CN110749694A - 一种不同尺度煤火灾害热动力过程模拟测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种不同尺度煤火灾害热动力过程模拟测试装置及方法，测试装置包括物理相似模拟试验台、透明隔热罩、无线自组网测温系统、粒子辐射监测应力状态系统以及气体监测系统，测试方法步骤包括设计实验煤田火灾本演化所需条件、搭建物理相似模拟试验台、引燃煤层、通过传感器检测数据进行分析；本发明能模拟采空区垮落过程，而且能够模拟煤田火灾演化过程，同时能够实现不同条件的煤田火灾和矿井采空区的演化过程，通过无线自组网测温系统、粒子辐射监测应力状态系统、气体监测系统能够实现对煤田火灾和矿井采空区演化过程中温度场的分布、煤岩裂隙的分布及发育规律、煤岩裂隙供风通道的变化规律的实时监测。

Description

一种不同尺度煤火灾害热动力过程模拟测试装置及方法

技术领域

本发明涉及煤田煤田火灾和煤矿采空区演化过程相似模拟试验领域，特别是一种不同尺 度煤火灾害热动力过程模拟测试装置及方法。

背景技术

煤炭自燃是威胁煤炭安全生产的主要灾害之一，而我国的煤田火区分布范围广、火灾程 度严重，其中北方的煤田火灾最为严重；据估算，我国每年直接损失煤炭资源约为2000万吨， 而间接损失多达2亿吨。煤田火灾也是世界性灾害，国外也有非常严重的煤田火灾问题，其 中主要有美国、印度、印度尼西亚、英国等国家。同时，在煤矿开采过程中也存在大量的工 作面临近采空区自燃发火问题。

现阶段，国内外学者主要通过运用煤自燃过程的有关理论及实验来研究煤田火灾发生、 演化及扩展发育，缺少煤田火灾扩展演化的有关理论和技术支撑。其中，对于煤田火灾中煤 岩裂隙的分布及发育方面的研究较少，没有找到具体的发展规律，不能明确掌握火灾的扩散 特征，难以准确定位其高温范围。因此，对于火灾的防治难以实现精准的掌控。在实现对煤 田火灾演化过程的进一步研究，能够为煤田火灾的治理提供理论基础以及科学保障，更为进 一步研究煤、岩、气之间的关系及特性提供基础。现目前，国内外针对煤田火区演化过程还 没有较为全面、系统的试验台及试验方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种不同尺度煤火灾害热动力过程模拟测 试装置及方法，以解决上述技术背景中提出的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种不同尺度煤火灾害热动力过程模拟测试装置，包括物理相似模拟试验台、透明隔热 罩、无线自组网测温系统、粒子辐射监测应力状态系统以及气体监测系统；

所述物理相似模拟试验台包括试验台底座、可拆卸槽钢、下底板以及辅助板；所述下底 板固定设于试验台底座上表面，下底板与可拆卸槽钢上设有若干大小相同、间距相等的螺丝 孔，可拆卸槽钢通过螺栓和螺丝孔固定安装在下底板的上下以及左右两侧，所述辅助板通过 轴承与下底板左侧边缘呈可拆卸式滑动连接，且辅助板与下底板表面形成可调节的倾角；

所述透明隔热罩罩设在物理相似模拟试验台上，透明隔热罩包括上顶板、左侧板、右侧 板、后面板、前面板以及排烟装置，所述上顶板、左侧板、右侧板以及后面板为一体式结构， 所述前面板与左侧板以及右侧板呈上下推拉式连接；所述排烟装置固定设于后面板右侧上方 内壁上；

所述无线自组网测温系统包括供氧装置、空气压缩机、加热装置、无线传输模块、热电 偶以及热电偶模数转换器，所述供氧装置出口端连接空气压缩机的入口端，所述热电偶、电 偶模数转换器以及无线传输模块包括多个热电偶、热电偶模数转换器以及无线传输模块，且 每一个热电偶都连接一个热电偶模数转换器，每一个热电偶模数转换器都连接一个无线传输 模块，每一个无线传输模块都通过自组网的方式与网关通信连接并接入Internet网与计算机 通信连接；

所述粒子辐射监测应力状态系统包括棒型应力传感器、电源信号线、应力检测仪，所述 棒型应力传感器设于可拆卸槽钢上的螺丝孔中，棒型应力传感器与应力监测仪之间通过电源 信号线电性连接；

所述气体监测系统包括气体传感器和气体监测仪，所述气体传感器与气体监测仪通过信 号线电性连接。

进一步的，所述试验台底座的尺寸为1800mm×1200mm×100mm，所述可拆卸槽钢的尺寸 为1400mm×120mm×50mm或700mm×120mm×50mm，所述辅助板尺寸为800mm×700mm，所述下 底板的尺寸为1600mm×1400mm，可拆卸槽钢上和下底板上相邻两个螺丝孔的间距为100mm。

进一步的，所述上顶板、左侧板、右侧板、后面板以及前面板的尺寸为 2200mm×1600mm×1600mm，且上顶板、左侧板、右侧板、后面板以及前面板采用透明耐高温 材料制成。

进一步的，所述物理相似模拟试验台可通过增加或减少可拆卸槽钢的数量来调节长、宽、 高。

进一步的，所述气体监测仪和应力检测仪通过数据线与计算机电性连接。

进一步的，所述辅助板与下底板表面形成的可调节的倾角范围为0°-90°

一种不同尺度煤火灾害热动力过程模拟测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、设计实验煤田火灾或矿井采空区演化所需条件；

S2、根据设计条件选择可拆卸槽钢的数量及规格，搭建所述物理相似模拟试验台模型 框架，调节辅助板选择相应的倾角进行布置所需煤岩层，同时，在煤岩层中按相邻间距为100mm 布置热电偶；

S3、将搭建好的物理相似模拟试验台模型静置，等待其凝固成型；同时，将其他部件 按要求进行连接；

S4、通过供氧装置和加热装置对实验煤层进行加热，并引燃煤层，当煤田火区发生垮 落产生裂隙形成供风通道时，将气体传感器及时插入供风通道中；

S5、通过热电偶、棒型应力传感器和气体传感器监测演化过程，并通过热电偶、棒型应 力传感器和气体传感器的检测数据进行分析。

本发明的有益效果是：本发明能够实现不同条件的煤田火灾和矿井采空区的演化过程， 通过无线自组网测温系统、粒子辐射监测应力状态系统、气体监测系统能够实现对煤田火灾 和矿井采空区演化过程中温度场的分布、煤岩裂隙的分布及发育规律、煤岩裂隙供风通道的 变化规律的实时监测，同时，本发明试验台主体使用可拆卸槽钢作为主体材料，不仅价格便 宜，而且能够通过拆卸槽钢来达到调整设计试验台所需的长、宽、高，从而能够实现对不同 尺寸现场情况的模拟；通过对供氧装置的调节可以实现0-100％浓度范围的供氧，从而模拟现 场气体环境；通过对下底板中辅助板的调节来布置不同倾角的煤岩层，倾角范围可控制在0 °-90°之内，提高了物理模型实验的精确性和与现场的相似性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的物理相似模拟试验台的示意图；

图3为本发明的可拆卸槽钢的示意图；

图4为本发明的试验台底座的示意图；

图5为本发明的无线自组网测温系统的示意图；

图6为本发明模拟煤田火区裂隙分布及供风通道的示意图；

图7为本发明中相似模拟试验方法的流程图。

图中，1-物理相似模拟试验台，2-透明隔热罩，6-试验台底座，7-可拆卸槽钢，8-下底 板，9-上顶板，10-左侧板，11-右侧板，12-后面板，13-前面板，14-供氧装置，15-空气压缩机，16-加热装置，17-无线传输模块，18-热电偶，19-热电偶模数转换器，20-计算机，21-棒型应力传感器，22-电源信号线，23-应力检测仪，24-气体传感器，25-气体监测仪。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露 的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加 以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精 神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征 可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图 式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实 际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复 杂。

实施例：

一种不同尺度煤火灾害热动力过程模拟测试装置，请参阅附图1-附图5所示，包括物理 相似模拟试验台1、透明隔热罩2、无线自组网测温系统、粒子辐射监测应力状态系统以及气 体监测系统；

所述物理相似模拟试验台包括试验台底座6、可拆卸槽钢7、下底板8以及辅助板26； 所述下底板8固定设于试验台底座6上表面，下底板8与可拆卸槽钢7上设有若干大小相同、 间距相等的螺丝孔，可拆卸槽钢7通过螺栓和螺丝孔固定安装在下底板8的上下以及左右两 侧，所述辅助板26通过轴承与下底板8左侧呈可拆卸式滑动连接，且辅助板26与下底板8 表面形成可调节的倾角；

所述透明隔热罩2罩设在物理相似模拟试验台1上，透明隔热罩2包括上顶板9、左侧 板10、右侧板11、后面板12、前面板13以及排烟装置27，所述上顶板9、左侧板10、右侧 板11以及后面板13为一体式结构，所述前面板13与左侧板10以及右侧板11呈上下推拉式 连接；所述排烟装置27固定设于后面板12右侧上方内壁上；

所述无线自组网测温系统包括供氧装置14、空气压缩机15、加热装置16、无线传输模 块17、热电偶18以及热电偶模数转换器19，所述供氧装置14出口端连接空气压缩机15的入口端，所述热电偶18、电偶模数转换器19以及无线传输模块17包括多个热电偶、热电偶模数转换器以及无线传输模块，且每一个热电偶都连接一个热电偶模数转换器，每一个热电 偶模数转换器都连接一个无线传输模块，每一个无线传输模块都通过自组网的方式与网关通 信连接并接入Internet网与计算机20通信连接；

所述粒子辐射监测应力状态系统包括棒型应力传感器21、电源信号线22、应力检测仪 23，所述棒型应力传感器21设于可拆卸槽钢7上的螺丝孔中，棒型应力传感器21与应力监 测仪23之间通过电源信号线22电性连接；

所述气体监测系统包括气体传感器24和气体监测仪25，所述气体传感器24与气体监测 仪25通过信号线电性连接。

优选的，所述试验台底座6的尺寸为1800mm×1200mm×100mm，所述可拆卸槽钢7的尺 寸为1400mm×120mm×50mm或700mm×120mm×50mm，所述辅助板26尺寸为800mm×700mm， 所述下底板8的尺寸为1600mm×1400mm，可拆卸槽钢7与下底板8上相邻两个螺丝孔的间距 为100mm。

优选的，所述上顶板9、左侧板10、右侧板11、后面板12以及前面板13的尺寸为2200mm×1600mm×1600mm，且上顶板9、左侧板10、右侧板11、后面板12以及前面板13采 用透明耐高温材料制成。

优选的，所述物理相似模拟试验台1可通过增加或减少可拆卸槽钢7的数量来调节长、 宽、高。

优选的，所述气体监测仪25和应力检测仪23通过数据线与计算机20电性连接。

优选的，所述辅助板26与下底板8表面形成的可调节的倾角范围为0°-90°

一种不同尺度煤火灾害热动力过程模拟测试方法，请参阅附图7所示，包括以下步骤：

S1、设计实验煤田火灾或矿井采空区演化所需条件；

S2、根据设计条件选择可拆卸槽钢的数量及规格，搭建所述物理相似模拟试验台模型 框架，调节辅助板选择相应的倾角进行布置所需煤岩层，同时，在煤岩层中按相邻间距为100mm 布置热电偶；

S3、将搭建好的物理相似模拟试验台模型静置，等待其凝固成型；同时，将其他部件 按要求进行连接；

S4、通过供氧装置和加热装置对实验煤层进行加热，并引燃煤层，当煤田火区发生垮 落产生裂隙形成供风通道时，将气体传感器及时插入供风通道中；

S5、通过热电偶、棒型应力传感器和气体传感器监测演化过程，并通过热电偶、棒型 应力传感器和气体传感器的检测数据进行分析。

本发明具体在使用时，先根据实验煤田火灾或矿井采空区演化所需条件选择可拆卸槽 钢7的数量及规格，并通过可拆卸槽钢7和试验台底座6上的螺丝孔将可拆卸槽钢7固定安 装在试验台底座6上，从而搭建好物理相似模拟试验台1模型框架，在搭建过程中，可根据 现场实验煤田或矿井采空区的情况，通过增减可拆卸槽钢7来调节实验模型的长、宽、高， 从而实现对不同规模煤田火区的模拟演化，搭建好模型后，调节辅助板26选择相应的倾角进 行布置所需煤岩层，同时，在煤岩层中按相邻间距为100mm布置热电偶18，待物理相似模拟 试验台1模型静置凝固成型后，通过供氧装置14对实验煤层进行通风供氧，并利用加热装置 16引燃煤层，在此过程中，供氧装置14可调节通入的氧气浓度，且氧气浓度调节范围为 0-100％，从而能实现对不同氧气条件煤田火区的模拟演化，通过辅助板26能够辅助构建不同 倾角煤层煤田火区的模拟演化，引燃煤层后，观察实时演化过程，当煤田火区发生垮落产生 裂隙形成供风通道时，将气体传感器24及时插入供风通道中，气体传感器24为细棒型，棒 身有数个小孔，可通过小孔及棒身表面对气体组分及含量进行监测，气体传感器24将所测的 气体组分及含量转化为不同的电压信号传输到气体监测仪25，最后传送到计算机20中进行 分析，实现对煤田火灾演化过程中煤岩层裂隙的气体成分及含量的变化的监测，在此过程中， 热电偶15所测得的温度数据通过热电偶模数转换器转换后，再通过无线传输模块17以自组 网的方式接入Internet网络，并通过Internet网络传送到计算机20中进行分析，设置在可 拆卸槽钢7螺丝孔中的棒型应力传感器21则将测得的应力数据信号传输到应力检测仪23， 最后传送到计算机20中进行分析，实现对煤田火灾和矿井采空区演化过程中煤岩层裂隙的分 布及发育规律进行动态监测，在整个测试过程中，排烟装置27可将测试过程中产生的烟气排 出，且透明隔热罩2为耐热透明结构，对物理相似模拟试验台1隔热保护的同时，方便对物 理相似模拟试验台1内部演化过程进行观察。

综上，本发明明能够实现不同条件的煤田火灾和矿井采空区的演化过程，通过无线自 组网测温系统、粒子辐射监测应力状态系统、气体监测系统能够实现对煤田火灾和矿井采空 区演化过程中温度场的分布、煤岩裂隙的分布及发育规律、煤岩裂隙供风通道的变化规律的 实时监测，同时，本发明试验台主体使用可拆卸槽钢作为主体材料，不仅价格便宜，而且能 够通过拆卸槽钢来达到调整设计试验台所需的长、宽、高，从而能够实现对不同尺寸现场情 况的模拟；通过对供氧装置的调节可以实现0-100％浓度范围的供氧，从而模拟现场气体环境； 通过对下底板中辅助板的调节来布置不同倾角的煤岩层，倾角范围可控制在0°-90°之内， 提高了物理模型实验的精确性和与现场的相似性。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因 此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在 不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种不同尺度煤火灾害热动力过程模拟测试装置，包括物理相似模拟试验台(1)、透明隔热罩(2)、无线自组网测温系统、粒子辐射监测应力状态系统以及气体监测系统，其特征在于：

所述物理相似模拟试验台包括试验台底座(6)、可拆卸槽钢(7)、下底板(8)以及辅助板(26)；所述下底板(8)固定设于试验台底座(6)上表面，下底板(8)与可拆卸槽钢(7)上设有若干大小相同、间距相等的螺丝孔，可拆卸槽钢(7)通过螺栓和螺丝孔固定安装在下底板(8)的上下以及左右两侧，所述辅助板(26)通过轴承与下底板(8)左侧呈可拆卸式滑动连接，且辅助板(26)与下底板(8)表面形成可调节的倾角；

所述透明隔热罩(2)罩设在物理相似模拟试验台(1)上，透明隔热罩(2)包括上顶板(9)、左侧板(10)、右侧板(11)、后面板(12)、前面板(13)以及排烟装置(27)，所述上顶板(9)、左侧板(10)、右侧板(11)以及后面板(12)为一体式结构，所述前面板(13)与左侧板(10)以及右侧板(11)呈上下推拉式连接；所述排烟装置(27)固定设于后面板(12)右侧上方内壁上；

所述无线自组网测温系统包括供氧装置(14)、空气压缩机(15)、加热装置(16)、无线传输模块(17)、热电偶(18)以及热电偶模数转换器(19)，所述供氧装置(14)出口端连接空气压缩机(15)的入口端，所述热电偶(18)、电偶模数转换器(19)以及无线传输模块(17)包括多个热电偶、热电偶模数转换器以及无线传输模块，且每一个热电偶都连接一个热电偶模数转换器，每一个热电偶模数转换器都连接一个无线传输模块，每一个无线传输模块都通过自组网的方式与网关通信连接并接入Internet网与计算机(20)通信连接；

所述粒子辐射监测应力状态系统包括棒型应力传感器(21)、电源信号线(22)、应力检测仪(23)，所述棒型应力传感器(21)设于可拆卸槽钢(7)上的螺丝孔中，棒型应力传感器(21)与应力监测仪(23)之间通过电源信号线(22)电性连接；

所述气体监测系统包括气体传感器(24)和气体监测仪(25)，所述气体传感器与气体监测仪通过信号线电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种不同尺度煤火灾害热动力过程模拟测试装置，其特征在于，所述试验台底座(6)的尺寸为1800mm×1200mm×100mm，所述可拆卸槽钢(7)的尺寸为1400mm×120mm×50mm或700mm×120mm×50mm，所述辅助板尺寸为800mm×700mm，所述下底板的尺寸为1600mm×1400mm，可拆卸槽钢(7)与下底板(8)上相邻两个螺丝孔的间距为100mm。

3.根据权利要求1所述的一种不同尺度煤火灾害热动力过程模拟测试装置，其特征在于，所述上顶板(9)、左侧板(10)、右侧板(11)、后面板(12)以及前面板(13)的尺寸为2200mm×1600mm×1600mm，且上顶板(9)、左侧板(10)、右侧板(11)、后面板(12)以及前面板(13)采用透明耐高温材料制成。

4.根据权利要求1所述的一种不同尺度煤火灾害热动力过程模拟测试装置，其特征在于，所述物理相似模拟试验台(1)可通过增加或减少可拆卸槽钢(7)的数量来调节长、宽、高。

5.根据权利要求1所述的一种不同尺度煤火灾害热动力过程模拟测试装置，其特征在于，所述气体监测仪(25)和应力检测仪(23)通过数据线与计算机(20)电性连接。

6.根据权利要求1所述的一种不同尺度煤火灾害热动力过程模拟测试装置，其特征在于，所述辅助板(26)与下底板(8)表面形成的可调节的倾角范围为0°-90°。

7.一种不同尺度煤火灾害热动力过程模拟测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、设计实验煤田火灾或矿井采空区演化所需条件；

S2、根据设计条件选择可拆卸槽钢的数量及规格，搭建物理相似模拟试验台模型框架，调节辅助板选择相应的倾角进行布置所需煤岩层；同时，在煤岩层中按相邻间距为100mm布置热电偶；

S3、将搭建好的物理相似模拟试验台模型静置，等待其凝固成型；同时，将其他部件按要求进行连接；

S4、通过供氧装置和加热装置对实验煤层进行加热，并引燃煤层，当煤田火区发生垮落产生裂隙形成供风通道时，将气体传感器及时插入供风通道中；

S5、通过热电偶、棒型应力传感器和气体传感器监测演化过程，并通过热电偶、棒型应力传感器和气体传感器的检测数据进行分析。

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