CN112684100B - 一种模拟井下密闭空间煤自燃过程的实验装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

一种模拟井下密闭空间煤自燃过程的实验装置及使用方法，包括配气组件、检测分析组件及实验箱，实验箱的箱体侧壁上设有降温组件及内隔热阀门，箱体的内底部设有加热测温组件；配气组件和检测分析组件通过管路与实验箱连接。降温组件中导热控制滑块控制内壳体与半导体制冷片的间接连接。加热测温组件中导热油、搅拌扇、加热板均匀导热作用实现对煤样的均匀加热。利用分压法并通过配气组件使不同种类气体按比例混合，实现多组分混合气体环境。本发明能够模拟井下密闭空间，在实验所需的混合气体条件下均匀加热煤样或者对煤样降温。并能够检测分析气体分布、煤样温度和煤表面裂隙发育状况这三个重要的煤自燃过程中宏观物理变化量。

Description

一种模拟井下密闭空间煤自燃过程的实验装置及使用方法

技术领域

本发明涉及煤自燃技术领域，尤其是一种模拟井下密闭空间煤自燃过程的实验装置及使用方法。

背景技术

煤自燃问题是我国煤矿安全生产面临的主要问题之一，在井下密闭空间中，煤自燃会释放出有毒有害气体、造成瓦斯和煤尘爆炸等事故。目前煤自燃实验设备广泛应用于煤自燃的实验研究中，但较少有实验设备关注密闭空间中煤自燃过程。在搭建煤自燃实验设备模拟煤自燃过程中，煤自燃实验的模拟条件要等同或近似于现场的实际条件，这就要求实验所处的气体环境与现场实际情况相同，同为多组分混合气体，加热过程中煤样受热均匀，避免煤样各处受热温差较大，出现夹生煤现象，最后实验设备要具有良好的绝热性，防止煤与外界环境的的热交换问题对实验结果产生影响，以保障实验周期短和实验的仿真性。除此之外，煤自燃过程包括煤自燃升温过程和煤自燃降温过程，针对井下封闭火区等地点，研究煤自燃的降温过程，对火区启封工作具有重要的现实意义。

现有的研究煤自燃发火的实验设备主要是程序升温实验设备和大型煤自燃发火试验台，他们主要用于在漏风条件下研究煤的自燃的升温过程，对井下密闭空间中煤自燃的升温和降温过程的实验研究并不适用。并且这两种实验装置大都存在着煤体受热不均、易于外界发生热交换的问题，这无疑会影响煤自燃的实验进程和实验结果的准确性，会出现干扰因素多、实验数据可信度低，甚至造成实验结果严重失真的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、可以实现在绝热密闭的多组分混合气体环境下均匀加热煤样或对已被加热的煤样进行降温，并能够检测分析气体分布、煤样温度和煤表面裂隙发育状况的模拟井下密闭空间煤自燃过程的实验装置及使用方法。

本发明解决现有技术问题所采用的技术方案：一种模拟井下密闭空间煤自燃过程的实验装置，包括配气组件、检测分析组件及实验箱，配气组件包括混气储罐及通过管路与混气储罐相连的多个气体储罐，各气体储罐与混气储罐之间分别设有开关阀及压力表；检测分析组件包括气相色谱分析仪、数据采集仪、温度控制器及计算机；所述实验箱包括上端开放的箱体，该箱体包括内壳体和外壳体，内壳体与外壳体之间设有真空层；箱体的开放端设有箱盖，箱盖的底面四周设有密封圈；箱体的侧壁上设有降温组件及内隔热阀门，箱体的内底部设有加热测温组件；

所述降温组件包括半导体降温部件和导热部件，该半导体降温部件包括半导体制冷片及散热装置，散热装置固定于半导体制冷片的热端，半导体制冷片的冷端与所述外壳体的外壁连接；所述导热部件包括导热体，导热体设置于箱体侧壁的真空层内；

所述加热测温组件包括加热测温组件壳体，加热测温组件壳体内设有纵向设置的隔离推板，隔离推板的两侧分别为空气缓冲仓和用于盛装加热油的加热仓，空气缓冲仓中横向设置压缩弹簧，该压缩弹簧的两端分别与加热测温组件壳体的内侧壁和所述隔离推板相连，空气缓冲仓的加热测温组件壳体上设有泄压阀；加热仓内设有第一热电偶及电阻丝；加热测温组件壳体的顶部为加热板，第一热电偶与该加热板相接触，加热板的上方固定有金属环，并使金属环的轴线垂直于加热板，沿金属环的径向设置有至少一组热电偶组件，所述热电偶组件包括上下平行的第二热电偶，所述第二热电偶贯穿该金属环；

所述内隔热阀门包括第一内隔热阀门和第二内隔热阀门，第一内隔热阀门设置于箱体底部的侧壁上并与所述箱体内部连通，第二内隔热阀门设置于箱体上部的侧壁上并与所述箱体连通；所述混气储罐的输出端通过管路与第一内隔热阀门相连，混气储罐与该第一内隔热阀门之间设有压力表、真空泵及流量计；第二内隔热阀门与气相色谱分析仪相连，第一热电偶、第二热电偶、电阻丝均与温度控制器相连，数据采集仪的输入端与第一热电偶及第二热电偶相连，气相色谱分析仪及数据采集仪的输出端分别与计算机相连。

所述导热部件还包括导热控制滑块，所述导热控制滑块包括相互吸引的内磁体和外磁体，内磁体的一端固定于导热体上，内磁体的另一端与外壳体的内壁接触连接；外磁体通过与内磁体的吸附力吸附固定于外壳体的外壁；外磁体的端部设有绝缘帽盖。

所述导热体设置于半导体降温部件的上方或下方的真空层内。

加热组件壳体的两侧固定有多对热电偶组件固定杆，每对热电偶组件上固定一组热电偶组件，并使任一组热电偶组件作为中心热电偶组件沿金属环的直径贯穿金属环，其余热电偶组件平行于该中心热电偶贯穿金属环；金属环的环壁上对称切割有热电偶槽，所述第二热电偶通过该热电偶槽贯穿金属环，位于热电偶槽中的金属环与第二热电偶之间设有绝缘管。

所述散热装置包括散热铝片及风扇。

加热仓内设有搅动扇。

所述真空层内设有保温材料层。

箱体底部设有数据采集通孔，通孔内设有密封压环。

一种模拟井下密闭空间煤自燃过程的实验装置的使用方法，包括以下步骤：

S1：通过气体采集装置采集井下密闭空间气体环境中的各种气体的含量，得到各种气体的物质的量之比；按照采集到的气体种数设置相同数量的气体储罐，在各个气体储罐中分别输入对应种类的气体；根据道尔顿分压定律由各种气体的物质的量之比得到混气储罐中所需的各种气体的分压；得到实验所需的模拟环境；

S2：将煤样放入实验箱的金属环内，并使堆积的煤样高度与金属环的高度一致，关闭箱盖；

S3：启动真空泵，开启第一内隔热阀门，利用真空泵对实验箱抽真空后关闭真空泵和第一内隔热阀门；

S4：开启各气体储罐的开关阀，根据各个气体储罐相连的压力表按步骤S1得到的各种气体的分压将各个气体储罐中的气体输入混气储罐中；

S5：开启实验箱中的搅动扇，通过温度控制器控制电阻丝加热；之后开启数据采集仪、气相色谱分析仪、计算机，同时利用加热测温组件进行加热或利用降温组件进行降温，其中，加热测温组件从室温加热到350℃。

本发明的有益效果在于：本发明的实验装置设计合理，可靠性强，能够在模拟井下密闭空间，在实验所需的混合气体条件下均匀加热煤样或者对煤样降温，最大限度地近似现场的实际条件，并且能够检测分析气体分布、煤样温度和煤表面裂隙发育状况这三个重要的煤自燃过程中宏观物理变化量。

本发明采用的加热测温组件，由电阻丝进行供热，加热油进行均匀导热，避免干烧，搅拌扇搅动加热油起到进一步的均匀、平衡作用。第二热电偶与加热板连接，精准测量加热样品的温度，空气缓冲仓和泄压阀有效解决的导热油在加热和冷却过程中的膨胀收缩等问题，同时多个热电偶组件于分布金属环内，能够在不影响煤样受热性质的前提下测量煤样多位置的温度。

本发明设置半导体制冷片进行降温，同时利用磁吸式推移的导热控制滑块，控制外壳体和内壳体的导热速度。即通过导热体热量传递作用和半导体制冷片的冷却作用配合实现实验箱内部密闭空间的快速降温的效果。

本发明采用的实验箱，通过在内壳体和外壳体之间抽高真空、设置保温材料和采用内隔热阀门的措施有效避免了煤样在加热过程中的温度散失和外部环境对实验结果产生影响的问题，使煤样在加热过程中处于绝热密闭的环境。

本发明采用的配气组件，通用采用分压法使不同种类气体在混气罐中按实际井下的比例混合，得到多组分混合气体，可以使实验在不同的气体环境下进行。

附图说明

图1为本发明整体的结构示意图。

图2为本发明中实验箱的结构示意图。

图3为图2的A部放大图。

图4为本发明中加热测温组件的结构示意图。

图5为本发明中实验箱的俯视图。

图中：1-实验箱、2-气体储罐、3-混气储罐、4-四通管件、5-开关阀、6-压力表、7-气相色谱分析仪、8-数据采集仪、9-温度控制器、10-计算机、11-内壳体、12-外壳体、13-真空层、14-箱盖、15-密封圈、16-半导体制冷片、17-散热装置、18-导热体、19-内磁体、20-外磁体、21-绝缘帽盖、22-加热测温组件、23-加热测温组件壳体、24-隔离推板、25-空气缓冲仓、26-加热仓、27-压缩弹簧、28-泄压阀、29-第一热电偶、30-电阻丝、31-搅动扇、32-保温材料层、33-密封压环、34-加热板、35-金属环、35a-热电偶槽、36-第二热电偶、37-热电偶组件固定杆、38-中心热电偶组件、39-第一内隔热阀门、40-第二内隔热阀门、41-真空泵、42-三通阀、43-流量计、44-数字摄影仪。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施方式对本发明进行说明：

图1是本发明一种模拟井下密闭空间煤自燃过程的实验装置的结构示意图。一种模拟井下密闭空间煤自燃过程的实验装置，包括配气组件、检测分析组件及实验箱1。其中，配气组件包括混气储罐3及通过管路与混气储罐3相连的多个气体储罐2，各气体储罐2与混气储罐3之间分别设有开关阀5和压力表6。图1中采用的是三个气体储罐2，三个气体储罐2通过四通管件4与混气储罐3相连，每个气体储罐2与四通管件4之间分别设有开关阀5和压力表6，所用压力表6优选为超高精度数字压力表；检测分析组件包括气相色谱分析仪7、数据采集仪8、温度控制器9、计算机10及数字摄影仪44；如图2所示：实验箱1包括上端开放的箱体，该箱体包括内壳体11和外壳体12，内壳体11与外壳体12之间设有真空层13；箱体的开放端设有箱盖14，箱盖14同样优选为双层真空结构，箱盖14的底面四周设有密封圈15以与箱体密封连接，数字摄影仪44设于箱体上方，优选箱盖14采用钢化玻璃制造而成，以便于数字摄影仪透过箱盖14检测内部煤表面裂隙发育状况。

箱体的侧壁上设有降温组件及内隔热阀门，箱体的内底部设有加热测温组件22；优选地，在外壳体12的两相对侧面在相同高度处分别固定有降温组件。

如图2所示：降温组件包括半导体降温部件和导热部件，该半导体降温部件包括半导体制冷片16及散热装置17，散热装置17固定于半导体制冷片16的热端，散热装置17可采用散热铝片及风扇等。半导体制冷片16的冷端与外壳体12的外壁连接。

导热部件包括导热体18和导热控制滑块，其中导热控制滑块作为控制开关采用滑动磁吸式结构，具体如图3所示：导热控制滑块包括相互吸引的内磁体19和外磁体20，内磁体19的一端固定于导热体18上，内磁体19的另一端与外壳体12的内壁接触连接；外磁体20通过与内磁体19的吸附力吸附固定于外壳体12的外壁；从而实现通过上下移动外磁体20使控制导热体在真空层13内上、下移动的目的。优选将导热体18设置于半导体降温部件的上方或下方的真空层13内。外磁体20的端部设有绝缘帽盖21。

由于内壳体11和外壳体12之间为真空层13，真空条件下使内、外壳体11、12之间的导热性能不好，导热体18的作用是在需要快速降温的时候可以通过将导热体18移动至靠近半导体制冷片16的位置，间接连接半导体制冷片16和内壳体11内部进行降温。

而采用滑动磁吸式结构作为导热控制滑块的原因是要保障真空层13的密封性。

图4-5示出了加热测温组件22的具体结构：加热测温组件22包括加热测温组件壳体23，加热测温组件壳体23内设有纵向设置的隔离推板24，隔离推板24的两侧分别为空气缓冲仓25和用于盛装加热油的加热仓26，优选在加热测温组件壳体23内的两侧分别设置一个空气缓冲仓25。空气缓冲仓25中横向设置有压缩弹簧27，该压缩弹簧27的两端分别与加热测温组件壳体23的内侧壁和隔离推板24相连，在空气缓冲仓25的加热测温组件壳体23侧壁上设有泄压阀28，空气缓冲仓25的设计可以有效解决的导热油在加热和冷却过程中的膨胀收缩等问题：当导热油体积膨胀时，压缩弹簧27会收缩，空间缓冲仓空间减小，当导热油体积收缩时，压缩弹簧27会扩张，空间缓冲仓体积增大。加热仓26内设有第一热电偶29及电阻丝30，电阻丝30的周围可固定有搅动扇31；为达到良好的箱内保温效果，在真空层13内可设有保温材料层32。保温材料层32可为气凝胶或石棉布；加热测温组件壳体23的顶部为加热板34，其中加热板34可以选用陶瓷板、石英板或耐高温玻璃板，第一热电偶29与该加热板34相接触，加热板34的上方固定有金属环35，并使金属环35的轴线垂直于加热板34，沿金属环35的径向设置有至少一组热电偶组件，热电偶组件具体包括上、下平行的第二热电偶36。每条第二热电偶36贯穿该金属环35；具体地，如图5 所示，采用的是三组热电偶组件， 在加热测温组件壳体23的两侧固定有三对热电偶组件固定杆37，每对热电偶组件上固定一组热电偶组件，为更全面的对金属环35内的温度进行控制，将其中一组热电偶组件作为中心热电偶组件38沿金属环35的直径贯穿金属环35，其余热电偶组件平行于该中心热电偶贯穿金属环35；金属环35的环壁上对称切割有热电偶槽35a，热电偶组件中的每条第二热电偶36通过对应的热电偶槽35a贯穿金属环35，同时在位于热电偶槽35a中的第二热电偶36上套接陶瓷管实现金属环35与第二热电偶36之间的绝缘。

如图1所示：内隔热阀门包括第一内隔热阀门39和第二内隔热阀门40，第一内隔热阀门39设置于箱体底部的侧壁上并与箱体内部连通，第二内隔热阀门40设置于箱体上部的侧壁上并与箱体连通；混气储罐3的输出端通过管路与第一内隔热阀门39相连，混气储罐3与该第一内隔热阀门39之间设有真空泵41，该真空泵41通过三通阀42连接在混气储罐3与该第一内隔热阀门39之间的管路上，该管路上设置有流量计43和压力表6；第二内隔热阀门40与气相色谱分析仪7相连。第一热电偶29、第二热电偶36、电阻丝30均与温度控制器9相连，数据采集仪8的输入端与第一热电偶29及第二热电偶36相连，温度控制器9及数据采集仪8的输入端均通过设置于箱体底部的数据采集通孔与第一热电偶29及第二热电偶36相连接，为保持实验箱1的封闭性，数据采集通孔内设有密封压环33。气相色谱分析仪7及数据采集仪8的输出端分别与计算机10相连。通过计算机10与气相色谱分析仪7、数据采集仪8及数字摄影仪44器之间的数据通讯及结果展示均通过现有的软件程序实现。

一种模拟井下密闭空间煤自燃过程的实验装置的使用方法，包括以下步骤：

S1：通过气体采集装置采集井下密闭空间气体环境中的各种气体的含量，得到各种气体的各种气体的物质的量之比；按照采集到的气体种数设置相同数量的气体储罐2，在各个气体储罐2中分别输入对应种类的气体；根据道尔顿分压定律由各种气体的物质的量之比得到混气储罐3中所需的各种气体的分压，即通过公式PV=nRT，其中，P为气体压力，V为气体体积，n为气体的物质的量、T为温度，R为理想气体常数。即：各气体储罐的压力的变化等于相同环境下物质的量的变化，通过此方法可以根据采集得到各种气体的物质的量之比确定通入混气储罐3中各气体含量或进入混气储罐3中各气体比例；从而得到实验所需的模拟环境；

S2：将煤样放入实验箱1的金属环35内，并使堆积的煤样高度与金属环35的高度一致，关闭箱盖14；

S3：启动真空泵41，开启第一内隔热阀门39，利用真空泵41对实验箱1抽真空后关闭真空泵41和第一内隔热阀门39；

S4：开启各气体储罐2的开关阀5，根据各个气体储罐2相连的压力表6按步骤S1得到的各种气体的分压将各个气体储罐2中的气体输入混气储罐3中；

S5：开启实验箱1中的搅动扇31，通过温度控制器9控制电阻丝30加热；在达到实验需求的预热温度后，开启数据采集仪8、气相色谱分析仪7、计算机10、数字摄影仪44，同时利用加热测温组件22进行加热或利用降温组件进行降温，其中，加热测温组件22可从室温加热到350℃。

以上内容是结合具体的优选技术方案对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种模拟井下密闭空间煤自燃过程的实验装置，包括配气组件、检测分析组件及实验箱，配气组件包括混气储罐及通过管路与混气储罐相连的多个气体储罐，各气体储罐与混气储罐之间分别设有开关阀及压力表；检测分析组件包括气相色谱分析仪、数据采集仪、温度控制器及计算机；其特征在于，所述实验箱包括上端开放的箱体，该箱体包括内壳体和外壳体，内壳体与外壳体之间设有真空层；箱体的开放端设有箱盖，箱盖的底面四周设有密封圈；箱体的侧壁上设有降温组件及内隔热阀门，箱体的内底部设有加热测温组件；

所述降温组件包括半导体降温部件和导热部件，该半导体降温部件包括半导体制冷片及散热装置，散热装置固定于半导体制冷片的热端，半导体制冷片的冷端与所述外壳体的外壁连接；所述导热部件包括导热体，导热体设置于箱体侧壁的真空层内；

所述加热测温组件包括加热测温组件壳体，加热测温组件壳体内设有纵向设置的隔离推板，隔离推板的两侧分别为空气缓冲仓和用于盛装加热油的加热仓，空气缓冲仓中横向设置压缩弹簧，该压缩弹簧的两端分别与加热测温组件壳体的内侧壁和所述隔离推板相连，空气缓冲仓的加热测温组件壳体上设有泄压阀；加热仓内设有第一热电偶、电阻丝及搅动扇；加热测温组件壳体的顶部为加热板，第一热电偶与该加热板相接触，加热板的上方固定有金属环，并使金属环的轴线垂直于加热板，沿金属环的径向设置有至少一组热电偶组件，所述热电偶组件包括上下平行的第二热电偶，所述第二热电偶贯穿该金属环；

所述内隔热阀门包括第一内隔热阀门和第二内隔热阀门，第一内隔热阀门设置于箱体底部的侧壁上并与所述箱体内部连通，第二内隔热阀门设置于箱体上部的侧壁上并与所述箱体连通；所述混气储罐的输出端通过管路与第一内隔热阀门相连，混气储罐与该第一内隔热阀门之间设有压力表、真空泵及流量计；第二内隔热阀门与气相色谱分析仪相连，第一热电偶、第二热电偶、电阻丝均与温度控制器相连，数据采集仪的输入端与第一热电偶及第二热电偶相连，气相色谱分析仪及数据采集仪的输出端分别与计算机相连。

2.根据权利要求1所述的一种模拟井下密闭空间煤自燃过程的实验装置，其特征在于，所述导热部件还包括导热控制滑块，所述导热控制滑块包括相互吸引的内磁体和外磁体，内磁体的一端固定于导热体上，内磁体的另一端与外壳体的内壁接触连接；外磁体通过与内磁体的吸附力吸附固定于外壳体的外壁；外磁体的端部设有绝缘帽盖。

3.根据权利要求1所述的一种模拟井下密闭空间煤自燃过程的实验装置，其特征在于，所述导热体设置于半导体降温部件的上方或下方的真空层内。

4.根据权利要求1所述的一种模拟井下密闭空间煤自燃过程的实验装置，其特征在于，加热组件壳体的两侧固定有多对热电偶组件固定杆，每对热电偶组件上固定一组热电偶组件，并使任一组热电偶组件作为中心热电偶组件沿金属环的直径贯穿金属环，其余热电偶组件平行于该中心热电偶贯穿金属环；金属环的环壁上对称切割有热电偶槽，所述第二热电偶通过该热电偶槽贯穿金属环，位于热电偶槽中的金属环与第二热电偶之间设有绝缘管。

5.根据权利要求1所述的一种模拟井下密闭空间煤自燃过程的实验装置，其特征在于，所述散热装置包括散热铝片及风扇。

6.根据权利要求1所述的一种模拟井下密闭空间煤自燃过程的实验装置，其特征在于，所述真空层内设有保温材料层。

7.根据权利要求1所述的一种模拟井下密闭空间煤自燃过程的实验装置，其特征在于，箱体底部设有数据采集通孔，通孔内设有密封压环。

8.根据权利要求1所述的一种模拟井下密闭空间煤自燃过程的实验装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：通过气体采集装置采集井下密闭空间气体环境中的各种气体的含量，得到各种气体的物质的量之比；按照采集到的气体种数设置相同数量的气体储罐，在各个气体储罐中分别输入对应种类的气体；根据道尔顿分压定律由各种气体的物质的量之比得到混气储罐中所需的各种气体的分压；得到实验所需的模拟环境；

S2：将煤样放入实验箱的金属环内，并使堆积的煤样高度与金属环的高度一致，关闭箱盖；

S3：启动真空泵，开启第一内隔热阀门，利用真空泵对实验箱抽真空后关闭真空泵和第一内隔热阀门；

S4：开启各气体储罐的开关阀，根据各个气体储罐相连的压力表按步骤S1得到的各种气体的分压将各个气体储罐中的气体输入混气储罐中；

S5：开启实验箱中的搅动扇，通过温度控制器控制电阻丝加热；之后开启数据采集仪、气相色谱分析仪、计算机，同时利用加热测温组件进行加热或利用降温组件进行降温，其中，加热测温组件从室温加热到350℃。

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