CN113513354A - 一种高地温矿井采空区热湿风流交换模拟实验方法 - Google Patents

一种高地温矿井采空区热湿风流交换模拟实验方法 Download PDF

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CN113513354A CN202110596958.1A CN202110596958A CN113513354A CN 113513354 A CN113513354 A CN 113513354A CN 202110596958 A CN202110596958 A CN 202110596958A CN 113513354 A CN113513354 A CN 113513354A
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Abstract

本发明公开了一种高地温矿井采空区热湿风流交换模拟实验方法，包括步骤：一、根据采空区模拟实验箱内空隙率称取陶瓷粒子；二、陶瓷粒子预热；三、采集采空区模拟实验箱内初始条件下温度场分布；四、第一湿度且第一通风速度下采空区热湿风流交换模拟实验；五、第一湿度且第二通风速度下采空区热湿风流交换模拟实验；六、第二湿度且第一通风速度下采空区热湿风流交换模拟实验；七、更新采空区模拟实验箱内空隙率，获取不同空隙率下的风流扩散速度和路径范围。本发明通过模拟热湿风流交换，了解采空区内部高温分布特点，为高地温矿井采空区煤自燃的防治提供理论依据。

Description

一种高地温矿井采空区热湿风流交换模拟实验方法
技术领域
本发明属于高地温矿井采空区模拟技术领域，具体涉及一种高地温矿井采空区热湿风流交换模拟实验方法。
背景技术
煤炭作为我国的主要能源之一，随着经济社会的不断发展，煤炭资源消耗量增大，煤矿开采逐渐向深部发展。随着矿井深度的增加，地温逐渐升高导致矿井内部空气及巷道壁面温度逐渐上升；随着开采技术的不断发展，煤炭的高效开采以及机械化程度大大提升，提高了煤炭生产量，从而使得矿井的高温高湿问题逐渐凸显，增加了煤层自燃的可能性。采空区内留有大量遗煤，当采空区内持续供氧，并有良好的蓄热条件时，高地温矿井更容易造成煤自燃现象。由于采空区范围大，结构极其复杂，内部遗煤不均匀分布，并且难以实现监测预警。
由于采空区范围较大，探测采空区高温区域位置需要对采空区内部松散煤体的煤自燃演变过程进行深入研究，而目前现场缺少对该问题的检测方式，建立相似模拟实验系统是研究工作面采空区内部流场分布以及煤自燃规律方法之一，通过相似模拟实验对工作面采空区流场和煤自燃演变过程进行研究，明确采空区内流场的分布、温度场分布、热量传递过程及影响矿井采空区内部高温区域位置分布的各种因素，从而为实际条件下采空区高温区域的定位、其动态发展变化的过程以及高地温采空区煤自燃的防治提供理论和实验支撑。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种高地温矿井采空区热湿风流交换模拟实验方法，其设计新颖合理，预热陶瓷粒子模拟高地温矿井采空区，利用空隙率模拟高地温矿井不同开采状态，通过模拟不同通风条件不同湿度风流交换，了解采空区内部高温分布特点，用于深井高地温矿井的复杂条件下工作面热湿风流与采空区遗煤的热交换作用，以便模拟采空区内部煤自燃演变过程，为高地温矿井采空区煤自燃的防治提供理论依据，便于推广使用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高地温矿井采空区热湿风流交换模拟实验方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤一、构建高地温矿井采空区热湿风流交换模拟实验平台：构建高地温矿井采空区热湿风流交换模拟实验平台，所述高地温矿井采空区热湿风流交换模拟实验平台包括保温箱、设置在保温箱内的矿井采空区模拟实验台和设置在保温箱外的热湿风流发生机构，所述保温箱的顶部为透明结构，所述矿井采空区模拟实验台包括采空区模拟实验箱和工作面模拟实验箱，所述采空区模拟实验箱为立方体结构，所述工作面模拟实验箱为U形结构，所述工作面模拟实验箱包括与采空区模拟实验箱等宽的工作面巷道、以及分别设置在工作面巷道两端且均与工作面巷道连通的进风巷和回风巷，所述采空区模拟实验箱和工作面巷道通过镂空板连通，所述采空区模拟实验箱内沿长度方向两端为风巷填充区，所述采空区模拟实验箱内位于两个风巷填充区之间且沿长度方向依次划分为采空区第一填充区、采空区第二填充区和采空区第三填充区，采空区第一填充区靠近工作面巷道划分，采空区第一填充区内填充有第一陶瓷粒子，采空区第二填充区内填充有第二陶瓷粒子，采空区第三填充区内填充有第三陶瓷粒子，风巷填充区内填充有第四陶瓷粒子，第一陶瓷粒子、第二陶瓷粒子、第三陶瓷粒子和第四陶瓷粒子的粒径依次减小；
所述热湿风流发生机构包括与进风巷连通的进风管道、安装在进风管道远离进风巷一端的风机和安装在保温箱顶部用于采集采空区模拟实验箱内温度分布的红外热像仪，回风管的一端与进风管道靠近进风巷的一端连通，回风管的另一端与风机连通，进风管道靠近进风巷的一端安装有第一电磁阀，回风管与进风管道连通的一端安装有第二电磁阀，进风管道位于回风管和风机之间的管段上安装有水雾发生器、加热片和温湿度测量仪；
步骤二、根据采空区模拟实验箱内空隙率称取陶瓷粒子：根据公式
Figure BDA0003091503610000031
获取采空区第一填充区中第一陶瓷粒子的称取质量
Figure BDA0003091503610000032
采空区第二填充区中第二陶瓷粒子的称取质量
Figure BDA0003091503610000033
采空区第三填充区中第三陶瓷粒子的称取质量
Figure BDA0003091503610000034
和风巷填充区中第四陶瓷粒子的称取质量
Figure BDA0003091503610000035
其中，ρ为陶瓷的体积密度，单位为g/cm3或kg/cm3，
Figure BDA0003091503610000036
为采空区第一填充区的体积，
Figure BDA0003091503610000037
为采空区第二填充区的体积，
Figure BDA0003091503610000038
为采空区第三填充区的体积，
Figure BDA0003091503610000039
为两个风巷填充区的总体积，P1为采空区第一填充区的孔隙率，P2为采空区第二填充区的孔隙率，P3为采空区第三填充区的孔隙率，P4为风巷填充区的孔隙率；
步骤三、陶瓷粒子预热并放入采空区模拟实验箱：将第一陶瓷粒子、第二陶瓷粒子、第三陶瓷粒子和第四陶瓷粒子预先预热至指定的第一温度后，放入采空区模拟实验箱内密封；
步骤四、采集采空区模拟实验箱内初始条件下温度场分布：利用红外热像仪和多个温度计采集采空区模拟实验箱内初始条件下温度场分布数据，并将数据传输至计算机；
步骤五、第一湿度且第一通风速度下采空区热湿风流交换模拟实验：关闭第一电磁阀，打开第二电磁阀，启动风机，风流以第一通风速度输出，利用水雾发生器对风流加湿，利用加热片对风流加热，利用温湿度测量仪测量第一通风速度下风流的温度和湿度，当第一通风速度下风流的温度达到第一温度且其湿度达到第一湿度时，打开第一电磁阀，关闭第二电磁阀，风流以第一温度、第一湿度且第一通风速度进入采空区模拟实验箱；
利用红外热像仪和多个温度计采集采空区模拟实验箱内当前温度场分布数据，并将数据传输至计算机，计算机获取风流扩散速度和路径范围；
步骤六、第一湿度且第二通风速度下采空区热湿风流交换模拟实验：关闭第一电磁阀，打开第二电磁阀，启动风机，风流以第二通风速度输出，利用水雾发生器对风流加湿，利用加热片对风流加热，利用温湿度测量仪测量第二通风速度下风流的温度和湿度，当第二通风速度下风流的温度达到第一温度且其湿度达到第一湿度时，打开第一电磁阀，关闭第二电磁阀，风流以第一温度、第一湿度且第二通风速度进入采空区模拟实验箱；
利用红外热像仪和多个温度计采集采空区模拟实验箱内当前温度场分布数据，并将数据传输至计算机，计算机获取风流扩散速度和路径范围；
其中，第二通风速度不等于第一通风速度；
步骤七、第二湿度且第一通风速度下采空区热湿风流交换模拟实验：关闭第一电磁阀，打开第二电磁阀，启动风机，风流以第一通风速度输出，利用水雾发生器对风流加湿，利用加热片对风流加热，利用温湿度测量仪测量第一通风速度下风流的温度和湿度，当第一通风速度下风流的温度达到第一温度且其湿度达到第二湿度时，打开第一电磁阀，关闭第二电磁阀，风流以第一温度、第二湿度且第一通风速度进入采空区模拟实验箱；
利用红外热像仪和多个温度计采集采空区模拟实验箱内当前温度场分布数据，并将数据传输至计算机，计算机获取风流扩散速度和路径范围；
其中，第二湿度不等于第一湿度；
步骤八、更新采空区模拟实验箱内空隙率，重复步骤二至步骤七，获取采空区模拟实验箱内不同空隙率下的风流扩散速度和路径范围。
上述的一种高地温矿井采空区热湿风流交换模拟实验方法，其特征在于：所述风巷填充区、进风巷和回风巷等宽。
上述的一种高地温矿井采空区热湿风流交换模拟实验方法，其特征在于：所述采空区模拟实验箱内设置有多个温度计。
上述的一种高地温矿井采空区热湿风流交换模拟实验方法，其特征在于：所述温湿度测量仪、红外热像仪和温度计均与计算机的输入端连接，水雾发生器、加热片、第一电磁阀和第二电磁阀均由计算机控制。
上述的一种高地温矿井采空区热湿风流交换模拟实验方法，其特征在于：所述保温箱上设置有排气阀。
上述的一种高地温矿井采空区热湿风流交换模拟实验方法，其特征在于：所述风机为轴流式风机，水雾发生器为超声波震荡式水雾发生器。
上述的一种高地温矿井采空区热湿风流交换模拟实验方法，其特征在于：所述第一陶瓷粒子的粒径为12mm～15mm，第二陶瓷粒子的粒径为8mm～12mm，第三陶瓷粒子的粒径为3mm～8mm，第四陶瓷粒子的粒径为0.1mm～3mm。
上述的一种高地温矿井采空区热湿风流交换模拟实验方法，其特征在于：步骤四、步骤五和步骤六实验过程中，利用保温箱上的排气阀排气，保持保温箱压强稳定。
上述的一种高地温矿井采空区热湿风流交换模拟实验方法，其特征在于：步骤五实验之前，需要对采空区模拟实验箱进行除湿；
步骤六实验之前，需要对采空区模拟实验箱进行除湿。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明采用的实验平台，通过在保温箱内设置矿井采空区模拟实验台，利用保温箱对矿井采空区模拟实验台保温，并预热陶瓷粒子模拟高地温矿井采空区，在实验室内反映高地温矿井采空区环境，在保温箱外设置热湿风流发生机构为矿井采空区模拟实验台提供热湿风流交换模拟条件，保温箱的顶部为透明结构，以便红外热像仪采集采空区模拟实验箱内温度场变化图像，根据实际矿井同比例缩小参数，构建采空区模拟实验箱，在箱内根据实际条件划分风巷填充区、第一填充区、采空区第二填充区和采空区第三填充区，填充陶瓷粒子，第一陶瓷粒子、第二陶瓷粒子、第三陶瓷粒子和第四陶瓷粒子的粒径依次减小，利用空隙率模拟高地温矿井不同开采状态，陶瓷粒子吸热慢且不会引起矿井热动力灾害，实验有效且安全可靠，便于推广使用。
2、本发明采用的实验平台，通过设置进风管道和回风管，并在进风管道和回风管分叉位置设置第一电磁阀和第二电磁阀，当水雾发生器和加热片对风流预处理合格后，通入采空区模拟实验箱内，实验严谨，测量有效，使用效果好。
3、本发明方法步骤简单，预热陶瓷粒子模拟高地温矿井采空区，利用空隙率模拟高地温矿井不同开采状态，通过模拟不同通风条件不同湿度风流交换，可以实现在实验室条件下，直观快速地了解采空区内部的温度场变化情况、高温点分布情况以及通风条件变化对煤自燃演变的影响，用于深井高地温矿井的复杂条件下工作面热湿风流与采空区遗煤的热交换作用，以便模拟采空区内部煤自燃演变过程，为高地温矿井采空区煤自燃的防治提供理论依据，便于推广使用。
综上所述，本发明设计新颖合理，预热陶瓷粒子模拟高地温矿井采空区，利用空隙率模拟高地温矿井不同开采状态，通过模拟不同通风条件不同湿度风流交换，可以实现在实验室条件下，直观快速地了解采空区内部的温度场变化情况、高温点分布情况以及通风条件变化对煤自燃演变的影响，用于深井高地温矿井的复杂条件下工作面热湿风流与采空区遗煤的热交换作用，以便模拟采空区内部煤自燃演变过程，为高地温矿井采空区煤自燃的防治提供理论依据，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实验平台的结构连接示意图。
图2为本发明的电路原理框图。
图3为本发明方法的流程框图。
附图标记说明:
1—保温箱； 2—进风巷； 3—回风巷；
4—工作面巷道； 5—风巷填充区； 6—采空区第一填充区；
7—采空区第二填充区； 8—采空区第三填充区； 9—进风管道；
10—风机； 11—水雾发生器； 12—加热片；
13—温湿度测量仪； 14—回风管； 15—第二电磁阀；
16—第一电磁阀； 17—红外热像仪； 18—温度计；
19—计算机。
具体实施方式
如图1至图3所示，本发明所述的一种高地温矿井采空区热湿风流交换模拟实验方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤一、构建高地温矿井采空区热湿风流交换模拟实验平台：构建高地温矿井采空区热湿风流交换模拟实验平台，所述高地温矿井采空区热湿风流交换模拟实验平台包括保温箱1、设置在保温箱1内的矿井采空区模拟实验台和设置在保温箱1外的热湿风流发生机构，所述保温箱1的顶部为透明结构，所述矿井采空区模拟实验台包括采空区模拟实验箱和工作面模拟实验箱，所述采空区模拟实验箱为立方体结构，所述工作面模拟实验箱为U形结构，所述工作面模拟实验箱包括与采空区模拟实验箱等宽的工作面巷道4、以及分别设置在工作面巷道4两端且均与工作面巷道4连通的进风巷2和回风巷3，所述采空区模拟实验箱和工作面巷道4通过镂空板连通，所述采空区模拟实验箱内沿长度方向两端为风巷填充区5，所述采空区模拟实验箱内位于两个风巷填充区5之间且沿长度方向依次划分为采空区第一填充区6、采空区第二填充区7和采空区第三填充区8，采空区第一填充区6靠近工作面巷道4划分，采空区第一填充区6内填充有第一陶瓷粒子，采空区第二填充区7内填充有第二陶瓷粒子，采空区第三填充区8内填充有第三陶瓷粒子，风巷填充区5内填充有第四陶瓷粒子，第一陶瓷粒子、第二陶瓷粒子、第三陶瓷粒子和第四陶瓷粒子的粒径依次减小；
所述热湿风流发生机构包括与进风巷2连通的进风管道9、安装在进风管道9远离进风巷2一端的风机10和安装在保温箱1顶部用于采集采空区模拟实验箱内温度分布的红外热像仪17，回风管14的一端与进风管道9靠近进风巷2的一端连通，回风管14的另一端与风机10连通，进风管道9靠近进风巷2的一端安装有第一电磁阀16，回风管14与进风管道9连通的一端安装有第二电磁阀15，进风管道9位于回风管14和风机10之间的管段上安装有水雾发生器11、加热片12和温湿度测量仪13；
步骤二、根据采空区模拟实验箱内空隙率称取陶瓷粒子：根据公式
Figure BDA0003091503610000081
获取采空区第一填充区6中第一陶瓷粒子的称取质量
Figure BDA0003091503610000082
采空区第二填充区7中第二陶瓷粒子的称取质量
Figure BDA0003091503610000083
采空区第三填充区8中第三陶瓷粒子的称取质量
Figure BDA0003091503610000084
和风巷填充区5中第四陶瓷粒子的称取质量
Figure BDA0003091503610000085
其中，ρ为陶瓷的体积密度，单位为g/cm3或kg/cm3，
Figure BDA0003091503610000086
为采空区第一填充区6的体积，
Figure BDA0003091503610000087
为采空区第二填充区7的体积，
Figure BDA0003091503610000088
为采空区第三填充区8的体积，
Figure BDA0003091503610000089
为两个风巷填充区5的总体积，P1为采空区第一填充区6的孔隙率，P2为采空区第二填充区7的孔隙率，P3为采空区第三填充区8的孔隙率，P4为风巷填充区5的孔隙率；
步骤三、陶瓷粒子预热并放入采空区模拟实验箱：将第一陶瓷粒子、第二陶瓷粒子、第三陶瓷粒子和第四陶瓷粒子预先预热至指定的第一温度后，放入采空区模拟实验箱内密封；
步骤四、采集采空区模拟实验箱内初始条件下温度场分布：利用红外热像仪17和多个温度计18采集采空区模拟实验箱内初始条件下温度场分布数据，并将数据传输至计算机19；
步骤五、第一湿度且第一通风速度下采空区热湿风流交换模拟实验：关闭第一电磁阀16，打开第二电磁阀15，启动风机10，风流以第一通风速度输出，利用水雾发生器11对风流加湿，利用加热片12对风流加热，利用温湿度测量仪13测量第一通风速度下风流的温度和湿度，当第一通风速度下风流的温度达到第一温度且其湿度达到第一湿度时，打开第一电磁阀16，关闭第二电磁阀15，风流以第一温度、第一湿度且第一通风速度进入采空区模拟实验箱；
利用红外热像仪17和多个温度计18采集采空区模拟实验箱内当前温度场分布数据，并将数据传输至计算机19，计算机19获取风流扩散速度和路径范围；
步骤六、第一湿度且第二通风速度下采空区热湿风流交换模拟实验：关闭第一电磁阀16，打开第二电磁阀15，启动风机10，风流以第二通风速度输出，利用水雾发生器11对风流加湿，利用加热片12对风流加热，利用温湿度测量仪13测量第二通风速度下风流的温度和湿度，当第二通风速度下风流的温度达到第一温度且其湿度达到第一湿度时，打开第一电磁阀16，关闭第二电磁阀15，风流以第一温度、第一湿度且第二通风速度进入采空区模拟实验箱；
利用红外热像仪17和多个温度计18采集采空区模拟实验箱内当前温度场分布数据，并将数据传输至计算机19，计算机19获取风流扩散速度和路径范围；
其中，第二通风速度不等于第一通风速度；
步骤七、第二湿度且第一通风速度下采空区热湿风流交换模拟实验：关闭第一电磁阀16，打开第二电磁阀15，启动风机10，风流以第一通风速度输出，利用水雾发生器11对风流加湿，利用加热片12对风流加热，利用温湿度测量仪13测量第一通风速度下风流的温度和湿度，当第一通风速度下风流的温度达到第一温度且其湿度达到第二湿度时，打开第一电磁阀16，关闭第二电磁阀15，风流以第一温度、第二湿度且第一通风速度进入采空区模拟实验箱；
利用红外热像仪17和多个温度计18采集采空区模拟实验箱内当前温度场分布数据，并将数据传输至计算机19，计算机19获取风流扩散速度和路径范围；
其中，第二湿度不等于第一湿度；
步骤八、更新采空区模拟实验箱内空隙率，重复步骤二至步骤七，获取采空区模拟实验箱内不同空隙率下的风流扩散速度和路径范围。
本实施例中，所述风巷填充区5、进风巷2和回风巷3等宽。
本实施例中，所述采空区模拟实验箱内设置有多个温度计18。
本实施例中，所述温湿度测量仪13、红外热像仪17和温度计18均与计算机19的输入端连接，水雾发生器11、加热片12、第一电磁阀16和第二电磁阀15均由计算机19控制。
本实施例中，所述保温箱1上设置有排气阀。
本实施例中，所述风机10为轴流式风机，水雾发生器11为超声波震荡式水雾发生器。
本实施例中，所述第一陶瓷粒子的粒径为12mm～15mm，第二陶瓷粒子的粒径为8mm～12mm，第三陶瓷粒子的粒径为3mm～8mm，第四陶瓷粒子的粒径为0.1mm～3mm。
本实施例中，骤四、步骤五和步骤六实验过程中，利用保温箱1上的排气阀排气，保持保温箱1压强稳定。
本实施例中，步骤五实验之前，需要对采空区模拟实验箱进行除湿；
步骤六实验之前，需要对采空区模拟实验箱进行除湿。
需要说明的是，通过在保温箱1内设置矿井采空区模拟实验台，利用保温箱1对矿井采空区模拟实验台保温，并预热陶瓷粒子模拟高地温矿井采空区，在实验室内反映高地温矿井采空区环境，在保温箱1外设置热湿风流发生机构为矿井采空区模拟实验台提供热湿风流交换模拟条件，保温箱1的顶部为透明结构，以便红外热像仪17采集采空区模拟实验箱内温度场变化图像，根据实际矿井同比例缩小参数，构建采空区模拟实验箱，在箱内根据实际条件划分风巷填充区5、第一填充区6、采空区第二填充区7和采空区第三填充区8，填充陶瓷粒子，第一陶瓷粒子、第二陶瓷粒子、第三陶瓷粒子和第四陶瓷粒子的粒径依次减小，利用空隙率模拟高地温矿井不同开采状态，陶瓷粒子性质稳定，吸热慢、不吸湿且不会引起矿井热动力灾害，实验有效且安全可靠；通过设置进风管道9和回风管14，并在进风管道9和回风管14分叉位置设置第一电磁阀16和第二电磁阀15，当水雾发生器11和加热片12对风流预处理合格后，通入采空区模拟实验箱内，实验严谨。
需要说明的是，红外热像仪17可使用FOTRIC 600K系列固定式热成像仪，可用于井下、矿井等危险环境中，实现连续、自动、非接触式采集，方便准确。
实际使用中，高地温矿井采空区热湿风流交换模拟实验平台还可实验初采、正常回采、末采阶段及停采阶段的热湿风流交换模拟。
本发明使用时，方法步骤简单，预热陶瓷粒子模拟高地温矿井采空区，利用空隙率模拟高地温矿井不同开采状态，通过模拟不同通风条件不同湿度风流交换，可以实现在实验室条件下，直观快速地了解采空区内部的温度场变化情况、高温点分布情况以及通风条件变化对煤自燃演变的影响，用于深井高地温矿井的复杂条件下工作面热湿风流与采空区遗煤的热交换作用，以便模拟采空区内部煤自燃演变过程，为高地温矿井采空区煤自燃的防治提供理论依据。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (9)

1.一种高地温矿井采空区热湿风流交换模拟实验方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤一、构建高地温矿井采空区热湿风流交换模拟实验平台：构建高地温矿井采空区热湿风流交换模拟实验平台，所述高地温矿井采空区热湿风流交换模拟实验平台包括保温箱(1)、设置在保温箱(1)内的矿井采空区模拟实验台和设置在保温箱(1)外的热湿风流发生机构，所述保温箱(1)的顶部为透明结构，所述矿井采空区模拟实验台包括采空区模拟实验箱和工作面模拟实验箱，所述采空区模拟实验箱为立方体结构，所述工作面模拟实验箱为U形结构，所述工作面模拟实验箱包括与采空区模拟实验箱等宽的工作面巷道(4)、以及分别设置在工作面巷道(4)两端且均与工作面巷道(4)连通的进风巷(2)和回风巷(3)，所述采空区模拟实验箱和工作面巷道(4)通过镂空板连通，所述采空区模拟实验箱内沿长度方向两端为风巷填充区(5)，所述采空区模拟实验箱内位于两个风巷填充区(5)之间且沿长度方向依次划分为采空区第一填充区(6)、采空区第二填充区(7)和采空区第三填充区(8)，采空区第一填充区(6)靠近工作面巷道(4)划分，采空区第一填充区(6)内填充有第一陶瓷粒子，采空区第二填充区(7)内填充有第二陶瓷粒子，采空区第三填充区(8)内填充有第三陶瓷粒子，风巷填充区(5)内填充有第四陶瓷粒子，第一陶瓷粒子、第二陶瓷粒子、第三陶瓷粒子和第四陶瓷粒子的粒径依次减小；
所述热湿风流发生机构包括与进风巷(2)连通的进风管道(9)、安装在进风管道(9)远离进风巷(2)一端的风机(10)和安装在保温箱(1)顶部用于采集采空区模拟实验箱内温度分布的红外热像仪(17)，回风管(14)的一端与进风管道(9)靠近进风巷(2)的一端连通，回风管(14)的另一端与风机(10)连通，进风管道(9)靠近进风巷(2)的一端安装有第一电磁阀(16)，回风管(14)与进风管道(9)连通的一端安装有第二电磁阀(15)，进风管道(9)位于回风管(14)和风机(10)之间的管段上安装有水雾发生器(11)、加热片(12)和温湿度测量仪(13)；
步骤二、根据采空区模拟实验箱内空隙率称取陶瓷粒子：根据公式
Figure FDA0003091503600000021
获取采空区第一填充区(6)中第一陶瓷粒子的称取质量
Figure FDA0003091503600000022
采空区第二填充区(7)中第二陶瓷粒子的称取质量
Figure FDA0003091503600000023
采空区第三填充区(8)中第三陶瓷粒子的称取质量
Figure FDA0003091503600000024
和风巷填充区(5)中第四陶瓷粒子的称取质量
Figure FDA0003091503600000025
其中，ρ为陶瓷的体积密度，单位为g/cm3或kg/cm3，
Figure FDA0003091503600000026
为采空区第一填充区(6)的体积，
Figure FDA0003091503600000027
为采空区第二填充区(7)的体积，
Figure FDA0003091503600000028
为采空区第三填充区(8)的体积，
Figure FDA0003091503600000029
为两个风巷填充区(5)的总体积，P1为采空区第一填充区(6)的孔隙率，P2为采空区第二填充区(7)的孔隙率，P3为采空区第三填充区(8)的孔隙率，P4为风巷填充区(5)的孔隙率；
步骤三、陶瓷粒子预热并放入采空区模拟实验箱：将第一陶瓷粒子、第二陶瓷粒子、第三陶瓷粒子和第四陶瓷粒子预先预热至指定的第一温度后，放入采空区模拟实验箱内密封；
步骤四、采集采空区模拟实验箱内初始条件下温度场分布：利用红外热像仪(17)和多个温度计(18)采集采空区模拟实验箱内初始条件下温度场分布数据，并将数据传输至计算机(19)；
步骤五、第一湿度且第一通风速度下采空区热湿风流交换模拟实验：关闭第一电磁阀(16)，打开第二电磁阀(15)，启动风机(10)，风流以第一通风速度输出，利用水雾发生器(11)对风流加湿，利用加热片(12)对风流加热，利用温湿度测量仪(13)测量第一通风速度下风流的温度和湿度，当第一通风速度下风流的温度达到第一温度且其湿度达到第一湿度时，打开第一电磁阀(16)，关闭第二电磁阀(15)，风流以第一温度、第一湿度且第一通风速度进入采空区模拟实验箱；
利用红外热像仪(17)和多个温度计(18)采集采空区模拟实验箱内当前温度场分布数据，并将数据传输至计算机(19)，计算机(19)获取风流扩散速度和路径范围；
步骤六、第一湿度且第二通风速度下采空区热湿风流交换模拟实验：关闭第一电磁阀(16)，打开第二电磁阀(15)，启动风机(10)，风流以第二通风速度输出，利用水雾发生器(11)对风流加湿，利用加热片(12)对风流加热，利用温湿度测量仪(13)测量第二通风速度下风流的温度和湿度，当第二通风速度下风流的温度达到第一温度且其湿度达到第一湿度时，打开第一电磁阀(16)，关闭第二电磁阀(15)，风流以第一温度、第一湿度且第二通风速度进入采空区模拟实验箱；
利用红外热像仪(17)和多个温度计(18)采集采空区模拟实验箱内当前温度场分布数据，并将数据传输至计算机(19)，计算机(19)获取风流扩散速度和路径范围；
其中，第二通风速度不等于第一通风速度；
步骤七、第二湿度且第一通风速度下采空区热湿风流交换模拟实验：关闭第一电磁阀(16)，打开第二电磁阀(15)，启动风机(10)，风流以第一通风速度输出，利用水雾发生器(11)对风流加湿，利用加热片(12)对风流加热，利用温湿度测量仪(13)测量第一通风速度下风流的温度和湿度，当第一通风速度下风流的温度达到第一温度且其湿度达到第二湿度时，打开第一电磁阀(16)，关闭第二电磁阀(15)，风流以第一温度、第二湿度且第一通风速度进入采空区模拟实验箱；
利用红外热像仪(17)和多个温度计(18)采集采空区模拟实验箱内当前温度场分布数据，并将数据传输至计算机(19)，计算机(19)获取风流扩散速度和路径范围；
其中，第二湿度不等于第一湿度；
步骤八、更新采空区模拟实验箱内空隙率，重复步骤二至步骤七，获取采空区模拟实验箱内不同空隙率下的风流扩散速度和路径范围。
2.按照权利要求1所述的一种高地温矿井采空区热湿风流交换模拟实验方法，其特征在于：所述风巷填充区(5)、进风巷(2)和回风巷(3)等宽。
3.按照权利要求1所述的一种高地温矿井采空区热湿风流交换模拟实验方法，其特征在于：所述采空区模拟实验箱内设置有多个温度计(18)。
4.按照权利要求3所述的一种高地温矿井采空区热湿风流交换模拟实验方法，其特征在于：所述温湿度测量仪(13)、红外热像仪(17)和温度计(18)均与计算机(19)的输入端连接，水雾发生器(11)、加热片(12)、第一电磁阀(16)和第二电磁阀(15)均由计算机(19)控制。
5.按照权利要求1所述的一种高地温矿井采空区热湿风流交换模拟实验方法，其特征在于：所述保温箱(1)上设置有排气阀。
6.按照权利要求1所述的一种高地温矿井采空区热湿风流交换模拟实验方法，其特征在于：所述风机(10)为轴流式风机，水雾发生器(11)为超声波震荡式水雾发生器。
7.按照权利要求1所述的一种高地温矿井采空区热湿风流交换模拟实验方法，其特征在于：所述第一陶瓷粒子的粒径为12mm～15mm，第二陶瓷粒子的粒径为8mm～12mm，第三陶瓷粒子的粒径为3mm～8mm，第四陶瓷粒子的粒径为0.1mm～3mm。
8.按照权利要求5所述的一种高地温矿井采空区热湿风流交换模拟实验方法，其特征在于：步骤四、步骤五和步骤六实验过程中，利用保温箱(1)上的排气阀排气，保持保温箱(1)压强稳定。
9.按照权利要求1所述的一种高地温矿井采空区热湿风流交换模拟实验方法，其特征在于：步骤五实验之前，需要对采空区模拟实验箱进行除湿；
步骤六实验之前，需要对采空区模拟实验箱进行除湿。
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