CN105548519B - 煤田火灾演化过程相似模拟试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的煤田火灾演化过程相似模拟试验装置包括供气部、物理相似模拟部、引燃部、数据采集及分析部、起吊部。本发明中，试验箱体为价格低廉的标准件制作而成，该煤田火灾演化过程相似模拟试验装置价格低廉。本发明提供的煤田火灾演化过程相似模拟试验装置可调节倾斜角以及供气氧浓度，试验条件更加符合实际，提高了物理相似模拟试验结果的精度。本发明提供的煤田火灾演化过程相似模拟试验装置可适应不同尺寸的物理相似模型，具备较高的通用性。由于本发明中，一次物理相似模拟试验就可以收集煤层燃烧过程中的应力、温度、裂隙发育、气体体积变化、烟气成分变化等多种数据，不需要针对不同种类的数据进行不同的试验，节省了试验费用。

Description

煤田火灾演化过程相似模拟试验装置及方法

技术领域

本发明涉及煤田火灾演化过程相似模拟试验装置及方法。

背景技术

煤田火灾是指发生在煤田煤层露头或浅部的、影响煤田开发、储量损失大、严重污染环境、威胁生产安全的大面积火灾，具有典型的非控燃烧特性。中国的煤田火灾主要分布于新疆、甘肃、宁夏、陕西、山西、内蒙古、四川、重庆、福建等省、市、自治区。美国、澳大利亚、印度、塔吉克斯坦等许多国家都存在煤田火灾的严重问题。目前国内外研究中，对于煤田火灾扩展演化过程及其范围的研究缺乏相应的理论与技术支撑。其中，对煤田火灾供氧通道，即煤岩裂隙的发育规律的研究较少，并缺乏系统性。由于煤田火灾裂隙产生和发育规律不明确，难以掌握火灾的扩散特征，无法准确定位高温范围，使得对火灾的防控难以有效进行。同时，加强煤田火灾演化过程的研究不仅仅为火灾的治理提供理论依据和科学保障，更为进一步研究煤、岩、气之间的关系及特性提供基础。

现阶段对于煤田火灾的研究虽然在理论分析方面有所突破，能够建立多场耦合的数学模型和相关解算方程，而且还能运用数值模拟方法进一步解释和探索煤田火灾，但是结果往往与实际还有一定差异。目前，国内外还没有针对研究煤田火灾而形成的较系统的试验台和试验方案。

发明内容

本发明提供的煤田火灾演化过程相似模拟试验装置包括供气部、物理相似模拟部、引燃部、数据采集及分析部、起吊部。

供气部包括氧气源、无油空气压缩机、入口质量流量计。氧气源的出口端与无油空气压缩机的入口端相连，无油空气压缩机的出口端与入口质量流量计的入口端相连。氧气源可以提供氧气浓度为0～100％的氧气。

物理相似模拟部包括物理相似模型、试验箱体、底座。

物理相似模型包括煤层、岩层一、岩层二、岩层三、岩层四(岩层一、岩层二、岩层三、岩层四均为岩层)、隔热岩层。根据不同煤田火灾的实际条件，合理选择材料和物理相似模型的比例，搭建相应的物理相似模型。隔热岩层设置在煤层下。

试验箱体包括顶面板、前面板、后面板、左面板、右面板、底面板、可调支架。试验箱体的外层尺寸为2200mm×2200mm×1800mm(长×宽×高)，试验箱体的内层尺寸为2000mm×2000mm×1600mm(长×宽×高)。各面板(即顶面板、前面板、后面板、左面板、右面板、底面板)的外层为Q235-B钢板、内层为316L钢板，两层钢板之间由槽钢连接及支撑，并充填耐高温(1000℃)纤维棉保温。顶面板、前面板、后面板通过法兰由M16×40螺栓固定，可以保证试验箱体的密封性。M16×40螺栓拆卸后，顶面板、前面板、后面板也可以拆卸，方便物理相似模型的搭建。左面板的下部设置有入气口，顶面板上设置有出气口。前面板设置有三个观察窗。观察窗的尺寸为200mm×400mm，且由透明的耐高温玻璃制成，通过观察窗可以观察到试验箱体内部的情况。通过调节可调支架，可以调节相应的物理相似模型的长度和宽度，以适应不同煤田火灾的实际条件和需要。

底座上设置有液压缸、轴承。液压缸设置在底座的一端，并由液压站提供液压动力。液压缸可以设置为两个并且相互远离，以保证调节倾斜角A时试验箱体的平衡。轴承设置在底座的设置有液压缸一端相对的另外一端。轴承的内、外圈分别与底面板、底座连接固定。液压缸缩入时，底座与底面板接触的平面为水平面。需要调节倾斜角A时，液压站提供动力使液压缸伸出，配合轴承使试验箱体倾斜，倾斜角度为倾斜角A。通过控制液压缸伸出的长度，倾斜角A在0～20°的范围内可以任意调节。

引燃部包括控温柜、加热棒以及温度传感器。加热棒以及温度传感器与控温柜连接。通过温度传感器显示温度、以及控温柜控制加热棒加热，可以使加热棒加热到指定的温度。加热棒以及温度传感器数量设置为一个以上，并设置在煤层中的不同位置，从而实现单/多源引燃。

数据采集及分析部包括计算机、应力探头、温度探头、视频采集装置、出口质量流量计、烟气分析仪、A/D转换装置。应力探头、温度探头布置在物理相似模型中。应力探头布置在隔热岩层与可调支架之间。由于隔热岩层，煤层燃烧时产生的高温被隔离，避免了应力探头被高温损坏。温度探头布置在煤层和岩层中。应力探头、温度探头均和A/D转换装置相连，A/D转换装置与计算机相连。A/D转换装置将应力探头、温度探头传输的模拟信号转化为数字信号后传输给计算机。出口质量流量计的入口端与出气口相连，出口质量流量计的出口端与烟气分析仪的入口端相连。通过比较入口质量流量计和出口质量流量计，可计算得到箱体内气体体积变化。烟气分析仪与计算机相连，烟气分析仪分析烟气成分后，将信号传输到计算机。视频采集装置固定在前面板的前方，透过设置在前面板上的观察窗，视频采集装置可记录试验箱体内的煤层燃烧及裂隙发育情况的情况。

起吊部包括电动葫芦、起吊臂、起吊立柱、行走机构。使用起吊部可以方便的拆卸、安装顶面板、前面板、后面板。

本发明中，试验箱体为价格低廉的标准件制作而成，该煤田火灾演化过程相似模拟试验装置价格低廉。

本发明提供的煤田火灾演化过程相似模拟试验装置可调节倾斜角A，试验条件更加符合实际，提高了物理相似模拟试验结果的精度。

本发明提供的煤田火灾演化过程相似模拟试验装置可适应不同尺寸的物理相似模型，具备较高的通用性。

本发明提供的煤田火灾演化过程相似模拟试验装置可调节供气氧浓度，完成不同氧浓度条件下煤田火灾演化过程的相似模拟，试验条件更加符合实际，提高了物理相似模拟试验结果的精度。

本发明中，一次物理相似模拟试验就可以收集煤层燃烧过程中的应力、温度、裂隙发育、气体体积变化、烟气成分变化等多种数据，不需要针对不同种类的数据进行不同的试验，节省了试验费用。

附图说明

图1为本发明的示意图(前面板212、应力探头41未画出)

图2为本发明的物理相似部2的示意图(前面板212、应力探头41未画出)

图3为本发明的物理相似部2调整角度后的示意图(前面板212、应力探头41未画出)

图4为本发明的试验箱体21的爆炸图

图5位本发明的起吊部5的示意图(应力探头41未画出)

图6为各面板的内部结构示意图

图7为前面板212的示意图

图8为前面板212的立体示意图

图9为物理相似模型20的示意图

图10为本发明中相似模拟试验方法的流程图

1供气部

10氧气源

11无油空气压缩机

12入口质量流量计

2物理相似模拟部

20物理相似模型

200煤层

201岩层一

202岩层二

203岩层三

204岩层四

205隔热岩层

21试验箱体

211顶面板

212前面板

2121观察窗

213后面板

214左面板

215右面板

216底面板

217可调支架

218入气口

219出气口

22底座

221液压站

222液压缸

223轴承

3引燃部

30控温柜

31加热棒以及温度传感器

4数据采集及分析部

40计算机

41应力探头

42温度探头

43视频采集装置

44出口质量流量计

45烟气分析仪

46A/D转换装置

5起吊部

51电动葫芦

52起吊臂

53起吊立柱

54行走机构

倾斜角A

具体实施方式

下面结合图1～图10对本发明进行说明。

本发明提供的煤田火灾演化过程相似模拟试验装置包括供气部1、物理相似模拟部2、引燃部3、数据采集及分析部4、起吊部5。

供气部1包括氧气源10、无油空气压缩机11、入口质量流量计12。氧气源10的出口端与无油空气压缩机11的入口端相连，无油空气压缩机11的出口端与入口质量流量计12的入口端相连。氧气源10可以提供氧气浓度为0～100％的氧气。

物理相似模拟部2包括物理相似模型20、试验箱体21、底座22。

物理相似模型20包括煤层200、岩层一201、岩层二202、岩层三203、岩层四204(岩层一201、岩层二202、岩层三203、岩层四204均为岩层)、隔热岩层205。根据不同煤田火灾的实际条件，合理选择材料和物理相似模型20的比例，搭建相应的物理相似模型20。隔热岩层205设置在煤层200下。本实施例中，岩层的层数为四层，但是根据不同煤田火灾的实际条件和试验的需要，岩层的数量不限于四层。

试验箱体21包括顶面板211、前面板212、后面板213、左面板214、右面板215、底面板216、可调支架217。试验箱体21的外层尺寸为2200mm×2200mm×1800mm(长×宽×高)，试验箱体21的内层尺寸为2000mm×2000mm×1600mm(长×宽×高)。各面板(即顶面板211、前面板212、后面板213、左面板214、右面板215、底面板216)的外层为Q235-B钢板、内层为316L钢板，两层钢板之间由槽钢连接及支撑，并充填耐高温(1000℃)纤维棉保温。顶面板211、前面板212、后面板213通过法兰由M16×40螺栓固定，可以保证试验箱体21的密封性。M16×40螺栓拆卸后，顶面板211、前面板212、后面板213也可以拆卸，方便物理相似模型20的搭建。左面板214的下部设置有入气口218，入气口218与入口质量流量计12的出口端相连；顶面板211上设置有出气口219。前面板212设置有三个观察窗2121。本实施例中，观察窗2121的数量为三个，但根据实际的条件，观察窗2121的数量不限于三个。观察窗2121的尺寸为200mm×400mm，且由透明的耐高温玻璃制成，通过观察窗2121可以观察到试验箱体21内部的情况。通过调节可调支架217，可以调节相应的物理相似模型20的长度和宽度，以适应不同煤田火灾的实际条件和需要。

底座22上设置有液压缸222、轴承223。液压缸222设置在底座22的一端，并由液压站221提供液压动力。液压缸222可以设置为两个并且相互远离，以保证调节倾斜角A时试验箱体21的平衡。轴承223设置在底座22的设置有液压缸222一端相对的另外一端。轴承223的内、外圈分别与底面板216、底座22连接固定。液压缸222缩入时，底座22与底面板216接触的平面为水平面。需要调节倾斜角A时，液压站221提供动力使液压缸222伸出，配合轴承223使试验箱体21倾斜，倾斜角度为倾斜角A。通过控制液压缸222伸出的长度，倾斜角A在0～20°的范围内可以任意调节。

引燃部3包括控温柜30、加热棒以及温度传感器31。加热棒以及温度传感器31与控温柜30连接。通过温度传感器显示温度、以及控温柜30控制加热棒加热，可以使加热棒加热到指定的温度。加热棒以及温度传感器31数量设置为一个以上，并设置在煤层200中的不同位置，从而实现单/多源引燃。

数据采集及分析部4包括计算机40、应力探头41、温度探头42、视频采集装置43、出口质量流量计44、烟气分析仪45、A/D转换装置46。应力探头41、温度探头42布置在物理相似模型20中。应力探头41布置在隔热岩层205与可调支架217之间。由于隔热岩层205，煤层200燃烧时产生的高温被隔离，避免了应力探头41被高温损坏。温度探头42布置在煤层200和岩层201～岩层204中。应力探头41、温度探头42均和A/D转换装置46相连，A/D转换装置46与计算机40相连。A/D转换装置46将应力探头41、温度探头42传输的模拟信号转化为数字信号后传输给计算机40。出口质量流量计44的入口端与出气口219相连，出口质量流量计44的出口端与烟气分析仪45的入口端相连。通过比较入口质量流量计12和出口质量流量计44，可计算得到箱体21内气体体积变化。烟气分析仪45与计算机40相连，烟气分析仪45分析烟气成分后，将信号传输到计算机40。视频采集装置43固定在前面板212的前方，透过设置在前面板212上的观察窗2121，视频采集装置43可记录试验箱体21内的煤层200燃烧及裂隙发育情况的情况。

起吊部5包括电动葫芦51、起吊臂52、起吊立柱53、行走机构54。使用起吊部5可以方便的拆卸、安装顶面板211、前面板212、后面板213。

本发明提供的使用上述煤田火灾演化过程相似模拟装置进行煤田火灾演化过程相似模拟试验方法，包括以下试验步骤：

S1搭建物理相似模型：根据不同煤田火灾的实际条件，合理选择材料和尺寸，搭建物理相似模型20。

S2探头及热源布置：搭建物理相似模型20的过程中，将温度探头42布置在煤层200以及岩层201～岩层204中，将应力探头41布置在隔热岩层205与可调支架217之间；将加热棒以及温度传感器31布置在煤层200中。

S3风干：将物理相似模型20静置风干。

S4调节倾斜角：根据煤田火灾的实际情况，通过调节液压缸222的伸缩并配合轴承223，调节物理相似模型20的倾斜角A。

S5气体输送：无油空气压缩机11将由氧气源10提供的氧气，经过入口质量流量计12输送至试验箱体21，经过物理相似模型20后，从试验箱体21顶部的出口质量流量计44流出。

S6加热引燃：由控温柜30控制加热棒以及温度传感器31加热到指定温度，引燃煤层。

S7数据采集及分析：启动计算机40、视频采集装置43、烟气分析仪45，采集并分析烟气成分、温度、应力、视频数据。

本发明中，试验箱体为价格低廉的标准件制作而成，该煤田火灾演化过程相似模拟试验装置价格低廉。

本发明提供的煤田火灾演化过程相似模拟试验装置可调节倾斜角A，试验条件更加符合实际，提高了物理相似模拟试验结果的精度。

本发明提供的煤田火灾演化过程相似模拟试验装置可适应不同尺寸的物理相似模型，具备较高的通用性。

本发明提供的煤田火灾演化过程相似模拟试验装置可调节供气氧浓度，完成不同氧浓度条件下煤田火灾演化过程的相似模拟，试验条件更加符合实际，提高了物理相似模拟试验结果的精度。

本发明中，一次物理相似模拟试验就可以收集煤层燃烧过程中的应力、温度、裂隙发育、气体体积变化、烟气成分变化等多种数据，不需要针对不同种类的数据进行不同的试验，节省了试验费用。

Claims (6)

1.煤田火灾演化过程相似模拟试验装置，其特征在于包括供气部(1)、物理相似模拟部(2)、引燃部(3)、数据采集及分析部(4)、起吊部(5)；

所述供气部(1)包括氧气源(10)、无油空气压缩机(11)、入口质量流量计(12)；所述氧气源(10)的出口端与所述无油空气压缩机(11)的入口端相连，所述无油空气压缩机(11)的出口端与所述入口质量流量计(12)的入口端相连；

所述物理相似模拟部(2)包括物理相似模型(20)、试验箱体(21)、底座(22)；

所述物理相似模型(20)包括煤层(200)、岩层、隔热岩层(205)；

所述试验箱体(21)包括顶面板(211)、前面板(212)、后面板(213)、左面板(214)、右面板(215)、底面板(216)、可调支架(217)；

所述左面板(214)的下部设置有入气口(218)，所述顶面板(211)上设置有出气口(219)；所述入气口(218)与所述入口质量流量计(12)的出口端相连；

所述前面板(212)设置有观察窗(2121)；

所述底座(22)上设置有液压缸(222)、轴承(223)；所述液压缸(222)设置在所述底座(22)的一端，并由液压站(221)提供液压动力；所述轴承(223)设置在所述底座(22)的设置有所述液压缸(222)一端相对的另外一端；

引燃部(3)包括控温柜(30)、加热棒以及温度传感器(31)；

数据采集及分析部(4)包括计算机(40)、应力探头(41)、温度探头(42)、视频采集装置(43)、出口质量流量计(44)、烟气分析仪(45)、A/D转换装置(46)；所述应力探头(41)、所述温度探头(42)布置在所述物理相似模型(20)中；所述应力探头(41)、所述温度探头(42)均和所述A/D转换装置(46)相连，所述A/D转换装置(46)与所述计算机(40)相连，所述出口质量流量计(44)的入口端与所述出气口(219)相连，所述出口质量流量计(44)的出口端与所述烟气分析仪(45)的入口端相连，所述烟气分析仪(45)与所述计算机(40)相连，所述视频采集装置(43)固定在所述前面板(212)的前方；

起吊部(5)包括电动葫芦(51)、起吊臂(52)、起吊立柱(53)、行走机构(54)。

2.如权利要求1所述的煤田火灾演化过程相似模拟试验装置，其特征在于：所述试验箱体(21)的外层尺寸为2200mm×2200mm×1800mm，所述试验箱体(21)的内层尺寸为2000mm×2000mm×1600mm；各面板的外层为Q235-B钢板、内层为316L钢板，两层钢板之间由槽钢连接及支撑，并充填耐高温的纤维棉保温。

3.如权利要求1所述的煤田火灾演化过程相似模拟试验装置，其特征在于：所述顶面板(211)、所述前面板(212)、所述后面板(213)通过法兰由M16×40螺栓固定。

4.如权利要求1所述的煤田火灾演化过程相似模拟试验装置，其特征在于：所述液压缸(222)的数量为2且相互远离。

5.如权利要求1所述的煤田火灾演化过程相似模拟试验装置，其特征在于：所述应力探头(41)布置在所述隔热岩层(205)与所述可调支架(217)之间。

6.使用如权利要求1～5任一所述的煤田火灾演化过程相似模拟试验装置的试验方法，其特征在于包括以下步骤：

S1搭建物理相似模型：根据不同煤田火灾的实际条件，合理选择材料和尺寸，搭建所述物理相似模型(20)；

S2探头及热源布置：搭建所述物理相似模型(20)的过程中，将所述温度探头(42)布置在所述煤层(200)以及所述岩层中，将所述应力探头(41)布置在所述隔热岩层(205)与所述可调支架(217)之间；将所述加热棒以及温度传感器(31)布置在所述煤层(200)中；

S3风干：将所述物理相似模型(20)静置风干；

S4调节倾斜角：根据煤田火灾的实际情况，通过调节所述液压缸(222)的伸缩并配合所述轴承(223)，调节所述物理相似模型(20)的倾斜角A；

S5气体输送：所述无油空气压缩机(11)将由所述氧气源(10)提供的氧气，经过所述入口质量流量计(12)输送至所述试验箱体(21)，经过所述物理相似模型(20)后，从所述试验箱体(21)顶部的所述出口质量流量计(44)流出；

S6加热引燃：由所述控温柜(30)控制所述加热棒以及温度传感器(31)加热到指定温度，引燃煤层；

S7数据采集及分析：启动所述计算机(40)、所述视频采集装置(43)、烟气分析仪(45)，采集并分析烟气成分、温度、应力、视频数据。