CN107247127A - 考虑大气压的采空区自然发火模型试验平台及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种考虑大气压的采空区自然发火模型试验平台，包括控制系统和模型系统，特点在于：控制系统由工控机分别电连接PLC、数据采集卡，PLC分别电连接各控制件、数据采集卡分别电连接气压计、各类传感器，模型系统由试验巷道侧设有试验硐室内的设施构成；同时公开了一种考虑大气压的采空区自然发火模型试验平台的试验方法。可实现对工作面倾角、风流温度、空气湿度环境条件的模拟，模型可靠，研究大气压力变化在不同环境参数下对采空区温度场分布影响提供了途径，可广泛用于矿井采空区自然发火模拟以及揭示大气压力变化对矿井采空区自然发火的影响规律的研究中，同时可获取自然发火产生气体浓度分布情况。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿采空区自然发火相似物理模型试验技术，具体涉及一种考虑大气压的采空区自然发火模型试验平台及试验方法。
背景技术
煤炭是我国的主体能源，2016年全国煤炭生产和消费总量分别达到34.5亿吨与39亿吨，一次能源消费占比约为62.3%。由于煤层自然条件的限制，我国煤炭产量的90%依靠井工开采，受复杂煤层赋存与生产技术条件影响，我国煤矿受火灾影响较为严重，据统计，我国657处重点煤矿中，有煤层自然发火倾向的矿井数量占54.9%，最短自然发火期小于3个月的矿井数量占50%以上，自燃火灾严重影响了煤矿的安全生产。
井下采空区是矿井自燃火灾的多发区，火源多出现在采空区氧化带内，遗留松散煤体作为发火源，在采空区持续性漏风供氧作用下，氧化产生热量在煤岩体蓄热环境中积聚至着火点后发火。同时，采空区自然发火还易引发瓦斯、煤尘爆炸等次生灾害，严重威胁了井下作业人员生命财产安全。因此采取有效的研究手段，准确定位高温火源，消除自燃火灾隐患成为我国煤炭安全生产的当务之急。
物理模型试验是将现场实际的缩放模型置于试验体内，以相似理论为基础，在满足基本相似条件（包括几何、运动、热力、动力和单值条件相似）下，通过在模型试验所获得的某些参数间的规律再回推到原型上，从而获得对原型的规律性认识，以此模拟真实过程主要特征的试验方法。近年来，物理模型试验因其直观、便于测量等特点被广泛用于煤矿开采过程中各类安全问题研究当中。煤矿采空区自然发火的影响因素有很多，根据实践及理论研究表明，采场压力变化对采空区自然发火温度场分布规律具有显著影响，现有采空区自然发火模拟装置均未考虑大气压变化这一因素，而大气压的变化可达10kPa，造成试验结果可靠性降低，无法准确指导现场防灭火工作的开展。基于此，亟需一种模拟大气压变化影响的采空区温度场模拟试验平台。
发明内容
本发明的目的是提供一种考虑大气压的采空区自然发火模型试验平台，可实现对不同大气压力下的采空区渗流场、气体浓度场以及温度场演化规律进行揭示，进而提高采空区自然发火危险区域及高温火源定位精度。
本发明采用的技术方案是：一种考虑大气压的采空区自然发火模型试验平台，包括控制系统和模型系统，特点在于：控制系统由工控机分别电连接PLC、数据采集卡，PLC分别电连接热电偶、模型通风机、正压风机、空气加湿器、液压支柱、空气加热器，数据采集卡分别电连接气压计、若干风速传感器、若干温度传感器、若干气体传感器、若干湿度传感器、若干压力传感器，模型系统由试验巷道侧设有试验硐室内的设施构成，试验巷道内的设施包括一端用第二道风门和调节风窗封堵，另一端用第一道风门封堵，第一道风门上设有连接正压风机的正压风筒，试验硐室内的设施包括底部支座一侧铰接实验箱体模型，另一侧由两个顶端设有定滑轮的液压支柱顶住，还设有气压计，实验箱体模型包括进风巷道入口设有空气加湿器、空气加热器，工作面处设压力传感器，回风巷道端设模型通风机，工作面采煤方向设有煤体，采空区内设置采空区破碎煤岩，同时在采空区坐标网格处设置若干温度传感器、气体传感器、风速传感器、湿度传感器，模拟矿山实际按比例位置设热电偶。
其中：θ为模拟矿山煤层倾角，度，在回风巷道与工作面交接处再设一压力传感器。
其中：实验箱体上部设铰接开启板，底部设铰接卸料板。
一种考虑大气压的采空区自然发火模型试验平台的试验方法，包括以某煤矿一工作面为例，特点在于：①打开实验箱体上部开启板，按相似比，对实验箱体进行该矿煤体及采空区破碎煤岩进行铺装，同时在采空区划分的每个坐标网格节点上均铺设风速传感器、温度传感器、气体传感器、湿度传感器、压力传感器后接入数据采集卡，模拟采空区自然发火位置布入热电偶并接入PLC,盖上实验箱体上部开启板，启动工控机，设置该矿煤层倾角、工作面风压、工作面湿度、工作面温度、自然发火点温度参数，关闭试验巷道的两道风门，将调节风窗打开，工控机发出指令通过PLC控制液压支柱使煤层倾角θ设定为该矿值，②启动正压风机，人工调节调节风门的开度，当气压计为设定大气压值并稳定时，停止调节风窗的调节，③按该矿参数启动模型通风机、空气加湿器、空气加热器、热电偶，达到与该矿参数相同并稳定后，持续一定时间后，采集各传感器数据，采用有限元差分方法绘制采空区温度场云图。
其中：④再获取另一大气压值采空区温度场云图时，工控机关闭后重新启动，直接启动正压风机，人工调节调节风门的开度，当气压计为又一设定大气压值并稳定时，停止调节风窗的调节，重复③的步骤获取又一个采空区温度场云图。
其中：重复④步骤可获取下一个采空区温度场云图。
其中：还可采用有限元差分方法获取气体浓度分布图。
本发明的有益效果是：可实现对工作面倾角、风流温度、空气湿度环境条件的模拟，模型可靠，研究大气压力变化在不同环境参数下对采空区温度场分布影响提供了途径，可广泛用于矿井采空区自然发火模拟以及揭示大气压力变化对矿井采空区自然发火的影响规律的研究中，同时可获取自然发火产生气体浓度分布情况。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1本发明控制系统结构示意图；
图2本发明模型系统俯视结构示意图；
图3本发明A-A剖面示意图；
图4本发明实验箱体模型结构示意图；
图5本发明大气压99.3kPa时采空区温度场分布图；
图6本发明大气压100.3kPa时采空区温度场分布图。
图中1.工控机，2.试验硐室，3.正压风机，4.第一道风门，5. 第二道风门，6.正压风机，7. 调节风窗, 11.PLC，12.采空区，13.工作面，14.进风巷道，15.回风巷道，16.模型通风机，17.空气加湿器，18.空气加热器，19.热电偶，20.风速传感器，21.温度传感器，22.气体传感器，23.湿度传感器，25.液压支柱，27.压力传感器，30. 气压计，31.试验巷道，40.煤体，50.采空区破碎煤岩，51.底部支座，60.定滑轮，100.数据采集卡。
具体实施方式
第一实施例，参见图1、图2、图3、图4，一种考虑大气压的采空区自然发火模型试验平台，包括控制系统和模型系统，特点在于：控制系统由工控机分别电连接PLC11、数据采集卡100，PLC11分别电连接热电偶19、模型通风机16、正压风机3、空气加湿器17、液压支柱25、空气加热器18，数据采集卡100分别电连接气压计30、若干风速传感器20、若干温度传感器21、若干气体传感器22、若干湿度传感器23、若干压力传感器27，模型系统由试验巷道31侧设有试验硐室2内的设施构成，试验巷道31内的设施包括一端用第二道风门5和调节风窗7封堵，另一端用第一道风门4封堵，第一道风门4上设有连接正压风机3的正压风筒6，试验硐室2内的设施包括底部支座51一侧铰接实验箱体模型，另一侧由两个顶端设有定滑轮60的液压支柱25顶住，还设有气压计30，实验箱体模型包括进风巷道14入口设有空气加湿器17、空气加热器18，工作面13处设压力传感器27，回风巷道15端设模型通风机16，工作面13采煤方向设有煤体40，采空区12内设置采空区破碎煤岩50，同时在采空区12坐标网格处设置若干温度传感器21、气体传感器22、风速传感器20、湿度传感器23，模拟矿山实际按比例位置设热电偶19。
第二实施例，参见图1、图2、图3、图4，一种考虑大气压的采空区自然发火模型试验平台，包括控制系统和模型系统，特点在于：控制系统由工控机分别电连接PLC11、数据采集卡100，PLC11分别电连接热电偶19、模型通风机16、正压风机3、空气加湿器17、液压支柱25、空气加热器18，数据采集卡100分别电连接气压计30、若干风速传感器20、若干温度传感器21、若干气体传感器22、若干湿度传感器23、若干压力传感器27，模型系统由试验巷道31侧设有试验硐室2内的设施构成，试验巷道31内的设施包括一端用第二道风门5和调节风窗7封堵，另一端用第一道风门4封堵，第一道风门4上设有连接正压风机3的正压风筒6，试验硐室2内的设施包括底部支座51一侧铰接实验箱体模型，另一侧由两个顶端设有定滑轮60的液压支柱25顶住，还设有气压计30，实验箱体模型包括进风巷道14入口设有空气加湿器17、空气加热器18，工作面13处设压力传感器27，回风巷道15端设模型通风机16，工作面13采煤方向设有煤体40，采空区12内设置采空区破碎煤岩50，同时在采空区12坐标网格处设置若干温度传感器21、气体传感器22、风速传感器20、湿度传感器23，模拟矿山实际按比例位置设热电偶19。
其中：θ为模拟矿山煤层倾角，度，在回风巷道15与工作面13交接处再设一压力传感器27。
第三实施例，参见图1、图2、图3、图4，一种考虑大气压的采空区自然发火模型试验平台，包括控制系统和模型系统，特点在于：控制系统由工控机分别电连接PLC11、数据采集卡100，PLC11分别电连接热电偶19、模型通风机16、正压风机3、空气加湿器17、液压支柱25、空气加热器18，数据采集卡100分别电连接气压计30、若干风速传感器20、若干温度传感器21、若干气体传感器22、若干湿度传感器23、若干压力传感器27，模型系统由试验巷道31侧设有试验硐室2内的设施构成，试验巷道31内的设施包括一端用第二道风门5和调节风窗7封堵，另一端用第一道风门4封堵，第一道风门4上设有连接正压风机3的正压风筒6，试验硐室2内的设施包括底部支座51一侧铰接实验箱体模型，另一侧由两个顶端设有定滑轮60的液压支柱25顶住，还设有气压计30，实验箱体模型包括进风巷道14入口设有空气加湿器17、空气加热器18，工作面13处设压力传感器27，回风巷道15端设模型通风机16，工作面13采煤方向设有煤体40，采空区12内设置采空区破碎煤岩50，同时在采空区12坐标网格处设置若干温度传感器21、气体传感器22、风速传感器20、湿度传感器23，模拟矿山实际按比例位置设热电偶19。
其中：θ为模拟矿山煤层倾角，度，在回风巷道15与工作面13交接处再设一压力传感器27。
其中：实验箱体上部设铰接开启板，底部设铰接卸料板。
第四实施例，参见图1、图2、图3、图4、图5、图6，一种考虑大气压的采空区自然发火模型试验平台的试验方法，包括以某煤矿一工作面为例，特点在于：①打开实验箱体上部开启板，按1:50相似比，对实验箱体进行该矿煤体40及采空区破碎煤岩50进行铺装，同时在采空区12划分的每个坐标网格（横坐标间隔600毫米，纵坐标间隔500毫米，共划分80个网格）节点上均铺设风速传感器20、温度传感器21、气体传感器22（一氧化碳传感器）、湿度传感器23、压力传感器27后接入数据采集卡100，模拟采空区自然发火位置（2700毫米,1250毫米）布入热电偶19并接入PLC,盖上实验箱体上部开启板，启动工控机，设置该矿煤层倾角θ（10度）、工作面风压(进风侧机械风压0.66kPa,回风侧机械风压0.79 kPa)、工作面湿度（45%）、工作面温度（21度）、自然发火点温度（60度，即热电偶温度）参数，关闭试验巷道31的两道风门，将调节风窗打开，工控机发出指令通过PLC（可编程控制器）控制液压支柱60使煤层倾角θ设定为该矿值（10度），②启动正压风机3，人工调节调节风门7的开度，当气压计30为设定大气压值99.3kPa并稳定时，停止调节风窗的调节，③按该矿参数启动模型通风机16、空气加湿器17、空气加热器18、热电偶19，达到与该矿参数相同并稳定后，持续一定时间（5分钟）后，采集各传感器数据，采用有限元差分方法绘制采空区12温度场云图。为本发明大气压99.3kPa时采空区温度场分布图。
第五实施例，参见图1、图2、图3、图4、图5、图6，一种考虑大气压的采空区自然发火模型试验平台的试验方法，包括以某煤矿一工作面为例，特点在于：①打开实验箱体上部开启板，按1:50相似比，对实验箱体进行该矿煤体40及采空区破碎煤岩50进行铺装，同时在采空区12划分的每个坐标网格（横坐标间隔600毫米，纵坐标间隔500毫米，共划分80个网格）节点上均铺设风速传感器20、温度传感器21、气体传感器22（一氧化碳传感器）、湿度传感器23、压力传感器27后接入数据采集卡100，模拟采空区自然发火位置（2700毫米,1250毫米）布入热电偶19并接入PLC,盖上实验箱体上部开启板，启动工控机，设置该矿煤层倾角θ（10度）、工作面风压(进风侧机械风压0.66kPa,回风侧机械风压0.79 kPa)、工作面湿度（45%）、工作面温度（21度）、自然发火点温度（60度，即热电偶温度）参数，关闭试验巷道31的两道风门，将调节风窗打开，工控机发出指令通过PLC（可编程控制器）控制液压支柱60使煤层倾角θ设定为该矿值（10度），②启动正压风机3，人工调节调节风门7的开度，当气压计30为设定大气压值99.3kPa并稳定时，停止调节风窗的调节，③按该矿参数启动模型通风机16、空气加湿器17、空气加热器18、热电偶19，达到与该矿参数相同并稳定后，持续一定时间（5分钟）后，采集各传感器数据，采用有限元差分方法绘制采空区12温度场云图。为本发明大气压99.3kPa时采空区温度场分布图。
其中：④再获取另一大气压值100.3kPa采空区12温度场云图时，工控机关闭后重新启动，直接启动正压风机3，人工调节调节风门7的开度，当气压计30为又一设定大气压值100.3kPa并稳定时，停止调节风窗的调节，重复③的步骤获取又一个采空区12温度场云图。为本发明大气压100.3kPa时采空区温度场分布图。
第六实施例，参见图1、图2、图3、图4、图5、图6，一种考虑大气压的采空区自然发火模型试验平台的试验方法，包括以某煤矿一工作面为例，特点在于：①打开实验箱体上部开启板，按1:50相似比，对实验箱体进行该矿煤体40及采空区破碎煤岩50进行铺装，同时在采空区12划分的每个坐标网格（横坐标间隔600毫米，纵坐标间隔500毫米，共划分80个网格）节点上均铺设风速传感器20、温度传感器21、气体传感器22（一氧化碳传感器）、湿度传感器23、压力传感器27后接入数据采集卡100，模拟采空区自然发火位置（2700毫米,1250毫米）布入热电偶19并接入PLC,盖上实验箱体上部开启板，启动工控机，设置该矿煤层倾角θ（10度）、工作面风压(进风侧机械风压0.66kPa,回风侧机械风压0.79 kPa)、工作面湿度（45%）、工作面温度（21度）、自然发火点温度（60度，即热电偶温度）参数，关闭试验巷道31的两道风门，将调节风窗打开，工控机发出指令通过PLC（可编程控制器）控制液压支柱60使煤层倾角θ设定为该矿值（10度），②启动正压风机3，人工调节调节风门7的开度，当气压计30为设定大气压值99.3kPa并稳定时，停止调节风窗的调节，③按该矿参数启动模型通风机16、空气加湿器17、空气加热器18、热电偶19，达到与该矿参数相同并稳定后，持续一定时间（5分钟）后，采集各传感器数据，采用有限元差分方法绘制采空区12温度场云图。为本发明大气压99.3kPa时采空区温度场分布图。
其中：④再获取另一大气压值100.3kPa采空区12温度场云图时，工控机关闭后重新启动，直接启动正压风机3，人工调节调节风门7的开度，当气压计30为又一设定大气压值100.3kPa并稳定时，停止调节风窗的调节，重复③的步骤获取又一个采空区12温度场云图。为本发明大气压100.3kPa时采空区温度场分布图。
其中：重复④步骤可获取下一个采空区12温度场云图。
第七实施例，参见图1、图2、图3、图4、图5、图6，一种考虑大气压的采空区自然发火模型试验平台的试验方法，包括以某煤矿一工作面为例，特点在于：①打开实验箱体上部开启板，按1:50相似比，对实验箱体进行该矿煤体40及采空区破碎煤岩50进行铺装，同时在采空区12划分的每个坐标网格（横坐标间隔600毫米，纵坐标间隔500毫米，共划分80个网格）节点上均铺设风速传感器20、温度传感器21、气体传感器22（一氧化碳传感器）、湿度传感器23、压力传感器27后接入数据采集卡100，模拟采空区自然发火位置（2700毫米,1250毫米）布入热电偶19并接入PLC,盖上实验箱体上部开启板，启动工控机，设置该矿煤层倾角θ（10度）、工作面风压(进风侧机械风压0.66kPa,回风侧机械风压0.79 kPa)、工作面湿度（45%）、工作面温度（21度）、自然发火点温度（60度，即热电偶温度）参数，关闭试验巷道31的两道风门，将调节风窗打开，工控机发出指令通过PLC（可编程控制器）控制液压支柱60使煤层倾角θ设定为该矿值（10度），②启动正压风机3，人工调节调节风门7的开度，当气压计30为设定大气压值99.3kPa并稳定时，停止调节风窗的调节，③按该矿参数启动模型通风机16、空气加湿器17、空气加热器18、热电偶19，达到与该矿参数相同并稳定后，持续一定时间（5分钟）后，采集各传感器数据，采用有限元差分方法绘制采空区12温度场云图。为本发明大气压99.3kPa时采空区温度场分布图。
其中：④再获取另一大气压值100.3kPa采空区12温度场云图时，工控机关闭后重新启动，直接启动正压风机3，人工调节调节风门7的开度，当气压计30为又一设定大气压值100.3kPa并稳定时，停止调节风窗的调节，重复③的步骤获取又一个采空区12温度场云图。为本发明大气压100.3kPa时采空区温度场分布图。
其中：重复④步骤可获取下一个采空区12温度场云图。
第八实施例，参见图1、图2、图3、图4、图5、图6，一种考虑大气压的采空区自然发火模型试验平台的试验方法，包括以某煤矿一工作面为例，特点在于：①打开实验箱体上部开启板，按1:50相似比，对实验箱体进行该矿煤体40及采空区破碎煤岩50进行铺装，同时在采空区12划分的每个坐标网格（横坐标间隔600毫米，纵坐标间隔500毫米，共划分80个网格）节点上均铺设风速传感器20、温度传感器21、气体传感器22（一氧化碳传感器）、湿度传感器23、压力传感器27后接入数据采集卡100，模拟采空区自然发火位置（2700毫米,1250毫米）布入热电偶19并接入PLC,盖上实验箱体上部开启板，启动工控机，设置该矿煤层倾角θ（10度）、工作面风压(进风侧机械风压0.66kPa,回风侧机械风压0.79 kPa)、工作面湿度（45%）、工作面温度（21度）、自然发火点温度（60度，即热电偶温度）参数，关闭试验巷道31的两道风门，将调节风窗打开，工控机发出指令通过PLC（可编程控制器）控制液压支柱60使煤层倾角θ设定为该矿值（10度），②启动正压风机3，人工调节调节风门7的开度，当气压计30为设定大气压值99.3kPa并稳定时，停止调节风窗的调节，③按该矿参数启动模型通风机16、空气加湿器17、空气加热器18、热电偶19，达到与该矿参数相同并稳定后，持续一定时间（5分钟）后，采集各传感器数据，采用有限元差分方法绘制采空区12温度场云图。为本发明大气压99.3kPa时采空区温度场分布图。
其中：④再获取另一大气压值100.3kPa采空区12温度场云图时，工控机关闭后重新启动，直接启动正压风机3，人工调节调节风门7的开度，当气压计30为又一设定大气压值100.3kPa并稳定时，停止调节风窗的调节，重复③的步骤获取又一个采空区12温度场云图。为本发明大气压100.3kPa时采空区温度场分布图。
其中：重复④步骤可获取下一个采空区12温度场云图。
其中：还可采用有限元差分方法获取一氧化碳气体浓度分布图。当气体传感器22采用氧气传感器时采用有限元差分方法可获取耗氧量分布图。
Claims (6)
1.一种考虑大气压的采空区自然发火模型试验平台，包括控制系统和模型系统，特征在于：控制系统由工控机分别电连接PLC、数据采集卡，PLC分别电连接热电偶、模型通风机、正压风机、空气加湿器、液压支柱、空气加热器，数据采集卡分别电连接气压计、若干风速传感器、若干温度传感器、若干气体传感器、若干湿度传感器、若干压力传感器，模型系统由试验巷道侧设有试验硐室内的设施构成，试验巷道内的设施包括一端用第二道风门和调节风窗封堵，另一端用第一道风门封堵，第一道风门上设有连接正压风机的正压风筒，试验硐室内的设施包括底部支座一侧铰接实验箱体模型，另一侧由两个顶端设有定滑轮的液压支柱顶住，还设有气压计，实验箱体模型包括进风巷道入口设有空气加湿器、空气加热器，工作面处设压力传感器，回风巷道端设模型通风机，工作面采煤方向设有煤体，采空区内设置采空区破碎煤岩，同时在采空区坐标网格处设置若干温度传感器、气体传感器、风速传感器、湿度传感器，模拟矿山实际按比例位置设热电偶。
2.根据权利要求1所述的一种考虑大气压的采空区自然发火模型试验平台，特征在于：θ为模拟矿山煤层倾角，度，在回风巷道与工作面交接处再设一压力传感器。
3.根据权利要求1或2所述的一种考虑大气压的采空区自然发火模型试验平台，，特征在于：实验箱体上部设铰接开启板，底部设铰接卸料板。
4.一种考虑大气压的采空区自然发火模型试验平台的试验方法，包括以某煤矿一工作面为例，特点在于：①打开实验箱体上部开启板，按相似比，对实验箱体进行该矿煤体及采空区破碎煤岩进行铺装，同时在采空区划分的每个坐标网格节点上均铺设风速传感器、温度传感器、气体传感器、湿度传感器、压力传感器后接入数据采集卡，模拟采空区自然发火位置布入热电偶并接入PLC,盖上实验箱体上部开启板，启动工控机，设置该矿煤层倾角、工作面风压、工作面湿度、工作面温度、自然发火点温度参数，关闭试验巷道的两道风门，将调节风窗打开，工控机发出指令通过PLC控制液压支柱使煤层倾角θ设定为该矿值，②启动正压风机，人工调节调节风门的开度，当气压计为设定大气压值并稳定时，停止调节风窗的调节，③按该矿参数启动模型通风机、空气加湿器、空气加热器、热电偶，达到与该矿参数相同并稳定后，持续一定时间后，采集各传感器数据，采用有限元差分方法绘制采空区温度场云图。
5.根据权利要求4所述的一种考虑大气压的采空区自然发火模型试验平台的试验方法，特征在于：④再获取另一大气压值采空区温度场云图时，工控机关闭后重新启动，直接启动正压风机，人工调节调节风门的开度，当气压计为又一设定大气压值并稳定时，停止调节风窗的调节，重复③的步骤获取又一个采空区温度场云图。
6.根据权利要求4或5所述的一种考虑大气压的采空区自然发火模型试验平台的试验方法，特征在于：还可采用有限元差分方法获取气体浓度分布图。
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