CN104251894A

CN104251894A - 一种模拟煤矿采空区注co2防灭火的测试装置

Info

Publication number: CN104251894A
Application number: CN201410486283.5A
Authority: CN
Inventors: 邬剑明; 王彦凯; 吴玉国; 张超; 宋丽强
Original assignee: Shanxi Luan Environmental Energy Development Co Ltd
Current assignee: Shanxi Luan Environmental Energy Development Co Ltd
Priority date: 2014-09-22
Filing date: 2014-09-22
Publication date: 2014-12-31
Anticipated expiration: 2034-09-22
Also published as: CN104251894B

Abstract

本发明涉及一种模拟煤矿采空区注CO₂防灭火的测试装置，是针对煤矿采掘过程中煤炭自燃严重的情况、消除煤炭自燃难度大、不易灭火的实际，设计一种模拟煤矿采空区，用CO₂进行灭火的测试装置，采用机械结构，设置加热、测温、控温、进风、回风、输入CO₂、控制CO₂、取样、气相色谱仪分析测量、信息计算机运算，得出模拟CO₂防灭火的规律，以便更好的用于煤矿现场灭火，本装置设计先进，结构合理，集现场模拟、信息采集、处理于一体，可准确的得出CO₂防灭火的数据，是理想的模拟煤矿采空区注入CO₂防灭火的测试装置。

Description

一种模拟煤矿采空区注CO2防灭火的测试装置

技术领域

本发明涉及一种模拟煤矿采空区注CO₂防灭火的测试装置，属煤矿安全防灭火的技术领域。

背景技术

煤层自然发火是矿井开采过程中的安全隐患，严重威胁矿井安全生产,因此煤矿火灾的防治是急待解决的煤矿安全问题。

煤矿火灾防治有多种方法，例如采空区灌浆法，灌浆材料有黄土、粉煤灰、煤矸石、山沙；还有采空区注凝胶法、采空区注氮气法、采空区注三相泡沫法；采空区灌浆浆液能覆盖包裹煤体，隔绝空气，熄灭火源，但灌浆受煤层的倾角影响较大，水平煤层浆液流动范围受限，对倾斜煤层高位火源难以控制，灌浆工艺复杂，施工难度大，成本高；采空区注凝胶法具有较好的降温和隔离效果，但钻孔施工难度大，工艺复杂，凝胶成本高，遇水成胶效果差；注氮气法可有效降低采空区的氧气浓度，但氮气易随漏风扩散，影响注氮气防灭火效果；注三相泡沫对高位火源效果好，但泡沫存在时间短，灌注工艺复杂，易堵管。

CO₂防灭火方法由于材料来源广泛，工艺简单、操作方便，不污染防灭火区域，可有效抑制防灭火区域漏风，且能抑制爆炸形成的火灾伴生灾害，近年来在煤矿现场得到广泛应用，在煤矿防灭火防治中灌注CO₂可以有效治理煤矿采空区自燃火灾的同时，还可以将温室气体CO₂进行地质封存，具有煤矿火灾防治和温室气体CO₂地质储存的双重效益，但是在采空区灌注大量惰性气体CO₂后，采空区漏风、遗煤解析出的瓦斯气体是如何在采空区多孔介质层内运移的，其运移规律对于采空区瓦斯抽采、煤自燃与瓦斯灾害耦合的影响是难以预测的，为了准确预测惰性气体防灭火效果以及灌注惰性气体条件下采空区内瓦斯、氧气等多组分气体分布情况，需要一种模拟煤矿采空区注CO₂防灭火的试验装置是非常必要的。

发明内容

发明目的

本发明的目的是针对背景技术的状况，设计一种模拟煤矿采空区注入CO₂防灭火的测试装置，采用模拟工作面通风及漏风、采空区浮煤升温氧化、采空区气体监测、色谱分析相结合的设计，以准确掌握CO₂防灭火的数据和灭火效果，提高CO₂防灭火能力。

技术方案

本发明主要结构包括：防灭火测试装置、底座、模拟进风巷、模拟回风巷、进风阀、回风阀、CO₂注入口、测温热电偶、温控器、取气孔、加热器、CO₂阀、CO₂流量计、CO₂减压阀、CO₂气瓶、抽气泵、抽气阀、模拟回风流量计、温度采集控制装置、取样阀、气相色谱仪、信息处理计算机、回风管、出气管、输气管、煤层、模拟采空区多孔介质层；

防灭火测试装置为矩形箱体，底部为底座，防灭火测试装置的周边及上下部由钢板焊接组成，并密封；在防灭火测试装置的内底部为煤层，在煤层上部为模拟采空区多孔介质层；在防灭火测试装置内部的煤层下部间隔设置第一加热器、第二加热器、第三加热器；在防灭火测试装置的面板左下部设置第一测温热电偶、第一温控器、第二测温热电偶、第二温控器、第三测温热电偶、第三温控器、第四测温热电偶、第四温控器、第五测温热电偶、第五温控器；在防灭火测试装置的上部面板上均匀间隔设置第一取气孔、第二取气孔、第三取气孔、第四取气孔、第五取气孔、第六取气孔、第七取气孔、第八取气孔、第九取气孔、第十取气孔、第十一取气孔、第十二取气孔、第十三取气孔、第十四取气孔、第十五取气孔、第十六取气孔、第十七取气孔、第十八取气孔、第十九取气孔、第二十取气孔；在防灭火测试装置的后左部设有模拟回风巷，模拟回风巷上设有回风阀，模拟回风巷通过回风管连接模拟回风流量计、抽气阀、抽气泵；在防灭火测试装置的后右部设有模拟进风巷，模拟进风巷上设有进风阀；在防灭火测试装置的右侧部并排设有第一CO₂注入口、第二CO₂注入口、第三CO₂注入口、第四CO₂注入口、第五CO₂注入口；第一CO₂注入口由第一CO₂阀控制、第二CO₂注入口由第二CO₂阀控制、第三CO₂注入口由第三CO₂阀控制、第四CO₂注入口由第四CO₂阀控制、第五CO₂注入口由第五CO₂阀控制，并通过输气管与CO₂流量计、CO₂减压阀、CO₂气瓶连接；防灭火测试装置的前右部通过出气管连接取样阀，取样阀连接气相色谱仪，气相色谱仪连接信息处理计算机；在防灭火测试装置的左部设有温度采集控制装置，并通过导线与第一测温热电偶、第二测温热电偶、第三测温热电偶、第四测温热电偶、第五测温热电偶、第一温控器、第二温控器、第三温控器、第四温控器、第五温控器、第一加热器、第二加热器、第三加热器连接。

有益效果

本发明与背景技术相比具有明显的先进性，是针对煤矿生产过程中采空区煤炭自燃火灾治理难度大，严重影响矿井安全生产的实际，设计有一种模拟煤矿采空区，用CO₂进行防灭火的测试装置，采用机械结构，设置加热、测温、控温、进风、回风、输入CO₂、控制CO₂、取样、气相色谱仪分析、信息计算机运算，得出模拟采空区注入CO₂后采空区气体运移及弥散的规律，以便更好的制定采空区注CO₂防灭火的措施，本装置设计先进，结构合理，集现场模拟、信息采集、处理于一体，可准确的得出CO₂防灭火试验的数据，是理想的模拟煤矿采空区注入CO₂防灭火的测试装置。

附图说明

图1.测试装置整体结构图；

图2.图1的俯视图；

图3.图1的A-A剖面图；

图4.图1的B-B剖面图；

图5.图1的C-C剖面图.

图中所示，附图标记清单如下：

1、防灭火测试装置，2、底座，3、模拟进风巷，4、模拟回风巷，5、回风阀，6、进风阀，7、第一CO₂注入口，8、第二CO₂注入口，9、第三CO₂注入口，10、第四CO₂注入口，11、第五CO₂注入口，12，第一测温热电偶，13、第一温控器，14，第二测温热电偶，15、第二温控器，16，第三测温热电偶，17、第三温控器，18，第四测温热电偶，19、第四温控器，20，第五测温热电偶，21、第五温控器，22、第一取气孔，23、第二取气孔，24、第三取气孔，25、第四取气孔，26、第五取气孔，27、第六取气孔，28、第七取气孔，29、第八取气孔，30、第九取气孔，31、第十取气孔，32、第十一取气孔，33、第十二取气孔，34、第十三取气孔，35、第十四取气孔，36、第十五取气孔，37、第十六取气孔，38、第十七取气孔，39、第十八取气孔，40、第十九取气孔，41、第二十取气孔，42、第一CO₂阀，43、第二CO₂阀，44、第三CO₂阀，45、第四CO₂阀，46、第五CO₂阀，47、取样阀，48、气相色谱仪，49、信息处理计算机，50、CO₂流量计，51、CO₂减压阀，52、CO₂气瓶，53、温度采集控制装置，54、模拟回风流量计，55、抽气阀，56、抽气泵，57、第一加热器，58、第二加热器，59、第三加热器，60、输气管，61、导线，62、煤层，63、模拟采空区多孔介质层，64、回风管，65、出气管。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步说明：

图1、2、3、4、5所示，为防灭火测试装置整体结构图，各部位置、连接关系要正确。

防灭火测试装置为矩形箱体，底部为底座2，防灭火测试装置1的周边及上下部由钢板焊接组成，并密封；在防灭火测试装置1的内底部为煤层62，在煤层62上部为模拟采空区多孔介质层63；在防灭火测试装置内部的煤层62下部间隔设置第一加热器57、第二加热器58、第三加热器59；在防灭火测试装置1的面板的左下部设置第一测温热电偶12、第一温控器13、第二测温热电偶14、第二温控器15、第三测温热电偶16、第三温控器17、第四测温热电偶18、第四温控器19；在防灭火测试装置1的上部面板上均匀间隔设置第一取气孔22、第二取气孔23、第三取气孔24、第四取气孔25、第五取气孔26、第六取气孔27、第七取气孔28、第八取气孔29、第九取气孔30、第十取气孔31、第十一取气孔32、第十二取气孔33、第十三取气孔34、第十四取气孔35、第十五取气孔36、第十六取气孔37、第十七取气孔38、第十八取气孔39、第十九取气孔40、第二十取气孔41；在防灭火测试装置1的后左部设有模拟回风巷4，模拟回风巷4上设有回风阀5，模拟回风巷4通过回风管64连接回风流量计54、抽气阀55、抽气泵56；在防灭火测试装置1的后右部设有模拟进风巷3，模拟进风巷3上设有进风阀6；在防灭火测试装置1的右侧部并排设有第一CO₂注入口7、第二CO₂注入口8、第三CO₂注入口9、第四CO₂注入口10、第五CO₂注入口11；第一CO₂注入口7由第一CO₂阀42控制、第二CO₂注入口8由第二CO₂阀43控制、第三CO₂注入口9由第三CO₂阀44控制、第四CO₂注入口10由第四CO₂阀45控制、第五CO₂注入口11由第五CO₂阀46控制，并通过输气管60与CO₂流量计50、CO₂减压阀51、CO₂气瓶52连接；防灭火测试装置1的前右部通过出气管65连接取样阀47，取样阀47连接气相色谱仪48，气相色谱仪48连接信息处理计算机49；在防灭火测试装置1的左部设有温度采集控制装置53，并通过导线61与第一测温热电偶12、第二测温热电偶14、第三测温热电偶16、第四测温热电偶18、第一温控器13、第二温控器15、第三温控器17、第四温控器19、第五温控器21、第一加热器57、第二加热器58、第三加热器59连接。

实施例：

模拟煤矿采空区注CO₂防灭火的试验装置，能够用煤层和采空区多孔介质层模拟地质环境条件，此装置耐高温温度达300℃，适用于大多数煤矿的开采条件，其具体实施的步骤为：

1)将尺寸为2000×500×500mm的煤层和采空区多孔介质层做相应处理用于模拟采空区实际地质环境，模拟煤层开采造成破坏后，使试验处于仿真地质环境状态；

2)通过温度控制系统设定模拟煤层自燃温度，开启采空区地质环境模拟系统中温度控制系统对煤层试件进行加热至设定模拟的地层温度0℃—300℃，温度稳定后，通过控制系统保持模拟采空区温度设定值；

3)开启采空区通风的抽气系统，将煤岩试件置入本装置后，开启模拟工作面通风的抽气系统，所述的模拟工作面与采空区之间漏风的工作面巷道布置及通风系统包括工作面进风巷3，工作面回风巷4，工作面及隔离工作面与采空区的隔板模拟工作面通风的抽气系统组成，开启出口安设的回风阀5、进风阀6、抽气阀55用于控制气流的流出，记录安设的模拟回风流量计54计量工作面的通风量显示值，同时出口与抽气泵56相连并开启，通过抽气泵56模拟煤矿工作面的负压通风，根据相似模拟的对应比例计算和装置自身能力、通风量与通风压力设定为实际值的1％-3％为宜，工作面与采空区通过长1.5米、宽0.3米的钻有网眼的隔板与采空区联通，用以模拟工作面通风情况和采空区实际的漏风情况；通风注入量、漏风量以及通风时间参数，根据矿井实际通风条件进行相似模拟具体理论计算量来设置；

4)开启二氧化碳注入系统7-11、42-46、50、51、52向煤体试件注入二氧化碳，注入二氧化碳压力要低于煤岩层压力，首先选择模拟采空区系统中惰性气体注入口7-11中的指定位置，注入位置的选择根据煤矿现场和试验需要注入指定量的二氧化碳；注入量、注入位置以及注入时间根据防灭火相似模拟具体理论计算量，要求注入后采空区O₂浓度降至5％以下；当注入二氧化碳达到理论计算量后，停止二氧化碳注入，关闭惰性气体注入系统；

5)模拟试验系统中进行惰性气体防灭火模拟和采空区多组分气体运移模拟0-30天，用以观测和分布相关规律；

6)开启采空区气体采样分析系统22-41、47、48、49，可进行采气管层位的选择与调整，通过采空区气体采样系统中出气管22-41的采出气体之后利用所连接的气相色谱分析仪48，进行多组分气体的成分分析；通过采样对20个采样点进行巡回采样，通过控制采样时间来采集采样点不同高度的气体，采样时用0.5L的气袋贮存气体并送入气相色谱仪进行色谱分析，分析气体的种类和浓度，以掌握采空区内CO₂、CH₄、O₂、CO气体的分布规律；

7)开启采空区气体采样分析系统22-41、47、48、49，并通过测试控制系统进行采气管层位的选择与调整，通过采空区气体采样系统中出气管22-41的采出气体之后，利用所连接的气相色谱分析仪48，进行多组分气体的成分分析；通过对20个采样点进行巡回采样，通过控制采样时间来采集采样点不同高度的气体，采样时用0.5L的气袋贮存气体并送入气相色谱分析系统进行色谱分析，分析气体的种类和浓度，以掌握采空区内CO₂、CH₄、O₂、CO气体的分布规律，得到不同注气口位置、不同注气量、不同注气时间的条件下惰性气体防灭火效果，以及灌注惰性气体条件下采空区内CO₂、CH₄、O₂、CO多组分气体运移分布情况，并进行对比分析，改变采空区环境条件的压力、温度，重复上述步骤，得到不同变量条件下实验数据，并通过动态监测试验数据，将数据传输至信息采集计算机进行分析。

Claims

1.一种模拟煤矿采空区注CO₂防灭火的测试装置，其特征在于：

主要结构包括：防灭火测试装置、底座、模拟进风巷、模拟回风巷、进风阀、回风阀、CO₂注入口、测温热电偶、温控器、取气孔、加热器、CO₂阀、CO₂流量计、CO₂减压阀、CO₂气瓶、抽气泵、抽气阀、回风流量计、温度采集控制装置、取样阀、气相色谱仪、信息处理计算机、回风管、出气管、输气管、煤层、模拟采空区多孔介质层；

防灭火测试装置为矩形箱体，底部为底座，防灭火测试装置的周边及上下部由钢板焊接组成，并密封；在防灭火测试装置的内底部为煤层，在煤层上部为模拟采空区多孔介质层；在煤层下部间隔设置第一加热器、第二加热器、第三加热器；在防灭火测试装置的面板的左下部设置第一测温热电偶、第一温控器、第二测温热电偶、第二温控器、第三测温热电偶、第三温控器、第四测温热电偶、第四温控器、第五测温热电偶、第五温控器；在防灭火测试装置的上部面板上均匀间隔设置第一取气孔、第二取气孔、第三取气孔、第四取气孔、第五取气孔、第六取气孔、第七取气孔、第八取气孔、第九取气孔、第十取气孔、第十一取气孔、第十二取气孔、第十三取气孔、第十四取气孔、第十五取气孔、第十六取气孔、第十七取气孔、第十八取气孔、第十九取气孔、第二十取气孔；在防灭火测试装置的后左部设有模拟回风巷，模拟回风巷上设有回风阀，模拟回风巷通过回风管连接模拟回风流量计、抽气阀、抽气泵；在防灭火测试装置的后右部设有模拟进风巷，模拟进风巷上设有进风阀；在防灭火测试装置的右侧部并排设有第一CO₂注入口、第二CO₂注入口、第三CO₂注入口、第四CO₂注入口、第五CO₂注入口；第一CO₂注入口由第一CO₂阀控制、第二CO₂注入口由第二CO₂阀控制、第三CO₂注入口由第三CO₂阀控制、第四CO₂注入口由第四CO₂阀控制、第五CO₂注入口由第五CO₂阀控制，并通过输气管与CO₂流量计、CO₂减压阀、CO₂气瓶连接；防灭火测试装置的前右部通过出气管连接取样阀，取样阀连接气相色谱仪，气相色谱仪连接信息处理计算机；在防灭火测试装置的左部设有温度采集控制装置，并通过导线与第一测温热电偶、第二测温热电偶、第三测温热电偶、第四测温热电偶、第五测温热电偶、第一温控器、第二温控器、第三温控器、第四温控器、第五温控器、第一加热器、第二加热器、第三加热器连接。