CN114320455A - 一种采煤条件下采空区智能注惰降温防火系统及实施方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于采矿技术领域，具体涉及一种采煤条件下采空区智能注惰降温防火系统及实施方法。系统包括测温模块、采空区注惰降温防火模拟软件和注惰降温模块，测温模块用于监测惰性气体注入前采空区不同深度的温度数据；模拟软件与测温模块信号连接，用于根据监测的惰性气体注入前的温度数据和预先获取的采空区基本参数来模拟得到采空区高温区域位置和最高温度，并将该模拟结果与所监测的温度数据作比对，在比对结果相吻合时，通过调整惰性气体的参数来确定惰性气体的实施参数；注惰降温模块与模拟软件信号连接，用于根据惰性气体的实施参数将惰性气体降温后注入采空区。本发明能有效地降低注入时的惰性气体温度，提高气体利用率，减少成本。

Description

一种采煤条件下采空区智能注惰降温防火系统及实施方法

技术领域

本发明属于采矿技术领域，具体涉及一种采煤条件下采空区智能注惰降温防火系统及实施方法。

背景技术

采煤条件下，采空区自燃发火严重威胁着矿井安全生产，是综合开采工作面实现高效生产的主要障碍之一。煤炭开采过程中采空区煤炭遗留和工作面是不可避免的，煤粒与新鲜风流中氧气结合发生氧化反应并不断积蓄热量，最终导致采空区遗煤自燃，这是压力场、氧浓度场和温度场多场耦合作用的结果，影响因素众多，存在一定的预测评估难度。

惰化防灭火是采煤条件下一种有效防灭火方法，其实质是向采空区氧化带内或火区内注入一定流量的惰性气体，使其O₂含量降到10%或3%以下，达到防灭火的目的。惰性气体注入深度和注入流量是惰化防灭火的重要参数，直接决定着采空区降温防火效果。惰性气体释放口距工作面过近不利于采空区后部含氧气量的降低，距工作面过远则不能达到惰化采空区煤炭自燃氧化带的要求，同时也要考虑采煤条件下采空区的漏风，尽量减少采空区内惰性气体的泄漏，控制防火成本；惰性气体注入流量太小就起不到防火的作用，太大造成经济上的浪费。由于煤矿条件千差万别，惰性气体的注入流量需要按待注地点工作面的产量、吨煤注入流量、瓦斯量、氧化带内的O₂含量进行计算。

因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采煤条件下采空区智能注惰降温防火系统及实施方法，以解决或缓解上述现有技术中存在的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种采煤条件下采空区智能注惰降温防火系统，所述系统包括：

测温模块，用于监测采煤条件下惰性气体注入前采空区不同深度的温度数据；

采空区注惰降温防火模拟软件，与所述测温模块信号连接，用于根据所述测温模块监测的惰性气体注入前的温度数据和预先获取的采空区基本参数来模拟得到采空区高温区域位置和最高温度，并将该模拟结果与所述测温模块所监测的温度数据作比对，在比对结果相吻合时，通过调整惰性气体的参数来确定惰性气体的实施参数；其中，所述采空区基本参数包括采空区工作面推进速度、进风温度、回风温度和通风阻力，所述惰性气体的参数包括惰性气体注入流量、注入深度和注入温度；

注惰降温模块，与所述采空区注惰降温防火模拟软件信号连接，用于根据所述采空区注惰降温防火模拟软件确定的惰性气体的实施参数将惰性气体降温后注入采空区。

可选地，所述测温模块包括感温探头、温度数显仪和测温电缆，所述感温探头和所述温度数显仪采用所述测温电缆连接，所述感温探头设置于采空区，所述温度数显仪与所述采空区注惰降温防火模拟软件信号连接。 所述感温探头设置有多个，多个所述感温探头均采用测温电缆连接于所述温度数显仪，多个所述感温探头沿工作面顺槽成排设置于采空区内。

可选地，所述采空区注惰降温防火模拟软件内配置有相互耦合的采空区流场模型、氧浓度场模型和温度场模型，所述采空区流场模型包括注惰前的流场模型和注惰时的流场模型，所述氧浓度场模型包括注惰前的氧浓度场模型和注惰时的氧浓度场模型，所述温度场模型包括注惰前的温度场模型和注惰时的温度场模型；所述采空区注惰降温防火模拟软件基于所述注惰前的流场模型、注惰前的氧浓度场模型和注惰前的温度场模型，根据所述测温模块监测的惰性气体注入前的温度数据和采空区基本参数，预测出采煤条件下采空区高温区域位置和最高温度，并基于所述注惰时的流场模型、注惰时的氧浓度场模型和注惰时的温度场模型，通过调整惰性气体的参数来确定惰性气体的实施参数。

可选地，所述注惰前的流场模型为：

所述注惰时的流场模型为：

式中，K为采空区内煤岩的渗透系数，单位为m/s；g为重力加速度，单位为m/s²；P为静压与动压之和，单位为Pa；

为方向向量；S为单元面积，单位为m²；ρ _g 、ρ _D 分别为空气与惰性气体的密度，单位均为kg/m³；q _D 为惰性气体注入流量，单位为m³/s，n为采空区煤岩的孔隙率，单位为%；h为采空区进风巷和回风巷的高度差，单位为m；

所述注惰前的氧浓度场模型和注惰时的氧浓度场模型均为

式中：C为氧气摩尔浓度，单位为mol/m³；k为氧气的扩散系数常数，单位为m²/s；v为漏风速度，单位为m/s；u(t)为单位时间单位体积的耗氧量，单位为mol/(s·m³)；

所述注惰前的温度场模型和注惰时的温度场模型均包括固体温度场模型和气体温度场模型，所述固体温度场模型为：

所述气体温度场模型为：

式中：T _s 、T _g 分别为煤岩和进入采空区的气体的温度，单位均为K；ρ _s 、ρ _g 分别为煤岩和气体的密度，单位均为kg/m³；λ _s 、λ _g 分别为煤岩和气体的导热系数，单位均为W/m·K；C _s 、C _g 分别为煤岩和气体的比热容，单位均为J/(kg·K)；K _e 为煤岩与气体的对流换热系数，单位为W/(m²·K)；S _e 为比表面积，单位均为1/m； q(t)为单位时间内控制体内遗煤的放热强度，单位为W/m³；v ₀ 为工作面推进速度，单位为m/s。

可选地，所述注惰降温模块包括惰性气体生成装置、惰性气体深冷装置、输气管和注气管，所述惰性气体生成装置的出口和所述惰性气体深冷装置的进口之间采用所述输气管连接，所述惰性气体深冷装置的出口连接有输气管，所述输气管远离所述惰性气体深冷装置的一端连接有注气管，所述注气管至少部分埋入至采空区内；与所述惰性气体深冷装置的出口连接的输气管上设置有流量阀，所述惰性气体深冷装置和所述流量阀均与所述采空区注惰降温防火模拟软件信号连接。

可选地，所述惰性气体深冷装置布置于在机巷联络巷内，且与采空区工作面的间距小于200m。

可选地，所述注气管为无缝钢管，所述注气管的长度不小于20m，所述注气管距其埋入端5m的管上间隔开设有多个注气孔，多个所述注气孔均位于采空区内，且沿螺旋线分布，相邻两个注气孔沿所述注气管的长度方向间隔0.3m，沿所述注气管的周向间隔120°；所述注气管高出煤层底板20-30cm。

可选地，所述输气管为无缝钢管，外部采用保温层包覆，所述输气管与所述惰性气体生成装置出口的连接处、所述输气管与所述惰性气体深冷装置进口的连接处、输气管与注气管的连接处均采用防腐冷缠带包裹；所述输气管呈平直吊挂设置，其吊挂高度不低于1.5m。

可选地，所述测温模块还用于监测采煤条件下惰性气体注入时采空区不同深度的温度数据，所述采空区注惰降温防火模拟软件还用于根据测温模块监测的惰性气体注入前和注入时的温度数据变化来控制所述注惰降温模块调节惰性气体的注入流量和注入温度。

本发明还提供了一种采煤条件下采空区智能注惰降温防火系统的实施方法，所述实施方法包括以下步骤：

步骤一，获取采空区基本参数和所述测温模块监测的惰性气体注入前的温度数据，并输入所述采空区注惰降温防火模拟软件中；其中，所述采空区基本参数包括采空区工作面推进速度、进风温度、回风温度和通风阻力；

步骤二，基于采空区基本参数和惰性气体注入前的温度数据，所述采空区注惰降温防火模拟软件模拟得到采空区高温区域位置和最高温度，并将该模拟结果与所述测温模块所监测的温度数据作比对，在比对结果相吻合时，通过调整惰性气体的参数来确定惰性气体的实施参数，其中，所述惰性气体的参数包括惰性气体注入流量、注入深度和注入温度；

步骤三，基于惰性气体的实施参数，所述采空区注惰降温防火模拟软件控制所述注惰降温模块将惰性气体降温后注入采空区；

步骤三之后，还包括：

步骤四，获取所述测温模块监测的惰性气体注入时的温度数据，并将惰性气体注入时的温度数据输入所述采空区注惰降温防火模拟软件中，所述采空区注惰降温防火模拟软件根据惰性气体注入前和注入时的温度数据变化控制所述注惰降温模块调节惰性气体的注入流量和注入温度。

有益效果：

本发明的采煤条件下采空区智能注惰降温防火系统，利用采空区注惰降温防火模拟软件可以智能地对采煤条件下采空区进行注惰降温防火，有效地解决采煤条件下惰性气体注入前采空区高温点不明，以经验方法选取惰性气体注入深度的问题，根据模拟结果可以直观判断惰性气体注入深度以及需要确定的参数。并且，基于采空区注惰降温防火模拟软件确定的惰性气体的实施参数，采用惰性气体“先冷却后注入”的技术手段可以有效地降低注入时的惰性气体温度，提高气体利用率，减少成本。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1为本发明实施例的采煤条件下采空区边界示意图；

图2为本发明实施例的采煤条件下采空区管路及温度测点布置示意图；

图3为本发明实施例的采煤条件下惰性气体注入前采空区温度场分布（提取切片采空区高度Z=0.1m）；

图4为本发明实施例的采煤条件下惰性气体注入时采空区温度场分布（提取切片采空区高度Z=0.1m）；

图5为本发明实施例的采煤条件下惰性气体注入前采空区氧浓度场分布（提取切片采空区高度Z=0.1m）；

图6为本发明实施例的采煤条件下惰性气体注入时采空区氧浓度场分布（提取切片采空区高度Z=0.1m）。

图中：1-感温探头；2-温度数显仪；3-惰性气体生成设备；4-惰性气体深冷装置；5-输气管；6-注气管；7-流量阀；8-采空区注惰降温防火模拟软件。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面将结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种采煤条件下采空区智能注惰降温防火系统。

需要说明的是，本发明中，如图1所示,工作面是指与采空区相对应的采煤工作面，采煤工作面形成后，不断的向前推进割煤，在采煤工作面的后方形成采空区。

本发明实施例中，采煤条件下采空区智能注惰降温防火系统包括：测温模块、采空区注惰降温防火模拟软件8和注惰降温模块，其中，测温模块用于监测采煤条件下惰性气体注入前采空区不同深度的温度；采空区注惰降温防火模拟软件8与所述测温模块信号连接，用于根据所述测温模块监测的惰性气体注入前的温度数据和预先获取的采空区基本参数模拟得到采空区高温区域位置和最高温度，并将该模拟结果与测温模块所监测的温度数据作比对，在比对结果相吻合时，通过调整惰性气体的参数来确定惰性气体的实施参数；其中，所述采空区基本参数包括采空区工作面推进速度、进风温度、回风温度和通风阻力，惰性气体的参数包括惰性气体注入流量、注入深度和注入温度；注惰降温模块，与采空区注惰降温防火模拟软件8信号连接，用于根据采空区注惰降温防火模拟软件8确定的惰性气体的实施参数将惰性气体降温后注入采空区。

本发明的采煤条件下采空区智能注惰降温防火系统，利用采空区注惰降温防火模拟软件8可以智能地对采煤条件下采空区进行注惰降温防火，有效地解决采煤条件下惰性气体注入前采空区高温点不明，以经验方法选取惰性气体注入深度的问题，根据模拟结果可以直观判断惰性气体注入深度以及需要确定的参数。并且，基于采空区注惰降温防火模拟软件8确定的惰性气体的实施参数，采用惰性气体“先冷却后注入”的技术手段可以有效地降低注入时的惰性气体温度，提高气体利用率，减少成本。

需要说明的是，测温模块主要是监测采煤条件下采空区不同深度的温度分布，测温模块可以是通过测温传感器实现温度分布监测，也可以是通过分布式光纤实现温度分布监测，在此不作限制，均在本发明的保护范围之内。惰性气体的实施参数为实施注惰时所采用的惰性气体的参数。通过采空区注惰降温防火模拟软件8模拟得到的采空区高温区域位置和最高温度，与测温模块所监测的温度数据分布作比对，若比对结果相吻合，则验证该模拟软件与采空区的符合度较高，若比对结果相吻合，将不同注惰参数输入采空区注惰降温防火模拟软件中参数进行模拟，通过对模拟结果进行对比分析，选取最佳参数降温效果，以此作为惰性气体的实施参数。当然的，若比对结果不吻合，则说明采空区注惰降温防火模拟软件8存在问题，需要对一些参数进行微调，直到软件模拟的结果与测温模块所监测的温度数据相吻合。

本实施例中，采空区基本参数预先通过以下方式获取：

利用干湿球温度计测量工作面的进风温度、回风温度；利用JYF-1精密气压计测量采空区的通风阻力。

如图2所示，本发明的可选实施例中，测温模块包括感温探头1、温度数显仪2和测温电缆3，感温探头1和温度数显仪2采用测温电缆连接，感温探头1设置于采空区，温度数显仪2与采空区注惰降温防火模拟软件8信号连接。

优选地，感温探头1设置有多个，多个感温探头1均采用测温电缆连接于温度数显仪2，多个感温探头1沿工作面顺槽成排设置于采空区内。

本实施例的技术方案可以有效地实现监测采空区不同深度的温度分布，并且设置方式操作较为简单。

本发明的可选实施例中，采空区注惰降温防火模拟软件8内配置有相互耦合的采空区流场模型、氧浓度场模型和温度场模型，采空区流场模型包括注惰前的流场模型和注惰时的流场模型，氧浓度场模型包括注惰前的氧浓度场模型和注惰时的氧浓度场模型，温度场模型包括注惰前的温度场模型和注惰时的温度场模型；采空区注惰降温防火模拟软件基于注惰前的流场模型、注惰前的氧浓度场模型和注惰前的温度场模型，根据测温模块监测的惰性气体注入前的温度数据和采空区基本参数，预测出采煤条件下采空区高温区域位置和最高温度，并基于注惰时的流场模型、注惰时的氧浓度场模型和注惰时的温度场模型，通过调整惰性气体的参数来确定惰性气体的实施参数。

需要说明的是，通过输入基本参数中通风阻力，以此推导出采空区流场分布，并能计算出采空区渗流气体的流速；而气体中氧气随着气体的渗流以及煤氧化反应的消耗形成较为稳定的氧浓度场；由于采空区温度升高主要热量来源于煤氧化反应，因此氧气的供给决定着温度场的分布和温度的高低。

可以理解的是，将测温模块监测的惰性气体注入前的温度数据和采空区基本参数输入采空区注惰降温防火模拟软件8中，根据注惰前的流场模型、注惰前的氧浓度场模型和注惰前的温度场模型，可以获取相应的温度场分布和氧浓度场分布，根据分布可以直观的预测出采空区高温区域位置和最高温度。

在向模拟软件中注入惰性气体时，可以将惰性气体不同的参数输入至模拟软件中进行模拟，得到多个参数下采空区温度场和氧浓度场时空演化结果，通过对比分析，选取最佳参数作为惰性气体的实施参数。

本发明的可选实施例中，所述注惰前的流场模型为：

所述注惰时的采空区流场模型为：

式中，K为采空区内煤岩的渗透系数，单位为m/s，（因为采空区是由垮落下来的煤岩组成的，必定存在孔隙，孔隙间存在风流流动，因此K指煤岩的漏风能力）；g为重力加速度，单位为m/s²；

为方向向量；S为单元面积，单位为m²；ρ _g 、ρ _D 分别为空气与惰性气体的密度，单位为kg/m³；q _D 为惰性气体注入流量，单位为m³/s，n为采空区煤岩的孔隙率，单位为%；h为采空区进风巷和回风巷的高度差，单位为m；P为静压与动压之和，单位为Pa。需要说明的是，静压和动压指的是整个漏风的气流压力，也就是进入采空区的所有风流，并不仅限于惰性气体。在现场实际中，静压是指在采空区上下隅角测得的压力值之差；动压是指两个位置由于风流流速不同，带来的压力。都是可以直接测得的数值。通风阻力是指上下隅角的静压、动压和位压三者之和。

所述注惰前的氧浓度场模型和注惰时的氧浓度场模型均为

式中： C为氧气摩尔浓度，单位为mol/m³；k为氧气的扩散系数常数，单位为m²/s；v为漏风速度，单位为m/s；u(t)为单位时间单位体积的耗氧量，单位为mol/(s·m³)。需要说明的是，这里漏风速度取决于通风阻力，其具体计算参照如下公式：

所述注惰前的温度场模型和注惰时的温度场模型均包括固体温度场模型和气体温度场模型，所述固体温度场模型为：

所述气体温度场模型为：

式中：T _s 、T _g 分别为煤岩和进入采空区的气体的温度，单位均为K；ρ _s 、ρ _g 分别为煤岩和气体的密度，单位均为kg/m³；λ _s 、λ _g 分别为煤岩和气体的导热系数，单位均为W/m·K；C _s、C _g 分别为煤岩和气体的比热容，单位均为J/(kg·K)；K _e 为煤岩与气体的对流换热系数，单位为W/(m²·K)；S _e 为比表面积，单位均为1/m；q(t)为单位时间内控制体内遗煤的放热强度，单位为W/m³；v ₀ 为工作面推进速度，单位为m/s。需要说明的是，这里气体是指整个采空区内流动的气体，包括但不限于惰性气体。

其中，煤样的耗氧速率和放热强度是通过以下计算公式计算得到的：

耗氧速率的计算公式为：

式中，V ₀ (T)为新鲜风流中煤样的标准耗氧速率，单位为mol/(cm³·s)；C ₀ 为进风氧浓度，数值为21%。Q为供风量，单位为ml/min；S为煤罐断面积，单位为cm²。L为装煤的高度（包含孔隙），单位为cm；n为煤样的孔隙率，单位为%；C ₁ 为进气氧浓度，单位为%。C ₂ 为出气口氧浓度，单位为%。需要说明的是，Q、S、L、n、C1都是控制量，可以根据具体操作来确定，C ₂ 可以通过对出气口的气体进行色谱分析测得。

放热强度的计算公式为：

式中，q(t)为煤的放热强度，单位为J/(cm³·s)；q _a 为煤对氧的化学吸附热，单位为J/mol，取值为58800 J/mol；

为升温氧化过程中温度为t时氧的消耗速率，单位为mol/(cm³·s)；

为升温氧化过程中CO的产生速率，单位为mol/(cm³·s)；

为升温氧化过程中CO₂的产生速率，单位为mol/(cm³·s)；

为在压力1atm、温度为298K条件下CO的标准生成热，单位为J/mol，取值为110590J/mol；

为在压力1atm、温度为298K条件下CO₂的标准生成热，单位为J/mol，取值为为393510J/mol；

为CO在压力1atm下、温度为T时与标准生成热的差值，单位为J/mol；

为CO₂在压力1atm下、温度为T时与标准生成热的差值，单位为J/mol。

需要说明的是，上述q _a 、

、

和

是通过查阅文献获取的，

、

、

均是在实验室测得的。

如图2所示，本发明的可选实施例中，注惰降温模块包括惰性气体生成装置3、惰性气体深冷装置4、输气管5和注气管6，惰性气体生成装置3的出口和惰性气体深冷装置4的进口之间采用输气管5连接，惰性气体深冷装置4的出口连接有输气管5，输气管5远离惰性气体深冷装置4的一端连接有注气管6，注气管6至少部分埋入至采空区内；与惰性气体深冷装置4的出口连接的输气管5上设置有流量阀7，所述流量阀7以及所述惰性气体深冷装置4均与采空区注惰降温防火模拟软件8信号连接。如此的设置，采空区注惰降温防火模拟软件8可以控制输气管5内惰性气体的注入流量与注入温度，具体地，采空区注惰降温防火模拟软件8通过调整惰性气体的参数来确定惰性气体的实施参数（包括注入流量），并以此来控制惰性气体深冷装置4的制冷温度以及流量阀7的开度，进而实现控制输气管5内惰性气体的注入温度与注入流量。

需要说明的是，惰性气体生成装置3的作用是生成惰性气体，其结构设置在此不作限制，只要能生成惰性气体即可，比如干冰相变装置、氮气发生器；惰性气体深冷装置4的作用是将惰性气体的温度降低至实施参数中的温度，具体的，将惰性气体的输气管连接至惰性气体深冷装置4的进气口内，通过蒸发器吸热过程吸收惰性气体的热量，以降低惰性气体的温度，冷却后的惰性气体由惰性气体深冷装置4的出气口流出，其工作原理类似于空调。惰性气体深冷装置4的具体结构设置在此不做限制，只要能够实现对惰性气体进行降温即可，均在本发明的保护范围之内。

本发明可选实施例中，惰性气体深冷装置4布置于在机巷联络巷内，且与采空区工作面的间距小于200m。如此可以尽可能缩短冷却后的惰性气体的输送距离，从而保证冷却后的惰性气体能够尽快地输送至采空区内，避免冷却后的惰性气体在输送过程中温度升高。

由于惰性气体生成装置3在井上出口处，而实际惰性气体注入位置在井下采空区，因此管路布置经过整个矿井，但是各个部分放置的管路根据实际需要，尺寸并不相同。具体地，地面管路尺寸可选为6寸，风井主要管路尺寸可选为8寸，采空区干管尺寸为6寸，机巷管路的尺寸可选为为4寸。

可选地，井下管路遍布井下各采区，采用迈步式或托管式向采空区注入冷却后的惰性气体，其中，迈步式冷却法是通过预先埋入两根注气管路在一定深度（假设远处端口距离工作面30m，近处端口距离工作面5m），端口相距一定距离，首先远处端口进行注惰，随着工作面的推进（原本埋在5m处的端口现在距离工作面30m），停止第一个端口注惰，开始第二个端口注入，如此循环往复；托管式是将注气管随着工作面推进向外拖拽来实现的。

需要说明的是，输气管5沿工作面进风顺槽外侧巷帮敷，到距离液压支架5m左右为止。注气管6的一部分是留在进风巷中（即与输气管5连接的部分），其长度通常为5m，另一部分是埋入采空区内（即远离输气管5连接的部分）。

本发明可选实施例中，注气管6为无缝钢管，注气管6的长度不小于20m，注气管6距其埋入端5m的管上间隔开设有多个注气孔，多个注气孔均位于采空区内，且沿螺旋线分布，相邻两个注气孔沿注气管6的长度方向间隔0.3m，沿注气管6的周向间隔120°。如此开口的目的是为了让惰性气体较充分的扩散到采空区，以起到有效的降温防火效果。

优选地，注气管6高出煤层底板20-30cm（比如20cm、22cm、24cm、26cm、28cm或30cm）。进一步地，用石块或木垛加以妥善保护，避免被垮落的岩石砸瘪。

需要说明的是，当采用迈步式向采空区注入冷却后的惰性气体时，需要两条注气管6分别深入采空区，装配时，两条注气管6通过一个三通阀与输气管5相连，每条注气管6的长度至少为20m。

本发明的可选实施例中，输气管5为无缝钢管，外部采用保温层包覆，输气管5与惰性气体生成装置3的出口的连接处、输气管5与惰性气体深冷装置4的进口的连接处、输气管5与注气管6的连接处均采用防腐冷缠带包裹。可选地，为了起到较好的保温效果，保温层采用聚氨酯保温材料，且保温层的厚度为100mm。同时，防腐冷缠带采用聚乙烯材料，具有较好的防腐效果，能够有效地保证输气管5的连接处的牢固性和可靠性。具体操作时，保温接头及接口必须做到严密合缝，杜绝管路裸露，聚乙烯防腐冷缠带必须压实紧密，使管路与外界环境充分隔离。

本发明可选实施例中，输气管5呈平直吊挂设置，其吊挂高度不低于1.5m。如此的设置可以不影响行人及机械设备运转。具体操作是，每隔2m使用宽度不小于150mm废旧皮带吊挂输气管5。

进一步地，本发明的可选实施例中，测温模块还用于监测采煤条件下惰性气体注入时采空区不同深度的温度数据，采空区注惰降温防火模拟软件8还用于根据测温模块监测的惰性气体注入时的温度数据变化来控制所述注惰降温模块调节惰性气体的注入流量和注入温度。

本实施中，该操作过程为反馈调节机制，根据采空区注惰时的降温效果来动态调整惰性气体的注入流量和注入温度，极大地提高了惰性气体利用率，有效地防止采空区自燃发火。

本发明还提供一种如上所述的采煤条件下采空区智能注惰降温防火系统的实施方法，所述实施方法包括以下步骤：

步骤一，获取采空区基本参数和所述测温模块监测的惰性气体注入前的温度数据，并将采空区基本参数和惰性气体注入前的温度数据输入所述采空区注惰降温防火模拟软件8中；其中，所述采空区基本参数包括采空区工作面推进速度、进风温度、回风温度和通风阻力；

步骤二，基于采空区基本参数和惰性气体注入前的温度数据，所述采空区注惰降温防火模拟软件8模拟得到采空区高温区域位置和最高温度，并将该模拟结果与所述测温模块所监测的温度数据作比对，在比对结果相吻合时，通过调整惰性气体的参数来确定惰性气体的实施参数，其中，所述惰性气体的参数包括惰性气体注入流量、注入深度和注入温度；

步骤三，基于惰性气体的实施参数，所述采空区注惰降温防火模拟软件8控制所述注惰降温模块将惰性气体降温后注入采空区；

进一步地，步骤三之后，还包括：

步骤四，获取测温模块监测的惰性气体注入时的温度数据，并将惰性气体注入时的温度数据输入所述采空区注惰降温防火模拟软件8中，所述采空区注惰降温防火模拟软件根据惰性气体注入前和注入时的温度数据变化控制所述注惰降温模块调节惰性气体的注入流量和注入温度。

下面以XXX矿为例详细说明本发明的采煤条件下采空区智能注惰降温防火系统的实施方法。

其中，采空区基本参数为：推进速度v ₀ =1.8m/d，遗煤厚度h ₀ =0.4m，工作面通风量Q=1200m³/min，进风温度为23.1℃，回风温度为25.5℃，通风阻力为33.8Pa；测温模块监测的惰性气体注入前的最高温度为42℃。

将采空区基本参数和测温模块监测的惰性气体注入前的温度数据输入至述采空区注惰降温防火模拟软件中进行模型，得到注入惰性气体前的温度场分布和氧浓度场分布，选取采空区高度Z=0.1截面的温度分布见图3所示，氧浓度分布见图5所示（最高温度可达42℃，即图中明亮位置）。

将不同惰性气体参数输入至采空区注惰降温防火模拟软件中进行模拟，得到多个参数下采空区温度场和氧浓度场时空演化结果，通过对比分析，选取最佳参数作为惰性气体的实施参数。具体地，惰性气体的实施参数为：惰性气体的温度为-30℃、注入深度为20m，注入流量为750m³/h，选取采空区高度Z=0.1截面的温度分布见图4所示，氧浓度分布见图6所示。

通过分析图3至图6可以发现：

（1）惰性气体的注入大幅降低了进风侧氧化带内的氧浓度。惰性气体注入前高浓度氧气在进风侧能扩散到60m深处，而惰性气体注入后只能扩散到20m处。同时，由于注入惰性气体降低了该区域的氧浓度，从而抑制了该区域内遗煤的氧化反应、减小了氧气的消耗，因而惰性气体注入后的氧气分布更广一些。

（2）惰性气体注入后的采空区高温区域的温度显著下降，由惰性气体注入前的42℃降低至38℃，远远低于自燃临界温度，在此低温下该采空区不会发生自燃。

（3）惰性气体注入后的采空区中部和回风侧的氧浓度分布几乎没有变化，说明注入惰性气体并不能惰化整个采空区的氧化带，而随着惰性气体的注入，高温区域将会向采空区中部移动，并且影响范围扩大了回风侧。与惰性气体注入前相同的是，高温区域随着高度增大，其逐渐减小，同样也不在火源的正上方，其边缘线呈抛物线状偏移到采空区深部。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种采煤条件下采空区智能注惰降温防火系统，其特征在于，所述系统包括：

测温模块，用于监测采煤条件下惰性气体注入前采空区不同深度的温度数据；

采空区注惰降温防火模拟软件，与所述测温模块信号连接，用于根据所述测温模块监测的惰性气体注入前的温度数据和预先获取的采空区基本参数来模拟得到采空区高温区域位置和最高温度，并将该模拟结果与所述测温模块所监测的温度数据作比对，在比对结果相吻合时，通过调整惰性气体的参数来确定惰性气体的实施参数；其中，所述采空区基本参数包括采空区工作面推进速度、进风温度、回风温度和通风阻力，所述惰性气体的参数包括惰性气体注入流量、注入深度和注入温度；

注惰降温模块，与所述采空区注惰降温防火模拟软件信号连接，用于根据所述采空区注惰降温防火模拟软件确定的惰性气体的实施参数将惰性气体降温后注入采空区。

2.如权利要求1所述的采煤条件下采空区智能注惰降温防火系统，其特征在于，所述测温模块包括感温探头、温度数显仪和测温电缆，所述感温探头和所述温度数显仪采用所述测温电缆连接，所述感温探头设置于采空区，所述温度数显仪与所述采空区注惰降温防火模拟软件信号连接；

所述感温探头设置有多个，多个所述感温探头均采用测温电缆连接于所述温度数显仪，多个所述感温探头沿工作面顺槽成排设置于采空区内。

3.如权利要求1所述的采煤条件下采空区智能注惰降温防火系统，其特征在于，所述采空区注惰降温防火模拟软件内配置有相互耦合的采空区流场模型、氧浓度场模型和温度场模型，所述采空区流场模型包括注惰前的流场模型和注惰时的流场模型，所述氧浓度场模型包括注惰前的氧浓度场模型和注惰时的氧浓度场模型，所述温度场模型包括注惰前的温度场模型和注惰时的温度场模型；

所述采空区注惰降温防火模拟软件基于所述注惰前的流场模型、注惰前的氧浓度场模型和注惰前的温度场模型，根据所述测温模块监测的惰性气体注入前的温度数据和采空区基本参数，预测出采煤条件下采空区高温区域位置和最高温度，并基于所述注惰时的流场模型、注惰时的氧浓度场模型和注惰时的温度场模型，通过调整惰性气体的参数来确定惰性气体的实施参数。

4.如权利要求3所述的采煤条件下采空区智能注惰降温防火系统，其特征在于，所述注惰前的流场模型为：

所述注惰时的流场模型为：

式中，K为采空区内煤岩的渗透系数，单位为m/s；g为重力加速度，单位为m/s²；P为静压与动压之和，单位为Pa；

为方向向量；S为单元面积，单位为m²；ρ _g 、ρ _D 分别为空气与惰性气体的密度，单位均为kg/m³；q _D 为惰性气体注入流量，单位为m³/s，n为采空区煤岩的孔隙率，单位为%；h为采空区进风巷和回风巷的高度差，单位为m；

所述注惰前的氧浓度场模型和注惰时的氧浓度场模型均为

式中：C为氧气摩尔浓度，单位为mol/m³；k为氧气的扩散系数常数，单位为m²/s；v为漏风速度，单位为m/s；u(t)为单位时间单位体积的耗氧量，单位为mol/(s·m³)；

所述注惰前的温度场模型和注惰时的温度场模型均包括固体温度场模型和气体温度场模型，所述固体温度场模型为：

所述气体温度场模型为：

式中：T _s 、T _g 分别为煤岩和进入采空区的气体的温度，单位均为K；ρ _s 、ρ _g 分别为煤岩和气体的密度，单位均为kg/m³；λ _s 、λ _g 分别为煤岩和气体的导热系数，单位均为W/m·K；C _s 、C _g 分别为煤岩和气体的比热容，单位均为J/(kg·K)；K _e 为煤岩与气体的对流换热系数，单位为W/(m²·K)；S _e 为比表面积，单位为1/m； q(t)为单位时间内控制体内遗煤的放热强度，单位为W/m³；v ₀ 为工作面推进速度，单位为m/s。

5.如权利要求1所述的采煤条件下采空区智能注惰降温防火系统，其特征在于，所述注惰降温模块包括惰性气体生成装置、惰性气体深冷装置、输气管和注气管，所述惰性气体生成装置的出口和所述惰性气体深冷装置的进口之间采用所述输气管连接，所述惰性气体深冷装置的出口连接有输气管，所述输气管远离所述惰性气体深冷装置的一端连接有注气管，所述注气管至少部分埋入至采空区内；

与所述惰性气体深冷装置的出口连接的输气管上设置有流量阀，所述惰性气体深冷装置和所述流量阀均与所述采空区注惰降温防火模拟软件信号连接。

6.如权利要求5所述的采煤条件下采空区智能注惰降温防火系统，其特征在于，所述惰性气体深冷装置布置于在机巷联络巷内，且与采空区工作面的间距小于200m。

7.如权利要求5所述的采煤条件下采空区智能注惰降温防火系统，其特征在于，所述注气管为无缝钢管，所述注气管的长度不小于20m，所述注气管距其埋入端5m的管上间隔开设有多个注气孔，多个所述注气孔均位于采空区内，且沿螺旋线分布，相邻两个注气孔沿所述注气管的长度方向间隔0.3m，沿所述注气管的周向间隔120°；

所述注气管高出煤层底板20-30cm。

8.如权利要求5所述的采煤条件下采空区智能注惰降温防火系统，其特征在于，所述输气管为无缝钢管，外部采用保温层包覆，所述输气管与所述惰性气体生成装置出口的连接处、所述输气管与所述惰性气体深冷装置进口的连接处、输气管与注气管的连接处均采用防腐冷缠带包裹；

所述输气管呈平直吊挂设置，其吊挂高度不低于1.5m。

9.如权利要求1-8中任一项所述的采煤条件下采空区智能注惰降温防火系统，其特征在于，所述测温模块还用于监测采煤条件下惰性气体注入时采空区不同深度的温度数据，所述采空区注惰降温防火模拟软件还用于根据测温模块监测的惰性气体注入前和注入时的温度数据变化来控制所述注惰降温模块调节惰性气体的注入流量和注入温度。

10.如权利要求1-9中任一项所述的采煤条件下采空区智能注惰降温防火系统的实施方法，其特征在于，所述实施方法包括以下步骤：

步骤一，获取采空区基本参数和所述测温模块监测的惰性气体注入前的温度数据，并输入所述采空区注惰降温防火模拟软件中；其中，所述采空区基本参数包括采空区工作面推进速度、进风温度、回风温度和通风阻力；

步骤二，基于采空区基本参数和惰性气体注入前的温度数据，所述采空区注惰降温防火模拟软件模拟得到采空区高温区域位置和最高温度，并将该模拟结果与所述测温模块所监测的温度数据作比对，在比对结果相吻合时，通过调整惰性气体的参数来确定惰性气体的实施参数，其中，所述惰性气体的参数包括惰性气体注入流量、注入深度和注入温度；

步骤三，基于惰性气体的实施参数，所述采空区注惰降温防火模拟软件控制所述注惰降温模块将惰性气体降温后注入采空区；

步骤三之后，还包括：

步骤四，获取所述测温模块监测的惰性气体注入时的温度数据，并将惰性气体注入时的温度数据输入所述采空区注惰降温防火模拟软件中，所述采空区注惰降温防火模拟软件根据惰性气体注入前和注入时的温度数据变化控制所述注惰降温模块调节惰性气体的注入流量和注入温度。

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