CN106153674A - 一种煤田火灾演化过程的相似模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤田火灾演化过程的相似模拟系统，涉及相似模拟技术领域。在实验箱中安装物理相似模型，物理相似模型包括下覆隔热岩层、煤层以及多个上覆岩层，通过加热棒对煤层加热，在下覆隔热岩层、煤层和上覆岩层中埋设多个铠装热电偶，由多点温度检测仪收集各个铠装热电偶检测到的温度参数，并由计算机对温度参数进行分析，改变加热棒的加热温度、数量、类型以及加热的位置来模拟不同条件下的煤田火区的燃烧情况，具有较高的实用性；通过铠装热电偶高灵敏度的温度传感功能、多点温度测试仪的信号收集转换功能以及计算机的分析功能，从而实现连续性、实时监测功能。

Description

一种煤田火灾演化过程的相似模拟系统

技术领域

本发明涉及相似模拟技术领域，特别涉及一种煤田火灾演化过程的相似模拟系统。

背景技术

煤田火灾是指在矿井或煤田范围内发生，威胁安全生产、造成一定资源和经济损失或者人员伤亡的燃烧事故。煤田火灾广泛存在于我国西北地区，是威胁西北地区煤炭开采的主要灾害之一。煤炭自燃造成地下煤炭资源的大量烧损，减少煤炭资源的储量，威胁煤矿安全生产，严重影响了我国能源向西部发展的战略。煤田火灾的存在也造成了大量的环境和生态问题，必须采取相关技术措施遏制煤田火灾的继续蔓延。

目前国内外研究中，对于煤田火区高温点及火源点的准确定位仍然缺乏相应的理论与技术支撑，尤其是对于煤田火区扩散范围及火区扩展规律研究不足。因此，在煤田火区灭火过程中，无法准确定位火区高温点及其扩散特征，且对煤田火区裂隙产生和发育规律研究不明确，使得对火区不能进行有效防控。所以，加强煤田火区的形成演过程中温度场的研究不仅仅为火区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。目前，国内外还没有针对研究煤田火区温度而形成的较系统的实验台和实验方案。

发明内容

本发明实施例提供了一种煤田火灾演化过程的相似模拟系统，用以解决现有技术中存在的问题。

一种煤田火灾演化过程的相似模拟系统，包括实验箱、物理相似模型、加热升温系统以及温度检测分析系统；所述物理相似模型安装在所述实验箱内部，所述物理相似模型包括从下至上依次层叠设置的下覆隔热岩层、煤层以及多个上覆岩层；所述加热升温系统包括智能控温仪、加热棒和温度传感器，所述加热棒埋设在所述煤层中，所述温度传感器安装在所述加热棒上，以检测所述加热棒的温度，所述温度传感器和加热棒均与所述智能温控仪电连接；所述温度检测分析系统包括铠装热电偶、多点温度测试仪以及计算机，所述下覆隔热岩层、煤层以及上覆岩层中均设有多个测点，所述测点的数量在所述下覆隔热岩层、煤层以及上覆岩层中沿从下至上的方向逐渐减少，所述铠装热电偶的数量与所述测点的数量相同，且所述铠装热电偶一一对应的埋设在所述测点中，以检测每个所述测点的温度参数，所述多点温度测试仪收集所述铠装热电偶检测到的温度参数并发送给所述计算机，由所述计算机对收集的温度参数进行分析。

优选地，所述实验箱包括相对设置的前面板和后面板、相对设置的左面板和右面板以及相对设置的顶面板和底面板，所述顶面板上固定有与所述实验箱内部连通的出气口，所述左面板上固定有与所述实验箱内部连通的进气口。

优选地，所述前面板、后面板、左面板、右面板、顶面板和底面板均包括外层和内层，所述外层由Q235-B钢板制成，所述内层由316L钢板制成，所述外层的尺寸为2200mm×2200mm×1800mm，所述内层的尺寸为2000mm×2000mm×1600mm，所述外层和内层之间由槽钢连接及支撑，并充填耐高温纤维棉保温。

优选地，所述前面板、后面板和顶面板为可拆卸结构。

优选地，所述前面板上设置有三个观察窗，所述观察窗的尺寸为200mm×400mm，且由透明的耐高温玻璃制成。

优选地，所述下覆隔热岩层放置在可调节支架上，所述可调节支架可以调节长度和宽度。

优选地，所述上覆岩层的数量为六层，从下至上依次为上覆岩层一、上覆岩层二、上覆岩层三、上覆岩层四、上覆岩层五和上覆岩层六。

优选地，所述下覆隔热层、煤层以及上覆岩层一中设置有36个所述测点，所述上覆岩层二中设置有6个所述测点，所述上覆岩层三和上覆岩层四中设置有2个所述测点。

优选地，所述多点温度测试仪的型号为ZJ1128。

本发明实施例提供的一种煤田火灾演化过程的相似模拟系统，在实验箱中安装物理相似模型，物理相似模型包括下覆隔热岩层、煤层以及多个上覆岩层，通过加热棒对煤层加热，在下覆隔热岩层、煤层和上覆岩层中埋设多个铠装热电偶，由多点温度检测仪收集各个铠装热电偶检测到的温度参数，并由计算机对温度参数进行分析，实验箱由价格低廉的标准件制作而成，制作成本比较低；物理相似模型根据所需模拟煤田火区的特征，选择力学、热力学性质相似的材料搭建，具有较高的通用性；改变加热棒的加热温度、数量、类型以及加热的位置来模拟不同条件下的煤田火区的燃烧情况，具有较高的实用性；通过铠装热电偶高灵敏度的温度传感功能、多点温度测试仪的信号收集转换功能以及计算机的分析功能，从而实现连续性、实时监测功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种煤田火灾演化过程的相似模拟系统的结构示意图；

图2为图1中实验箱的结构示意图；

图3为图1中实验箱和物理相似模型沿煤层所在平面的切面示意图；

图4为图1中实验箱和物理相似模型沿下覆隔热岩层或上覆岩层一所在平面的切面示意图；

图5为图1中实验箱和物理相似模型沿上覆岩层二所在平面的切面示意图；

图6为图1中实验箱和物理相似模型沿上覆岩层三或上覆岩层四所在平面的切面示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1，本发明提供了一种煤田火灾演化过程的相似模拟系统，所述相似模拟系统包括实验箱100、物理相似模型200、加热升温系统300以及温度检测分析系统400。所述物理相似模型200安装在所述实验箱100内部，所述物理相似模型200包括从下至上依次层叠设置的下覆隔热岩层202、煤层203以及多个上覆岩层。

所述加热升温系统300包括智能控温仪330、加热棒310和温度传感器320，所述加热棒310埋设在所述煤层203中，所述温度传感器320安装在所述加热棒310上，以检测所述加热棒310的温度，所述温度传感器320和加热棒310均与所述智能温控仪330电连接。所述温度传感器320将所述加热棒310的实时温度传送到智能温控仪330并显示出来，通过所述智能温控仪330对所述加热棒310的加热进行控制，使得所述加热棒310加热到预先设定的温度。需要说明的是，应根据不同的实验条件选择不同类型和数量的所述加热棒310，并且设置在所述煤层203的不同位置，从而实现不同条件下不同方式的引燃。

所述温度检测分析系统400包括多点温度测试仪410以及计算机420。

一并参照图2，所述实验箱100包括相对设置的前面板130和后面板、相对设置的左面板和右面板150以及相对设置的顶面板140和底面板，所述顶面板140上固定有与所述实验箱100内部连通的出气口110，所述左面板上固定有与所述实验箱100内部连通的进气口120。

所述前面板130、后面板、左面板、右面板150、顶面板140和底面板均包括外层和内层，所述外层由Q235-B钢板制成，所述内层由316L钢板制成，所述外层的尺寸为2200mm×2200mm×1800mm，所述内层的尺寸为2000mm×2000mm×1600mm，所述外层和内层之间由槽钢连接及支撑，并充填耐高温纤维棉保温。

所述前面板130、后面板和顶面板140为可拆卸结构，以便于安装所述物理相似模型200。需要说明的是，所述前面板130、后面板和顶面板140可以通过铰链或者卡槽的方式与其他面板连接，所述实验箱100组装完毕后为密封结构，因此在所述前面板130、后面板和顶面板140的连接处需要设置密封条。

所述前面板130上设置有三个观察窗160，所述观察窗160的尺寸为200mm×400mm，且由透明的耐高温玻璃制成。

所述下覆隔热岩层202放置在可调节支架201上，所述可调节支架201可以调节长度和宽度，以调节所述物理相似模型200的长度和宽度，以适应不同煤田火灾的实际条件和需要。需要说明的是，所述可调节支架201的最大调节长度和宽度分别不大于所述实验箱100内部空间的长度和宽度。

所述物理相似模型200的搭建主要以相似理论为基础，用与煤岩力学、热力学性质相似的材料作为填充材料，按原型与模型间所需的相似准则做成模型，所搭建的物理相似模型与原型必须满足几何相似、物理量相似、初始状态相似和边界条件相似等规律。因此，所述上覆岩层的数量为六层，从下至上依次为上覆岩层一204、上覆岩层二205、上覆岩层三206、上覆岩层四207、上覆岩层五208和上覆岩层六209。可以理解的是，在其他实施例中，所述物理相似模型200中上覆岩层的数量可以根据实际需求调整，本发明实施例对所述上覆岩层的数量不做具体限制。

一并参照图3至图6，所述下覆隔热岩层202、煤层203、上覆岩层一204、上覆岩层二205、上覆岩层三206和上覆岩层207中均设有多个测点210，且所述测点210的数量在所述下覆隔热岩层202、煤层203以及上覆岩层中沿从下至上的方向逐渐减少。由于所述煤层203三维尺寸的存在，在热量累积至燃烧过程中，温度沿着三维作用方向以不同的速度传递热量。为了真实的研究温度的传递规律，必须在X、Y、Z轴不同方向同时监控温度的变化量，综合反映燃烧温度变化特性。所以在每层(上覆岩层一204、上覆岩层二205、上覆岩层三206、上覆岩层四207、煤层203、下覆隔热岩层202)中布置铠装热电偶430，而且在每层的横向和纵向上分别布置不同数量的所述铠装热电偶430。所述铠装热电偶430的数量与所述测点210的数量相同，且所述铠装热电偶430一一对应的埋设在所述测点210中，以检测每个所述测点210的温度参数，所述多点温度测试仪410收集所述铠装热电偶430检测到的温度参数并发送给所述计算机420，由所述计算机420对收集的温度参数进行分析。

在本实施例中，由于所述加热棒310布置在所述煤层203中，导致所述煤层203和与所述煤层203相邻的岩层温度变化比较大，所以在所述煤层203、上覆岩层一204以及下覆隔热岩层202中布置的所述铠装热电偶430数量最多，分别布置了36个所述测点210。而在所述上覆岩层二205、上覆岩层三206和上覆岩层四207中布置的所述铠装热电偶430数量相对较少，在所述上覆岩层二205中布置了6个所述测点210，在所述上覆岩层三206和上覆岩层四207中分别布置了2个所述测点210。

需要说明的是，这些测点210的布置方式应根据不同的引燃方式采取不同的布置方式，本发明实施例对所述测点210的布置方式不做具体限制。

在本实施例中，所述多点温度测试仪410的型号为ZJ1128。

本发明的整体流程如下：根据所要模拟煤田火区的地层特征，依据几何相似、物理量相似、初始状态相似和边界条件相似等规律搭建出所述物理相似模型200，在搭建模型的过程中根据每层受热情况的不同相应的布置不同数量的所述铠装热电偶430。与此同时，根据所需模拟煤田火区的实际情况将所述加热棒310和温度传感器320埋在所述煤层203中相应位置引燃所述煤层203，待所述物理相似模型200做好干燥后开始组装所述实验箱100，将所述物理相似模型200置于所述实验箱100中间位置。将埋好的所述加热棒310和温度传感器320分别与所述智能温控仪330相连接，通过所述温度传感器320和智能温控仪330显示和控制所述加热棒310的温度。同时将埋好的所述铠装热电偶430全部与所述多点温度测试仪410相连接，所述多点温度测试仪410通过信号传输线与所述计算机420相连接。待上述准备工作完成后，按照预先设定的温度接通所述加热棒310的电源，使所述加热棒310加热到预设的温度，直到所述煤层203点燃后关闭所述加热棒310的电源，让所述煤层203自行燃烧。在接通所述加热棒310的电源之前打开所述计算机420中安装的分析软件，记录加热前的所述测点210的初始温度、所述加热棒310加热过程中所述测点210温度的变化值以及所述煤层203自行燃烧过程中所述测点210温度的变化值。通过分析所监测到的各个所述测点210的温度值的变化规律，最终得出所模拟的煤田火区温度场的扩散特征以及变化范围。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种煤田火灾演化过程的相似模拟系统，其特征在于，包括实验箱、物理相似模型、加热升温系统以及温度检测分析系统；所述物理相似模型安装在所述实验箱内部，所述物理相似模型包括从下至上依次层叠设置的下覆隔热岩层、煤层以及多个上覆岩层；所述加热升温系统包括智能控温仪、加热棒和温度传感器，所述加热棒埋设在所述煤层中，所述温度传感器安装在所述加热棒上，以检测所述加热棒的温度，所述温度传感器和加热棒均与所述智能温控仪电连接；所述温度检测分析系统包括铠装热电偶、多点温度测试仪以及计算机，所述下覆隔热岩层、煤层以及上覆岩层中均设有多个测点，所述测点的数量在所述下覆隔热岩层、煤层以及上覆岩层中沿从下至上的方向逐渐减少，所述铠装热电偶的数量与所述测点的数量相同，且所述铠装热电偶一一对应的埋设在所述测点中，以检测每个所述测点的温度参数，所述多点温度测试仪收集所述铠装热电偶检测到的温度参数并发送给所述计算机，由所述计算机对收集的温度参数进行分析。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述实验箱包括相对设置的前面板和后面板、相对设置的左面板和右面板以及相对设置的顶面板和底面板，所述顶面板上固定有与所述实验箱内部连通的出气口，所述左面板上固定有与所述实验箱内部连通的进气口。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述前面板、后面板、左面板、右面板、顶面板和底面板均包括外层和内层，所述外层由Q235-B钢板制成，所述内层由316L钢板制成，所述外层的尺寸为2200mm×2200mm×1800mm，所述内层的尺寸为2000mm×2000mm×1600mm，所述外层和内层之间由槽钢连接及支撑，并充填耐高温纤维棉保温。

4.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述前面板、后面板和顶面板为可拆卸结构。

5.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述前面板上设置有三个观察窗，所述观察窗的尺寸为200mm×400mm，且由透明的耐高温玻璃制成。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述下覆隔热岩层放置在可调节支架上，所述可调节支架可以调节长度和宽度。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述上覆岩层的数量为六层，从下至上依次为上覆岩层一、上覆岩层二、上覆岩层三、上覆岩层四、上覆岩层五和上覆岩层六。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述下覆隔热层、煤层以及上覆岩层一中设置有36个所述测点，所述上覆岩层二中设置有6个所述测点，所述上覆岩层三和上覆岩层四中设置有2个所述测点。

9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多点温度测试仪的型号为ZJ1128。