区工作面内部漏风流量；同时根据原型现场外部漏风源流量调整模型外部漏风流量；

17、调整模拟采空区实际瓦斯涌出量为模型瓦斯涌出量的1/λ；对模拟采空区底部加热模块进行通电，加热至需要模拟的煤样温度t，模拟遗煤氧化升温所达到的温度状态；此时遗煤被加热需消耗氧气，同时释放燃烧产物，影响瓦斯运移规律；

18、实际氮气或二氧化碳注入压力与模型氮气或二氧化碳管路注气压力相等，向模型内通入氮气或二氧化碳；若注气压力为0时，即为不采取注气措施下的遗煤氧化状态；

19、开启漏风气源，加热温度为t，由模拟采空区内气体浓度传感器中的氧气传感器记录煤样消耗氧气浓度，co浓度传感器记录遗煤在漏风影响下发生氧化升温反应释放co气体浓度；

20、根据底部压力传感器得到的模拟采空区气体压力，得到不同漏风影响下的压力场；

21、分析模拟采空区内温度场变化，并采集模拟采空区内各点气体浓度参数、温度参数和压力参数，模拟采空区对应点测量得到的物理量参数大小即为原型对应物理量参数大小；根据得到的模拟采空区物理参数分析采取不同注氮或注二氧化碳条件下的防灭火效果，进而优化现场防灭火措施，调整防灭火工艺及参数。

22、与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

23、1、本发明通过实验平台研究复杂漏风源影响下的遗煤氧化自燃规律，从而反演真实采空区内遗煤发火特性，进而为采取针对性、精准注氮气、精准注二氧化碳气体防灭火技术措施提供了理论依据和数据参考。

24、2、相似模拟通过实验室尺度反演测试人员无法进入的实际采空区内的物理状态。与现有采空区相似模型相比，本发明可以自由调节采空区模型尺寸，本发明有多个尺寸模板，可以自由拼接为不同大小，可以使用起吊装置调节采空区模型倾角，模拟不同角度采空区流场分布，由一套模型系统实现多种几何相似比，多种赋存状态下的反演，避免了模型功能单一，避免模型的重复搭建；同时可实现复杂漏风源的漏风问题，遗煤自燃规律及惰化防治规律多种问题的分析研究。

25、3、漏风影响遗煤氧化条件有益效果在于通过对模拟工作面材料等距割缝，真实模拟工作面通风造成的采空区内部漏风现象，通风方式使用变频器控制风量大小；通过模型箱体不同位置开孔模拟外部漏风条件，通过流量计控制各位置漏风量。相比现有技术控制更加精准，方式多样化。