CN108333291B - 一种模拟采空区自然发火的实验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟采空区自然发火的实验装置及试验方法，实验炉体上设有出煤口、进风管和回风管；实验炉体内设有煤层、相似材料底板、预置水袋、待下沉相似材料底板、第一相似材料顶板和第二相似材料顶板，第二相似材料顶板上方设有多点热电偶测杆和和取气束管，多点热电偶测杆之间设有覆盖层，多点热电偶测杆设有若干热电偶，多点热电偶测杆和取气束管与相似材料紧密接触；煤层上的采煤工作面两端设有进风巷和回风巷，在进风巷、采煤工作面和回风巷铺设拱形镂空护管，支撑煤体形成一定的通道空间，以构建采空区和工作面的进回风系统。本发明的有益效果是可以在实验室准确有效地模拟漏风条件下采空区煤自然发火的全过程。

Description

一种模拟采空区自然发火的实验装置及试验方法

技术领域

本发明属于煤炭技术领域，涉及一种模拟采空区自然发火的实验装置及试验方法。

背景技术

煤炭自燃是煤炭开采和储运过程中常见的灾害之一，造成资源的极大浪费，严重威胁人们的生命财产。以往研究表明，煤自燃的发生和发展是一个极其复杂的、动态变化的、自动加速的物理化学过程，加上煤是一种物理结构和化学矿物质组成极其复杂的不均匀体，其确切的分子结构模型尚无定论，很难从理论上搞清煤自燃发生和发展的过程。另外，由于煤自燃常发生于地下数百米深处的采空区，人员无法接近，火源的隐蔽性，使得自燃火源位置的精确探测成为防灭火的关键技术。迄今为止，国内外还没有一种十分有效的探测方法来准确对煤炭自燃进行早期预报和确定其位置。

其他的相关研究主要从耗氧量或者温度指标评判煤的自燃倾向性，实验条件较现实中采空区实际赋存条件差别较大。煤自燃过程不仅与煤自身的氧化性和放热性有关，还与漏风供氧和蓄热环境密切相关。煤自燃是煤体放热和环境散热这对矛盾动态发展的过程，所以煤的自燃特征参数及其影响因素既与煤的自身物理条件有关，又与外界条件，比如堆积压力、漏风条件、环境温湿度等有关。

本发明专利主要解决如何相似模拟煤层煤岩赋存状态、采空区漏风条件、煤层顶板的自然垮落和遗煤的自然分布，实验不同煤种、通风流量、氧浓度、煤厚等条件下的采空区煤自燃过程，研究煤最短自然发火期以及各指标临界值，监测自燃过程温度、气体组分变化，对煤的氧化性、放热性、煤自燃影响因素及煤自燃过程中的其它一些特性参数进行研究，并提出煤自燃过程判断指标，对煤的自燃机理进行研究的问题，从而实现对煤炭自燃进行早期预报。因此，本发明专利设计了一套煤自然发火全过程的相似模拟实验装置及方法，满足了对煤最短自然发火期测定、气体分析和煤岩温度变化规律特性研究的实验要求。

煤炭是我国的主要能源，在一次能源消费结构中占63％左右。煤自燃是煤开采、运输和储存过程中导致火灾事故的主要原因。我国有56％的煤矿存在自然发火问题，煤自燃不仅造成大量煤炭资源浪费，威胁工业生产安全，而且对环境造成污染。我国北方煤田因自燃灾害每年向大气排放一氧化碳49.02万吨、二氧化硫15.47万吨、二氧化氮30万吨，另外，二氧化碳和硫化氢等有害气体会导致低空空气中有害物质含量严重超标，同时会形成大范围的酸雨。煤田地下燃烧后会破坏土壤结构，释放的有害气体会严重污染地表水及浅层地下水，导致大量农田被破坏。

煤炭自燃火灾严重威胁着煤矿的安全生产，为了杜绝此类火灾的发生，煤炭自然发火的早期预测预报功能越来越受到重视。煤炭自然发火预测预报是对煤炭火灾参数指标进行超前早期识别和预警的根本技术手段。通过对煤炭自燃火灾指标气体及其生成的辅助性指标的超前判识，及时、准确地预测预报煤炭自然发火征兆，推断自然发火发展的趋势，为煤炭自然发火的防治提供科学的依据，有针对性地采取均压、密闭堵漏、预灌浆等措施进行治理，将火灾隐患消灭在萌芽状态，从根本上做到防患于未然，达到防止火灾或减少火灾损失的目的。

以往研究表明，煤自燃的发生和发展是一个极其复杂的、动态变化的、自动加速的物理化学过程，加上煤是一种物理结构和化学矿物质组成极其复杂的不均匀体，其确切的分子结构模型尚无定论，很难从理论上搞清煤自燃发生和发展的过程。另外，由于煤自燃常发生于地下数百米深处的采空区，人员无法接近，火源的隐蔽性，使得自燃火源位置的精确探测成为防灭火的关键技术。迄今为止，国内外还没有一种十分有效的探测方法来准确对煤炭自燃进行早期预报和确定其位置。

物理模型试验是将现场实际的赋存及条件按一定相似比置于实验室内，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。在物理模型试验中，尽量真实地模拟采空区煤自燃的顶底板条件、遗煤状态，对于开展采空区煤自燃主要影响因素、自燃特性以及机理的研究具有重要的作用。

因此，研究发明一种模拟煤自然发火的实验装置及方法，实验不同煤种、通风流量、氧浓度、煤厚等条件下的煤自燃过程，研究煤最短自然发火期以及各指标临界值，监测自燃过程温度、气体组分变化，对煤的氧化性、放热性、煤自燃影响因素及煤自燃过程中的其它一些特性参数进行研究，并提出煤自燃过程判断指标，对煤炭自燃进行早期预报的研究，具有至关重要的意义。

煤自燃的发生和发展是一个极其复杂的动态变化的物理化学过程，其实质就是一个缓慢地氧化自动放热升温最后引起燃烧的过程。该过程的关键有两点：一是热量的自发产生；二是热量的逐渐积聚。采空区内气体运移及气体成份变化受采场配风、相连巷道漏风及采场地质条件等综合作用影响，采空区漏风也是造成采空区发生自然发火的主要原因。因此，对煤自然发火进行模拟，就需要煤自然发火模拟实验装置具有足够大的尺寸，满足对其地质条件、漏风条件、浮煤分布条件等因素的模拟，从而为对煤自然发火机理和煤自然发火预报技术的研究创造条件。而现有的煤自然发火实验装置不能有效模拟采空区的地质条件、采空区的漏风条件。

根据查阅已公开中国专利，公开号CN 107247127 A的中国专利“考虑大气压的采空区自然发火模型试验平台及试验方法”包括正压通风机、热电偶、实验箱体、空气加湿器、空气加热器、进气管、出气管等。该技术方案在试验箱体内进行，实验空间狭小，不能模拟采空区煤层覆岩的赋存状态，不能有效模拟采场配风巷道漏风条件，不能有效模拟采空区的垮落和遗煤的分布状态。

现有技术的缺点包括：

(1)现有采空区煤自燃模拟实验装置尺寸小，因此难以从较大空间尺度上更真实地模拟采空区遗煤自燃过程；

(2)现有的采空区煤自燃模拟实验装置内部无法铺设煤层顶底板相似材料，或者铺设高度有限，因此无法更真实地模拟采空区遗煤的顶底板赋存条件；

(3)现有的采空区煤自燃模拟实验装置无法模拟采空区遗煤垮落以及采空区顶板的垮落过程，因此无法更真实地模拟采空区遗煤以及顶底板的赋存状态，包括遗煤的松散破碎状态、采空区遗煤的压实情况、采空区周边的裂隙通道及漏风状况。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟采空区自然发火的实验装置及试验方法，本发明的有益效果是可以在实验室准确有效地模拟漏风条件下采空区煤自然发火的全过程，模拟大空间尺度内采空区煤岩赋存状态、采空区顶煤和顶板的自然垮落、遗煤的分布状态，监测采空区范围内温度场分布及演化规律；同时可以对采空区不同位置进行分布式束管取气，通过气相色谱仪分析得到不同位置气体组分及浓度分布和演化规律；分析采空区遗煤自燃过程中指标气体的组分、浓度及随时间变化规律，得到采空区遗煤自然发火期。从而为采空区煤自然发火机理的研究和采空区自燃三带的划分创造良好的实验条件。

本发明一种模拟采空区自然发火的实验装置所采用的技术方案是包括实验炉体，实验炉体由外至内分为炉体外层钢板、普通砖层、聚氨酯隔热层、水夹层、耐火砖层，实验炉体上设有出煤口、进风管和回风管，实验炉体上方设有顶盖；实验炉体内设有煤层，煤层下方设有相似材料底板和预置水袋，预置水袋上方设有待下沉相似材料底板，煤层上方设有第一相似材料顶板和第二相似材料顶板，第二相似材料顶板上方设有多点热电偶测杆和取气束管，多点热电偶测杆之间设有覆盖层，多点热电偶测杆设有若干热电偶，多点热电偶测杆和取气束管与相似材料紧密接触；煤层上的采煤工作面两端设有进风巷和回风巷，在进风巷、采煤工作面和回风巷铺设拱形镂空护管，支撑煤体形成一定的通道空间，以构建采空区和工作面的进回风系统，进风巷与实验炉上的进风管相连，回风巷与实验炉上的回风管相连。

进一步，进风管依次连接实验炉体外部的涡街流量计、气体测温热电偶、气体压力表、换热器、鼓风机，换热器连接换热器控制柜。

进一步，回风管依次连接实验炉体外部的涡街流量计、气体测温热电偶、气体压力表、气相色谱仪、气体采集器；所述出煤口连接气体采集器和数据采集模块；数据采集模块和气相色谱仪连接工控机。

本发明另一种模拟采空区自然发火的实验方法按照以下步骤进行：

步骤1，相似材料的选取；以河砂为骨料，粘土、石膏为胶结物，利用正交试验和全面实验方法分析不同材料配比下的单轴抗压强度，并与利用相似原理计算的抗压强度进行对比，确定满足相似比的不同顶底板岩层河砂和粘土配比；在工作现场采集所需煤块，作为实验用煤，选取黄土作为覆盖层，根据现场实际厚度的1/10～1/30的几何缩放比确定煤层和顶底板相似材料的厚度，基于相似材料配比铺设煤层及顶底板相似材料；

步骤2，模拟采空区系统的构建；通过铺设拱形镂空护管构建采空区及工作面的进风巷、回风巷和采煤工作面；将进风管、进风巷、采煤工作面、回风巷以及回风管构成模拟采空区及工作面系统的进回风系统，进风巷、采煤工作面和回风巷均由拱形镂空护管构建，模拟进风巷和工作面向采空区内的漏风；

步骤3，测温和取气布置；在铺设采空区煤层及第一相似材料煤层顶板、第二相似材料煤层顶板、覆盖层的同时，在相应位置点埋设多点热电偶测杆和取气束管，测杆和取气束管与第一相似材料煤层顶板、第二相似材料煤层顶板、覆盖层紧密接触，取气束管取气口有防尘保护；

多点热电偶测杆高度方向由下到上共布置多个热电偶测点，能监测到采空区底板到顶板不同高度上的温度值，热电偶测杆呈网格化布置，可以监测到整个采空区三维空间的温度值；

取气束管在采空区范围内呈网格化分布，每个位置的取气束管对采空区高度方向上的多个位置点进行取气，从而分析得到采空区三维空间的气体组分、浓度分布和演化规律；

步骤4，相似模拟材料及采空区系统的铺设；在实验炉体内自下而上敷设相似材料底板、煤层、第一相似材料顶板、第二相似材料顶板和表层覆盖层，边铺设边进行压实处理，待胶结后具有一定的强度，满足采空区顶底板岩层强度相似比的要求；

在底板材料的铺设过程中，在采空区范围内提前预置一定高度的水袋，水袋高度等同于模拟的采高，在煤层采高范围预先填充底板相似材料，其上为采空区煤层遗煤；

从煤层开始，在进风巷、采煤工作面和回风巷铺设拱形镂空护管，支撑煤体形成一定的通道空间，以构建采空区和工作面的进回风系统，进风巷与实验炉上的进风管相连，回风巷与实验炉上的回风管相连；

步骤5，采空区顶煤垮落过程的模拟；当相似模拟材料及采空区系统的铺设完毕后，将水袋的水抽出一定体积的水，使水袋放出水的高度等同于煤层采高，水袋及其上待下沉相似材料底板向下移动并填满水袋放出水高度，通过此方式造成采空区上部顶遗煤的垮塌，采空区顶煤自然垮落覆盖在采空区底板，模拟采空区遗煤的堆积分布，同时还能模拟遗煤之上的覆岩的跨落和弯曲，制造孔隙和裂隙，形成上三带结构；

步骤6，采空区煤自然发火过程的模拟；采空区遗煤堆积在采空区，由于进风巷和采煤工作面的漏风，导致采空区内遗煤与氧气接触，在煤氧的物理吸附、化学吸附和氧化反应作用下，产生微小的热量，且在一定条件下氧化产热速率大于向环境的散热速率，产生热量积聚使得煤体温度缓慢而持续地上升，当达到煤的临界自热温度后，氧化升温速率加快，最后达到煤的着火点温度而燃烧起来，达到模拟煤自然发火过程目的；

进一步，进风参数由布置于进气管路上的所述气体测温热电偶、气体压力表、涡街流量计设备监测；回风参数由布置于回风管路上的所述气体测温热电偶、气体压力表、涡街流量计、气相色谱仪设备监测；采空区监测点温度值由布置于采空区内的所述多点热电偶测杆内的热电偶监测；采空区监测点气体组分和浓度值由布置于采空区内的所述取气束管和气相色谱仪设备监测；所有监测数据通过数据采集模块采集并输送到工控机，由相关监测软件进行数据的记录、分析和存储。

本发明的目的就是要从较大的空间尺度，更加真实地模拟采空区遗煤顶底板赋存条件；通过模拟采空区开采后顶板遗煤以及顶板的垮落过程，更真实地模拟采空区遗煤已经顶底板的赋存状态，包括遗煤的松散破碎状态、采空区遗煤的压实情况、采空区周边的裂隙通道及漏风状况。为开展采空区煤自燃过程及主要影响因素的模拟提供基础物理模型条件。

附图说明

图1为采空区煤自燃模拟实验装置侧面剖视图；

图2为采空区煤自燃模拟实验装置遗煤和放水后的水袋示意图；

图3为采空区煤自燃模拟实验装置俯视图；

图4位本发明模拟采空区自然发火的实验方法示意图。

图中，1.实验炉外钢板，2.普通砖层，3.聚氨酯绝热层，4.水夹层，5.耐火砖层，6.出煤口，7.顶盖，8.煤层，801.遗煤，9.相似材料底板，10.预置水袋，11.待下沉相似材料底板，12.第一相似材料煤层顶板，13.第二相似材料煤层顶板，14.覆盖层，15.多点热电偶测杆，16.热电偶，17.取气束管，18.拱形镂空护管，19.进风管，20.回风管，21.模拟的采煤工作面，22.鼓风机，23.换热器，24.换热器控制柜，25.气体压力表，26.气体测温热电偶，27.涡街流量计，28.数据采集模块，29.气体采集器，30.气相色谱仪，31.工控机，32.进风巷，33.回风巷。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

主要包括实验炉体部分、采空区相似材料部分、供风和排气部分、气体采集与分析部分、自动测温和监控系统五部分组成。

所述实验炉体如图1至图3所示，包括：炉体外层钢板1、普通砖层2、聚氨酯隔热层3、水夹层4、耐火砖层5、进风管19、回风管20、顶盖7、出煤口6、进风管19和回风管20、进风巷32、回风巷33、拱形镂空护管18。本发明实验炉体整体为圆柱体，实验炉外径为3.73m，实验炉体内内径为2.8m，实验炉体内净高为2.5m。

采空区相似材料部分包括：煤层8和遗煤801、相似材料底板9、预置水袋10、待下沉相似材料底板11、第一相似材料顶板12和第二相似材料顶板13、覆盖层14、模拟的采煤工作面21、拱形镂空护管18、进风巷32、回风巷33。所述采空区范围为1.4m×1.4m区域，采空区高度与所铺设煤层高度相同。

供风和排气部分包括：鼓风机22、换热器23、换热器控制柜24、气体压力表25、气体测温热电偶26、涡街流量计27。

气体采集与分析部分包括：取气束管17、气体采集器29、气相色谱仪30。

自动测温和监控系统部分包括：多点热电偶测杆15、热电偶16、数据采集模块28、工控机31。

本发明模拟采空区自然发火的实验方法如图4所示包括以下步骤：

步骤1，相似材料的选取

根据相似原理理论，以河砂为骨料，粘土、石膏为胶结物，利用正交试验和全面实验方法分析不同材料配比下的单轴抗压强度，并与利用相似原理计算的抗压强度进行对比，确定满足相似比的不同顶底板岩层河砂和粘土配比；在工作现场采集所需煤块，作为实验用煤。选取黄土作为覆盖层。根据现场实际厚度的1/10～1/30的几何缩放比确定煤层和顶底板相似材料的厚度，基于相似材料配比铺设煤层及顶底板相似材料。

步骤2，模拟采空区系统的构建

通过铺设拱形镂空护管18构建采空区及工作面的进风巷32、回风巷33和采煤工作面21。

所述实验炉进风管19、进风巷32、采煤工作面21、回风巷33以及回风管20构成了模拟采空区及工作面系统的进回风系统，进风巷32、采煤工作面21和回风33巷均由拱形镂空护管18构建，可模拟进风巷32和工作面21向采空区内的漏风。

步骤3，测温和取气布置

在铺设采空区煤层8及顶板相似材料(12、13、14)的同时，在相应位置点埋设多点热电偶测杆15和取气束管17，测杆15和取气束管17与相似材料紧密接触，取气束管17取气口有防尘保护。

所述多点热电偶测杆15高度方向由下到上共布置多个热电偶16测点，能监测到采空区底板到顶板不同高度上的温度值。热电偶测杆15呈网格化布置，可以监测到整个采空区三维空间的温度值。

所述取气束管17在采空区范围内呈网格化分布，每个位置的取气束管17可对采空区高度方向上的多个位置点进行取气，从而分析得到采空区三维空间的气体组分、浓度分布和演化规律。

步骤4，相似模拟材料及采空区系统的铺设

在实验炉体内自下而上敷设相似材料底板9、煤层8、相似材料顶板12和13及表层覆盖层14，边铺设边进行压实处理，待胶结后具有一定的强度，满足采空区顶底板岩层强度相似比的要求。

在底板材料的铺设过程中，在采空区范围内提前预置一定高度的水袋10，水袋10高度应等同于模拟的采高。在煤层采高范围预先填充底板相似材料11，其上为采空区煤层遗煤801。

从煤层8开始，在进风巷32、采煤工作面21和回风巷33铺设拱形镂空护管18，支撑煤体形成一定的通道空间，以构建采空区和工作面的进回风系统。所述进风巷32与实验炉上的进风管19相连，回风巷33与实验炉上的回风管20相连。

步骤5，采空区顶煤垮落过程的模拟

当实验炉体内煤层8和相似材料(12、13、14)敷设完毕后，将水袋10的水抽出一定体积的水，使水袋10放出水的高度等同于煤层采高，所述水袋10及其上待下沉相似材料底板11向下移动并填满水袋10放出水高度。通过此方式造成采空区上部顶遗煤801的垮塌，并有可能造成覆岩的垮落和移动。采空区顶煤自然垮落覆盖在采空区底板，模拟采空区遗煤801的堆积分布，同时还可模拟遗煤之上的覆岩的跨落和弯曲，制造孔隙和裂隙，形成“上三带”结构。

步骤6，采空区煤自然发火过程的模拟

采空区遗煤801堆积在采空区，由于进风巷32和采煤工作面21的漏风，导致采空区内遗煤801与氧气接触，在煤氧的物理吸附、化学吸附和氧化反应作用下，产生微小的热量，且在一定条件下氧化产热速率大于向环境的散热速率，产生热量积聚使得煤体温度缓慢而持续地上升，当达到煤的临界自热温度后，氧化升温速率加快，最后达到煤的着火点温度而燃烧起来，由此称之为煤自然发火(或煤自燃)过程。

煤自燃是煤的氧化产热与向环境散热的矛盾发展的结果，因此只要与煤自燃过程产热和热量向环境散热相关的因素都能影响煤的自然发火过程。可分为内在因素和外在因素。其内在因素包括煤化程度、煤的水分、煤岩成分、煤的含硫量、煤的粒度与孔隙结构、煤的瓦斯含量；其外在因素包括煤层地质赋存条件(煤层厚度、倾角、埋藏深度、地质构造及围岩性质)、采掘技术因素(采区回采速度、回采期、采空区丢煤量及其集中程度、顶板管理方法、煤柱及其破坏程度、采空区封闭难易等)、通风管理因素(采空区漏风量)。

本发明所述的一种模拟采空区自然发火的实验装置，既可以对某一特定条件下的采空区进行煤自然发火过程的模拟；又可以采用控制变量法，对影响煤自燃的一个或多个因素开展试验研究。

上述步骤6中对某一特定条件下的采空区煤自然发火过程的模拟子步骤包括：根据现场采空区的实际情况，包括上述内在因素和外在因素，在实验室尺度采用相似理论模拟采空区煤自然发火过程，得到采空区自然发火期；采空区自燃高温区范围及扩展规律，包括着火点(火源)位置、范围、着火强度，温度场分布的研究；采空区自燃指标气体浓度、组分、分布及扩展规律；采空区“三带”(不自燃带、自燃带和窒息带)分布范围等。

上述步骤6中采用控制变量法对影响煤自燃的一个或多个因素开展试验研究的子步骤包括：选取上述内在因素和外在因素中的一个或多个影响因素，通过该因素的数值变化，研究该因素对煤自然发火过程的影响程度，分析该因素变化对煤自燃主要特征(如自然发火期、温度场、浓度场分布、指标气体变化规律等)、自然发火期以及采空区的影响规律。

步骤7：数据监测与分析

本发明所述实验过程中的主要监测数据为：进风参数(温度、压力、流量)、回风参数(温度、压力、流量、气体组分)、采空区监测点温度值、采空区监测点气体组分和浓度值。

所述进风参数由布置于进气管路上的气体测温热电偶26、气体压力表25、涡街流量计27等设备监测；所述回风参数由布置于回风管路上的气体测温热电偶26、气体压力表25、涡街流量计27、气相色谱仪30等设备监测；所述采空区监测点温度值由布置于采空区内的多点热电偶测杆15内的热电偶16监测；所述采空区监测点气体组分和浓度值由布置于采空区内的取气束管17和气相色谱仪30等设备监测。

所有监测数据通过数据采集模块28采集并输送到工控机31，由相关监测软件进行数据的记录、分析和存储。

本发明相对其他现有实验装置其优点如下：

(1)现有采空区煤自燃模拟实验装置尺寸小，因此难以从较大空间尺度上更真实地模拟采空区遗煤自燃过程。本发明实验装置内径为2.8m，内高为2.5m，可模拟采空区范围为1.4m×1.4m。

(2)现有的采空区煤自燃模拟实验装置内部无法铺设煤层顶底板相似材料，或者铺设高度有限，因此无法更真实地模拟采空区遗煤的顶底板赋存条件。本发明实验炉体整体为圆柱体，内净高为2.5m，即可以铺设多层的相似材料底板、煤层以及相似材料顶板，总高度可达2.8m，实验炉体内径为2.8m，总内部填充体积为15.4m³，总填充煤层和相似材料可达30吨(平均相似材料容重为2000kg/m³)。因此，本发明填充量大，满足了较大尺度的采空区相似材料模拟。

(3)现有的采空区煤自燃模拟实验装置无法模拟采空区遗煤垮落以及采空区顶板的垮落过程，因此无法更真实地模拟采空区遗煤已经顶底板的赋存状态，包括遗煤的松散破碎状态、采空区遗煤的压实情况、采空区周边的裂隙通道及漏风状况。本发明实验装置通过对预埋水袋放水模拟采空区遗煤垮落以及采空区顶板的垮落过程，因而更真实地模拟采空区遗煤已经顶底板的赋存状态，包括遗煤的松散破碎状态、采空区遗煤的压实情况、采空区周边的裂隙通道及漏风状况。

(4)实验炉体内部可铺设多层煤层底板相似材料、煤层和多层顶板岩层相似材料，能够更好地模拟采空区煤层和顶底板的赋存状态；

(5)该装置可构建大尺度采煤工作面、进风巷、回风巷和采空区系统，采用拱形镂空护管模拟工作面生产系统的进风巷、工作面和回风巷，并可模拟进风巷和工作面向采空区范围内的漏风条件。

(6)该实验装置通过对预埋水袋放水，实现对采空区遗煤和顶板的自然垮落，更好地模拟采空区遗煤和垮落岩石的模拟状态。

(7)该实验装置可进行某一特定条件下的采空区煤自然发火过程模拟以及通过采用控制变量法对影响煤自燃的一个或多个因素开展试验研究的模拟。

以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (1)

1.一种模拟采空区自然发火的实验装置，其特征在于：包括实验炉体，实验炉体由外至内分为炉体外层钢板、普通砖层、聚氨酯隔热层、水夹层、耐火砖层，实验炉体上设有出煤口、进风管和回风管，实验炉体上方设有顶盖；实验炉体内设有煤层，煤层下方设有相似材料底板和预置水袋，预置水袋上方设有待下沉相似材料底板，煤层上方设有第一相似材料顶板和第二相似材料顶板，第二相似材料顶板上方设有多点热电偶测杆和取气束管，多点热电偶测杆之间设有覆盖层，多点热电偶测杆设有若干热电偶，多点热电偶测杆和取气束管与相似材料紧密接触；煤层上的采煤工作面两端设有进风巷和回风巷，在进风巷、采煤工作面和回风巷铺设拱形镂空护管，支撑煤体形成一定的通道空间，以构建采空区和工作面的进回风系统，进风巷与实验炉上的进风管相连，回风巷与实验炉上的回风管相连，进风管依次连接实验炉体外部的涡街流量计、气体测温热电偶、气体压力表、换热器、鼓风机，换热器连接换热器控制柜，回风管依次连接实验炉体外部的涡街流量计、气体测温热电偶、气体压力表、气相色谱仪、气体采集器；所述出煤口连接气体采集器和数据采集模块；数据采集模块和气相色谱仪连接工控机；实验方法按照以下步骤进行：

步骤1，相似材料的选取；以河砂为骨料，粘土或石膏为胶结物，利用正交试验和全面实验方法分析不同材料配比下的单轴抗压强度，并与利用相似原理计算的抗压强度进行对比，确定满足相似比的不同顶底板岩层河砂和粘土配比；在工作现场采集所需煤块，作为实验用煤，选取黄土作为覆盖层，根据现场实际厚度的1/10～1/30的几何缩放比确定煤层和顶底板相似材料的厚度，基于相似材料配比铺设煤层及顶底板相似材料；

步骤2，模拟采空区系统的构建；通过铺设拱形镂空护管构建采空区及工作面的进风巷、回风巷和采煤工作面；将进风管、进风巷、采煤工作面、回风巷以及回风管构成模拟采空区及工作面系统的进回风系统，进风巷、采煤工作面和回风巷均由拱形镂空护管构建，模拟进风巷和工作面向采空区内的漏风；

步骤3，测温和取气布置；在铺设采空区煤层及第一相似材料煤层顶板、第二相似材料煤层顶板、覆盖层的同时，在相应位置点埋设多点热电偶测杆和取气束管，测杆和取气束管与第一相似材料煤层顶板、第二相似材料煤层顶板、覆盖层紧密接触，取气束管取气口有防尘保护；

多点热电偶测杆高度方向由下到上共布置多个热电偶测点，能监测到采空区底板到顶板不同高度上的温度值，热电偶测杆呈网格化布置，能够监测到整个采空区三维空间的温度值；

取气束管在采空区范围内呈网格化分布，每个位置的取气束管对采空区高度方向上的多个位置点进行取气，从而分析得到采空区三维空间的气体组分、浓度分布和演化规律；

步骤4，相似模拟材料及采空区系统的铺设；在实验炉体内自下而上敷设相似材料底板、煤层、第一相似材料顶板、第二相似材料顶板和表层覆盖层，边铺设边进行压实处理，待胶结后具有一定的强度，满足采空区顶底板岩层强度相似比的要求；

在底板材料的铺设过程中，在采空区范围内提前预置一定高度的水袋，水袋高度等同于模拟的采高，在煤层采高范围预先填充底板相似材料，其上为采空区煤层遗煤；

从煤层开始，在进风巷、采煤工作面和回风巷铺设拱形镂空护管，支撑煤体形成一定的通道空间，以构建采空区和工作面的进回风系统，进风巷与实验炉上的进风管相连，回风巷与实验炉上的回风管相连；

步骤5，采空区顶煤垮落过程的模拟；当相似模拟材料及采空区系统的铺设完毕后，将水袋的水抽出一定体积的水，使水袋放出水的高度等同于煤层采高，水袋及其上待下沉相似材料底板向下移动并填满水袋放出水高度，通过此方式造成采空区上部顶遗煤的垮塌，采空区顶煤自然垮落覆盖在采空区底板，模拟采空区遗煤的堆积分布，同时还能模拟遗煤之上的覆岩的跨落和弯曲，制造孔隙和裂隙，形成上三带结构；

步骤6，采空区煤自然发火过程的模拟；采空区遗煤堆积在采空区，由于进风巷和采煤工作面的漏风，导致采空区内遗煤与氧气接触，在煤氧的物理吸附、化学吸附和氧化反应作用下，产生微小的热量，产生热量积聚使得煤体温度缓慢而持续地上升，当达到煤的临界自热温度后，氧化升温速率加快，最后达到煤的着火点温度而燃烧起来，达到模拟煤自然发火过程目的。

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