CN111811771A - 采空区漏风流场定时定点测定装置及使用和测定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种采空区漏风流场测定技术，采空区漏风流场定时定点测定装置，其中杠杆通过杠杆支撑轴可转动的连接在箱体内，杠杆第一侧对应示踪气体瓶瓶口处具有瓶塞；杠杆第二侧内置滑道，该滑道靠近杠杆支撑轴杆的端部设有弹簧，滑块置于滑道内，滑道远离杠杆支撑轴杆一侧顶部具有拨动开口；定时装置置于杠杆第二侧上方，定时装置具有可通过定时装置驱动转动的定时装置轴杆，该定时装置轴杆上安装定时装置指针，且定时装置轴杆与拨动开口相对，定时装置指针自由末端的移动路劲进入拨动开口。本装置能完成采空区漏风流场测定。本发明还提出采空区漏风流场定时定点测定装置的使用方法、以及采空区漏风流场定时定点测定方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种采空区漏风流场测定技术，特别是采空区漏风流场定时定点测定装置及使用和测定方法。
背景技术
煤矿的瓦斯灾害与煤层自燃复合灾害集中关联于采空区。采空区物理特征直接关系到流场特性，瓦斯和火灾防治获得长足进展，也有赖于对其特征的深入认识。目前，研究采空区流场特征技术手段大致可分为三类，分别是理论分析、数值模拟和相似模拟。对采空区流场特性的研究，其进展伴随对采空区物理场认识的加深而深入。在其发展过程中经历了并联风路模型、平面无涡流源汇模型、管网模型和滤流场模型等几个阶段。早期，以采空区空气流动属于层流和湍流之间的过渡流为基础，通过管网化划分并建立滤流场数学模型，并用网络解算的方法进行了数值模拟。之后通过建立采空区滤流场数学模型，应用极限风速法对采空区三带划分进行了研究。近年来的研究表明，综放开采后上覆岩层所形成的形态并非是传统意义上的“三带”特征，而是随工作面的推进，裂隙分布特征亦随之变化。基于关键层理论，提出煤层采动后上覆岩层采动裂隙呈两阶段发展规律并形成“O”形圈分布特征。李树刚提出煤层综放开采后，采场上覆岩层中的破断裂隙和离层裂隙贯通后在空间上的分布是一个动态变化的采动裂隙椭抛带。
国内对瓦斯治理及火灾防治的要求越来越高，治理技术也越来越精细化，但精细化治理所需的基础数据获取等手段却进展较慢。与瓦斯治理相关的采空区瓦斯涌出原理、影响因素及涌出范围等基础性的研究工作落后于瓦斯治理技术的发展。目前科研院所及矿方主要针对采空范围内能观测到的瓦斯异常涌出情况提出治理方案，对治理方案的理论依据和基础数据的获取手段有限，主要利用采空区束管及数值模拟的数据作为理论支撑，已经不能满足精细化瓦斯治理的需求。目前国内外对采空区流场的分布特征的研究，尚未解决直接测量采空区流动场参数的方法。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出的采空区漏风流场定时定点测定装置，其可以测定采空区流场内气体流动方向、气体流动速度和漏风流的流动范围。同时本发明还提出采空区漏风流场定时定点测定装置的使用方法、以及采空区漏风流场定时定点测定方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
在第一个技术方案中，采空区漏风流场定时定点测定装置，包括箱体、以及设置在箱体内部的示踪气体瓶、瓶塞、杠杆、杠杆支撑轴杆、滑块、滑块挡板和定时装置，其中箱体上设有释放孔，所述杠杆支撑轴杆连接在杠杆中段，杠杆通过杠杆支撑轴可转动的连接在箱体内，示踪气体瓶顶部具有瓶口，示踪气体瓶设置在杠杆第一侧的下方，杠杆第一侧对应示踪气体瓶瓶口处具有瓶塞；所述杠杆第二侧内置滑道，该滑道靠近杠杆支撑轴杆的端部设有弹簧，滑道远离杠杆支撑轴杆的端部设有滑块挡板，滑块置于滑道内，滑道远离杠杆支撑轴杆一侧顶部具有拨动开口；所述定时装置置于杠杆第二侧上方，定时装置具有可通过定时装置驱动转动的定时装置轴杆，该定时装置轴杆上安装定时装置指针，且定时装置轴杆与拨动开口相对，定时装置指针自由末端的移动路劲进入拨动开口；
在起始状态时，杠杆水平，定时装置指针止动滑块并通过滑块挤压弹簧使弹簧压缩，瓶塞封闭示踪气体瓶瓶口；在定时装置指针离开滑块后，弹簧可将滑块推移至拨动开口处；在定时装置指针通过定时装置驱动按照预定时间旋转到拨动开口处时，定时装置指针下压滑块，并使瓶塞从示踪气体瓶瓶口移开。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述箱体内设有用于平衡杠杆的硬片，该硬片设置在杠杆靠近第二端部的上方处。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述滑块长度大于拨动开口的开口长度。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述释放孔设置在箱体的周围和上方。
在第二个技术方案中，采空区漏风流场定时定点测定装置的使用方法，使用如第一个技术方案中所述的采空区漏风流场定时定点测定装置，
将采空区漏风流场定时定点测定装置调试好，瓶塞塞紧示踪气体瓶的瓶口，定时装置指针位于拨动开口内部，滑块压缩弹簧，杠杆处于平衡状态；
定时装置启动定时，定时装置指针离开拨动开口，在弹簧的推动作用下，滑块朝向拨动开口滑动，直至拨动开口被滑块挡住，杠杆处于平衡状态；
当到达定时时间后，定时装置指针通过接触滑块驱动杠杆第二侧下沉，并使杠杆第一侧抬起，瓶塞从示踪气体瓶上拔出，示踪气体由示踪气体瓶内释放至箱体内部，经释放孔释放至箱体外部，完成示踪气体定时释放。
在第三个技术方案中，采空区漏风流场定时定点测定方法，使用如第一个技术方案中所述的采空区漏风流场定时定点测定装置，在煤矿井下工作面正在回采过程中，将采空区漏风流场定时定点测定装置放置于采煤工作面液压支架后溜尾位置，沿采煤工作面走向方向距后溜尾的距离为Y，采空区漏风流场定时定点测定装置进行定时为T，在T时间内，采煤工作面推进到某个位置时，此时推进长度为S，沿采煤工作面每隔10m设置一个示踪气体接收位置，每个示踪气体接收位置均设置示踪气体接收器进行接收，并记录各示踪气体接收位置的接收示踪气体的释放时间、接收时间和示踪气体浓度，计算出示踪气体在煤矿井下采空区内的流动速度V＝(S+Y)/T，确定示踪气体的流动方向与流动范围，从而判断出煤矿井下采空区流场的气体流动方向和漏风范围。
在第三个技术方案中，作为优选的，重复实施上述的采空区漏风流场定时定点测定方法，待前一组定时定点测定装置内的示踪气体全部接收完毕后，根据前一组释放时间、接收时间和示踪气体浓度数据，再进行下一组定时定点测定装置的测定位置，在得到多组的数据后，通过多组数据拟合的方式来实现采空区气体流场参数的准确测定。
使用本发明的有益效果是：
利用采空区漏风流场定时定点测定装置，对煤矿井下采空区的漏风流场相关参数进行测定，主要测定参数有流场内气体流动方向、气体流动速度、漏风流的流动范围。利用本发明中的测定装置及测定方法测得的相关参数，提供采空区内漏风流场的基础数据，辅助数值模拟和数学计算等方法，更为准确的得出采空区漏风流场的流动状态，指导采空区瓦斯治理和火灾防治工作。
目前国内外对现采工作面采空区的探测手段主要为数值模拟和数据统计分析等，本发明首次提出采空区内部气体流动状态的测定方法，能解决采空区内漏风流场相关参数的测定问题，在瓦斯治理和采空区火灾防治等方面具有积极的推动意义。
同时，本发明也能丰富瓦斯防治的技术手段，为瓦斯治理的精细化提供基础数据，填补了采空区漏风流场直接测定方法的技术空白，作为一项新装置、新方法，将能在全国范围内上千个煤矿企业得到推广应用，进而加快本发明技术成果的转化和应用。
附图说明
图1是本发明采空区漏风流场定时定点测定装置处于未定时状态原理图。
图2是本发明采空区漏风流场定时定点测定装置处于已定时状态原理图。
图3是本发明采空区漏风流场定时定点测定装置定时释放完成后装置状态原理图。
图4是本发明采空区漏风流场定时定点测定装置定时完成后置于工作面后溜尾位置图。
图5是本发明工作面推进一定距离采空区漏风流场定时定点测定装置内示踪气体释放后置于采空区内的位置图。
图6是本发明沿工作面方向的示踪气体接收位置图。
附图标记包括：
1-箱体，2-释放孔，3-示踪气体瓶，4-瓶塞，5-杠杆，6-杠杆支撑轴杆，7-弹簧挡片，8-弹簧，9-滑块，10-拨动开口，11-滑块挡板，12-定时装置，13-定时装置轴杆，14-定时装置指针，15-定位物，16-采空区漏风流场定时定点测定装置，17-采空区，18-采煤工作面，19-回风巷，20-进风巷，21-示踪气体接收位置。
具体实施方式
为使本技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式，对本技术方案进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而不是要限制本技术方案的范围。
实施例1
如图1-图3所示，本实施例提出的采空区漏风流场定时定点测定装置16，包括箱体1、以及设置在箱体1内部的示踪气体瓶3、瓶塞4、杠杆5、杠杆支撑轴杆6、滑块9、滑块挡板11和定时装置12，其中箱体1上设有释放孔2，杠杆支撑轴杆6连接在杠杆5中段，杠杆5通过杠杆5支撑轴可转动的连接在箱体1内，示踪气体瓶3顶部具有瓶口，示踪气体瓶3设置在杠杆5第一侧的下方，杠杆5第一侧对应示踪气体瓶3瓶口处具有瓶塞4；杠杆5第二侧内置滑道，该滑道靠近杠杆支撑轴杆6的端部设有弹簧8，滑道远离杠杆支撑轴杆6的端部设有滑块挡板11，滑块9置于滑道内，滑道远离杠杆支撑轴杆6一侧顶部具有拨动开口10；定时装置12置于杠杆5第二侧上方，定时装置12具有可通过定时装置12驱动转动的定时装置轴杆13，该定时装置轴杆13上安装定时装置指针14，且定时装置轴杆13与拨动开口10相对，定时装置指针14自由末端的移动路劲进入拨动开口10；
在起始状态时，杠杆5水平，定时装置指针14止动滑块9并通过滑块9挤压弹簧8使弹簧8压缩，瓶塞4封闭示踪气体瓶3瓶口；在定时装置指针14离开滑块9后，弹簧8可将滑块9推移至拨动开口10处；在定时装置指针14通过定时装置12驱动按照预定时间旋转到拨动开口10处时，定时装置指针14下压滑块9，并使瓶塞4从示踪气体瓶3瓶口移开。
作为优选的，箱体1内设有用于平衡杠杆5的定位物15，该定位物15设置在杠杆5靠近第二端部的上方处。滑块9长度大于拨动开口10的开口长度。释放孔2设置在箱体1的周围和上方。
具体的，箱体1外壳上设置有若干个示踪气体释放孔2，在箱体1内部设置有示踪气体瓶3，示踪气体瓶3的瓶塞4设置在杠杆5左段上，杠杆5中间用杠杆支撑轴杆6固定在箱体1上，杠杆5右段内部空芯内分别顺序设有弹簧挡片7、弹簧8、滑块9、弧形凹槽和滑块挡板11，弧形凹槽上部设有指针的定时装置12，用定时装置轴杆13固定于箱体1上。箱体1的材质应具有一定抗压抗砸强度，保证箱体1内装置不被采空区17内的岩石碎块压坏、砸坏。杠杆支撑轴杆6两侧的杠杆5重量匹配。拨动开口10的弧度为以定时装置轴杆13至定时装置指针14末端点之间的距离为半径所形成的圆弧。滑块9长度大于拨动开口10在杠杆5延伸方向上的长度。释放孔2设置在箱体1的周围和上方。在箱体1上设置定位物15，刚好搭在杠杆5右端上方，使杠杆5在右侧仅能向下运动，起到平衡控制作用。定时装置指针14的材质应具有一定硬度，保证能将瓶塞4开启。
定时装置指针14与滑块9刚好接触，使得弹簧8处于压缩状态，具有一定弹力，能阻止滑块9向右滑动。定时装置12为市面上普通的机械定时器即可，由发条、齿轮等部件组成，定时装置指针14与定时装置12以及定时装置轴杆13之间的摩擦力大于弹簧8的弹力。
实施例2
本实施例提出的采空区漏风流场定时定点测定装置16的使用方法，使用实施例1中提出的采空区漏风流场定时定点测定装置16，其方法如下：
将采空区漏风流场定时定点测定装置16调试好，示踪气体瓶3的瓶塞4塞紧瓶口，定时装置指针14位于拨动开口10最底端，杠杆5处于平衡状态，即为定时装置12处于未定时状态，如图1所示。
拧紧定时装置12的发条，对测定装置进行定时，定时装置指针14离开拨动开口10，在弹簧8的推动作用下，滑块9向右滑动，拨动开口10被滑块9挡住，杠杆5仍然处于平衡状态，即为定时装置12处于定时状态，如图2所示。
当到达定时时间后，拨动开口10内空间已被滑块9挡住，定时装置指针14无法回到拨动开口10位置，定时装置指针14压迫杠杆5右端，使杠杆5左段抬起，瓶塞4从示踪气体瓶3上拔出，示踪气体由示踪气体瓶3内释放至箱体1内部，经释放孔2释放至箱体1外部，完成示踪气体定时释放，其测定装置释放后状态如图3所示。
实施例3
本实施例提出的采空区漏风流场定时定点测定方法，使用实施例1中提出的采空区漏风流场定时定点测定装置16。
如图4-图6所示，在煤矿井下工作面正在回采过程中，将采空区漏风流场定时定点测定装置16放置于采煤工作面18液压支架后溜尾位置，沿采煤工作面18走向方向在煤矿井下工作面正在回采过程中，将采空区漏风流场定时定点测定装置16放置于采煤工作面18液压支架后溜尾位置，测定装置距回风巷19侧煤壁水平距离为X，沿采煤工作面18走向方向距后溜尾的距离为Y，如图4所示，其中X可根据实际需要设置，Y则只需保证人员安全情况即可。采空区漏风流场定时定点测定装置16进行定时，设为T，在T时间内，采煤工作面18推进到某个位置时，此时推进度为S，从而，可以确定采空区漏风流场定时定点测定装置16的释放位置，释放位置为S+Y，如图5所示；并沿工作面每隔10m设置一个示踪气体接收位置21，每个示踪气体接收位置21均采用市面上有的同一型号示踪气体接收器进行接收，并记录各示踪气体接收位置21的接收示踪气体的释放时间、接收时间和示踪气体浓度，如图6所示，这样可以根据不同示踪气体接收位置21的接收情况，粗略计算出示踪气体在煤矿井下采空区17内的流动速度为(S+Y)/T，确定示踪气体的流动方向与流动范围，从而判断出煤矿井下采空区17流场的气体流动方向和漏风范围。回风巷19和进风巷20位置如图4所示。
为了更为精确的测定出煤矿井下采空区17内气体流动速度、流动方向和漏风流场范围等参数，需进行多组重复测定。在煤矿井下采空区17内，待前一组定时定点测定装置内的示踪气体全部接收完毕后，根据接收情况，记录各示踪气体接收位置21的接收示踪气体的释放时间、接收时间和示踪气体浓度，再进行下一组定时定点测定装置的测定，以此类推，进行N组后，输出大量测定数据，再通过数据拟合的方式来实现采空区17气体流场参数的准确测定。同时这些数据也为模拟采空区17流场提供了更为准确的基础参数，使得数值模拟和理论分析更接近采空区17实际情况。
以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本技术内容的思想，在具体实施方式及应用范围上可以作出许多变化，只要这些变化未脱离本发明的构思，均属于本专利的保护范围。
Claims (7)
1.采空区漏风流场定时定点测定装置，其特征在于：包括箱体、以及设置在箱体内部的示踪气体瓶、瓶塞、杠杆、杠杆支撑轴杆、滑块、滑块挡板和定时装置，其中箱体上设有释放孔，所述杠杆支撑轴杆连接在杠杆中段，杠杆通过杠杆支撑轴可转动的连接在箱体内，示踪气体瓶顶部具有瓶口，示踪气体瓶设置在杠杆第一侧的下方，杠杆第一侧对应示踪气体瓶瓶口处具有瓶塞；所述杠杆第二侧内置滑道，该滑道靠近杠杆支撑轴杆的端部设有弹簧，滑道远离杠杆支撑轴杆的端部设有滑块挡板，滑块置于滑道内，滑道远离杠杆支撑轴杆一侧顶部具有拨动开口；所述定时装置置于杠杆第二侧上方，定时装置具有可通过定时装置驱动转动的定时装置轴杆，该定时装置轴杆上安装定时装置指针，且定时装置轴杆与拨动开口相对，定时装置指针自由末端的移动路劲进入拨动开口；
在起始状态时，杠杆水平，定时装置指针止动滑块并通过滑块挤压弹簧使弹簧压缩，瓶塞封闭示踪气体瓶瓶口；在定时装置指针离开滑块后，弹簧可将滑块推移至拨动开口处；在定时装置指针通过定时装置驱动按照预定时间旋转到拨动开口处时，定时装置指针下压滑块，并使瓶塞从示踪气体瓶瓶口移开。
2.根据权利要求1所述的采空区漏风流场定时定点测定装置，其特征在于：所述箱体内设有用于平衡杠杆的硬片，该硬片设置在杠杆靠近第二端部的上方处。
3.根据权利要求1所述的采空区漏风流场定时定点测定装置，其特征在于：所述滑块长度大于拨动开口的开口长度。
4.根据权利要求1所述的采空区漏风流场定时定点测定装置，其特征在于：所述释放孔设置在箱体的周围和上方。
5.采空区漏风流场定时定点测定装置的使用方法，使用如权利要求1-4任一项所述的采空区漏风流场定时定点测定装置，其特征在于：
将采空区漏风流场定时定点测定装置调试好，瓶塞塞紧示踪气体瓶的瓶口，定时装置指针位于拨动开口内部，滑块压缩弹簧，杠杆处于平衡状态；
定时装置启动定时，定时装置指针离开拨动开口，在弹簧的推动作用下，滑块朝向拨动开口滑动，直至拨动开口被滑块挡住，杠杆处于平衡状态；
当到达定时时间后，定时装置指针通过接触滑块驱动杠杆第二侧下沉，并使杠杆第一侧抬起，瓶塞从示踪气体瓶上拔出，示踪气体由示踪气体瓶内释放至箱体内部，经释放孔释放至箱体外部，完成示踪气体定时释放。
6.采空区漏风流场定时定点测定方法，使用如权利要求1-4任一项所述的采空区漏风流场定时定点测定装置，其特征在于：在煤矿井下工作面正在回采过程中，将采空区漏风流场定时定点测定装置放置于采煤工作面液压支架后溜尾位置，沿采煤工作面走向方向距后溜尾的距离为Y，采空区漏风流场定时定点测定装置进行定时为T，在T时间内，采煤工作面推进到某个位置时，此时推进长度为S，沿采煤工作面每隔10m设置一个示踪气体接收位置，每个示踪气体接收位置均设置示踪气体接收器进行接收，并记录各示踪气体接收位置的接收示踪气体的释放时间、接收时间和示踪气体浓度，计算出示踪气体在煤矿井下采空区内的流动速度V＝(S+Y)/T，确定示踪气体的流动方向与流动范围，从而判断出煤矿井下采空区流场的气体流动方向和漏风范围。
7.根据权利要求6所述的采空区漏风流场定时定点测定方法，其特征在于：重复实施如权利要求6所述的采空区漏风流场定时定点测定方法，待前一组定时定点测定装置内的示踪气体全部接收完毕后，根据前一组释放时间、接收时间和示踪气体浓度数据，再进行下一组定时定点测定装置的测定位置，在得到多组的数据后，通过多组数据拟合的方式来实现采空区气体流场参数的准确测定。
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