CN113218616B - 一种用于模拟煤矿采空区注浆隔断漏风的物理实验平台 - Google Patents

一种用于模拟煤矿采空区注浆隔断漏风的物理实验平台 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于模拟煤矿采空区注浆隔断漏风的物理实验平台，适用于研究多孔介质区域注浆堵漏防灭火特性，该平台由模拟采空区、模拟综采工作面、模拟进风巷、模拟回风巷、离心风机一、自动气体采样泵、气相色谱仪、数据采集卡、上位机、风速传感器一、压力传感器、温度传感器、加热装置、升降支架、注浆孔、玻璃板一、玻璃板二、细缝、模拟巷道、离心风机二、电源、气体采样管道端口、直立支架、风速传感器二、玻璃板三、玻璃板四、玻璃板五、干湿温度计所组成，通过改变工作面的通风方式，监测在U型或Y型通风方式下，不同漏风条件的煤矿采空区随着浆体的泵入其内部不同深度、高度的气体浓度及漏风强度的变化规律。本发明可实现多种通风方式下注浆堵漏防灭火实验，其结构简单、操作方便、实验功能多，可为矿井通风及防灭火实验提供支持。

Description

一种用于模拟煤矿采空区注浆隔断漏风的物理实验平台
技术领域
本发明属于煤矿技术领域，具体涉及一种适用于研究多孔介质区域注浆堵漏防灭火特性的模拟煤矿采空区注浆隔断漏风的物理实验平台。
背景技术
近年来，随着综采放顶煤机械开采技术的广泛使用、瓦斯抽放技术的推广，造成采空区遗留残煤多、漏风严重，导致煤炭自燃火灾频发，给煤矿企业造成重大损失。为了保证煤矿的安全开采，煤矿通常采用注泥浆、注阻化泡沫、注凝胶等堵漏防灭火材料，用于隔断采空区漏风，抑制遗煤氧化自燃，但是由于采空区内充满垮落煤岩，工作人员无法进入进行观测，仅凭工作经验进行注浆往往不能达到预期的堵漏效果。而物理相似模拟能在最大限度模拟出复杂工况现场的同时具有观测方便、操作简单等优点，故可对漏风严重、环境复杂的采空区进行物理模拟注浆，从而得到最佳注浆方案，达到隔断采空区漏风、防止采空区遗煤自然发火的目的。
发明内容
本发明一种用于模拟煤矿采空区注浆隔断漏风的物理实验平台,其目的在于针对由于工作人员无法进入采空区观测，导致注浆堵漏难以达到预期的效果，提供一种模拟采空区注浆隔断漏风的物理实验平台，为设计采空区注浆封堵漏风方案提供数据支撑。
本发明一种用于模拟煤矿采空区注浆隔断漏风的物理实验平台，其特征在于，所述物理实验平台由模拟采空区1、模拟综采工作面2、模拟进风巷3、模拟回风巷4、离心风机一5、自动气体采样泵6、气相色谱仪7、数据采集卡8、上位机9、风速传感器一10、压力传感器11、温度传感器12、加热装置13、升降支架14、注浆孔15、玻璃板一16、玻璃板二17、细缝18、模拟巷道19、离心风机二20、电源21、气体采样管道端口22、直立支架23、风速传感器二24、玻璃板三25、玻璃板四26、玻璃板五27、干湿温度计28所组成。
所述模拟采空区1与模拟综采工作面2经玻璃板一16、玻璃板二17中的细缝18相连通，模拟采空区1中以散碎石子模拟冒落岩石块，以易燃煤块模拟残留遗煤，模拟综采工作面2连接有模拟进风巷3、模拟回风巷4，模拟回风巷4、模拟巷道19分别连接有离心风机一5与离心风机二20；
所述加热装置13位于模拟采空区1底部中心，连接至电源21，上述气体采样管道端口22、温度传感器12与风速传感器一10通过直立支架23设置在模拟采空区1中，气体采样管道端口22连接至自动气体采样泵6，自动气体采样泵6连接至气相色谱仪7，气相色谱仪7连接至上位机9，温度传感器12与风速传感器一10连接至数据采集卡8；上述压力传感器11、风速传感器二24与干湿温度计28设置在综采工作面2上、下隅角及玻璃板三25距巷道19适宜距离处，压力传感器11、风速传感器二24与干湿温度计28连接至数据采集卡8，数据采集卡8连接至上位机9；上述升降支架14与模拟采空区1相连接，并通过调节自身高度来调节模拟采空区1的倾斜角度，上述注浆孔15位于模拟采空区1冒落带顶部，上述玻璃板一16、玻璃板二17与玻璃板三25中的细缝18按顺序依次排列。
上述的一种用于模拟煤矿采空区注浆隔断漏风的物理实验平台，其特征在于，当模拟综采工作面2采用U型通风方式时，插入玻璃板二17与玻璃板四26，抽出玻璃板三25与玻璃板五27，开启离心风机一5进行通风，然后打开电源21，启动加热装置13对模拟采空区1进行加热至适宜温度，通过注浆孔15将浆体泵入模拟采空区1中，采用气相色谱仪7、温度传感器12与风速传感器一10监测采空区随着浆体的泵入其内部不同深度、高度的气体浓度、温度及漏风强度的变化规律，根据压力传感器11、风速传感器二24与干湿温度计28的示数值，计算漏风量；当模拟综采工作面2采用Y型通风方式时，插入玻璃板三25与玻璃板五27，抽出玻璃板二17与玻璃板四26，移除离心风机一5，开启离心风机二20进行通风，然后打开电源21，启动加热装置13对模拟采空区1进行加热至适宜温度，通过注浆孔15将浆体泵入模拟采空区1中，采用气相色谱仪7、温度传感器12与风速传感器一10监测采空区随着浆体的泵入其内部不同深度、高度的气体浓度、温度及漏风强度的变化规律，根据压力传感器11、风速传感器二24与干湿温度计28的示数值，计算漏风量。
与现有技术比，本发明通过改变实验平台模拟工作面的通风方式，监测在U型或Y型通风方式下，在不同漏风条件下的不同倾角的煤层采空区随着浆体的泵入其内部不同深度、高度的气体浓度及漏风强度的变化规律，为研究采空区注浆封堵漏风效果提供数据支撑。本发明安全可靠、实用性强。
附图说明
图1为一种用于模拟煤矿采空区注浆隔断漏风的物理实验平台的结构示意图；
图2为直立支架结构示意图。
图中：1-模拟采空区；2-模拟综采工作面；3-模拟进风巷；4-模拟回风巷；5-离心风机一；6-自动气体采样泵；7-气相色谱仪；8-数据采集卡；9-上位机；10-风速传感器一；11-压力传感器；12-温度传感器；13-加热装置；14-升降支架；15-注浆孔；16-玻璃板一；17-玻璃板二；18-细缝；19-模拟巷道；20-离心风机二；21-电源；22-气体采样管道端口；23-直立支架；24-风速传感器二；25-玻璃板三；26-玻璃板四；27-玻璃板五；28-干湿温度计。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明：
本发明提供了一种用于模拟煤矿采空区注浆隔断漏风的物理实验平台，所述物理实验平台由保温玻璃板搭建构成，它由模拟采空区1、模拟综采工作面2、模拟进风巷3、模拟回风巷4、离心风机一5、自动气体采样泵6、气相色谱仪7、数据采集卡8、上位机9、风速传感器一10、压力传感器11、温度传感器12、加热装置13、升降支架14、注浆孔15、玻璃板一16、玻璃板二17、细缝18、模拟巷道19、离心风机二20、电源21、气体采样管道端口22、直立支架23、风速传感器二24、玻璃板三25、玻璃板四26、玻璃板五27、干湿温度计28等组成。
所述模拟采空区1长1.2m、宽0.8m，模拟采空区1与模拟综采工作面2经玻璃板一16、玻璃板二17中的细缝18相连通，模拟采空区1中以散碎石子模拟冒落岩石块，以易燃煤块模拟残留遗煤，模拟综采工作面2高为0.1m，宽为0.2m，连接有模拟进风巷3、模拟回风巷4，模拟回风巷4连接有离心风机一5，模拟巷道19连接有离心风机二20，模拟进风巷3、模拟回风巷4、模拟巷道19的高与宽均为0.1m，模拟采空区1冒落带高0.5m；上述加热装置13位于模拟采空区1底部中心，连接至电源21。
气体采样管道端口22、温度传感器12与风速传感器一10通过直立支架23设置在模拟采空区1中，若干直立支架23分别位于距模拟综采工作面2的0.3m、0.9m处水平线上，相邻直立支架23左右间距为0.6m，距模拟采空区1边界的最短水平距离均为0.1m，同一直立支架中的气体采样管道端口22间的上下间距为0.2m、温度传感器12间的上下间距为0.2m、风速传感器一10间的上下间距也为0.2m，气体采样管道端口22连接至自动气体采样泵6，自动气体采样泵6连接至气相色谱仪7，气相色谱仪7连接至上位机9，温度传感器12与风速传感器一10连接至数据采集卡8。
压力传感器11、风速传感器二24与干湿温度计28设置在综采工作面2上、下隅角及玻璃板三25距巷道19的0.05m处，压力传感器11、风速传感器二24与干湿温度计28连接至数据采集卡8，数据采集卡8连接至上位机9。
升降支架14与模拟采空区1相连接，并通过调节自身高度来调节模拟采空区1的倾斜角度，上述注浆孔15位于模拟采空区1冒落带顶部，距模拟综采工作面2水平距离为0.6m；玻璃板一16、玻璃板二17、玻璃板三25均设有若干细缝18，细缝18的长是0.05m，宽是0.01m，按间隔0.05m来依次排列。
上述的一种用于模拟煤矿采空区注浆隔断漏风的物理实验平台，当模拟综采工作面2采用U型通风方式时，插入玻璃板二17与玻璃板四26，抽出玻璃板三25与玻璃板五27，开启离心风机一5进行通风，然后打开电源21，启动加热装置13对模拟采空区1进行加热至800℃、1000℃或1200℃左右为止，通过注浆孔15将浆体泵入模拟采空区1中，采用气相色谱仪7、温度传感器12与风速传感器一10监测采空区随着浆体的泵入其内部不同深度、高度的气体浓度、温度及漏风强度的变化规律，根据压力传感器11、风速传感器二24与干湿温度计28的示数值，通过联立
Figure 30676DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 169534DEST_PATH_IMAGE002
与
Figure 346437DEST_PATH_IMAGE003
来计算漏风量，漏风量越小说明堵漏材料的封堵性能越好，通过升降支架14分别调整模拟综采工作面2的倾角为15°、30°、45°和60°，重复上述过程。当模拟综采工作面2采用Y型通风方式时，插入玻璃板二25与玻璃板四27，抽出玻璃板三17与玻璃板五26，移除离心风机一5，开启离心风机二20进行通风，然后打开电源21，启动加热装置13对模拟采空区1进行加热至800℃、1000℃或1200℃左右为止，通过注浆孔（15）将浆体泵入模拟采空区1中，采用气相色谱仪7、温度传感器12与风速传感器一10监测采空区随着浆体的泵入其内部不同深度、高度的气体浓度、温度及漏风强度的变化规律，根据压力传感器11、风速传感器二24与干湿温度计28的示数值，通过联立（式1）、（式2）与（式3）来计算漏风量，漏风量越小说明堵漏材料的封堵性能越好，通过升降支架14分别调整模拟综采工作面2的倾角为15°、30°、45°和60°，重复上述过程。
所述
Figure 596153DEST_PATH_IMAGE001
式中：Q——漏风风量，m3/s；
Δh——漏风通道两端的压差，Pa；
R——漏风通道风阻，N·s2/m8；
n——漏风风流流态的指数，n=1~2；
所述
Figure 378164DEST_PATH_IMAGE002
式中：Ri-j——第i点与第j点间的风阻，N·s2/m8；
△Pi-j——第i点与第j点处的压差，Pa;
Vi——第i点处的风速，m/s;
Vj——第j点处的风速，m/s;
Figure 156764DEST_PATH_IMAGE004
——第i点处的风流密度，kg/m;
Figure 227488DEST_PATH_IMAGE005
——第j点处的风流密度，kg/m3;
Figure 139950DEST_PATH_IMAGE006
——第i点与第j点间风流密度的平均值，kg/m3;
Zi——第i点处的标高，m;
Zj——第j点处的标高，m;
g——重力加速度，取9.8m/s2;
所述
Figure 979730DEST_PATH_IMAGE007
式中：
Figure 758592DEST_PATH_IMAGE008
——测点的空气或风流密度，kg/m3；
P——测点空气的绝对静压或大气压力，Pa；
T——测点空气的温度，℃；
PS——温度t时饱和水蒸汽的分压，Pa；
Φ——相对湿度，%；
所述测点相对湿度Φ、温度t时饱和水蒸汽的分压PS可根据干湿温度计28的示数值通过查资料计算得到。

Claims (1)

1.一种用于模拟煤矿采空区注浆隔断漏风的物理实验平台，由模拟采空区（1）、模拟综采工作面（2）、模拟进风巷（3）、模拟回风巷（4）、离心风机一（5）、自动气体采样泵（6）、气相色谱仪（7）、数据采集卡（8）、上位机（9）、风速传感器一（10）、压力传感器（11）、温度传感器（12）、加热装置（13）、升降支架（14）、注浆孔（15）、玻璃板一（16）、玻璃板二（17）、细缝（18）、模拟巷道（19）、离心风机二（20）、电源（21）、气体采样管道端口（22）、直立支架（23）风速传感器二（24）、玻璃板三（25）、玻璃板四（26）、玻璃板五（27）和干湿温度计（28）组成；模拟采空区（1）与模拟综采工作面（2）经玻璃板一（16）、玻璃板二（17）中的细缝（18）相连通，模拟综采工作面（2）连接有模拟进风巷（3）、模拟回风巷（4），模拟回风巷（4）、模拟巷道（19）分别连接有离心风机一（5）与离心风机二（20）；上述加热装置（13）位于模拟采空区（1）底部中心，连接至电源（21），上述气体采样管道端口（22）、温度传感器（12）与风速传感器一（10）通过直立支架（23）设置在模拟采空区（1）中，气体采样管道端口（22）连接至自动气体采样泵（6），自动气体采样泵（6）连接至气相色谱仪（7），气相色谱仪（7）连接至上位机（9），温度传感器（12）与风速传感器一（10）连接至数据采集卡（8）；上述压力传感器（11）、风速传感器二（24）与干湿温度计（28）设置在综采工作面（2）上、下隅角及玻璃板三（25）距巷道（19）适宜距离处，压力传感器（11）、风速传感器二（24）与干湿温度计（28）连接至数据采集卡（8），数据采集卡（8）连接至上位机（9）；上述升降支架（14）与模拟采空区（1）相连接，并通过调节自身高度来调节模拟采空区（1）的倾斜角度，上述注浆孔（15）位于模拟采空区（1）冒落带顶部，上述玻璃板一（16）、玻璃板二（17）与玻璃板三（25）中的细缝（18）按顺序依次排列；其特征在于，当模拟综采工作面（2）采用U型通风方式时，插入玻璃板二（17）与玻璃板五（27），抽出玻璃板三（25）与玻璃板四（26），开启离心风机一（5）进行通风，然后打开电源（21），启动加热装置（13）对模拟采空区（1）进行加热至适宜温度，通过注浆孔（15）将浆体泵入模拟采空区（1）中，采用气相色谱仪（7）、温度传感器（12）与风速传感器一（10）监测采空区随着浆体的泵入其内部不同深度、高度的气体浓度、温度及漏风强度的变化规律，根据压力传感器（11）、风速传感器二（24）与干湿温度计（28）的示数值，计算漏风量；当模拟综采工作面（2）采用Y型通风方式时，插入玻璃板三（25）与玻璃板四（26），抽出玻璃板二（17）与玻璃板五（27），移除离心风机一（5），开启离心风机二（20）进行通风，然后打开电源（21），启动加热装置（13）对模拟采空区（1）进行加热至适宜温度，通过注浆孔（15）将浆体泵入模拟采空区（1）中，采用气相色谱仪（7）、温度传感器（12）与风速传感器一（10）监测采空区随着浆体的泵入其内部不同深度、高度的气体浓度、温度及漏风强度的变化规律，根据压力传感器（11）、风速传感器二（24）与干湿温度计（28）的示数值，计算漏风量。
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