CN205679555U - 一种煤矿采空区温度场分布规律相似模拟试验装置 - Google Patents
一种煤矿采空区温度场分布规律相似模拟试验装置 Download PDFInfo
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Abstract
一种煤矿采空区温度场分布规律相似模拟试验装置，包括试验箱体，试验箱体盖板，孔隙挡板，实体挡板，加载热源装置，温度监测装置和供气装置；试验箱体呈长方体状，上端通过试验箱体盖板封闭，在其长边面内壁成型有挡板槽，用于固定孔隙挡板或实体挡板；试验箱体在其长边面上还开有测温孔，加载热源装置通过其中一个测温孔对试验箱体腔体进行加热，温度监测装置通过其余测温孔监测试验箱体腔体内的温度；试验箱体在其短边面上开有进气口和出气口，供气装置通过进气口向试验箱体腔体内进行供气。本实用新型能够实现理想模拟松散煤体自燃过程中热量传递过程，从而获得拟模拟采空区热量传递规律。
Description
技术领域
本发明涉及一种相似模拟试验装置，尤其是一种煤矿采空区温度场分布规律相似模拟试验装置。
背景技术
我国煤炭自燃灾害严重，容易自燃、自燃煤层矿区分布较广，56％的矿井开采易自燃煤层，70％以上的大中型矿区存在自然发火威胁，90％的煤矿火灾由煤炭自燃引起。2008年至2014年，国内煤矿共发生火灾事故38起、死亡389人。近5年，国内发生瓦斯爆炸事故中，70％以上均由隐蔽火源引起。据统计，我国已查明燃烧的煤田火区56处，总面积720km2，集中分布在新疆、内蒙、甘肃、宁夏、青海、山西、陕西等7个省区；仅新疆和宁夏就有近1000万m2的火区，每年因煤自燃损失煤炭量近900万t。
随着煤矿防灭火技术的发展，国内形成了包括煤氧复合反应理论、煤层自然发火预测预报技术、煤层隐蔽火源探测技术、防灭火材料和装备等一系列煤矿防灭火技术体系，并在煤矿上得到有效应用。
但是，随着国家“淘汰落后产能”政策逐步实施，因小煤窑回采率低(一般低于15％)，管理能力弱，私挖滥采，形成难以治理的大范围老空区；西北地区，超大采高、综采等快速采煤技术的推广，为追求高生产能力，形成难以治理的大范围老空区；采空区因长时间漏风而自燃。尤其是对于近距离煤层群开采，在因煤自燃封闭区域、巷道高冒顶、破碎煤柱及采空区等特殊地点，高温火点比较隐蔽，难以发现，如果稍有疏忽，便可能引起瓦斯(煤尘)爆炸(燃烧)，造成巨大的损失。
为有效探测隐蔽火源位置，国内外主要采用同位素氡法探测技术、瞬变 电磁探测技术、钻孔探测技术、标志性气体探测技术以及分布式光线温度探测技术等进行煤矿采空区的隐蔽火源的定位。但同位素氡法探测技术、瞬变电磁探测技术、钻孔探测技术主要由煤矿地表施工进行探测，对于近距离煤层群开采的多层采空区探测无法实现精确定位。标志性气体探测技术受采空区漏风风流的影响，只能定性分析煤自然发火状态，而分布式光纤测温技术是目前较为先进的采空区遗煤式温度监测技术，但光纤测温仍旧为接触式温度监测和判断，不能够有效判断距离光纤铺设位置一定距离的煤自燃火源的温度。国内外煤自然发火的研究，均致力于煤自然发火机理方面，而对松散煤体自燃过程中热量的传递规律的研究较少，而一般也仅限于井下现场研究，受到很大局限，研究成果不理想。
发明内容
为更为理想的研究松散煤体自燃过程中热量的传递规律，本发明提供了一种煤矿采空区温度场分布规律相似模拟试验装置。
本发明采用的技术方案如下：
一种煤矿采空区温度场分布规律相似模拟试验装置，包括试验箱体，试验箱体盖板，孔隙挡板，实体挡板，加载热源装置，温度监测装置和供气装置；所述试验箱体呈长方体状，上端通过所述试验箱体盖板封闭，在其长边面内壁成型有挡板槽，用于固定所述孔隙挡板或实体挡板；所述试验箱体在其长边面上还开有测温孔，所述加载热源装置通过其中一个所述测温孔对所述试验箱体腔体进行加热，所述温度监测装置通过其余所述测温孔监测所述试验箱体腔体内的温度；所述试验箱体在其短边面上开有进气口和出气口，所述供气装置通过所述进气口向所述试验箱体腔体内进行供气。
在上述煤矿采空区温度场分布规律相似模拟试验装置中，所述进气口与胶管一端连接，所述胶管另一端依次通过变径管和四通管与所述供气装置连接。
在上述煤矿采空区温度场分布规律相似模拟试验装置中，所述加载热源装置包括温控箱，点热源，加热电源线和测温线，所述点热源装入其中一个 所述测温孔内，通过所述加热电源线和测温线与所述温控箱连接。
在上述煤矿采空区温度场分布规律相似模拟试验装置中，所述温度监测装置包括温度记录装置和温度传感器，所述温度传感器装入其余所述测温孔内，通过导线与所述温度记录装置连接。
在上述煤矿采空区温度场分布规律相似模拟试验装置中，所述实体挡板用于调整所述试验箱体腔体尺寸的作用，所述孔隙挡板用于模拟采煤工作面与采空区边界。
在上述煤矿采空区温度场分布规律相似模拟试验装置中，所述加载热源装置为配套定制设备，用于实现所述试验箱体内试验煤样的加热，研究不同温度下松散煤体的热量传递过程。
在上述煤矿采空区温度场分布规律相似模拟试验装置中，通过在所述测温孔内安装所述温度传感器实现所述试验箱体腔体内不同位置温度的在线监测与分析，研究空间内温度场的分布规律。
在上述煤矿采空区温度场分布规律相似模拟试验装置中，通过所述的进气口装置，其目的是为了调节实验煤样进风流量和风流速度的关系，同时配套多种空气泵使用。
采用上述煤矿采空区温度场分布规律相似模拟试验装置，实现采空区自燃危险区域范围遗煤自然发火温度分布规律研究的步骤如下：
a)将所述加载热源装置的所述点热源安装入所述试验箱体的其中一个所述测温孔中，并用活动密封接头紧固；
b)将所述温度监测装置的若干个所述温度传感器，安装至所述试验箱体的其余所述测温孔中，并用活动密封接头紧固；
c)调整所述进气口尺寸，将所述胶管，变径管，四通管以及快装接头全部安装，并用抱箍紧固，杜绝漏气，将所述供气装置与所述快装接头采用高压胶管连接；
d)将所述孔隙挡板装入所述试验箱体的所述挡板槽中，所述实体挡 板根据拟模拟采空区尺寸情况决定是否使用；
e)在所述试验箱体腔体内装入松散煤样；
f)将所述试验箱体盖板与所述试验箱体采用螺栓连接，以石棉绳作为密封垫；
g)试验准备就绪，启动所述供气装置，向所述试验箱体腔体内供风，启动所述加载热源装置，控制所述点热源的温度，在线实时监控所述温度监测装置的温度，并取得数据；
h)分别调节所述供气装置的供风量以及所述点热源的温度值，持续在线实时监控所述温度监测装置的温度数据；
i)重复步骤h)；
j)将取得的数据导入计算模型，计算松散煤体热传导参数，扩展并获得采空区松散煤体温度场分布规律。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
①本发明提供的煤矿采空区温度场分布规律相似模拟试验装置，通过主动加载热源模拟松散煤样自燃情况，通过主动供风模拟采空区漏风情况，通过分析热源对松散煤体的引燃过程，热量的传递，以及松散煤体引燃后高温热源点在风流作用下的移动规律，能够分析出采空区内隐蔽区域发生自燃后，在风流作用下，热量的传递参数，热源的移动方向和速度，为利用分布式光纤系统等其他监测和分析装置获得定量参数后，判断隐蔽火源的位置和发展趋势提供理论基础。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施案例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是本发明煤矿采空区温度场分布规律相似模拟试验装置试验箱体结构示意图；
图2是本发明煤矿采空区温度场分布规律相似模拟试验装置试验箱体 盖板结构示意图；
图3是本发明煤矿采空区温度场分布规律相似模拟试验装置孔隙挡板结构示意图；
图4是本发明煤矿采空区温度场分布规律相似模拟试验装置实体挡板结构示意图；
图5是本发明煤矿采空区温度场分布规律相似模拟试验装置加载热源装置结构示意图；
图6是本发明煤矿采空区温度场分布规律相似模拟试验装置温度监测装置结构示意图；
图7是本发明煤矿采空区温度场分布规律相似模拟试验装置供气装置结构示意图。
图中标记为：1-试验箱体，2-试验箱体盖板，3-孔隙挡板，4-实体挡板，5-加载热源装置，6-温度监测装置，7-供气装置，101-挡板槽，102-测温孔，103-进气口，104-出气口，105-胶管，106-变径管，107-四通管，501-温控箱，502-点热源，503-加热电源线，504-测温线，601-温度记录装置，602-温度传感器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
图1-7显示的是本发明煤矿采空区温度场分布规律相似模拟试验装置的优选实施例。
所述煤矿采空区温度场分布规律相似模拟试验装置，包括试验箱体1，试验箱体盖板2，孔隙挡板3，实体挡板4，加载热源装置5，温度监测装置6和供气装置7；所述试验箱体1呈长方体状，上端通过所述试验箱体盖板2封闭，在其长边面内壁成型有挡板槽101，用于固定所述孔隙挡板3或实体挡板4；所述试验箱体1在其长边面上还开有测温孔102，所述加载热源 装置5通过其中一个所述测温孔102对所述试验箱体1腔体进行加热，所述温度监测装置6通过其余所述测温孔102监测所述试验箱体1腔体内的温度；所述试验箱体1在其短边面上开有进气口103和出气口104，所述供气装置7通过所述进气口103向所述试验箱体1腔体内进行供气。
在本实施例中，所述进气口103与胶管105一端连接，所述胶管105另一端依次通过变径管106和四通管107与所述供气装置7连接。
在本实施例中，所述加载热源装置5包括温控箱501，点热源502，加热电源线503和测温线504，所述点热源502装入其中一个所述测温孔102内，通过所述加热电源线503和测温线504与所述温控箱501连接。
在本实施例中，所述温度监测装置6包括温度记录装置601和温度传感器602，所述温度传感器602装入其余所述测温孔102内，通过导线与所述温度记录装置601连接。
在本实施例中，所述试验箱体和所述试验箱体盖板均为三层，其内层为7mm厚的A3碳素结构钢，用于承托试验煤样；中层为20mm厚的石棉板，用于隔热；外层为3mm厚的A3碳素结构钢，为保护所述试验箱体。
采用本实施例的煤矿采空区温度场分布规律相似模拟试验装置进行试验，可分为两部分。
第一部分，在通风条件下，试验步骤为：
a)根据拟模拟采空区自燃危险区域范围的长宽比，采用所述实体挡板4控制所述试验箱体1腔体的尺寸；
b)选取拟模拟采空区区域的煤样，进行破碎，选取平均粒度0-10mm煤样共计180kg；
c)在所述试验箱体1距离所述进气口103最近的所述挡板槽101处，插入所述孔隙挡板3；
d)将所述加载热源装置5的所述点热源502安装入所述试验箱体1的其中一个所述测温孔102中，并用活动密封接头紧固，所述点热源502 距离所述试验箱体1底部100mm；
e)将所述温度监测装置6的若干个所述温度传感器602安装入所述试验箱体1的其余所述测温孔10中，所述温度传感器602的顶端距离所述试验箱体1底部100mm，并用活动密封接头紧固；
f)调整所述进气口103尺寸，将所述胶管105，所述变径管106，和所述四通管107以及快装接头依次安装，并用抱箍紧固，杜绝漏气，将所述供气装置7与所述快装接头采用高压胶管连接，通过调节所述进气口的尺寸与所述供气装置7的供风量，保证松散煤体渗流速度与拟模拟采空区进风侧漏风速度相同；
g)在所述试验箱体1内装入松散煤样，保持所述试验箱体1内所述松散煤样孔隙度的均匀性；
h)将所述试验箱体盖板2与所述试验箱体采用螺栓连接，以石棉绳作为密封垫；
i)启动所述供气装置7，向所述试验箱体1腔体内供风，启动所述加载热源装置5，控制所述点热源502的温度；
j)所述加载热源装置5控制所述点热源502的温度在5分钟内升温至200℃并恒温，在线实时监测所述温度监测装置6的所有所述温度传感器602的温度数据，记录并分析所有所述温度传感器602温度数据与时间的关系及与空间的关系；
k)调节所述点热源602的温度值在5分钟内升温至400℃并恒温，在线实时监测所述温度监测装置6的所有所述温度传感器602的温度数据，记录并分析所有所述温度传感器602温度数据与时间的关系及与空间的关系；
l)调节所述点热源602的温度值在5分钟内升温至600℃并恒温，在线实时监测所述温度监测装置6的所有所述温度传感器602的温度数据，记录并分析所有所述温度传感器602温度数据与时间的关系及与空间的关系；
m)试验结束后，将所述松散煤样取出，将数据导入计算模型，计算供风条件下松散煤体热传导参数，并研究采空区松散煤体温度场分布规律。
第二部分，在无风条件下，试验步骤为：
a)再次选取平均粒度0-10mm煤样共计180kg，重复第一部分中的步骤c)-e)；
b)用不锈钢封堵头将所述进气口103和所述出气口104封死；
c)在所述试验箱体1内装入松散煤样，保持试验箱体1内松散煤样孔隙度的均匀性；
d)将所述试验箱体盖板2与所述试验箱体采用螺栓连接，以石棉绳作为密封垫；
e)启动所述供气装置7，向所述试验箱体1腔体内供风，启动所述加载热源装置5，控制所述点热源502的温度；
f)所述加载热源装置5控制所述点热源502的温度在5分钟内升温至200℃并恒温，在线实时监测所述温度监测装置6的所有所述温度传感器602的温度数据，记录并分析所有所述温度传感器602温度数据与时间的关系及与空间的关系；
g)调节所述点热源602的温度值在5分钟内升温至400℃并恒温，在线实时监测所述温度监测装置6的所有所述温度传感器602的温度数据，记录并分析所有所述温度传感器602温度数据与时间的关系及与空间的关系；
h)调节所述点热源602的温度值在5分钟内升温至600℃并恒温，在线实时监测所述温度监测装置6的所有所述温度传感器602的温度数据，记录并分析所有所述温度传感器602温度数据与时间的关系及与空间的关系；
i)试验结束后，将所述松散煤样取出，将数据导入计算模型，计算供风条件下松散煤体热传导参数，并研究采空区松散煤体温度场分布规 律。
j)综合分析第一部分在通风条件下松散煤体热传导参数数据，和第二部分在无风条件下松散煤体热传导参数数据，以时间、空间为坐标轴，建立松散煤体温度场时空模型，分析风流对松散煤体热传导规律以及采空区遗煤温度场分布时空规律。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (4)
1.一种煤矿采空区温度场分布规律相似模拟试验装置，其特征在于：包括试验箱体(1)，试验箱体盖板(2)，孔隙挡板(3)，实体挡板(4)，加载热源装置(5)，温度监测装置(6)和供气装置(7)；
所述试验箱体(1)呈长方体状，上端通过所述试验箱体盖板(2)封闭，在其长边面内壁成型有挡板槽(101)，用于固定所述孔隙挡板(3)或实体挡板(4)；
所述试验箱体(1)在其长边面上还开有测温孔(102)，所述加载热源装置(5)通过其中一个所述测温孔(102)对所述试验箱体(1)腔体进行加热，所述温度监测装置(6)通过其余所述测温孔(102)监测所述试验箱体(1)腔体内的温度；
所述试验箱体(1)在其短边面上开有进气口(103)和出气口(104)，所述供气装置(7)通过所述进气口(103)向所述试验箱体(1)腔体内进行供气。
2.根据权利要求1所述的煤矿采空区温度场分布规律相似模拟试验装置，其特征在于：所述进气口(103)与胶管(105)一端连接，所述胶管(105)另一端依次通过变径管(106)和四通管(107)与所述供气装置(7)连接。
3.根据权利要求1或2所述的煤矿采空区温度场分布规律相似模拟试验装置，其特征在于：所述加载热源装置(5)包括温控箱(501)，点热源(502)，加热电源线(503)和测温线(504)，所述点热源(502)装入其中一个所述测温孔(102)内，通过所述加热电源线(503)和测温线(504)与所述温控箱(501)连接。
4.根据权利要求3所述的煤矿采空区温度场分布规律相似模拟试验装置，其特征在于：所述温度监测装置(6)包括温度记录装置(601)和温度传感器(602)，所述温度传感器(602)装入其余所述测温孔(102)内，通过导线与所述温度记录装置(601)连接。
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