[發(fā)明專利]一種模擬采空區(qū)自然發(fā)火的實驗裝置及試驗方法

有效

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• 申請日: 2018-02-01
• 公開（公告）號: CN108333291B
• 公開（公告）日: 2020-09-15
• 發(fā)明（設計）人: 謝軍;辛林;程衛(wèi)民;付海政;王剛;宋玥;劉震;劉晨
• 申請（專利權(quán)）人: 山東科技大學
• 主分類號: G01N31/12
• 分類號: G01N31/12;G01D21/02
• 代理公司: 北京科億知識產(chǎn)權(quán)代理事務所(普通合伙) 11350
• 代理人: 湯東鳳

1.一種模擬采空區(qū)自然發(fā)火的實驗裝置，其特征在于：包括實驗爐體，實驗爐體由外至內(nèi)分為爐體外層鋼板、普通磚層、聚氨酯隔熱層、水夾層、耐火磚層，實驗爐體上設有出煤口、進風管和回風管，實驗爐體上方設有頂蓋；實驗爐體內(nèi)設有煤層，煤層下方設有相似材料底板和預置水袋，預置水袋上方設有待下沉相似材料底板，煤層上方設有第一相似材料頂板和第二相似材料頂板，第二相似材料頂板上方設有多點熱電偶測桿和取氣束管，多點熱電偶測桿之間設有覆蓋層，多點熱電偶測桿設有若干熱電偶，多點熱電偶測桿和取氣束管與相似材料緊密接觸；煤層上的采煤工作面兩端設有進風巷和回風巷，在進風巷、采煤工作面和回風巷鋪設拱形鏤空護管，支撐煤體形成一定的通道空間，以構(gòu)建采空區(qū)和工作面的進回風系統(tǒng)，進風巷與實驗爐上的進風管相連，回風巷與實驗爐上的回風管相連，進風管依次連接實驗爐體外部的渦街流量計、氣體測溫熱電偶、氣體壓力表、換熱器、鼓風機，換熱器連接換熱器控制柜，回風管依次連接實驗爐體外部的渦街流量計、氣體測溫熱電偶、氣體壓力表、氣相色譜儀、氣體采集器；所述出煤口連接氣體采集器和數(shù)據(jù)采集模塊；數(shù)據(jù)采集模塊和氣相色譜儀連接工控機；實驗方法按照以下步驟進行：

步驟1，相似材料的選取；以河砂為骨料，粘土或石膏為膠結(jié)物，利用正交試驗和全面實驗方法分析不同材料配比下的單軸抗壓強度，并與利用相似原理計算的抗壓強度進行對比，確定滿足相似比的不同頂?shù)装鍘r層河砂和粘土配比；在工作現(xiàn)場采集所需煤塊，作為實驗用煤，選取黃土作為覆蓋層，根據(jù)現(xiàn)場實際厚度的1/10～1/30的幾何縮放比確定煤層和頂?shù)装逑嗨撇牧系暮穸龋谙嗨撇牧吓浔蠕佋O煤層及頂?shù)装逑嗨撇牧希?/p>

步驟2，模擬采空區(qū)系統(tǒng)的構(gòu)建；通過鋪設拱形鏤空護管構(gòu)建采空區(qū)及工作面的進風巷、回風巷和采煤工作面；將進風管、進風巷、采煤工作面、回風巷以及回風管構(gòu)成模擬采空區(qū)及工作面系統(tǒng)的進回風系統(tǒng)，進風巷、采煤工作面和回風巷均由拱形鏤空護管構(gòu)建，模擬進風巷和工作面向采空區(qū)內(nèi)的漏風；

步驟3，測溫和取氣布置；在鋪設采空區(qū)煤層及第一相似材料煤層頂板、第二相似材料煤層頂板、覆蓋層的同時，在相應位置點埋設多點熱電偶測桿和取氣束管，測桿和取氣束管與第一相似材料煤層頂板、第二相似材料煤層頂板、覆蓋層緊密接觸，取氣束管取氣口有防塵保護；

多點熱電偶測桿高度方向由下到上共布置多個熱電偶測點，能監(jiān)測到采空區(qū)底板到頂板不同高度上的溫度值，熱電偶測桿呈網(wǎng)格化布置，能夠監(jiān)測到整個采空區(qū)三維空間的溫度值；

取氣束管在采空區(qū)范圍內(nèi)呈網(wǎng)格化分布，每個位置的取氣束管對采空區(qū)高度方向上的多個位置點進行取氣，從而分析得到采空區(qū)三維空間的氣體組分、濃度分布和演化規(guī)律；

步驟4，相似模擬材料及采空區(qū)系統(tǒng)的鋪設；在實驗爐體內(nèi)自下而上敷設相似材料底板、煤層、第一相似材料頂板、第二相似材料頂板和表層覆蓋層，邊鋪設邊進行壓實處理，待膠結(jié)后具有一定的強度，滿足采空區(qū)頂?shù)装鍘r層強度相似比的要求；

在底板材料的鋪設過程中，在采空區(qū)范圍內(nèi)提前預置一定高度的水袋，水袋高度等同于模擬的采高，在煤層采高范圍預先填充底板相似材料，其上為采空區(qū)煤層遺煤；

從煤層開始，在進風巷、采煤工作面和回風巷鋪設拱形鏤空護管，支撐煤體形成一定的通道空間，以構(gòu)建采空區(qū)和工作面的進回風系統(tǒng)，進風巷與實驗爐上的進風管相連，回風巷與實驗爐上的回風管相連；

步驟5，采空區(qū)頂煤垮落過程的模擬；當相似模擬材料及采空區(qū)系統(tǒng)的鋪設完畢后，將水袋的水抽出一定體積的水，使水袋放出水的高度等同于煤層采高，水袋及其上待下沉相似材料底板向下移動并填滿水袋放出水高度，通過此方式造成采空區(qū)上部頂遺煤的垮塌，采空區(qū)頂煤自然垮落覆蓋在采空區(qū)底板，模擬采空區(qū)遺煤的堆積分布，同時還能模擬遺煤之上的覆巖的跨落和彎曲，制造孔隙和裂隙，形成上三帶結(jié)構(gòu)；

步驟6，采空區(qū)煤自然發(fā)火過程的模擬；采空區(qū)遺煤堆積在采空區(qū)，由于進風巷和采煤工作面的漏風，導致采空區(qū)內(nèi)遺煤與氧氣接觸，在煤氧的物理吸附、化學吸附和氧化反應作用下，產(chǎn)生微小的熱量，產(chǎn)生熱量積聚使得煤體溫度緩慢而持續(xù)地上升，當達到煤的臨界自熱溫度后，氧化升溫速率加快，最后達到煤的著火點溫度而燃燒起來，達到模擬煤自然發(fā)火過程目的。