CN107527544A

CN107527544A - 地下煤自燃二氧化碳微泡对氡搬运过程模拟装置

Info

Publication number: CN107527544A
Application number: CN201710903461.3A
Authority: CN
Inventors: 王俊峰; 安帮; 周春山; 刘硕; 周斌
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2017-09-29
Filing date: 2017-09-29
Publication date: 2017-12-29

Abstract

本发明涉及一种试验模拟装置，具体是一种地下煤自燃二氧化碳微泡对氡搬运过程模拟装置。地下煤自燃二氧化碳微泡对氡搬运过程模拟装置，通过大于等于三个法兰盘分为多段的双层筒体安装在底座上，最下段的双层筒体被第一黄铜隔网分为氡腔及蓄水室，蓄水室连接进水管、出水管、二氧化碳气源，最下段的双层筒体上方的每段双层筒体中都有第二黄铜隔网、处于第二黄铜隔网上方的鹅卵石层、处于鹅卵石层上方的氡探测装置，氡探测装置通过同轴电缆连接信息处理装置。

Description

地下煤自燃二氧化碳微泡对氡搬运过程模拟装置

技术领域

本发明涉及一种试验模拟装置，具体是一种地下煤自燃二氧化碳微泡对氡搬运过程模拟装置。

背景技术

矿井火灾是煤矿生产活动中的主要自然灾害之一，矿井火灾会损毁大量煤炭资源以及矿井设备，严重威胁井下人员的生命安全。因此，矿井火灾的防治是矿井安全生产的前提。其中，火源位置的精确探测又是矿井火灾治理的关键。地面同位素测氡作为一项成熟的技术方法，已广泛应用于矿井火灾的早期预测预报及火区范围的探测等相关领域。

地下深处氡向上运移是造成地表氡值异常的主要原因。氡及其子体向上迁移过程分为内因和外因两个方面。其中内因引起氡迁移的机理主要是“团簇理论”，而外因引起氡迁移的机理主要有以下几方面研究：扩散对流作用，孔隙流体作用，应力应变作用，温度压力作用，接力传递作用以及气体或微气泡的搬运作用等。氡迁移内因方面的研究相较外因研究起步较晚。

地气理论能够很好的解释氡的长距离运移现象，该理论基本思想是：微弱气流广泛赋存在地质活跃区和稳定区，其穿过断层和孔隙向上移动是一个普遍存在的现象。当微弱的地气流经地下水时就会形成气泡流。气泡可以在不同的地质环境中流动。气泡可以承载氡并携带其向上运移很长距离，该物质传输可以通过以下四个物理机理发生：浮选、水-气界面上的表面活性成分、浮质传输以及载气中溶解的挥发性成分的传输。

地下煤层发生自燃时，矿石中氡的射气系数会变大，加速煤体中氡的析出，同时煤自燃产生大量的二氧化碳气体，形成上升气体流。上升气流在通过含水的裂隙土壤介质或地下水时，通过与介质的接触形成大量气泡，这些气泡经过一定时间演变成为气泡羽流。由于气泡质量轻，具有向上运动的特性，故气泡羽流会携带纳米级的氡原子穿过土壤裂隙运移至地表，使地表氡值发生异常。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够验证地气理论对氡迁移的影响，同时提供一种对地下火源位置精确探测有很好指导作用的实验模拟装置。

本发明所采用的技术方案是：地下煤自燃二氧化碳微泡对氡搬运过程模拟装置，通过大于等于三个法兰盘（16）分为多段的双层筒体安装在底座（10）上，最下段的双层筒体被第一黄铜隔网分为氡腔（12）及蓄水室（11），蓄水室（11）连接进水管（8）、出水管（9）、二氧化碳气源，最下段的双层筒体上方的每段双层筒体中都有第二黄铜隔网（17）、处于第二黄铜隔网（17）上方的鹅卵石层（18）、处于鹅卵石层（18）上方的氡探测装置（14），氡探测装置（14）通过同轴电缆（15）连接信息处理装置（20）。

作为一种优选方式：双层筒体夹层中安装有保温岩棉（6），最下段的双层筒体上方的每段双层筒体夹层中还安装有连接信息处理装置（20）的温度传感器（13）。

作为一种优选方式：二氧化碳气源包括通过输气管道（2）顺序连接的二氧化碳气瓶（1）、第一阀门（3）、气流计和压力表（4）、气流加热装置（5），连接气流加热装置（5）和蓄水室（11）之间的输气管道（2）上覆盖有保温岩棉（6）。

作为一种优选方式：最上段的双层筒体顶部安装有顶盖（7），顶盖（7）上有气体出口道（19）。

地下煤自燃二氧化碳微泡对氡搬运过程模拟装置的模拟过程，具体步骤包含：

（1）根据需要，选取实际土壤、岩石介质，充填到地下煤自燃二氧化碳微泡对氡搬运过程模拟装置的最下段的双层筒体上方的每段双层筒体内，每段双层筒体中的土壤、岩石介质可以是相同的也可以是不同的；

（2）对二氧化碳进行控制流量、压强及加热处理后，持续通入蓄水室内部制造二氧化碳氛围，以模拟煤自燃上覆岩层状态；

（3）将固定质量的水通入蓄水室，待一定时间水中二氧化碳饱和后，产生的稳定的二氧化碳微泡羽流；

（4）取一定放射性强度铀矿石放入氡腔内部，并在腔体外部包裹铅皮；

（5）每隔相同时间记录各个测点氡值，待各测点氡值达到稳定平衡后，汇总氡值数据。

（6）关闭第一阀门，打开装置顶部气体出口道，放出装置内部气体。

本发明的有益效果是：煤在发生自燃时，高温二氧化碳是主要气体产物。大量二氧化碳会形成上升气体流，二氧化碳遇含水的裂隙土壤或地下水时，摩擦接触会形成气泡羽流，是一种含有发育的孔、裂隙的固体介质，对甲烷 (CH4)、二氧化碳 (二氧化碳)、氮气(N2) 均具有较强的吸附能力，其中甲烷是煤层气的主要成分，而二氧化碳和氮气则是注气开采中常用的气体形式。因此，在测定过程中根据实际需要通入空气、CH4、N2 或二氧化碳等不同形式的气体（对本发明来说更换气源就可以了），可用于研究氡气析出对不同瓦斯气体的响应特征，有利于更加真实、客观地模拟煤层氡气释放的实地状态。另一方面，通入载气可提高煤样在三轴加载条件下排出气体的流量，加速氡的迁移，可实现煤样在不同受载阶段氡析出的快速准确测量。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是氡探测装置结构示意图

其中：1、二氧化碳气瓶，2、输气管道，3、第一阀门，4、气流计和压力表（4），5、气流加热装置（5），6、保温岩棉，7、顶盖，8、进水管，9、出水管，10、底座，11、蓄水室，12、氡腔，13、温度传感器，14、氡探测装置，15、同轴电缆，16、法兰盘，17、第二黄铜隔网，18、鹅卵石层，19、气体出口道，20、信息处理装置，21、信号放大器，22、光电二极管，23、滤膜， 24、绝缘材料，25、聚乙烯管， 26、铜管，27、集氡室。

具体实施方式

工作流程是，二氧化碳气瓶提供的一定流量的二氧化碳气体，经过输气管道到达加热装置后，经加热至所需要的温度后进入本发明装置内部。二氧化碳由输气管道进入后，首先经过蓄水室，当水中溶解的二氧化碳达到饱和后，会以稳定的二氧化碳微泡羽流的形式继续运动，经过氡腔携带氡气向上迁移，在不同射气介质（土壤）的中部及顶部探测氡气浓度，探测数据通过同轴电缆传输至微机（信息处理装置）中加以分析，探究二氧化碳微泡对氡迁移的搬运作用。

如图1所示，本发明装置主体是由两个高4m的同轴筒体（可以看成是一个双层筒体）和高20cm的底座组成，其中双层筒体内径为0.6m，外径为0.8m。筒体由三个高为0.1m的法兰盘分割成四段，其中法兰盘的作用是连接筒体各段，保证装置气密性。上部三段模拟土壤射气介质筒体的高度为1m，下部一段含有氡腔及蓄水室筒体的高度为0.6m。射气介质可选用泥岩，砂岩等模拟不同土壤介质，在不同射气介质之间放置孔径为180目的3层黄铜隔网，其作用是支撑介质、气体通道和热量传递媒介。黄铜网上部放置0.1m厚鹅卵石，以防止射气介质下漏。上部三段筒体的顶部及中部装有氡探测装置，氡探测装置间用同轴电缆连接，数据通过电缆传输至计算机进行分析处理。下段筒体由两部分组成，即上部氡腔和下部蓄水室，两部分高度各为0.3m，上下两部分之间放置有黄铜隔网。其中，上部氡腔放置铀矿石，其外层包裹有0.1m厚的铅皮，防止对实验人员辐射作用。下部蓄水室装有进、放水管及其阀门，进气管路延伸至水体内，水室内放置浮标，安设配套水位检测装置（现有技术不加多说明）。筒体间充填岩棉来减少柱体与外部环境的热量交换，温度传感器测温装置沿着内置筒体外侧布置用来实时监测温度变化。装置顶部设有开口的顶盖，以供电缆导出和气体排放。此外，在实验装置连接处如法兰盘、输气管和装置连接处等部位都涂有黄油加以密封，以保证装置气密性。

供气系统主体是由二氧化碳气瓶、压力计、流量计、加热装置以及阀门组成，模拟煤自燃时产生的高温二氧化碳气体流。其中，二氧化碳气瓶内为浓度99.9%的高纯度二氧化碳，压力计和流量计分别控制气体压力和流量。温控装置内部装有热电偶和温敏元件，可将二氧化碳温度升高至几百摄氏度，用以模拟井下煤自燃产生的高温二氧化碳气体，该部分的主要作用是用来监测和控制二氧化碳气流的温度。为减少二氧化碳气流的热量损失，在二氧化探气流加热后对输气管路外部进行保温处理。

为了探测各种介质中地气运输氡的情况，在每种介质内放置氡探测装置，如图2所示，氡探测装置之间由同轴电缆相互连接。氡探测装置测量氡浓度的方法是Zns闪烁室法。其原理是，氡探测装置内外存在氡浓度差，氡会以扩散的形式进入测氡室内，在集氡室内壁涂有ZnS,当氡衰变产生的α粒子作用于ZnS时，会产生闪光，光电二极管将光信号转变为电脉冲信号，经过电缆线路前端信号放大传输至分析系统内，由于单位时间内的电脉冲数与氡浓度成正比，可利用微机经过软件分析得出氡浓度。第一段以上内部筒体在上部及中部放置两个探测仪，在第二段筒体底部增放一个测氡仪，探测初始氡浓度值，氡探测装置下部存在滤膜，滤膜的作用是使氡通过扩散进入收集室内，阻挡氡子体及其母体的进入。为了达到电器屏蔽的目的，氡探测装置内置8cm长，直径5cm的铜管，铜管固定于聚乙烯管中，铜管与聚乙烯管之间充填有绝缘材料，防止外部电磁干扰，管一面关闭，一面敞开，电缆从其内部穿过。每个氡探测装置前端有一个放大器与同轴电缆相连接，以达到信息的无损效果。

（1）对氡运输过程进行实验性的研究

与以往研究的氡气实验设备相比，本发明装置可控因素多，对载气二氧化碳的流量、浓度及温度能达到精确控制，对土壤射气介质的厚度进行标准化设定，对大地实际蓄热环境充分模拟，对氡气浓度的变化实现瞬时和连续的测量，为理论研究氡迁移提供完备条件。同时，该装置设计成本低，操作简单，实用性较强。装置研究了氡基于地气理论条件下在不同介质中的迁移规律，对进一步验证“地气”理论和研究地覆层中氡的传输过程意义重大。

（2）对实际探测火源位置的指导性作用

发明装置很好的模拟了实际条件下氡迁移情况，现场测量往往受到仪器精度的影响，而本发明测量结果精度高，排除了仪器测量造成的误差，对今后精确探测地下火源位置有很好的指导作用。

Claims

1.地下煤自燃二氧化碳微泡对氡搬运过程模拟装置，其特征在于：通过大于等于三个法兰盘（16）分为多段的双层筒体安装在底座（10）上，最下段的双层筒体被第一黄铜隔网分为氡腔（12）及蓄水室（11），蓄水室（11）连接进水管（8）、出水管（9）、二氧化碳气源，最下段的双层筒体上方的每段双层筒体中都有第二黄铜隔网（17）、处于第二黄铜隔网（17）上方的鹅卵石层（18）、处于鹅卵石层（18）上方的氡探测装置（14），氡探测装置（14）通过同轴电缆（15）连接信息处理装置（20）；模拟过程中，选取土壤、岩石介质，充填到地下煤自燃二氧化碳微泡对氡搬运过程模拟装置的最下段的双层筒体上方的每段双层筒体内，把二氧化碳持续通入蓄水室内部制造二氧化碳氛围，以模拟煤自燃上覆岩层状态，将水通入蓄水室，待水中二氧化碳饱和后，产生稳定的二氧化碳微泡羽流，把铀矿石放入氡腔内，并在氡腔外部包裹铅皮，每隔相同时间记录各个氡探测装置（14）的氡值，待各氡探测装置（14）氡值达到稳定平衡后，汇总氡值数据。

2.根据权利要求1所述的地下煤自燃二氧化碳微泡对氡搬运过程模拟装置，其特征在于：双层筒体夹层中安装有保温岩棉（6），最下段的双层筒体上方的每段双层筒体夹层中还安装有连接信息处理装置（20）的温度传感器（13）。

3.根据权利要求1所述的地下煤自燃二氧化碳微泡对氡搬运过程模拟装置，其特征在于：二氧化碳气源包括通过输气管道（2）顺序连接的二氧化碳气瓶（1）、第一阀门（3）、气流计和压力表（4）、气流加热装置（5），连接气流加热装置（5）和蓄水室（11）之间的输气管道（2）上覆盖有保温岩棉（6）。

4.根据权利要求1所述的地下煤自燃二氧化碳微泡对氡搬运过程模拟装置，其特征在于：最上段的双层筒体顶部安装有顶盖（7），顶盖（7）上有气体出口道（19）。