CN104880484A - 松散煤体内气体热扩散测试用实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种松散煤体内气体热扩散测试用实验装置，包括煤体盛装管和气体盛装管以及支架，支架与煤体盛装管连接；煤体盛装管一端和气体盛装管一端通过变径接头连接，煤体盛装管另一端设置第一阀门，气体盛装管另一端设置第二阀门，变径接头内设置第三阀门，煤体盛装管内设置隔板，隔板上开设气孔，煤体盛装管上安装第一气压传感器，气体盛装管上安装第二气压传感器和温度传感器，第一气压传感器且伸入煤体盛装管的一端面开设静压感知孔，第一气压传感器且伸入煤体盛装管的部位的侧壁开设全压感知孔，气体盛装管的外壁缠绕有电加热元件。该实验装置的结构简单、实验效果好，能够有效的测试松散煤体内气体热扩散效应。

Description

松散煤体内气体热扩散测试用实验装置

技术领域

本发明属于松散煤体内气体热扩散技术领域，具体是涉及一种松散煤体内气体热扩散测试用实验装置。

背景技术

松散破碎煤体会由于各种内外因素的共同作用，在局部形成一个温度高于周围区域的相对高温区域，高温区域会产生高温气体产物并通过热辐射、热传导、热对流效应对周围的气体进行加热，气体受热后由于密度变化而产生浮力及压力差作用，促使气体向上运移，周围的气体会填补气体运移产生的空缺。这样就会形成高温点自循环卷吸周围新鲜气体，促进高温区域向外的发展，最终发展成无法控制的煤自燃火灾，给煤矿的安全生产及作业人员的安全健康带来极大的危害。

现有研究表明氧气供给对煤火发展有极大影响，而目前对供氧动力源方面的研究多偏重于外界机械漏风供氧，对高温松散煤体因密度差所引起的自卷吸供氧过程的作用机理及影响因素的研究却很少；而实际过程中松散煤体自卷吸供氧是火区发展及气体产物扩散运移等过程的重要影响因素。而目前对不同温度下高温区域对周围气体扩散运移的影响范围，及影响气体热流动运移的温度T、空隙率ε、高温点方位θ等因素所起作用及其间相互关系还不够了解。通过松散煤体内高温点周围气体热扩散测试的实验，寻找出不同因素的重要程度及各因素之间的相互关系，可以更好的了解自燃火灾发展的时空演化规律，并为煤自燃火灾的预防及控制提供有利的技术支持，成为相关领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种松散煤体内气体热扩散测试用实验装置。该实验装置的结构简单、实验效果好，能够有效的测试松散煤体内气体热扩散效应。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：松散煤体内气体热扩散测试用实验装置，其特征在于：包括用于盛装松散煤体的煤体盛装管和用于产生热气流的气体盛装管，以及用于支撑所述煤体盛装管和气体盛装管的支架，所述支架与煤体盛装管连接；所述煤体盛装管的一端和气体盛装管的一端通过变径接头相连接，所述煤体盛装管的另一端设置有用于封闭或打开其端部开口的第一阀门，所述气体盛装管的另一端设置有用于封闭或打开其端部开口的第二阀门，所述变径接头内设置有用于控制煤体盛装管和气体盛装管连通或关断的第三阀门，所述煤体盛装管内设置有隔板，所述隔板上开设有供气体盛装管内的热气流进入煤体盛装管的气孔，所述煤体盛装管上安装有与其相垂直且伸入其内的第一气压传感器，所述气体盛装管上安装有与其相垂直且伸入其内的第二气压传感器和温度传感器，所述第一气压传感器且伸入煤体盛装管的一端面开设有沿第一气压传感器长度方向布设的静压感知孔，所述第一气压传感器且伸入煤体盛装管的部位的侧壁开设有朝向气体盛装管的全压感知孔，所述气体盛装管的外壁缠绕有用于加热其内部空气的电加热元件。

上述的松散煤体内气体热扩散测试用实验装置，其特征在于：所述支架包括支架立杆、圆盘和条形板，所述圆盘固定安装在支架立杆上，所述圆盘上且沿其圆周方向布设有至少两对螺栓孔，所述条形板通过两个螺栓与一对所述螺栓孔一一对应连接，所述煤体盛装管上套有卡箍，所述条形板上开设有供卡箍上的螺纹连接头伸入的安装孔。

上述的松散煤体内气体热扩散测试用实验装置，其特征在于：所述煤体盛装管的管径小于气体盛装管的管径。

上述的松散煤体内气体热扩散测试用实验装置，其特征在于：所述第一阀门通过具有开口的第一盖帽板安装在所述煤体盛装管上，所述第二阀门通过具有开口的第二盖帽板安装在所述气体盛装管上。

上述的松散煤体内气体热扩散测试用实验装置，其特征在于：所述第一阀门、第二阀门和第三阀门均为球阀。

上述的松散煤体内气体热扩散测试用实验装置，其特征在于：所述第一气压传感器延伸至煤体盛装管的中心轴线。

上述的松散煤体内气体热扩散测试用实验装置，其特征在于：所述电加热元件上包裹有一层玻璃纤维保温层，所述玻璃纤维保温层上包裹有一层锡箔层。

上述的松散煤体内气体热扩散测试用实验装置，其特征在于：所述煤体盛装管上开设有多个用于螺纹连接所述第一气压传感器的第一螺纹孔，所述气体盛装管上开设有用于螺纹连接所述第二气压传感器的第二螺纹孔和用于螺纹连接所述温度传感器的第三螺纹孔。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明的结构简单，设计新颖合理。

2、本发明通过采用电加热带单一热源产生热量来模拟松散煤体内高温区域，与通过加热松散煤体产热相比，热源区域温度更容易控制；并且通过控制第二阀门的开度，能够确保进入气体盛装管的气体流量较小从而确保气体盛装管容易保持相对恒温。

3、本发明通过设置玻璃纤维保温层和锡箔层，形成两层保温层，在提高热量利用效率的同时，也提高了装置的电绝缘特性，保证了实验过程的安全性。

4、本发明通过调节条形板与圆盘上不同的螺栓孔连接可以改变条形板与支架立杆的夹角，调节精度可以达到15°，从而改变煤体盛装管和气体盛装管的整体角度，来模拟煤体盛装管和气体盛装管在不同方位角处受热气流热扩散的影响，其结构简单，能够灵活、方便的调节煤体盛装管和气体盛装管的整体角度。

5、本发明的实现成本低，使用效果好，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明煤体盛装管和气体盛装管的连接关系示意图。

图3为本发明第一气压传感器的结构示意图。

图4为本发明支架的结构示意图。

图5为本发明卡箍的结构示意图。

附图标记说明:

1—煤体盛装管；            2—气体盛装管；            3—支架；

3-1—支架立杆；            3-2—圆盘；                3-3—条形板；

3-4—螺栓孔；              3-5—螺栓；                3-6—安装孔；

4—第一阀门；              5—第二阀门；              6—第三阀门；

7—第一气压传感器；        7-1—静压感知孔；          7-2—全压感知孔；

7-3—第一气压传感模块；    7-4—第二气压传感模块；    7-5—壳体；

8—第二气压传感器；        9—温度传感器；            10—电加热元件；

11—卡箍；                 11-1—螺纹连接头；         11-2—卡箍体；

12—变径接头；             13—第一盖帽板；           14—第二盖帽板；

15—隔板；                 16—玻璃纤维保温层；       17—锡箔层。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示的松散煤体内气体热扩散测试用实验装置，包括用于盛装松散煤体的煤体盛装管1和用于产生热气流的气体盛装管2，以及用于支撑所述煤体盛装管1和气体盛装管2的支架3，所述支架3与煤体盛装管1连接；所述煤体盛装管1的一端和气体盛装管2的一端通过变径接头12相连接，所述煤体盛装管1的另一端设置有用于封闭或打开其端部开口的第一阀门4，所述气体盛装管2的另一端设置有用于封闭或打开其端部开口的第二阀门5，所述变径接头12内设置有用于控制煤体盛装管1和气体盛装管2连通或关断的第三阀门6，所述煤体盛装管1内设置有隔板15，所述隔板15上开设有供气体盛装管2内的热气流进入煤体盛装管1的气孔，所述气孔的孔径小于煤体粒径，能够阻止煤体通过，所述煤体盛装管1上安装有与其相垂直且伸入其内的第一气压传感器7，所述气体盛装管2上安装有与其相垂直且伸入其内的第二气压传感器8和温度传感器9，所述第一气压传感器7且伸入煤体盛装管1的一端面开设有沿第一气压传感器7长度方向布设的静压感知孔7-1，所述第一气压传感器7且伸入煤体盛装管1的部位的侧壁开设有朝向气体盛装管2的全压感知孔7-2，所述气体盛装管2的外壁缠绕有用于加热其内部空气的电加热元件10。

本实施例中，通过采用电加热带单一热源产生热量来模拟松散煤体内高温区域，与通过加热松散煤体产热相比，热源区域温度更容易控制；并且通过控制第二阀门5的开度，能够确保进入气体盛装管2的气体流量较小从而确保气体盛装管2容易保持相对恒温。

本实施例中，所述第一气压传感器7包括第一气压传感模块7-3和第二气压传感模块7-4，第一气压传感模块7-3与静压感知孔7-1相连接以用于接收来自静压感知孔7-1输入的气流，第二气压传感模块7-4与全压感知孔7-2连接以用于接收来自全压感知孔7-2输入的气流，所述第一气压传感模块7-3和第二气压传感模块7-4均封装在第一气压传感器7的壳体7-5内。

如图4和图5所示，所述支架3包括支架立杆3-1、圆盘3-2和条形板3-3，所述圆盘3-2固定安装在支架立杆3-1上，所述圆盘3-2上且沿其圆周方向布设有至少两对螺栓孔3-4，所述条形板3-3通过两个螺栓3-5与一对所述螺栓孔3-4一一对应连接，所述煤体盛装管1上套有卡箍11，所述条形板3-3上开设有供卡箍11上的螺纹连接头11-1伸入的安装孔3-6。

本实施例中，通过调节条形板3-3与圆盘3-2上不同的螺栓孔3-4连接可以改变条形板3-3与支架立杆3-1的夹角，调节精度可以达到15°，从而改变煤体盛装管1和气体盛装管2的整体角度，来模拟煤体盛装管1和气体盛装管2在不同方位角处受热气流热扩散的影响。其结构简单，能够灵活、方便的调节煤体盛装管1和气体盛装管2的整体角度。

如图2所示，所述煤体盛装管1的管径小于气体盛装管2的管径，所述煤体盛装管1的一端通过变径接头12与气体盛装管2的一端连接，所述第三阀门6安装在所述变径接头12上。

如图2所示，所述第一阀门4通过具有开口的第一盖帽板13安装在所述煤体盛装管1上，从而方便将第一阀门4安装在煤体盛装管1上；所述第二阀门5通过具有开口的第二盖帽板14安装在所述气体盛装管2上，从而方便将第二阀门5安装在气体盛装管2上。

本实施例中，所述第一阀门4、第二阀门5和第三阀门6均为球阀。

如图2所示，所述第一气压传感器7的一端延伸至煤体盛装管1的中心轴线M。使得第一气压传感器7能够扑捉到更真实的压力变化，使实验的结果更加的准确。

如图2所示，所述电加热元件10上包裹有一层玻璃纤维保温层16，所述玻璃纤维保温层16上包裹有一层锡箔层17。通过设置玻璃纤维保温层16和锡箔层17，形成两层保温层，在提高热量利用效率的同时，也提高了装置的电绝缘特性，保证了实验过程的安全性。

本实施例中，所述煤体盛装管1上开设有多个用于螺纹连接所述第一气压传感器7的第一螺纹孔，所述气体盛装管2上开设有用于螺纹连接所述第二气压传感器8的第二螺纹孔和用于螺纹连接所述温度传感器9的第三螺纹孔。通过螺纹连接第一气压传感器7、第二气压传感器8和温度传感器9，在保证第一气压传感器7、第二气压传感器8和温度传感器9安装的同时，还能够利用螺纹实现密封目的。

如图5所示，所述卡箍11包括两个螺栓连接的卡箍体11-2，所述螺纹连接头11-1连接在其中一个卡箍体11-2上。

本实施例中，该松散煤体内气体热扩散测试用实验装置在使用时，首先是实验的准备阶段，所述实验的准备阶段具体为：

首先选取实验煤样破碎并使用标准筛筛分出5种粒径煤样，并按照粒径大小依次进行编号为1#、2#、3#、4#、5#。把该实验装置各构件连接好,打开第一盖帽板13把破碎好的1#煤样装入煤体盛装管1内且位于第一盖帽板13与隔板15之间，然后把实验装置安装好，同时把第一气压传感器7、第二气压传感器8及温度传感器9安装设置到位，且使煤体盛装管1和气体盛装管2竖直连接在支架3上，以使煤体盛装管1位于气体盛装管2正上方，最后在关闭第一阀门4的条件下，通过第二阀门5向管路充气并且使压力保持在0.2MPa，采用涂抹肥皂泡法试验装置整体密封性，然后打开第一阀门4，气密性试验结束。关闭第二阀门5和第三阀门6，保持气体盛装管2空间密闭，实验准备阶段结束。

然后进入实验阶段，具体为：

设定温度控制器的实验温度值，为电加热元件10接通电源给气体盛装管2加热，通过温度传感器9检测气体盛装管2内气体的温度值，通过第二气压传感器8检测气体盛装管2内气体压力变化。当气体盛装管2内气体热源温度T达到温度预设值时，比如：30℃、60℃、90℃、120℃、150℃和200℃中的某一个温度值等，温度控制器为电加热元件10自动断电停止加热。当气体温度降低时又会自动通电加热以保持气体盛装管2内气体的相对恒温。当气体盛装管2内气体温度稳定后打开第二阀门5、第三阀门6，气体盛装管2内的热气体会由于浮升力及压差作用经隔板15上的气孔扩散至煤体盛装管1内，通过煤体盛装管1内的多个第一气压传感器7读取不同测点位置处气体全压E、静压E₁。则动压如果假定密度ρ为常数就可以求出气流速度值

然后以测点编号为X轴，速度值为Y轴，绘出实验温度下松散煤体内气体速度v曲线。其中测点编号即为第一气压传感器7的编号，在本实施例中，第一气压传感器7的数量为六个，那么测点编号就为六个。通过改变设定热源的温度T，按照上述的步骤进行多次实验，可以得到多个不同热源温度T下松散煤体内气体流速曲线。比较不同热源温度T情况下，松散煤体内不同时刻各测点速度v曲线的变化规律，得到热源强度对不同距离处热扩散的影响规律。

然后使用不同粒径的2#、3#、4#、5#煤样，重复以上实验步骤进行多次实验。绘出不同粒径下某一热源温度T(比如：150℃)下松散煤体内不同测点处速度v值曲线，并比较不同粒径情况下，热源温度T一定条件下各测点速度值及其变化规律。

其中，通过第一气压传感器7可以直接检测到反应流动规律的压力参数，第一气压传感器7精度可以达到1Pa，可以检测到细微的热空气在松散煤体内的自扩散效应，提高了实验装置的精确性和实用性，通过第二气压传感器8可以实时获知气体盛装管2内热气流的压力。

结合图1和图3，按照顺时针方向依次调整条形板3-3在圆盘3-2上的角度，可以先调整30°，即：使条形板3-3与圆盘3-2上不同的螺栓孔3-4连接，从而改变煤体盛装管1和气体盛装管2的整体角度，然后再进行上述重复试验，绘出实验管路与支架立杆30°角度时某一温度、某一粒径下松散煤体内不同测点处气体速度v曲线，然后依次逐渐增大角度进行实验得到多个不同实验角度下的松散煤体内不同测点处气体速度v曲线，分析得到不同角度θ时对不同距离处热扩散的影响规律。

最后综合粒径分布ε、热源强度T、及方位角θ下的实验数据，得出粒径、热源、方位等对松散煤体内不同空间位置处热扩散运移的影响，更好的探究煤火的发展的自卷吸供氧过程。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.松散煤体内气体热扩散测试用实验装置，其特征在于：包括用于盛装松散煤体的煤体盛装管(1)和用于产生热气流的气体盛装管(2)，以及用于支撑所述煤体盛装管(1)和气体盛装管(2)的支架(3)，所述支架(3)与煤体盛装管(1)连接；所述煤体盛装管(1)的一端和气体盛装管(2)的一端通过变径接头(12)相连接，所述煤体盛装管(1)的另一端设置有用于封闭或打开其端部开口的第一阀门(4)，所述气体盛装管(2)的另一端设置有用于封闭或打开其端部开口的第二阀门(5)，所述变径接头(12)内设置有用于控制煤体盛装管(1)和气体盛装管(2)连通或关断的第三阀门(6)，所述煤体盛装管(1)内设置有隔板(15)，所述隔板(15)上开设有供气体盛装管(2)内的热气流进入煤体盛装管(1)的气孔，所述煤体盛装管(1)上安装有与其相垂直且伸入其内的第一气压传感器(7)，所述气体盛装管(2)上安装有与其相垂直且伸入其内的第二气压传感器(8)和温度传感器(9)，所述第一气压传感器(7)伸入煤体盛装管(1)的一端面开设有沿第一气压传感器(7)长度方向布设的静压感知孔(7-1)，所述第一气压传感器(7)伸入煤体盛装管(1)的部位的侧壁开设有朝向气体盛装管(2)的全压感知孔(7-2)，所述气体盛装管(2)的外壁缠绕有用于加热其内部空气的电加热元件(10)。

2.根据权利要求1所述的松散煤体内气体热扩散测试用实验装置，其特征在于：所述支架(3)包括支架立杆(3-1)、圆盘(3-2)和条形板(3-3)，所述圆盘(3-2)固定安装在支架立杆(3-1)上，所述圆盘(3-2)上且沿其圆周方向布设有至少两对螺栓孔(3-4)，所述条形板(3-3)通过两个螺栓(3-5)与一对所述螺栓孔(3-4)一一对应连接，所述煤体盛装管(1)上套有卡箍(11)，所述条形板(3-3)上开设有供卡箍(11)上的螺纹连接头(11-1)伸入的安装孔(3-6)。

3.根据权利要求1所述的松散煤体内气体热扩散测试用实验装置，其特征在于：所述煤体盛装管(1)的管径小于气体盛装管(2)的管径。

4.根据权利要求1所述的松散煤体内气体热扩散测试用实验装置，其特征在于：所述第一阀门(4)通过具有开口的第一盖帽板(13)安装在所述煤体盛装管(1)上，所述第二阀门(5)通过具有开口的第二盖帽板(14)安装在所述气体盛装管(2)上。

5.根据权利要求1所述的松散煤体内气体热扩散测试用实验装置，其特征在于：所述第一阀门(4)、第二阀门(5)和第三阀门(6)均为球阀。

6.根据权利要求1所述的松散煤体内气体热扩散测试用实验装置，其特征在于：所述第一气压传感器(7)延伸至煤体盛装管(1)的中心轴线。

7.根据权利要求1所述的松散煤体内气体热扩散测试用实验装置，其特征在于：所述电加热元件(10)上包裹有一层玻璃纤维保温层(16)，所述玻璃纤维保温层(16)上包裹有一层锡箔层(17)。

8.根据权利要求1所述的松散煤体内气体热扩散测试用实验装置，其特征在于：所述煤体盛装管(1)上开设有多个用于螺纹连接所述第一气压传感器(7)的第一螺纹孔，所述气体盛装管(2)上开设有用于螺纹连接所述第二气压传感器(8)的第二螺纹孔和用于螺纹连接所述温度传感器(9)的第三螺纹孔。