CN103790607B - 一种煤矿采空区微流动的实验方法及其系统装置 - Google Patents

Abstract

一种煤矿采空区微流动的实验方法，其特征在于：采区动态供风和预混示踪气体的方法，捕捉压差驱动效应对采空区内部流场的影响，采空区内部释放示踪气体的方法，捕捉气体浓度差扩散效应采空区内部气体浓度运移的影响。其实验装置包括采区动态通风子装置，示踪气体释放子装置，示踪气体浓度测定子装置，采空区模型子装置，通过测定采空区内及工作面的示踪气体浓度，并获取其连续实时的浓度数，实现对压差驱动-浓度扩散耦合采空区微流动过程的模拟，定量研究采空区内瓦斯涌出或突出对采区通风的影响规律和作用机理，可研究采区动态通风对采空区内部流场流动的扰动特征，研究多种通风方式对采区通风和采空区内部微流动的影响规律。

Description

一种煤矿采空区微流动的实验方法及其系统装置

技术领域

本发明属于煤矿采空区内部流动研究领域，具体涉及采空区微流动浓度场测定的实验方法，包括采空区模型装置、采区动态通风装置、示踪气体释放装置、示踪气体浓度测定装置。

技术背景

采空区是煤体开采后留下的空区，采空区微流动是指流体在尺寸微小的流动通道内的流动现象。采空区微流动是流体流动的特殊形式，存在细微尺度流动，较大尺度流动，及其二者的混合流动，导致现有线性达西渗流方程及Navier-Stokes流体控制方程组，均不能有效描述其流动现象。然而，采空区内部的流动情况直接影响地下煤炭开采中的采区通风安全。采空区是煤矿重大隐患的区域，除顶板冒落和水害引发的安全问题之外，采空区存在的瓦斯及遗煤氧化自燃也是极大的安全隐患。据统计，采空区瓦斯约占工作面瓦斯涌出量的40％至60％，对于近距离多煤层开采的矿井，其所占比例则更高；此外，我国煤矿自燃发火非常严重，有56％的煤矿存在自燃发火问题，矿井自燃发火又占总发火次数的94％，其中采空区自燃则占内因火灾的60％，这种火灾常造成工作面封闭、冻结大量的煤炭资源和昂贵的生产设备，造成工作面、采区风流紊乱，影响矿井正常的生产接续，并造成人员伤亡。因此，掌握煤矿采空区内部的微流动过程及其规律，对于保障煤矿采空区安全有重要意义。

影响采空区气体微流动的因素很多，由于采区通风压力变化引起的采空区气体微流动，最为频繁，采空区内部的浓度差形成的采空区气体微流动，最为复杂，使得采空区内气体微尺度流动机理的揭示更加困难。目前，从国内外的研究现状来看，主要从采空区漏风、采空区顶板垮落效应等方面研究瓦斯运移，均取得不少研究成果。但是，受到流体流动基础理论及实验流体力学设备的制约，对采区的动态通风对采空区微流动的影响，采空区内部微流动，尤其是压差驱动-浓度扩散耦合下的采空区微流动过程，研究进展极为缓慢。然而，江成玉等得出了贵州盘江大气压的变化会影响当地煤矿井下掘进巷道瓦斯涌出量，周心权等指出瓦斯浓度的增加速率和大气压力的下降速率基本呈正比关系；此外，大量的统计数据表明，一年内地面大气压力变化可达1700Pa至4500Pa，一天内可达200Pa至800Pa；显然，采区与采空区之间的压差驱动作用，对采空区内部的微流动及采区通风安全的影响，不可忽视。在采区正常生产时，在采空区距离工作面20m范围内，瓦斯浓度波动较大，且浓度偏低；在距离工作面20m至50m范围内，采空区瓦斯浓度逐渐增大；因此，采空区内部气体浓度差客观存在，必然存在气体浓度差扩散，即采空区内部存在细微尺度的气体运移；当然，采空区内部瓦斯突出，对采空区内部非稳态微尺度瓦斯流动过程的影响更加显著，其浓度扩散过程研究起来更加困难；但是，这个突出过程对采区通风安全的危害更大。所以，必须解决如何有效模拟采空区内部气体涌出及其非稳态运移，以及采区动态通风对采空区内部气体脉动运移情况，以定量研究压差驱动-浓度扩散耦合下的采空区内气体微尺度流动过程和作用机理。

目前，在煤矿采空区流体流动实验设备方面，杨胜强等为了研究通风方式对采空区漏风及瓦斯运移的影响，提出了一种综放面多种通风方式下的采空区流场模拟实验装置；赵耀江等设计了研究不同通风条件下采空区瓦斯运移的试验模拟装置；但是该两个装置均无法实现微小干扰获取采空区内的气体样本，或无法获得采空区非稳态浓度分布。此外，李化敏等设计了综采工作面周期来压采空区瓦斯涌出的模拟试验装置，其目的为了研究采空区的顶板垮落过程中瓦斯的运行规律；杨胜强等人设计了一种立体瓦斯抽采采空区流场模拟实验装置，其目的是开展U型通风形式下的现场瓦斯抽采设计；杨胜强等提出了一种工作面采空区深部自燃氧化情况的判断方法和一种高瓦斯采空区自燃“三带”的判别方法，郝朝瑜等提出了一种采空区氧化带漏风量的确定方法。但是，这些实验方法和装置难以实现对采空区内气体浓度的连续实时获取，其实验方法和结果难以捕捉到采空区内气体浓度的非稳态演变过程，也难以揭示采空区内外压差驱动效应及其内部气体浓度梯度的扩散效应。针对采区动态通风对采空区气体运移的影响，必须能低扰动的、连续实时的获取采空区及采区的浓度数据，使其浓度数值可以定量描述气体浓度场，则采空区内微流动的运动过程和基本规律可望得到认识和掌握。

发明内容

本发明提出一种煤矿采空区微流动实验方法及其系统装置，能够模拟采空区内外压差产生的驱动效应耦合了采空区内部浓度差效应对采空区内部微流动场，结合微尺度流体力学和矿井气体动力学可定量揭示采区动态通风对采空区内部气体浓度场的吞吐效应和在浓度差效应的驱动下采空区内部气体浓度非稳态演变过程，及其二者耦合作用对采空区内部气体浓度场的影响规律。

实现本发明的技术方案如下：

一种煤矿采空区微流动的实验方法，其特征在于：采区动态供风和预混示踪气体的方法，捕捉压差驱动效应对采空区内部流场的影响，采空区内部释放示踪气体的方法，捕捉气体浓度差扩散效应采空区内部气体浓度运移的影响，在采空区内部气体微流动过程中，通过测定采空区内及工作面的示踪气体浓度，并获取其连续实时的浓度数据，捕捉其浓度演变过程，实现对压差驱动-浓度扩散耦合采空区微流动过程的模拟。

上述的一种煤矿采空区微流动的实验方法，所述示踪气体为六氟化硫。

一种煤矿采空区微流动的实验方法的系统装置，包括采区动态通风子装置，示踪气体释放子装置，示踪气体浓度测定子装置，采空区模型子装置，其特征在于：采区动态通风子装置，包括进风口、通风管道、通风巷道、调节阀、测量孔及变频通风机，示踪气体释放子装置，包括气源瓶、减压阀、示踪气体扩散分气箱、气体流量计、示踪气体管路、调节阀，示踪气体浓度测定子装置，包括多孔采集头、软管、过滤器、无油真空泵、浓度传感变送器、刚性管、和排气风机，采空区模型子装置，包括多孔隔板、采空区模型子装置的填料、无孔隔板、可拆卸盖板、支撑钢板、卸料阀门、卸料口和示踪气体浓度测定子装置的刚性支架。

上述的一种煤矿采空区微流动的实验方法的系统装置，所述采区动态通风子装置中，调节阀开关闭合可实现和控制多种通风方式。

上述的一种煤矿采空区微流动的实验方法的系统装置，所述示踪气体浓度测定子装置中利用示踪气体管路上调节阀的开度调节，实现示踪气体的定点释放，其定点释放又可分为进风预混释放和采空区内部定点释放。

上述的一种煤矿采空区微流动的实验方法的系统装置，所述示踪气体释放子装置中利用气体流量计，实现对释放流量的实时测定；利用气源瓶和减压阀和示踪气体扩散分气箱的综合调节，实现示踪气体的均匀、可控的释放。

上述的一种煤矿采空区微流动的实验方法的系统装置，所述采空区模型子装置中多孔隔板为开孔率不低于60％，孔径不大于填料最小粒径的孔板，并且可拆卸。

上述的一种煤矿采空区微流动的实验方法的系统装置，其特征在于示踪气体释放子装置(III)与采空区模型子装置(IV)中重叠的区域中，布置12个释放点。

本发明采用上述技术方案得到了以下的有益效果：

本发明的实验方法和装置与现有实验方法和装置相比

1.采区通风的动态变化

2.对示踪气体的灵活释放

3.对气体样本的小扰动获取和示踪气体浓度连续测定

4.采空区尺寸的可调和采空区孔隙率的可变

5.能实现采区动态通风对采空区示踪气体浓度场影响的有效模拟，能实现采空区气体涌出对采空区内示踪气体浓度场和采区巷道示踪气体浓度的有效模拟，可望初步揭示压差驱动-浓度扩散耦合采空区微流动过程，为煤矿采空通风设计及采空区灾害防治提供更符合实际的实验理论支持。

附图说明

图1，煤矿采空区微流动实验系统示意图。

图2，采区动态通风子装置系统示意图。

图3，示踪气体释放子装置流程示意图。

图4，示踪气体浓度测定子装置流程示意图。

图5，示踪气体浓度测定子装置中多孔采集头示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。

针对煤矿采区通风与采空区灾害防治的问题，本发明利用基本的矿井通风原理，通过四个子装置的有机组合和匹配，形成了煤矿采空区微流动实验方法及其系统装置。该装置可实现采区动态通风对采空区示踪气体浓度场影响的有效模拟，可实现采空区气体涌出对采空区内示踪气体浓度场和采区巷道示踪气体浓度的有效模拟。本发明所示的实验装置，如图1所示。图1为煤矿采空区微流动实验系统示意图，在图1中，I是采区动态通风子装置，II是示踪气体浓度测定子装置，III是示踪气体释放子装置，Ⅳ是采空区模型子装置。

图1中所述的I采区动态通风子装置，其系统布置如图2所示。在图2，A、B、C是调节装置，D1、D2、D3是调节装置，E、F、H、I是调节装置，K、L、M、N是调节装置，P是调节装置，R1、R2、R3是调节装置，Z是调节装置，1、2、3、4是调节装置，为空气流量调节或者全开(或全关)的阀门；而“XL”是填料颗粒的卸料阀门，也是一种调节装置；WKGB是无孔隔板，为一种密封机构，通过装上或卸下该隔板而变化采空区体积；TL是填料区，为一种不吸附气体(空气和示踪气体)轻质颗粒形成的充填区域，可通过调节11填料粒径的配比而变化采空区填充率；DKGB是多孔隔板，为开孔率超过60％的钢板，是分隔采区通风巷道和采空区填料区的支撑结构，相当于煤矿井下采煤工作面中的掩护支架；TFHD是通风巷道，即为微流动不占优的空气流动区域，由下部支撑钢板(XBZC)、上部可拆卸盖板(SBGB)、多孔隔板(DKGB)和侧面支撑钢板(CMZC)所围成的空腔，相关于煤矿井下采煤工作面的巷道；CMZC是侧面支撑钢板，为采空区模型侧面支撑体，由厚钢板焊接拼装而成；SBGB是上部可拆卸盖板，为采空区上部区域的密封体，通过卸下该密封体而实现采空区填料的更换；XBZC是下部支撑钢板，为采空区的承重支撑体，由厚钢板焊接拼装而成。通过图2中所示的“新风吸入”吸入新风，调节K的开度控制吸入量，调节Z的开度降低采区动态通风子装置的水力失调，再根据通风型式和采空区区域的需要设置B、C、D1(D2或D3)、E、F、H、I、L、M、N、P、R1(R2或R3)、1、2、3和4的全开或全关，被吸入的新风，流经上述管道和区域，新风转变为污风，该污风与经Z旁通过来的新风，流经A，流经图2中所示“主通风机”，经图2中所示的“污风排出”排至大气环境。结合图2，煤矿常见的U型后退式通风，其风流流经路线如下：(1)“新风吸入”→“K”→“M”→“4”→回采工作面→“3”→“C”→“A”→“主通风机”→“污风排出”；其余调节装置均全关。(2)“新风吸入”→“K”→“G”→“3”→回采工作面→“4”→“N”→“A”→“主通风机”→“污风排出”；其余调节装置均全关。依矿井通风的基本原理，据实验的需要，还可以形成U型前进式、W型、H型、Z型、Y型等通风流线，可自由组合出至少多种通风方式，不再赘述。因此，通过“主通风机”的变频调节或“A”或“K”或“Z”的开度调节，可提供多种通风形式下采区的多种通风工况，形成采区通风动态调节，实现了采区动态通风子装置的多种通风方式和工频节流变工况或变频节流变工况的多变通风功能。

在图1中，“III”为示踪气体释放子装置。示踪气体释放子装置的工作流程如图3所示。图3，示踪气体释放子装置流程示意图。在图3中，5是减压阀，6是气体流量计，7是示踪气体管道，8是示踪气体气瓶，9是示踪气体扩散分气箱，10是示踪气体调节阀。存储于8的高压示踪气体，经过5减压，进入9中进一步减压、扩散形成稳定气源，流经6的示踪气体显示出当前的气体标准体积流量，进而示踪气体流经10，再流经7，进入示踪气体释放点。示踪气体释放点的布置，如图1中“III”所圈定的区域所示。如图1所示，示踪气体的释放，可以实现预混释放，即在图2中所示“K”调节装置后释放进入管道与新风混合；也可以，直接释放到采空区内，如图1中“III”和“Ⅳ”重叠的区域中，布置12个释放点，实现模拟采空区内不同区域气体正常涌出或者异常涌出的工况，也可以很方便的实现连续释放示踪气体或间隔性释放示踪气体等各类模拟采空区内气体涌出的工况，也能模拟预混示踪气体浓度与采空区内示踪气体存在浓度的工况。通过示踪气体释放子装置，满足不同实验需求的示踪气体释放方式，实现对采空区与采区存在气体浓度差或者采区多种通风方式耦合采空区内部气体扩散流动的有效模拟。

在图1中，“II”是示踪气体浓度测定子装置。示踪气体浓度测定子装置的工作流程，如图4和图5所示。图4，示踪气体浓度测定子装置流程示意图。在图4中，11是采空区模型子装置的上盖板体，与图2所示I中的SBGB上部可拆卸盖板可等同，12是多孔采集头，13是采空区模型子装置的填料，充填了13的区域即为图2I中的TL填料区，14是无油真空泵，15是连接14与16的软管，16是多孔采集头延伸刚性管，17是采空区模型子装置的下支撑板体，18是地面，19是示踪气体浓度测定子装置的刚性支架，20是示踪气体传感器。图5，示踪气体浓度测定子装置中多孔采集头示意图。在图5中，11是采空区模型子装置的上盖板，12是多孔采集头，13是采空区模型子装置的填料，17是采空区模型子装置的下支撑板体，21是多孔采集头的圆孔，22是多孔采集头的刚性管。采区中流动的气体和采空区中微流动的气体，均需要采集其气体样本。下面以采空区内的气体样本的采集、气体样本的示踪气体浓度测定和气体样本的排走为例，进行详细说明，其过程如下：由11、17和13构成的采空区，采空区中的气体，经21进入22形成气体样本，气体样本流经16，气体样本流经15，气体样本流经14，气体样本进入20，测定出含有示踪气体或不含示踪气体的采空区气体样本的实时浓度，流出20，经管道，经小型联动轴流风机，排至室外，完成了气体样本的采集、浓度测定和排走的全过程。

在图1中，“Ⅳ”是采空区模型子装置。该子装置，在图2中也进行了示意的表示；在图4和图5中，有其局部放大图。在图2中，TL是填料区，为采空区模型子装置的填充区域，13填料采用难以吸湿、轻质的陶粒，其粒径为1mm、5mm和10mm，以便形成类似于采空区内联通、半联通和非联通的流动通道，受控制造出采空区的微流动物理模型。为实现对不同采区面积与采区通风之间耦合的微流动研究，采空区的面积可变化，如图2中WKGB是无孔隔板，该隔板选用高透光大厚度亚力克板材。通过抽取1组或2组WKGB无孔隔板，实现对采空区变面积的物理模拟。由此，实现采空区模型子装置的多变采空区面积效果，是该实验方法和装置能完成多种情况的采空区模型实验模拟。

总结上述具体实现方法，本发明的实验方法与现有实验相比，利用所述的采区动态通风子装置实现采区通风的动态变化，利用所述的释放头及其所述的示踪气体释放子装置实现对示踪气体的灵活释放，利用所述的采集头及其所属的示踪气体浓度测定子装置实现了对气体样本的小扰动获取和示踪气体浓度连续测定，利用采空区模型子装置实现了采空区尺寸的可调和采空区孔隙率的可变；这样，本发明所述的实验方法和装置，能实现采区动态通风对采空区示踪气体浓度场影响的有效模拟，能实现采空区气体涌出对采空区内示踪气体浓度场和采区巷道示踪气体浓度的有效模拟，可望初步揭示压差驱动-浓度扩散耦合采空区微流动过程，为煤矿采空通风设计及采空区灾害防治提供更符合实际的实验理论支持。

Claims (8)

1.一种煤矿采空区微流动的实验方法，其特征在于：采用采区动态供风和预混示踪气体的方法，捕捉压差驱动效应对采空区内部流场的影响，采用采空区内部释放示踪气体的方法，捕捉气体浓度差扩散效应采空区内部气体浓度运移的影响，在采空区内部气体微流动过程中，通过测定采空区内及工作面的示踪气体浓度，并获取其连续实时的浓度数据，捕捉其浓度演变过程，实现对压差驱动-浓度扩散耦合采空区微流动过程的模拟。

2.根据权利要求1所述的一种煤矿采空区微流动的实验方法，其特征在于：所述示踪气体为六氟化硫。

3.一种煤矿采空区微流动的实验方法的系统装置，包括采区动态通风子装置(Ⅰ），示踪气体释放子装置（Ⅱ），示踪气体浓度测定子装置（Ⅲ），采空区模型子装置（Ⅳ），其特征在于：采区动态通风子装置(Ⅰ），包括进风口、通风管道（TFGD）、通风巷道（TFHD）、调节装置、测量孔及变频通风机，示踪气体释放子装置（Ⅱ），包括气源瓶（8）、减压阀（5）、示踪气体扩散分气箱（9）、气体流量计（6）、示踪气体管路（7）、示踪气体调节阀（10），示踪气体浓度测定子装置（Ⅲ），包括多孔采集头（12）、软管（15）、过滤器、无油真空泵（14）、浓度传感变送器、刚性管（16），采空区模型子装置（Ⅳ），包括多孔隔板（DKGB）、采空区模型子装置的填料区（TL）、无孔隔板（WKGB）、上部可拆卸盖板（SBGB）、下部支撑钢板（XBZC）、卸料阀门（XL）、卸料口和示踪气体浓度测定子装置的刚性支架（19）。

4.根据权利要求3所述的一种煤矿采空区微流动的实验方法的系统装置，其特征在于：所述采区动态通风子装置(Ⅰ）中，调节装置的开关闭合可实现和控制多种通风方式。

5.根据权利要求3所述的一种煤矿采空区微流动的实验方法的系统装置，其特征在于：所述示踪气体释放子装置（Ⅱ）中利用示踪气体调节阀（10）的开度调节，实现示踪气体的定点释放，其定点释放又可分为进风预混释放和采空区内部定点释放。

6.根据权利要求3所述的一种煤矿采空区微流动的实验方法的系统装置，其特征在于：所述示踪气体释放子装置（Ⅱ）中利用气体流量计（6），实现对释放流量的实时测定；利用气源瓶（8）和减压阀（5）和示踪气体扩散分气箱（9）的综合调节，实现示踪气体的均匀、可控的释放。

7.根据权利要求3所述的一种煤矿采空区微流动的实验方法的系统装置，其特征在于所述的采空区模型子装置（Ⅳ）中多孔隔板（DKGB）为开孔率不低于60%，孔径不大于填料最小粒径的孔板，并且可拆卸。

8.根据权利要求3所述的一种煤矿采空区微流动的实验方法的系统装置，其特征在于示踪气体释放子装置（Ⅱ）与采空区模型子装置（Ⅳ）中重叠的区域中，布置12个释放点。