一种煤矿采空区微流动的实验方法，其特征在于：采区动态供风和预混示踪气体的方法，捕捉压差驱动效应对采空区内部流场的影响，采空区内部释放示踪气体的方法，捕捉气体浓度差扩散效应采空区内部气体浓度运移的影响。其实验装置包括采区动态通风子装置，示踪气体释放子装置，示踪气体浓度测定子装置，采空区模型子装置，通过测定采空区内及工作面的示踪气体浓度，并获取其连续实时的浓度数，实现对压差驱动-浓度扩散耦合采空区微流动过程的模拟，定量研究采空区内瓦斯涌出或突出对采区通风的影响规律和作用机理，可研究采区动态通风对采空区内部流场流动的扰动特征，研究多种通风方式对采区通风和采空区内部微流动的影响规律。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于煤矿采空区内部流动研究领域，具体涉及采空区微流动浓度场测定的实验方法，包括采空区模型装置、采区动态通风装置、示踪气体释放装置、示踪气体浓度测定装置。技术背景采空区是煤体开采后留下的空区，采空区微流动是指流体在尺寸微小的流动通道内的流动现象。采空区微流动是流体流动的特殊形式，存在细微尺度流动，较大尺度流动，及其二者的混合流动，导致现有线性达西渗流方程及Navier-Stokes流体控制方程组，均不能有效描述其流动现象。然而，采空区内部的流动情况直接影响地下煤炭开采中的采区通风安全。采空区是煤矿重大隐患的区域，除顶板冒落和水害引发的安全问题之外，采空区存在的瓦斯及遗煤氧化自燃也是极大的安全隐患。据统计，采空区瓦斯约占工作面瓦斯涌出量的40％至60％，对于近距离多煤层开采的矿井，其所占比例则更高；此外，我国煤矿自燃发火非常严重，有56％的煤矿存在自燃发火问题，矿井自燃发火又占总发火次数的94％，其中采空区自燃则占内因火灾的60％，这种火灾常造成工作面封闭、冻结大量的煤炭资源和昂贵的生产设备，造成工作面、采区风流紊乱，影响矿井正常的生产接续，并造成人员伤亡。因此，掌握煤矿采空区内部的微流动过程及其规律，对于保障煤矿采空区安全有重要意义。影响采空区气体微流动的因素很多，由于采区通风压力变化引起的采空区气体微流动，最为频繁，采空区内部的浓度差形成的采空区气体微流动，最为复杂，使得采空区内气体微尺度流动机理的揭示更加困难。目前，从国内外的研究现状来看，主要从采空区漏风、采空区顶板垮落效应等方面研究瓦斯运移，均取得不少研究成果。但是，受到流体流动基础理论及实验流体力学设备的制约，对采区的动态通风对采空区微流动的影响，采空区内部微流动，尤其是压差驱动-浓度扩散耦合下的采空区微流动过程，研究进展极为缓慢。然而，江成玉等得出了贵州盘江大气压的变化会影响当地煤矿井下掘进巷道瓦斯涌出量，周心权等指出瓦斯浓度的增加速率和大气压力的下降速率基本呈正比关系；此外，大量的统计数据表明，一年内地面大气压力变化可达1700Pa至4500Pa，一天内可达200Pa至800Pa；显然，采区与采空区之间的压差驱动作用，对采空区内部的微流动及采区通风安全的影响，不可忽视。在采区正常生产时，在采空区距离工作面20m范围内，瓦斯浓度波动较大，且浓度偏低；在距离工作面20m至50m范围内，采空区瓦斯浓度逐渐增大；因此，采空区内部气体浓度差客观存在，必然存在气体浓度差扩散，即采空区内部存在细微尺度的气体运移；当然，采空区内部瓦斯突出，对采空区内部非稳态微尺度瓦斯流动过程的影响更加显著，其浓度扩散过程研究起来更加困难；但是，这个突出过程对采区通风安全的危害更大。所以，必须解决如何有效模拟采空区内部气体涌出及其非稳态运移，以及采区动态通风对采空区内部气体脉动运移情况，以定量研究压差驱动-浓度扩散耦合下的采空区内气体微尺度流动过程和作用机理。目前，在煤矿采空区流体流动实验设备方面，杨胜强等为了研究通风方式对采空区漏风及瓦斯运移的影响，提出了一种综放面多种通风方式下的采空区流场模拟实验装置；赵耀江等设计了研究不同通风条件下采空区瓦斯运移的试验模拟装置；但是该两个装置均无法实现微小干扰获取采空区内的气体样本，或无法获得采空区非稳态浓度分布。此外，李化敏等设计了综采工作面周期来压采空区瓦斯涌出的模拟试验装置，其目的为了研究采空区的顶板垮落过程中瓦斯的运行规律；杨胜强等人设计了一种立体瓦斯抽采采空区流场模拟实验装置，其目的是开展U型通风形式下的现场瓦斯抽采设计；杨胜强等提出了一种工作面采空区深部自燃氧化情况的判断方法和一种高瓦斯采空区自燃“三带”的判别方法，郝朝瑜等提出了一种采空区氧化带漏风量的确定方法。但是，这些实验方法和装置难以实现对采空区内气体浓度的连续实时获取，其实验方法和结果难以捕捉到采空区内气体浓度的非稳态演变过程，也难以揭示采空区内外压差驱动效应及其内部气体浓度梯度的扩散效应。针对采区动态通风对采空区气体运移的影响，必须能低扰动的、连续实时的获取采空区及采区的浓度数据，使其浓度数值可以定量描述气体浓度场，则采空区内微流动的运动过程和基本规律可望得到认识和掌握。
技术实现思路
本专利技术提出一种煤矿采空区微流动实验方法及其系统装置，能够模拟采空区内外压差产生的驱动效应耦合了采空区内部浓度差效应对采空区内部微流动场，结合微尺度流体力学和矿井气体动力学可定量揭示采区动态通风对采空区内部气体浓度场的吞吐效应和在浓度差效应的驱动下采空区内部气体浓度非稳态演变过程，及其二者耦合作用对采空区内部气体浓度场的影响规律。实现本专利技术的技术方案如下：一种煤矿采空区微流动的实验方法，其特征在于：采区动态供风和预混示踪气体的方法，捕捉压差驱动效应对采空区内部流场的影响，采空区内部释放示踪气体的方法，捕捉气体浓度差扩散效应采空区内部气体浓度运移的影响，在采空区内部气体微流动过程中，通过测定采空区内及工作面的示踪气体浓度，并获取其连续实时的浓度数据，捕捉其浓度演变过程，实现对压差驱动-浓度扩散耦合采空区微流动过程的模拟。上述的一种煤矿采空区微流动的实验方法，所述示踪气体为六氟化硫。一种煤矿采空区微流动的实验方法的系统装置，包括采区动态通风子装置，示踪气体释放子装置，示踪气体浓度测定子装置，采空区模型子装置，其特征在于：采区动态通风子装置，包括进风口、通风管道、通风巷道、调节阀、测量孔及变频通风机，示踪气体释放子装置，包括气源瓶、减压阀、示踪气体扩散分气箱、气体流量计、示踪气体管路、调节阀，示踪气体浓度测定子装置，包括多孔采集头、软管、过滤器、无油真空泵、浓度传感变送器、刚性管、和排气风机，采空区模型子装置，包括多孔隔板、采空区模型子装置的填料、无孔隔板、可拆卸盖板、支撑钢板、卸料阀门、卸料口和示踪气体浓度测定子装置的刚性支架。上述的一种煤矿采空区微流动的实验方法的系统装置，所述采区动态通风子装置中，调节阀开关闭合可实现和控制多种通风方式。上述的一种煤矿采空区微流动的实验方法的系统装置，所述示踪气体浓度测定子装置中利用示踪气体管路上调节阀的开度调节，实现示踪气体的定点释放，其定点释放又可分为进风预混释放和采空区内部定点释放。上述的一种煤矿采空区微流动的实验方法的系统装置，所述示踪气体释放子装置中利用气体流量计，实现对释放流量的实时测定；利用气源瓶和减压阀和示踪气体扩散分气箱的综合调节，实现本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种煤矿采空区微流动的实验方法，其特征在于：采区动态供风和预混示踪气体的方法，捕捉压差驱动效应对采空区内部流场的影响，采空区内部释放示踪气体的方法，捕捉气体浓度差扩散效应采空区内部气体浓度运移的影响，在采空区内部气体微流动过程中，通过测定采空区内及工作面的示踪气体浓度，并获取其连续实时的浓度数据，捕捉其浓度演变过程，实现对压差驱动‑浓度扩散耦合采空区微流动过程的模拟。
【技术特征摘要】
1.一种煤矿采空区微流动的实验方法，其特征在于：采区动态供风和
预混示踪气体的方法，捕捉压差驱动效应对采空区内部流场的影响，采空
区内部释放示踪气体的方法，捕捉气体浓度差扩散效应采空区内部气体浓
度运移的影响，在采空区内部气体微流动过程中，通过测定采空区内及工
作面的示踪气体浓度，并获取其连续实时的浓度数据，捕捉其浓度演变过
程，实现对压差驱动-浓度扩散耦合采空区微流动过程的模拟。
2.根据权利要求1所述的一种煤矿采空区微流动的实验方法，其特征
在于：所述示踪气体为六氟化硫。
3.一种煤矿采空区微流动的实验方法的系统装置，包括采区动态通风
子装置(I)，示踪气体释放子装置(II)，示踪气体浓度测定子装置(III)，
采空区模型子装置(Ⅳ)，其特征在于：采区动态通风子装置(I)，包括
进风口、通风管道(TFGD)、通风巷道(TFHD)、调节装置、测量孔及变
频通风机，示踪气体释放子装置(II)，包括气源瓶(8)、减压阀(5)、
示踪气体扩散分气箱(9)、气体流量计(6)、示踪气体管路(7)、示踪
气体调节装置(10)、示踪气体浓度测定子装置(III)，包括多孔采集头
(12)、软管(15)、过滤器、无油真空泵(14)、浓度传感变送器、刚
性管(16)和示踪气体排出，采空区模型子装置(Ⅳ)，包括多孔隔板(DKGB)、
采空区模型子装置的填料区(TL)、无孔隔板(WKGB...
【专利技术属性】
技术研发人员：王海桥，陈世强，李轶群，李永存，成剑林，章晓伟，
申请(专利权)人：湖南科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43
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