一种矿用泡沫流体材料防灭火特性测试装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及矿井安全领域，特别涉及一种矿用泡沫流体材料防灭火特性测试装置 及方法。
【背景技术】
[0002] 煤炭自燃是煤矿生产中的主要自然灾害之一，它不仅烧毁或冻结大量煤炭资源， 而且常会引发重特大瓦斯爆炸灾害事故，造成人员伤亡和经济损失。目前用于矿井煤自燃 防治的方法主要有注浆、注惰气、注阻化剂、注凝胶和注泡沫等，这些技术在矿井煤自燃防 治中起到了重要的作用，其中泡沫流体材料防灭火效果显著，优点突出，不仅可以有效地防 治煤炭自燃，而且还能很好地封堵破碎煤体防止漏风，特别适用于采空区不明位置火源和 高冒区煤炭自燃的防治，是一种具有广阔应用前景和推广价值的新型矿用防灭火材料。而 泡沫流体压注是一个非常复杂的过程，为了使泡沫流体能够有效的到达需要封堵的裂隙及 高温火源点区域，有必要开展压注过程中其本身的渗流、扩散、运移规律研究；同时为了达 到灭火效果，必须对泡沫流体防灭火特性进行测试。
[0003]目前学术上虽然有很多关于矿用防灭火材料性能相关的研究，但是没有具体涉 及到一种全面测试矿用泡沫流体防灭火特性的装置与方法。如学者秦波涛在《防灭火 三相泡沫流体特性实验研究》一文中虽有涉及泡沫流体材料特性研究，但没有具体涉及 到泡沫流体材料的防灭火特性，也没有提供一套成型的的测试装置。中国专利申请号 CN201220745453. 3,公开日2013. 07. 03,公开了一种煤矿用堵漏材料隔风性能测试装置， 该发明装置虽然能够测试堵漏材料隔风性能，但是并不能用来研究矿用泡沫流体材料渗 流、扩散、运移规律以及降温效果。综上所述，有必要发明一套能够全面测试矿用泡沫流体 材料防灭火特性测试装置与方法。
【发明内容】
[0004] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种能够同时检测材料渗流规律、降温特性 以及堵漏风特性，并模拟测定出泡沫流体对隐蔽火源降温效果的矿用泡沫流体材料防灭火 特性测试装置，本发明还提供了一种矿用泡沫流体材料防灭火特性测试方法。
[0005] 本发明解决上述问题的技术方案是：一种矿用泡沫流体材料防灭火特性测试装 置，包括升降式灌注装置、模型试验架、填充介质模型和监测装置，所述升降式灌注装置与 模型试验架连接完成泡沫流体的灌注，所述填充介质模型置于模型试验架内，填充介质模 型内埋设一个隐蔽高温火源点和多个土压力计、热电偶，所述土压力计、热电偶通过导线与 模型试验架外的检测系统相连。
[0006] 上述矿用泡沫流体材料防灭火特性测试装置中，所述模型试验架分为上半部分的 模拟区和下半部分的真空测试腔体，填充介质模型置于模拟区内，模拟区的侧壁上设有用 于连接升降式灌注装置的灌注口，模拟区的底板上设有与真空测试腔体相连通的连通孔， 真空测试腔体内设有抽屉，抽屉与真空测试腔体四周用玻璃胶密封。
[0007] 上述矿用泡沫流体材料防灭火特性测试装置中，所述模型试验架的模拟区为透明 的有机玻璃材质，模型试验架的真空测试腔体为木材质。
[0008] 上述矿用泡沫流体材料防灭火特性测试装置中，所述升降式灌注装置包括铁桶， 所述铁桶挂在升降梯上，铁桶的上部用绑带与起重机相连，铁桶的底部设有出口，所述出口 通过管道与模型试验架上的灌注口相连，管道上设有阀门。
[0009] 上述矿用泡沫流体材料防灭火特性测试装置中，所述监测装置包括渗流压力监测 系统、渗流扩散平面图像实时采集系统、真空腔室负压监测系统及隐蔽高温点温度监测系 统，所述渗流压力监测系统包括静态应变仪和第一计算机，第一计算机与静态应变仪相连， 静态应变仪与土压力计相连，所述渗流扩散平面图像实时采集系统包括动态分析仪和第二 计算机，第二计算机与动态分析仪相连，动态分析仪正对模型试验架设置，所述真空腔室负 压监测系统包括真空压力表和真空栗，真空压力表安装在真空测试腔体侧壁上，真空栗通 过真空测试腔体侧壁上的抽真空口与真空测试腔体相连，所述隐蔽高温点温度监测系统包 括数字测温表，数字测温表与热电偶相连。
[0010] 上述矿用泡沫流体材料防灭火特性测试装置中，所述填充介质模型中充填物为煤 颗粒和煤矸石岩石，并采用分层铺设。
[0011] 上述矿用泡沫流体材料防灭火特性测试装置中，所述隐蔽高温火源点为点燃的蜂 窝煤。
[0012] 一种矿用泡沫流体材料防灭火特性测试方法，步骤如下：
[0013] 步骤一：分层铺设填充介质模型，在填充介质模型中埋设土压力计、热电偶、隐蔽 高温火源点；
[0014] 步骤二：连接监测设备，用导线将土压力计与静态应变仪连接，热电偶与数字测温 表连接，调试动态分析仪，进行静态应变仪的自动调零；
[0015] 步骤三：进行渗流降温实验，将所要测试的泡沫流体倒入升降式灌注装置内，通过 升降梯调节好升降高度，打开阀门，进行灌注实验，全过程实时录像，并记录好监测探头数 据，分析应力和对应的扩散图像，结合泡沫流体粘度参数，得出渗流扩散规律；同时检查真 空测试腔体的抽屉中是否有排液水，若有则将排液水的质量称重，得出泡沫流体的热稳定 性；记录数字测温表数据，分析得出泡沫流体的降温特性；
[0016] 步骤四：待渗流降温实验结束，用真空栗将真空测试腔体的负压降至_2000Pa， 进行堵漏隔风性能测试，通过真空压力表观测负压变化，分析得出泡沫流体的堵漏隔风性 能；
[0017] 步骤五：清理模型，并取煤岩与泡沫流体固结体样品，用以分析两者固结面情况。
[0018] 上述矿用泡沫流体材料防灭火特性测试方法，所述步骤一中，煤柱模块中裂隙孔 隙率设置为〇. 15 ;周边裂隙区域裂隙孔隙率设置为0. 35,所有模块中充填的煤颗粒和煤矸 石岩石去除杂色、整体呈深黑色，整个填充介质模型铺设高度为350mm，采用分层铺设，每层 铺设高度为50mm。
[0019] 上述矿用泡沫流体材料防灭火特性测试方法，所述步骤三中，渗流扩散规律的得 出方法如下：假定到达某位置的单位质量泡沫流体其运动过程是以一个单位整体运动，且 沿着一条通道裂隙运动，借鉴宾汉流体在圆管中的渗流公式推导思想，得出泡沫流体在裂 隙通道中渗流扩散距离与渗流压差、扩散时间之间的关系式：
[0020] (1)
[0021] 式中Ap为裂隙通道两监测点的渗流压力差；Φ为模型中煤柱区域或周边裂隙区 域孔隙率；β为泡沫流体粘度与水粘度的比值；t为灌注泡沫流体时间；Κ为渗透系数；λ 为2倍静切力与裂隙通道孔径的比值；1。为注浆口半径；1i为渗流距离；
[0022] 开展渗流试验时，泡沫流体粘度的拟合函数为：u=aebt+c式中，a、b、c为拟合常 数；
[0023] 泡沫流体粘度u与水粘度uw的比值β为：
[0024]
[0025] 将式（2)代入式（1)中，得出泡沫流体在裂隙通道中渗流扩散距离与渗流压差、扩 散时间之间的关系式如下：
[0026]
[0027] 本发明的有益效果在于：
[0028] 1、本发明装置只需完成一次模拟实验，就能够同时完成泡沫流体防灭火特性三个 指标的测定，其中包括渗流规律、降温特性以及堵漏风特性，大大降低了测定实验的繁琐 性，并且装置中设有隐蔽高温火源点，能够模拟测定出泡沫流体对隐蔽火源的降温效果。
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