CN109162761B - 一种煤层群多层采空区调压通风模拟分析装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种煤层群多层采空区调压通风模拟分析装置及方法，属于煤矿灾害防治领域。该装置包括模拟工作面、模拟顶板岩层、模拟本层采空区、模拟上部采空区，其中：模拟工作面由进风巷管路、采煤作业面管路、回风巷管路、小型风机、模拟风窗、彩烟释放箱、风压传感器、氧气及六氟化硫浓度传感器组成；模拟本层采空区与上部采空区均为内部充填透明玻璃球的玻璃钢箱体，且设置有多组氧气及六氟化硫浓度传感器、风压传感器。模拟工作面、本层采空区与上部采空区内的气体分别设置为不同颜色，通过观测各种通风方式下的气体流通动向及各传感器实时监测值，可定性、定量全面分析工作面与多层采空区流场的气体流通规律及调压效果，为工程实践提供参数指导。
Description
技术领域
本发明属于煤矿灾害防治领域，特别是涉及一种煤层群多层采空区调压通风模拟分析装置及方法。
背景技术
我国多数矿区为煤层群赋存条件，开采后形成多层采空区相互连通状态。下部煤层工作面开采过程中，采用传统负压通风方法，极易造成上部多层采空区瓦斯、一氧化碳等有毒有害气体的下泄，威胁工作面的安全生产。而采用正压通风方法，工作面风压高于上部多层采空区风压，大量新鲜风流漏入采空区，容易引起采空区遗煤自燃甚至瓦斯爆炸事故。
为解决上述问题，通常采取调压通风手段，即改变工作面风压，使其与上部采空区风压大体相等，旨在防止工作面与上部多层采空区的气体大量相互流通，达到防灾效果。目前，研究煤层群多层采空区调压通风的手段，多采用理论分析、数值仿真或现场调试等方法，存在调压参数选取误差过大或调试成本过高等问题，缺乏应用实验手段来全面分析确定工作面与多层采空区调压的合理参数与调压效果。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种煤层群多层采空区调压通风模拟分析装置及方法。该模拟分析装置主要包括模拟工作面、模拟顶板岩层、模拟本层采空区、模拟上部采空区，可定性、定量全面分析工作面与多层采空区流场的气体流通以及调压效果。
在定性分析方面，可以采用不同区域内使用不同颜色来分析，比如模拟工作面通风风流的颜色为蓝色，模拟本层采空区气体的颜色为无色，模拟上部采空区气体的颜色为红色，可直观显示正常通风与调压通风情况下模拟工作面、模拟本层采空区、模拟上部采空区气体的相互流通状态；
在定量分析方面，模拟工作面、模拟本层采空区、模拟上部采空区分别布置多组气体浓度、风压传感器，以六氟化硫气体代表上部采空区有毒有害气体，通过气体浓度分布及风压变化值，定量分析正常通风与调压通风情况下模拟工作面、模拟本层采空区、模拟上部采空区气体的相互流通状态。
本发明以实验模拟分析方法，获取煤层群多层采空区达到防灾效果的调压参数，可为煤层群下部煤层工作面的调压通风实践提供大量数据支撑。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种煤层群多层采空区调压通风模拟分析装置，包括模拟工作面、模拟顶板岩层、模拟本层采空区、模拟上部采空区；
其中，
所述的模拟工作面包括进风巷管路、采煤作业面管路、回风巷管路、模拟风窗、彩烟释放箱、模拟工作面的风压传感器、模拟工作面的氧气浓度传感器和模拟工作面的六氟化硫浓度传感器；
进风巷管路和回风巷管路分别布置在模拟工作面的两侧，并通过采煤作业面管路连通，在进风巷管路的进风端布置彩烟释放箱，在回风巷管路出风末端布置模拟风窗；其中，模拟工作面回风隅角区域设置模拟工作面的风压传感器、模拟工作面的氧气浓度传感器和模拟工作面的六氟化硫浓度传感器；
所述的模拟顶板岩层位于模拟工作面上方，模拟顶板岩层为直角倒梯形箱体，模拟顶板岩层垮落角为60°～75°；
所述的模拟本层采空区位于模拟工作面和模拟顶板岩层的一侧，模拟本层采空区为透明玻璃钢箱体，内部空间充填透明玻璃球，所述的透明玻璃球用于模拟本层采空区垮落岩石；在模拟本层采空区的底部和中部均设置有多个氧气浓度传感器和对应个数的六氟化硫浓度传感器；
所述的模拟上部采空区位于模拟顶板岩层和模拟本层采空区上方，模拟上部采空区为透明玻璃钢箱体，内部空间充填透明玻璃球，所述的透明玻璃球用于模拟上部采空区垮落岩石；模拟上部采空区的底部设置有多个氧气浓度传感器和对应个数的六氟化硫浓度传感器；
其中，
模拟工作面与模拟本层采空区的临界面采用玻璃钢片和临界面薄铁片进行间隔布置的形式，所述的玻璃钢片为固定形式，所述的临界面薄铁片为可插拔形式，当临界面薄铁片拔出后，该布置形式用于模拟工作面与本层采空区之间的气体流通通道；
模拟本层采空区和模拟上部采空区之间设置有双层界面，分别为上层界面和下层界面，具体为：
上层界面为玻璃钢材质，在上层界面上均匀布置圆形孔，用于模拟本层采空区和上部采空区之间的岩层裂隙；所述的圆形孔设置的数量和大小用于模拟上部采空区与本层采空区之间的气体流通难易程度；
下层界面为厚度≤0.1mm的下层界面薄铁片，起到隔离密封作用。
其中，
所述的模拟工作面还包括小型风机，当模拟工作面呈负压通风状态，小型风机设置在回风巷管路远离采煤作业面管路的一端，当对模拟工作面进行调压时，小型风机设置在进风巷管路远离采煤作业面管路的一端。
所述的煤层群多层采空区调压通风模拟分析装置中，所述的进风巷管路、采煤作业面管路、回风巷管路均为透明玻璃钢材质、长方体形式。
所述的煤层群多层采空区调压通风模拟分析装置中，所述的模拟风窗的面积等于回风巷管路管内面积，模拟风窗材质为厚度≤0.1mm的薄铁片。
回风巷管路远离采煤作业面管路的末端的侧面留设有回风巷管路缝隙，回风巷管路内部设置用于固定模拟风窗的凹槽，所述的回风巷管路缝隙用于将模拟风窗插入或拔出管路内部；
所述的回风巷管路缝隙宽度为0.1～0.2mm，回风巷管路缝隙处设置有对应长度缝隙的弹性橡胶片，使回风巷管路缝隙处具有密封性。
所述的煤层群多层采空区调压通风模拟分析装置中，所述的彩烟释放箱为透明玻璃钢材质，彩烟释放箱上部设置有彩烟释放箱上部开口，彩烟释放箱上部开口处设置有密封盖，彩烟释放箱上部开口，用于向彩烟释放箱内放置用于改变工作面通风风流颜色的彩烟罐，彩烟释放箱的箱体两侧设置有侧面开口，侧面开口和进风巷管路相连通。
所述的煤层群多层采空区调压通风模拟分析装置中，所述的模拟顶板岩层的直角倒梯形玻璃钢箱体，与模拟本层采空区相邻的内侧面夹角为60°～75°。
所述的煤层群多层采空区调压通风模拟分析装置中，所述的模拟本层采空区为透明玻璃钢箱体形式；
所述的模拟本层采空区内部空间中，在模拟本层采空区的中部，均匀布置9～16个氧气浓度传感器和对应个数的六氟化硫浓度传感器形成上层监测面，在模拟本层采空区的底部，均匀布置9～16个氧气浓度传感器和对应个数的六氟化硫浓度传感器形成下层监测面。
所述的模拟本层采空区的外部侧面设置本层采空区进气接口、本层采空区出气口与本层采空区出气口密封盖，模拟本层采空区进气接口与氮气罐连接，模拟本层采空区出气口连通大气，由模拟本层采空区出气口密封盖进行密封。
所述的煤层群多层采空区调压通风模拟分析装置中，所述的模拟工作面与模拟本层采空区的临界面底部留设用于插拔临界面薄铁片的缝隙，并在玻璃钢片的两侧设置固定临界面薄铁片的凹槽，所述的临界面薄铁片厚度≤0.1mm，所述的用于插拔临界面薄铁片的缝隙宽度为0.1～0.2mm，用于插拔临界面薄铁片的缝隙处设置有对应长度缝隙的弹性橡胶片，起到密封作用。
所述的煤层群多层采空区调压通风模拟分析装置中，所述的模拟上部采空区为透明玻璃钢箱体、长方体形式；所述的模拟上部采空区的底部，均匀布置15～20个氧气浓度传感器和对应个数的六氟化硫浓度传感器，形成模拟上部采空区监测面，模拟上部采空区监测面中央布置一个风压传感器；
所述的模拟上部采空区的外部侧面设置上部采空区进气接口、上部采空区出气口与上部采空区出气口密封盖，模拟上部采空区进气接口与氮气罐、六氟化硫气体罐连接，模拟上部采空区出气口连通大气，可用于放置彩烟罐，由模拟上部采空区出气口密封盖进行密封。
所述的煤层群多层采空区调压通风模拟分析装置中，所述的模拟上部采空区与模拟本层采空区的双层界面中，下层界面的薄铁片可通过侧面留设的宽0.1～0.2mm的下层界面缝隙插入或拔出，下层界面的缝隙处设置有对应长度缝隙的弹性橡胶片，下层界面的薄铁片拔出后，可使缝隙处依然保持密封性。
本发明的煤层群多层采空区调压通风模拟分析装置中，所述的风压传感器、氧气浓度传感器和六氟化硫浓度传感器均与外部计算机连接。
本发明的一种煤层群多层采空区调压通风模拟分析方法，采用上述装置，分析获取煤层群多层采空区调压通风参数，包括以下步骤：
步骤一：配气
1.模拟工作面与模拟本层采空区的临界面、模拟本层采空区与模拟上部采空区的下层界面均呈封闭状态，即插入薄铁片状态；
2.模拟工作面配气：
1)模拟风窗拔出，布置在回风巷管路末端的小型风机开启，使模拟工作面呈负压通风状态；
2)打开彩烟释放箱密封盖，放入蓝色彩烟罐，释放蓝色烟雾，覆盖模拟工作面进风巷管路、采煤作业面管路、回风巷管路；
3)模拟工作面回风隅角处的风压传感器、氧气浓度传感器、六氟化硫浓度传感器实时向外部计算机传输监测信息；
3.模拟本层采空区配气：
打开氮气罐开关阀，通过本层采空区进气接口向模拟本层采空区空间释放氮气，打开模拟本层采空区的出气口，设置在模拟本层采空区双层监测面的氧气浓度传感器、六氟化硫浓度传感器实时向外部计算机传输监测信息；当模拟本层采空区内氧气浓度降低至2％～3％时，停止释放氮气，由模拟本层采空区出气口密封盖关闭出气口，实现模拟本层采空区的气压呈常压状态，且氧气浓度达到预期低浓度要求；
4.模拟上部采空区配气：
1)打开氮气罐、六氟化硫气体罐开关阀，通过上部采空区进气接口向模拟上部采空区空间释放氮气、六氟化硫气体，打开模拟上部采空区的出气口，设置在模拟上部采空区的底部的风压传感器、氧气浓度传感器、六氟化硫浓度传感器实时向外部计算机传输监测信息；
2)当模拟上部采空区内氧气浓度降低至7％～10％时，放入红色彩烟罐，释放红色烟雾，由模拟上部采空区出气口密封盖关闭出气口；
3)当模拟上部采空区内氧气浓度降低至2％～3％、六氟化硫气体浓度达到400～500ppm时，停止释放氮气、六氟化硫气体，实现模拟上部采空区的气压高于常压状态，且氧气、六氟化硫气体浓度达到预期要求；
步骤二：通风
1)模拟工作面与模拟本层采空区的临界面、模拟本层采空区与模拟上部采空区的下层界面均呈开放状态，即拔出薄铁片；
2)观测蓝色彩烟、红色彩烟的相互流动状态，由相机拍摄照片，便于进行后续的定性直观分析；
3)外部计算机实时接收模拟工作面回风隅角区、模拟本层采空区的底部和中部、模拟上部采空区的底部设置的多组传感器监测信息，通过氧气、六氟化硫气体以及风压的变化数据，定量分析模拟工作面新鲜风流漏入模拟本层采空区、模拟上部采空区的分布规律，以及模拟上部采空区六氟化硫气体涌入模拟工作面的浓度；
步骤三：调压
小型风机布置在进风巷管路的始端，插入模拟风窗的薄铁片，重复步骤一、二，通过调整模拟风窗的插入程度，实现回风巷管路通风开度的调节；以模拟工作面六氟化硫气体监测值为0ppm、模拟上部采空区氧气浓度不高于5％～6％为调压指标，调整模拟风窗开度，观测蓝色彩烟、红色彩烟的相互流动状态，由计算机实时获取多组传感器监测信息，定量分析模拟工作面与模拟上部采空区压差值，以及模拟本层采空区与模拟上部采空区内氧气、六氟化硫气体的分布规律。
本发明的一种煤层群多层采空区调压通风模拟分析装置及方法，其有益效果为：
本装置可通过实验手段，全面模拟分析煤层群开采工作面与上部采空区的气体相互运移规律以及调压通风防灾效果，获取大量基础实验数据，为工程实践提供大量参数支撑，可避免采用工业调压试验手段带来的成本高、风险大等问题；可从定性和定量两个方面获取实验数据，结果可直观显示、相互印证，准确、可靠；以六氟化硫气体模拟采空区有毒有害气体，实验过程安全，操作简单；可模拟分析多种通风方法条件下工作面与采空区气体的相互运移规律，既可作为实验分析装置，又可作为教学演示装置。
附图说明
图1是本发明实施例中煤层群多层采空区调压通风模拟分析装置的立体结构示意图；
图2是本发明实施例中煤层群多层采空区调压通风模拟分析装置中，进风巷管路一侧的剖面示意图；
图3是本发明实施例中煤层群多层采空区调压通风模拟分析装置中，回风巷管路一侧的剖面示意图；
图4是本发明实施例中模拟工作面与模拟本层采空区的临界面结构示意图；
图5是本发明实施例中回风巷管路末端的模拟风窗布置示意图；
图6是本发明实施例中模拟本层采空区和模拟上部采空区之间的上层界面结构示意图；
图7是本发明实施例中模拟本层采空区和模拟上部采空区之间的下层界面结构示意图；
图8是本发明实施例中模拟本层采空区内部的下层监测面布置示意图；
图9是本发明实施例中模拟本层采空区内部的上层监测面布置示意图；
图10是本发明实施例中模拟上部采空区内部的监测面布置示意图。
图中，1、进风巷管路，2、采煤作业面管路，3、回风巷管路，4、小型风机，5、模拟风窗，6、彩烟释放箱，7、模拟工作面的风压传感器，8、模拟工作面的氧气浓度传感器，9、模拟工作面的六氟化硫浓度传感器，10、透明玻璃球，11、模拟本层采空区的氧气浓度传感器，12、模拟本层采空区的六氟化硫浓度传感器，13、模拟上部采空区的氧气浓度传感器，14、模拟上部采空区的六氟化硫浓度传感器，15、模拟工作面与模拟本层采空区的临界面，16、玻璃钢片，17、临界面薄铁片，18、模拟本层采空区和模拟上部采空区之间的上层界面，19、模拟本层采空区和模拟上部采空区之间的下层界面，20、模拟本层采空区和模拟上部采空区之间的上层界面的圆形孔，21、回风巷管路侧面缝隙处的弹性橡胶片，22、彩烟释放箱上部开口，23、彩烟释放箱上部开口的密封盖，24、模拟本层采空区内部的下层监测面，25、模拟本层采空区内部的上层监测面，26、模拟本层采空区进气接口，27、模拟本层采空区出气口，28、模拟本层采空区出气口密封盖，29、氮气罐，30、模拟工作面与模拟本层采空区临界面底部缝隙处的弹性橡胶片，31、模拟上部采空区内部的监测面，32、模拟上部采空区的风压传感器，33、模拟上部采空区进气接口，34、模拟上部采空区出气口，35、模拟上部采空区出气口密封盖，36、六氟化硫气体罐，37、模拟本层采空区与模拟上部采空区下层临界面缝隙处的弹性橡胶片，38、计算机
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明做进一步的详细说明。
实施例
一种煤层群多层采空区调压通风模拟分析装置，其立体结构示意图见图1，具体包括模拟工作面、模拟顶板岩层、模拟本层采空区、模拟上部采空区；
其中，
(一)所述的模拟工作面包括进风巷管路1、采煤作业面管路2、回风巷管路3、模拟风窗5、彩烟释放箱6、模拟工作面的风压传感器7、模拟工作面的氧气浓度传感器8和模拟工作面的六氟化硫浓度传感器9；
进风巷管路1和回风巷管路3分别布置在模拟工作面的两侧，并通过采煤作业面管路2连通，在进风巷管路1的进风端布置彩烟释放箱6，在回风巷管路3出风末端布置模拟风窗5；其中，模拟工作面回风隅角区域设置模拟工作面的风压传感器7、模拟工作面的氧气浓度传感器8和模拟工作面的六氟化硫浓度传感器9；进风巷管路一侧的剖面示意图见图2，回风巷管路一侧的剖面示意图见图3，回风巷管路末端的模拟风窗布置示意图见图5。
(二)所述的模拟顶板岩层位于模拟工作面上方，模拟顶板岩层为直角倒梯形箱体，模拟顶板岩层垮落角为65°；
(三)所述的模拟本层采空区位于模拟工作面和模拟顶板岩层的一侧，模拟本层采空区为透明玻璃钢箱体，内部空间充填透明玻璃球10，所述的透明玻璃球10用于模拟本层采空区垮落岩石；在模拟本层采空区的底部和中部均设置有12个氧气浓度传感器11和对应个数的六氟化硫浓度传感器12；
(四)所述的模拟上部采空区位于模拟顶板岩层和模拟本层采空区上方，模拟上部采空区为透明玻璃钢箱体，内部空间充填透明玻璃球10，所述的透明玻璃球10用于模拟上部采空区垮落岩石；模拟上部采空区的底部设置有15个氧气浓度传感器13和对应个数的六氟化硫浓度传感器14；
其中，
(五)模拟工作面与模拟本层采空区的临界面15采用玻璃钢片16和临界面薄铁片17进行间隔布置的形式，所述的玻璃钢片16为固定形式，所述的临界面薄铁片17为可插拔形式，当临界面薄铁片17拔出后，该布置形式用于模拟工作面与本层采空区之间的气体流通通道；模拟工作面与模拟本层采空区的临界面结构示意图见图4。
(六)模拟本层采空区和模拟上部采空区之间设置有双层界面，分别为上层界面18和下层界面19，其中，模拟本层采空区和模拟上部采空区之间的上层界面18结构示意图见图6，模拟本层采空区和模拟上部采空区之间的下层界面19结构示意图见图7；
具体为：上层界面18为玻璃钢材质，在上层界面上均匀布置40个圆形孔20，圆形孔20的半径为8mm，用于模拟本层采空区和上部采空区之间的岩层裂隙；所述的圆形孔20设置的数量和大小用于模拟上部采空区与本层采空区之间的气体流通难易程度；
下层界面19为厚度0.1mm的下层界面薄铁片，起到隔离密封作用。
其中，
(一)中，所述的模拟工作面还包括小型风机4，当模拟工作面呈负压通风状态，小型风机4设置在回风巷管路3远离采煤作业面管路2的一端，当对模拟工作面进行调压时，小型风机4设置在进风巷管路1远离采煤作业面管路2的一端。
所述的煤层群多层采空区调压通风模拟分析装置中，所述的进风巷管路1、采煤作业面管路2、回风巷管路3均为透明玻璃钢材质、长方体形式。
所述的煤层群多层采空区调压通风模拟分析装置中，所述的模拟风窗5的面积等于回风巷管路3管内面积，模拟风窗5材质为厚度0.1mm的薄铁片。
回风巷管路3远离采煤作业面管路2的末端的侧面留设有回风巷管路缝隙，回风巷管路3内部设置用于固定模拟风窗5的凹槽，所述的回风巷管路缝隙用于将模拟风窗5插入或拔出管路内部；
所述的回风巷管路缝隙宽度为0.15mm，回风巷管路缝隙处设置有对应长度缝隙的弹性橡胶片21，使回风巷管路缝隙处具有密封性。
所述的煤层群多层采空区调压通风模拟分析装置中，所述的彩烟释放箱6为透明玻璃钢材质，彩烟释放箱6上部设置有彩烟释放箱上部开口22，彩烟释放箱上部开口22处设置有密封盖23，彩烟释放箱上部开口22用于向彩烟释放箱6内放置用于改变工作面通风风流颜色的彩烟罐，彩烟释放箱6的箱体两侧设置有侧面开口，侧面开口和进风巷管路1相连通。
(二)中，所述的煤层群多层采空区调压通风模拟分析装置中，所述的模拟顶板岩层的直角倒梯形玻璃钢箱体，与模拟本层采空区相邻的内侧面夹角为65°。
(三)中，所述的煤层群多层采空区调压通风模拟分析装置中，所述的模拟本层采空区为透明玻璃钢箱体形式；
所述的模拟本层采空区内部空间中，在模拟本层采空区的中部，均匀布置12个氧气浓度传感器11和对应个数的六氟化硫浓度传感器12，形成上层监测面25，在模拟本层采空区的底部，均匀布置12个氧气浓度传感器11和对应个数的六氟化硫浓度传感器12，形成下层监测面24；其中，模拟本层采空区内部的下层监测面24布置示意图见图8，模拟本层采空区内部的上层监测面25布置示意图见图9。
所述的模拟本层采空区的外部侧面设置本层采空区进气接口26、本层采空区出气口27与本层采空区出气口密封盖28，模拟本层采空区进气接口26与氮气罐29连接，模拟本层采空区出气口27连通大气，由模拟本层采空区出气口密封盖28进行密封。
(四)中，所述的煤层群多层采空区调压通风模拟分析装置中，所述的模拟上部采空区为透明玻璃钢箱体、长方体形式；所述的模拟上部采空区的底部，均匀布置15个氧气浓度传感器13和对应个数的六氟化硫浓度传感器14，形成模拟上部采空区监测面31，模拟上部采空区监测面31中央布置一个风压传感器32；模拟上部采空区内部的监测面布置示意图见图10。
所述的模拟上部采空区的外部侧面设置上部采空区进气接口33、上部采空区出气口34与上部采空区出气口密封盖35，模拟上部采空区进气接口33与氮气罐29、六氟化硫气体罐36连接，模拟上部采空区出气口34连通大气，可用于放置彩烟罐，由模拟上部采空区出气口密封盖35进行密封。
(五)中，所述的煤层群多层采空区调压通风模拟分析装置中，所述的模拟工作面与模拟本层采空区的临界面15底部留设用于插拔临界面薄铁片17的缝隙，并在玻璃钢片16的两侧设置固定临界面薄铁片17的凹槽，所述的临界面薄铁片17厚度为0.1mm，所述的用于插拔临界面薄铁片17的缝隙宽度为0.15mm，用于插拔临界面薄铁片17的缝隙处设置有对应长度缝隙的弹性橡胶片30，起到密封作用。
(六)中，所述的煤层群多层采空区调压通风模拟分析装置中，所述的模拟上部采空区与模拟本层采空区的双层界面中，下层界面19的薄铁片可通过侧面留设的宽0.15mm的下层界面缝隙插入或拔出，下层界面19的缝隙处设置有对应长度缝隙的弹性橡胶片37，下层界面19的薄铁片拔出后，可使缝隙处依然保持密封性。
(七)煤层群多层采空区调压通风模拟分析装置中，所述的风压传感器、氧气浓度传感器和六氟化硫浓度传感器均与外部计算机38连接。
一种煤层群多层采空区调压通风模拟分析方法，采用上述装置，分析获取煤层群多层采空区调压通风参数，包括以下步骤：
步骤一：配气
1.模拟工作面与模拟本层采空区的临界面15、模拟本层采空区与模拟上部采空区的下层界面19均呈封闭状态，即插入薄铁片状态；
2.模拟工作面配气：
1)模拟风窗5拔出，布置在回风巷管路3末端的小型风机4开启，使模拟工作面呈负压通风状态；
2)打开彩烟释放箱密封盖23，放入蓝色彩烟罐，释放蓝色烟雾，覆盖模拟工作面进风巷管路1、采煤作业面管路2、回风巷管路3；
3)模拟工作面回风隅角处的风压传感器7、氧气浓度传感器8、六氟化硫浓度传感器9实时向外部计算机38传输监测信息；
本实施例中，模拟工作面回风隅处的风压监测值为-15Pa、氧气浓度监测值在20.4％～20.6％之间波动、六氟化硫气体监测值保持0ppm；
3.模拟本层采空区配气：
打开氮气罐29开关阀，通过本层采空区进气接口26向模拟本层采空区空间释放氮气，打开模拟本层采空区的出气口27，设置在模拟本层采空区双层监测面的氧气浓度传感器11、六氟化硫浓度传感器12实时向外部计算机38传输监测信息；当模拟本层采空区内氧气浓度降低至3％以下时，停止释放氮气，由模拟本层采空区出气口密封盖28关闭出气口，实现模拟本层采空区的气压呈常压状态，且氧气浓度达到预期低浓度要求；
本实施例中，模拟本层采空区完成配气后，模拟本层采空区内各传感器监测的氧气浓度最高值为2.9％、最小值为2.7％，六氟化硫气体浓度值均为0ppm；
4.模拟上部采空区配气：
1)打开氮气罐29、六氟化硫气体罐36开关阀，通过上部采空区进气接口33向模拟上部采空区空间释放氮气、六氟化硫气体，打开模拟上部采空区的出气口34，设置在模拟上部采空区的底部的风压传感器32、氧气浓度传感器13、六氟化硫浓度传感器14实时向外部计算机38传输监测信息；
2)当模拟上部采空区内氧气浓度降低至8％时，放入红色彩烟罐，释放红色烟雾，由模拟上部采空区出气口密封盖35关闭出气口；
3)当模拟上部采空区内氧气浓度降低至3％以下、六氟化硫气体浓度达到400ppm以上时，停止释放氮气、六氟化硫气体，实现模拟上部采空区的气压高于常压状态，且氧气、六氟化硫气体浓度达到预期要求；
本实施例中，模拟上部采空区完成配气后，模拟上部采空区内各传感器监测的氧气浓度最高值为2.8％、最小值为2.7％，六氟化硫气体浓度最高值为405ppm、最小值为400ppm，风压值为12Pa；
步骤二：通风
1)模拟工作面与模拟本层采空区的临界面15、模拟本层采空区与模拟上部采空区的下层界面19均呈开放状态，即拔出薄铁片；
2)观测蓝色彩烟、红色彩烟的相互流动状态，由相机拍摄照片，便于进行后续的定性直观分析；
本实施例中，在负压通风条件下，模拟上部采空区的部分红色彩烟，流经模拟本层采空区，进入模拟工作面的采煤作业面管路中，与蓝色彩烟混合，最终由回风巷管路排出，说明模拟上部采空区的有毒有害气体涌入模拟工作面空间内，可对模拟工作面的安全构成威胁；
3)外部计算机38实时接收模拟工作面回风隅角区、模拟本层采空区的底部和中部、模拟上部采空区的底部设置的多组传感器监测信息，通过氧气、六氟化硫气体以及风压的变化数据，定量分析模拟工作面新鲜风流漏入模拟本层采空区、模拟上部采空区的分布规律，以及模拟上部采空区六氟化硫气体涌入模拟工作面的浓度；
本实施例中，负压通风某一时刻，模拟工作面回风隅角处的风压监测值为-15Pa、氧气浓度监测值为20.4％、六氟化硫浓度监测值为34ppm，模拟本层采空区与模拟上部采空区内各传感器的氧气浓度、六氟化硫浓度监测值，分别如表1、表2、表3所示；
表1模拟本层采空区的下层监测面各传感器的气体浓度监测数据表
| 测点编号 | 1-1# | 1-2# | 1-3# | 1-4# | 1-5# | 1-6# |
| 氧气/％ | 17.05 | 17.01 | 16.25 | 12.49 | 10.24 | 10.05 |
| 六氟化硫/ppm | 15 | 27 | 42 | 13 | 20 | 35 |
| 测点编号 | 1-7# | 1-8# | 1-9# | 1-10# | 1-11# | 1-12# |
| 氧气/％ | 6.14 | 5.01 | 2.45 | 2.77 | 2.47 | 2.54 |
| 六氟化硫/ppm | 13 | 14 | 22 | 0 | 4 | 5 |
表2模拟本层采空区的上层监测面各传感器的气体浓度监测数据表
| 测点编号 | 2-1# | 2-2# | 2-3# | 2-4# | 2-5# | 2-6# |
| 氧气/％ | 15.10 | 12.40 | 9.15 | 8.24 | 6.28 | 3.55 |
| 六氟化硫/ppm | 27 | 34 | 52 | 15 | 24 | 38 |
| 测点编号 | 2-7# | 2-8# | 2-9# | 2-10# | 2-11# | 2-12# |
| 氧气/％ | 4.84 | 2.59 | 2.05 | 2.19 | 1.98 | 2.07 |
| 六氟化硫/ppm | 14 | 19 | 24 | 3 | 4 | 7 |
表3模拟上部采空区的监测面各传感器的气体浓度监测数据表
| 测点编号 | 3-1# | 3-2# | 3-3# | 3-4# | 3-5# | 3-6# | 3-7# | 3-8# |
| 氧气/％ | 2.68 | 2.75 | 2.40 | 2.10 | 1.67 | 2.00 | 2.47 | 1.58 |
| 六氟化硫/ppm | 327 | 317 | 298 | 320 | 259 | 268 | 238 | 223 |
| 测点编号 | 3-9# | 3-10# | 3-11# | 3-12# | 3-13# | 3-14# | 3-15# | - |
| 氧气/％ | 1.49 | 1.09 | 1.29 | 2.08 | 2.47 | 2.14 | 1.95 | - |
| 六氟化硫/ppm | 215 | 249 | 208 | 217 | 208 | 235 | 219 | - |
由监测数据可知，在负压通风条件下，模拟上部采空区六氟化硫气体涌入模拟工作面回风隅角的浓度为34ppm，且导致模拟本层采空区内六氟化硫气体浓度最高达52ppm，说明负压通风可导致模拟上部采空区的有毒有害气体大量涌入模拟本层采空区、模拟工作面，对模拟工作面的安全构成威胁；
步骤三：调压
小型风机4布置在进风巷管路1的始端，插入模拟风窗5的薄铁片，重复步骤一、二，通过调整模拟风窗5的插入程度，实现回风巷管路3通风开度的调节；以模拟工作面六氟化硫气体监测值为0ppm、模拟上部采空区氧气浓度不高于6％为调压指标，调整模拟风窗5开度，观测蓝色彩烟、红色彩烟的相互流动状态，由计算机38实时获取多组传感器监测信息，定量分析模拟工作面与模拟上部采空区压差值，以及模拟本层采空区与模拟上部采空区内氧气、六氟化硫气体的分布规律；
本实施例中，在调压通风条件下，模拟上部采空区的部分红色彩烟流入模拟本层采空区内、但未流入模拟工作面内，模拟工作面的部分蓝色彩烟流入模拟本层采空区与模拟上部采空区内，说明调压通风有效防止了模拟上部采空区的有毒有害气体涌入模拟工作面空间内，但造成模拟工作面的部分新鲜风流漏入模拟上部采空区内，需要控制模拟上部采空区的氧气浓度不高于6％，避免构成模拟上部采空区的自燃火灾威胁；
本实施例中，调压通风某一时刻，模拟工作面回风隅角处的风压监测值为22Pa、氧气浓度监测值为20.5％、六氟化硫浓度监测值为0ppm，模拟上部采空区内的风压监测值为10Pa，模拟本层采空区与模拟上部采空区内各传感器的氧气浓度、六氟化硫浓度监测值，分别如表4、表5、表6所示；
表4模拟本层采空区的下层监测面各传感器的气体浓度监测数据表
| 测点编号 | 1-1# | 1-2# | 1-3# | 1-4# | 1-5# | 1-6# |
| 氧气/％ | 18.25 | 18.34 | 18.06 | 14.22 | 13.57 | 13.58 |
| 六氟化硫/ppm | 0 | 0 | 2 | 7 | 15 | 15 |
| 测点编号 | 1-7# | 1-8# | 1-9# | 1-10# | 1-11# | 1-12# |
| 氧气/％ | 10.47 | 9.59 | 9.08 | 5.24 | 3.11 | 3.19 |
| 六氟化硫/ppm | 10 | 19 | 20 | 4 | 5 | 5 |
表5模拟本层采空区的上层监测面各传感器的气体浓度监测数据表
| 测点编号 | 2-1# | 2-2# | 2-3# | 2-4# | 2-5# | 2-6# |
| 氧气/％ | 17.20 | 15.67 | 14.38 | 12.10 | 10.25 | 10.58 |
| 六氟化硫/ppm | 2 | 4 | 4 | 10 | 21 | 24 |
| 测点编号 | 2-7# | 2-8# | 2-9# | 2-10# | 2-11# | 2-12# |
| 氧气/％ | 5.98 | 6.24 | 5.05 | 3.98 | 3.22 | 9.93 |
| 六氟化硫/ppm | 19 | 25 | 27 | 18 | 19 | 19 |
表6模拟上部采空区的监测面各传感器的气体浓度监测数据表
由监测数据可知，当模拟工作面与模拟上部采空区的压差值为22-10＝12Pa时，调压通风可达到避免模拟上部采空区有毒有害气体涌入模拟工作面、且漏入模拟上部采空区的氧气浓度不高于6％的目标，对于现场工程实践具有重要的指导意义。
通过本发明实施例的一种煤层群多层采空区调压通风模拟分析装置及方法，可全面模拟分析煤层群开采工作面与上部采空区的气体相互运移规律以及调压通风防灾效果，从定性和定量两个方面获取实验数据，结果可直观显示、相互印证，准确、可靠，可为煤层群下部煤层工作面的调压通风实践提供大量数据支撑。
Claims (10)
1.一种煤层群多层采空区调压通风模拟分析装置，其特征在于，该煤层群多层采空区调压通风模拟分析装置包括模拟工作面、模拟顶板岩层、模拟本层采空区、模拟上部采空区；
其中，
所述的模拟工作面包括进风巷管路、采煤作业面管路、回风巷管路、模拟风窗、彩烟释放箱、模拟工作面的风压传感器、模拟工作面的氧气浓度传感器和模拟工作面的六氟化硫浓度传感器；
进风巷管路和回风巷管路分别布置在模拟工作面的两侧，并通过采煤作业面管路连通，在进风巷管路的进风端布置彩烟释放箱，在回风巷管路出风末端布置模拟风窗；其中，模拟工作面回风隅角区域设置模拟工作面的风压传感器、模拟工作面的氧气浓度传感器和模拟工作面的六氟化硫浓度传感器；
所述的模拟顶板岩层位于模拟工作面上方，模拟顶板岩层为直角倒梯形箱体，模拟顶板岩层垮落角为60°～75°；
所述的模拟本层采空区位于模拟工作面和模拟顶板岩层的一侧，模拟本层采空区为透明玻璃钢箱体，内部空间充填透明玻璃球，所述的透明玻璃球用于模拟本层采空区垮落岩石；在模拟本层采空区的底部和中部均设置有多个氧气浓度传感器和对应个数的六氟化硫浓度传感器；
所述的模拟上部采空区位于模拟顶板岩层和模拟本层采空区上方，模拟上部采空区为透明玻璃钢箱体，内部空间充填透明玻璃球，所述的透明玻璃球用于模拟上部采空区垮落岩石；模拟上部采空区的底部设置有多个氧气浓度传感器和对应个数的六氟化硫浓度传感器；
其中，
模拟工作面与模拟本层采空区的临界面采用玻璃钢片和临界面薄铁片进行间隔布置的形式，所述的玻璃钢片为固定形式，所述的临界面薄铁片为可插拔形式，当临界面薄铁片拔出后，该布置形式用于模拟工作面与本层采空区之间的气体流通通道；
模拟本层采空区和模拟上部采空区之间设置有双层界面，分别为上层界面和下层界面，具体为：
上层界面为玻璃钢材质，在上层界面上均匀布置圆形孔，用于模拟本层采空区和上部采空区之间的岩层裂隙；所述的圆形孔设置的数量和大小用于模拟上部采空区与本层采空区之间的气体流通难易程度；
下层界面为厚度≤0.1mm的下层界面薄铁片。
2.如权利要求1所述的煤层群多层采空区调压通风模拟分析装置，其特征在于，所述的模拟工作面还包括小型风机，当模拟工作面呈负压通风状态，小型风机设置在回风巷管路远离采煤作业面管路的一端，当对模拟工作面进行调压时，小型风机设置在进风巷管路远离采煤作业面管路的一端。
3.如权利要求1所述的煤层群多层采空区调压通风模拟分析装置，其特征在于，所述的煤层群多层采空区调压通风模拟分析装置中，所述的进风巷管路、采煤作业面管路、回风巷管路均为透明玻璃钢材质、长方体形式；
所述的煤层群多层采空区调压通风模拟分析装置中，所述的模拟风窗的面积等于回风巷管路管内面积，模拟风窗材质为厚度≤0.1mm的薄铁片；
回风巷管路远离采煤作业面管路的末端的侧面留设有回风巷管路缝隙，回风巷管路内部设置用于固定模拟风窗的凹槽，所述的回风巷管路缝隙用于将模拟风窗插入或拔出管路内部；
所述的回风巷管路缝隙宽度为0.1～0.2mm，回风巷管路缝隙处设置有对应长度缝隙的弹性橡胶片；
所述的煤层群多层采空区调压通风模拟分析装置中，所述的彩烟释放箱为透明玻璃钢材质，彩烟释放箱上部设置有彩烟释放箱上部开口，彩烟释放箱上部开口处设置有密封盖，彩烟释放箱上部开口，用于向彩烟释放箱内放置用于改变工作面通风风流颜色的彩烟罐，彩烟释放箱的箱体两侧设置有侧面开口，侧面开口和进风巷管路相连通。
4.如权利要求1所述的煤层群多层采空区调压通风模拟分析装置，其特征在于，所述的煤层群多层采空区调压通风模拟分析装置中，所述的模拟顶板岩层的直角倒梯形玻璃钢箱体，与模拟本层采空区相邻的内侧面夹角为60°～75°。
5.如权利要求1所述的煤层群多层采空区调压通风模拟分析装置，其特征在于，所述的煤层群多层采空区调压通风模拟分析装置中，所述的模拟本层采空区为透明玻璃钢箱体形式；
所述的模拟本层采空区内部空间中，在模拟本层采空区的中部，均匀布置9～16个氧气浓度传感器和对应个数的六氟化硫浓度传感器形成上层监测面，在模拟本层采空区的底部，均匀布置9～16个氧气浓度传感器和对应个数的六氟化硫浓度传感器形成下层监测面；
所述的模拟本层采空区的外部侧面设置本层采空区进气接口、本层采空区出气口与本层采空区出气口密封盖，模拟本层采空区进气接口与氮气罐连接，模拟本层采空区出气口连通大气，由模拟本层采空区出气口密封盖进行密封。
6.如权利要求1所述的煤层群多层采空区调压通风模拟分析装置，其特征在于，所述的煤层群多层采空区调压通风模拟分析装置中，所述的模拟上部采空区为透明玻璃钢箱体、长方体形式；所述的模拟上部采空区的底部，均匀布置15～20个氧气浓度传感器和对应个数的六氟化硫浓度传感器，形成模拟上部采空区监测面，模拟上部采空区监测面中央布置一个风压传感器；
所述的模拟上部采空区的外部侧面设置上部采空区进气接口、上部采空区出气口与上部采空区出气口密封盖，模拟上部采空区进气接口与氮气罐、六氟化硫气体罐连接，模拟上部采空区出气口连通大气，可用于放置彩烟罐，由模拟上部采空区出气口密封盖进行密封。
7.如权利要求1所述的煤层群多层采空区调压通风模拟分析装置，其特征在于，所述的煤层群多层采空区调压通风模拟分析装置中，所述的模拟工作面与模拟本层采空区的临界面底部留设用于插拔临界面薄铁片的缝隙，并在玻璃钢片的两侧设置固定临界面薄铁片的凹槽，所述的临界面薄铁片厚度≤0.1mm，所述的用于插拔临界面薄铁片的缝隙宽度为0.1～0.2mm，用于插拔临界面薄铁片的缝隙处设置有对应长度缝隙的弹性橡胶片。
8.如权利要求1所述的煤层群多层采空区调压通风模拟分析装置，其特征在于，所述的煤层群多层采空区调压通风模拟分析装置中，所述的模拟上部采空区与模拟本层采空区的双层界面中，下层界面的薄铁片可通过侧面留设的宽0.1～0.2mm的下层界面缝隙插入或拔出，下层界面的缝隙处设置有对应长度缝隙的弹性橡胶片，下层界面的薄铁片拔出后，可使缝隙处依然保持密封性。
9.如权利要求1所述的煤层群多层采空区调压通风模拟分析装置，其特征在于，煤层群多层采空区调压通风模拟分析装置中，所述的风压传感器、氧气浓度传感器和六氟化硫浓度传感器均与外部计算机连接。
10.一种煤层群多层采空区调压通风模拟分析方法，其特征在于，采用权利要求1-9中任意一项所述的装置，分析获取煤层群多层采空区调压通风参数，包括以下步骤：
步骤一：配气
1.模拟工作面与模拟本层采空区的临界面、模拟本层采空区与模拟上部采空区的下层界面均呈封闭状态，即插入薄铁片状态；
2.模拟工作面配气：
1)模拟风窗拔出，布置在回风巷管路末端的小型风机开启，使模拟工作面呈负压通风状态；
2)打开彩烟释放箱密封盖，放入蓝色彩烟罐，释放蓝色烟雾，覆盖模拟工作面进风巷管路、采煤作业面管路、回风巷管路；
3)模拟工作面回风隅角处的风压传感器、氧气浓度传感器、六氟化硫浓度传感器实时向外部计算机传输监测信息；
3.模拟本层采空区配气：
打开氮气罐开关阀，通过本层采空区进气接口向模拟本层采空区空间释放氮气，打开模拟本层采空区的出气口，设置在模拟本层采空区双层监测面的氧气浓度传感器、六氟化硫浓度传感器实时向外部计算机传输监测信息；当模拟本层采空区内氧气浓度降低至2％～3％时，停止释放氮气，由模拟本层采空区出气口密封盖关闭出气口，实现模拟本层采空区的气压呈常压状态，且氧气浓度达到预期低浓度要求；
4.模拟上部采空区配气：
1)打开氮气罐、六氟化硫气体罐开关阀，通过上部采空区进气接口向模拟上部采空区空间释放氮气、六氟化硫气体，打开模拟上部采空区的出气口，设置在模拟上部采空区的底部的风压传感器、氧气浓度传感器、六氟化硫浓度传感器实时向外部计算机传输监测信息；
2)当模拟上部采空区内氧气浓度降低至7％～10％时，放入红色彩烟罐，释放红色烟雾，由模拟上部采空区出气口密封盖关闭出气口；
3)当模拟上部采空区内氧气浓度降低至2％～3％、六氟化硫气体浓度达到400～500ppm时，停止释放氮气、六氟化硫气体，实现模拟上部采空区的气压高于常压状态，且氧气、六氟化硫气体浓度达到预期要求；
步骤二：通风
1)模拟工作面与模拟本层采空区的临界面、模拟本层采空区与模拟上部采空区的下层界面均呈开放状态，即拔出薄铁片；
2)观测蓝色彩烟、红色彩烟的相互流动状态，由相机拍摄照片，便于进行后续的定性直观分析；
3)外部计算机实时接收模拟工作面回风隅角区、模拟本层采空区的底部和中部、模拟上部采空区的底部设置的多组传感器监测信息，通过氧气、六氟化硫气体以及风压的变化数据，定量分析模拟工作面新鲜风流漏入模拟本层采空区、模拟上部采空区的分布规律，以及模拟上部采空区六氟化硫气体涌入模拟工作面的浓度；
步骤三：调压
小型风机布置在进风巷管路的始端，插入模拟风窗的薄铁片，重复步骤一、二，通过调整模拟风窗的插入程度，实现回风巷管路通风开度的调节；以模拟工作面六氟化硫气体监测值为0ppm、模拟上部采空区氧气浓度不高于5％～6％为调压指标，调整模拟风窗开度，观测蓝色彩烟、红色彩烟的相互流动状态，由计算机实时获取多组传感器监测信息，定量分析模拟工作面与模拟上部采空区压差值，以及模拟本层采空区与模拟上部采空区内氧气、六氟化硫气体的分布规律。
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