煤矿采空区煤自燃环境流场模拟实验台制造技术

本发明专利技术公开了一种煤矿采空区煤自燃环境流场模拟实验台，用于模拟煤矿采空区遗煤自燃环境下温度场发展、风流流动和气体运移状态。该装置包括通风系统、通风工作面采场、模拟采空区、气体释放系统、温度监控系统和数据采集系统。该实验系统可以模拟正常通风状态和采空区火区封闭状态下采空区的流场发展，得到煤自燃环境条件下采空区不同位置气体浓度和速度、空间压力和煤岩温度等参数，可为研究和掌握采空区煤自燃环境下温度场发展、风流流动和气体运移规律提供依据。本发明专利技术适用于模拟三维采空区煤自燃环境下温度场发展、风流流动和气体运移及灾害危险区域的判定。

【技术实现步骤摘要】
煤矿采空区煤自燃环境流场模拟实验台
本专利技术涉及一种煤矿采空区煤自燃研究实验装置，具体涉及一种煤矿采空区煤自燃环境流场模拟实验台。技术背景煤炭是我国主要消费的能源，占一次能源构成的70%左右。由于我国绝大多数煤矿开采是地下作业，煤层赋存条件复杂多变，多种灾害互为诱因，很容易造成重、特大灾害事故，其中，煤矿井下最突出的灾害之一就是瓦斯与煤层自燃火灾相互耦合。随着煤矿开采深度的增加、开采强度的加大，煤自燃隐患与瓦斯灾害共存现象愈发突出。火区封闭是控制采空区遗煤自燃灾害的有效方法之一，但在封闭和启封过程中发生瓦斯爆炸造成重大伤亡的事故屡见不鲜。由于煤矿中煤自燃与瓦斯爆炸灾害互为诱因、复杂多变及其突发性，增加了井下煤自燃火灾环境瓦斯爆炸危险性判定及防治的难度，至今十分缺乏系统的研究、有效的手段方法和研究结论。因此，弄清采空区煤自燃环境下的温度场发展、风流流动和气体运移规律十分关键，掌握井下煤自燃火灾诱发瓦斯爆炸事故的规律并有效的避免该灾害是煤矿安全高效开采过程中迫切需要解决的重大自然灾害问题。由于采空区内充满垮落岩石，人员无法进入观测环境及施工，给现场工程研究造成了极大困难。物理相似模拟具有耗时短、所需资源少、环境条件可控、研究拓展性好等优点，可针对不同条件采空区进行模拟，因此被认为是一种研究采空区复杂环境的行之有效的方法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的问题在于，弥补现有技术存在的空白，提出了一种煤矿采空区煤自燃环境流场模拟实验台，能够模拟内部为煤自燃环境的采空区中温度场发展、风流流动和气体运移规律。通过对采空区中瓦斯、氧气和氮气等气体浓度以及空间压力、风速和煤岩温度等数据的提取，掌握揭示采空区流场变化的时间和空间规律，为避免井下煤自燃火灾诱发瓦斯爆炸事故的发生提供参考和依据。本专利技术的煤矿采空区煤自燃环境流场模拟实验台，包括模拟采空区箱体、模拟通风系统、气体释放系统，温度监控系统和数据采集系统；其特征是：模拟采空区箱体由模拟采空区和模拟采煤工作面构成。模拟采煤工作面由模拟采煤面和模拟支护顶板构成，模拟采煤面位于模拟采空区箱体的一个端面的底部，模拟支护顶板位于模拟采煤面上方。模拟采空区箱体，沿模拟采煤工作面纵向设置沙石隔离带，模拟采空区箱体的其余空间用细沙和不同粒径的矸石按照“O”型圈冒落压实特征填充，构成模拟采空区。模拟采煤工作面两端分别连接模拟进风巷和模拟回风巷，模拟进风巷通过送风管道连接风机，构成所述模拟通风系统，U型通风工作面采场。风机采用无级变速。在模拟采空区箱体的底面设气体释放室，气体释放室顶面均布气孔（筛网结构），气体释放室通过若干分支气路连接气瓶，构成所述气体释放系统。所述温度监控系统包括加热模块、若干温度传感器、和数据采集卡。加热模块置于模拟采空区中，各温度传感器均布于模拟采空区，各温度传感器均连接至数据采集卡。所述数据采集系统，包括若干模拟采煤工作面风速测量装置、风速采集子系统，气体浓度压力采集子系统。各模拟采煤工作面风速测量装置分别置于模拟采煤工作面、模拟进风巷和模拟回风巷的顶部。模拟采空区风速采集子系统包括若干测风管和风速仪密封塞。各个测风管均布于模拟采空区，测风管一端内置于模拟采空区，另一端伸出模拟采空区箱体并用密封塞封闭。气体浓度压力采集子系统包括气体采样气路、氧气浓度检测仪、瓦斯浓度检测仪和微压差仪。气体采样气路埋置在模拟采空区上部，延伸至模拟采空区箱体外，外部端口用密封夹密闭。本专利技术公开的煤矿采空区煤自燃环境流场模拟实验台，可以实现采空区煤自燃产生的区域式高温环境和采空区中遗煤解吸瓦斯后的平面释放效果。通过测取采空区内不同位置的瓦斯、氧气和氮气等气体浓度以及空间压力、风速和煤岩温度数据，达到对采空区煤自燃环境下温度场发展、风流流动和气体运移规律的模拟和掌握，为实际煤矿采空区防灾减灾以及灾后救援措施提供依据，减少损失。附图说明图1为本专利技术煤矿采空区煤自燃环境流场模拟实验台示意图；图2为本专利技术煤矿采空区煤自燃环境流场模拟实验台的气体释放系统示意图；图3为本专利技术煤矿采空区煤自燃环境流场模拟实验台的温度监控系统示意图。图中：1-风机，2-变速器，3-送风管道，4-电源，5-模拟采煤工作面，6-模拟进风巷，7-模拟回风巷，8-气瓶，9-减压阀，10-气体管路，11-流量计,12-三通接头，13-气体释放室，14-加热模块，15-温度传感器，16-导线，17-数据采集卡，18-计算机，19-气体采样气路，20-密封夹，21-测风管，22-密封塞，23-模拟采煤工作面风速测量装置，24-模拟采空区箱体，25-密封盖。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本专利技术作进一步详细说明。图1所示的是本专利技术煤矿采空区煤自燃环境流场模拟实验台立体示意图。本实验台包括模拟采空区箱体24、模拟通风系统、气体释放系统，温度监控系统和数据采集系统。模拟采空区箱体24由模拟采空区和模拟采煤工作面5构成。模拟采煤工作面由模拟采煤面和模拟支护顶板构成，模拟采煤面位于模拟采空区箱体的一个端面的底部，模拟支护顶板位于模拟采煤面上方。模拟采空区箱体中，沿模拟采煤工作面纵向设置沙石隔离带，在模拟采空区与模拟采煤工作面交界面处，使用钢丝网隔开。使得模拟采煤工作面内留出模拟采煤面工作空间（模拟通风用），模拟采空区箱体的其余空间用细沙和不同粒径的矸石按照“O”型圈冒落压实特征填充，构成模拟采空区。所述模拟通风系统，模拟采煤工作面5一端连接模拟进风巷7，另一端连接模拟回风巷6。风机1通过与变速器2连接实现无级变速。风机1出风口与送风管道3相连。送风管道3圆形出口通过转接口与矩形进风巷7进口连接，接口处通过卡子和密封胶实现固定密封目的。打开风机1，根据工作面5、进风巷7和回风巷6上的测量风速，调整变速器2直至风速达到预定值。在模拟采空区箱体的整个底面设气体释放室13，气体释放室顶面布置透气层，气瓶8由固定架固定，其放气口连接减压阀9，减压阀9出口连接高压气体管路10，通过三通接头12增加气路分支数，各分支气路连接流量计11，最后进入气体释放室13。气体的释放形式为平面释放。所述温度监控系统包括加热模块14、若干温度传感器15和数据采集卡17。加热模块置于模拟采空区中，加热模块14通过导线16连接到电源4。各温度传感器15均布于模拟采空区，通过导线16连接至数据采集卡17，数据采集卡17通过数据线与计算机18中的通讯软件进行数据传输。所述数据采集系统，包括若干模拟采煤工作面风速测量装置、风速采集子系统，气体浓度压力采集子系统。通风空间中的各模拟采煤工作面风速测量装置分别置于模拟采煤工作面5、模拟进风巷6和模拟回风巷7的顶部。工作面5、进风巷7和回风巷6风速，通过其顶部的风速测量装置23直接进行测量。模拟采空区风速采集子系统，包括若干测风管21和风速仪。各个测风管21均布于模拟采空区，测风管21一端内置于模拟采空区，另一端伸出模拟采空区箱体并用密封塞22封闭。测量时控制风速仪进入测风管21深度来测量不同高度位置的风速。气体浓度压力采集子系统，包括气体采样气路19、氧气浓度检测仪、瓦斯浓度检测仪和微压差仪。气体采样气路19埋置在模拟采空区中，共三层，其距离地板高度分别为1cm、8cm和25cm。气体采样气路19延伸至模拟采空区箱体外本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种煤矿采空区煤自燃环境流场模拟实验台，包括模拟采空区箱体、模拟通风系统、气体释放系统，温度监控系统和数据采集系统；其特征是：模拟采空区箱体由模拟采空区和模拟采煤工作面构成；模拟采煤工作面由模拟采煤面和模拟支护顶板构成，模拟采煤面位于模拟采空区箱体的一个端面的底部，模拟支护顶板位于模拟采煤面上方；模拟采空区箱体，沿模拟采煤工作面纵向设置沙石隔离带，模拟采空区箱体的其余空间用细沙和不同粒径的矸石按照“O”型圈冒落压实特征填充，构成模拟采空区；模拟采煤工作面两端分别连接模拟进风巷和模拟回风巷，模拟进风巷通过送风管道连接风机，构成所述模拟通风系统；所述风机采用无极变速；在模拟采空区箱体的整个底面设气体释放室，气体释放室顶面均布气孔，气体释放室通过若干分支气路连接气瓶，构成所述气体释放系统；所述温度监控系统包括加热模块、若干温度传感器、和数据采集卡；加热模块置于模拟采空区中，各温度传感器均布于模拟采空区，各温度传感器均连接至数据采集卡；所述数据采集系统，包括若干模拟采煤工作面风速测量装置、风速采集子系统，气体浓度压力采集子系统各个模拟采煤工作面风速测量装置分别置于模拟采煤工作面、模拟进风巷和模拟回风巷的顶部；模拟采空区风速采集子系统，包括若干测风管和风速仪及密封塞；各个测风管均布于模拟采空区，测风管一端内置于模拟采空区，另一端伸出模拟采空区箱体并用密封塞封闭；气体浓度压力采集子系统，包括气体采样气路、氧气浓度检测仪、瓦斯浓度检测仪和微压差仪；气体采样气路埋置在模拟采空区中，延伸至模拟采空区箱体外，外部端口用密封夹密闭。...

【技术特征摘要】
1.一种煤矿采空区煤自燃环境流场模拟实验台，包括模拟采空区箱体、模拟通风系统、气体释放系统，温度监控系统和数据采集系统；其特征是：模拟采空区箱体由模拟采空区和模拟采煤工作面构成；模拟采煤工作面由模拟采煤面和模拟支护顶板构成，模拟采煤面位于模拟采空区箱体的一个端面的底部，模拟支护顶板位于模拟采煤面上方；模拟采空区箱体，沿模拟采煤工作面纵向设置沙石隔离带，模拟采空区箱体的其余空间用细沙和不同粒径的矸石按照“O”型圈冒落压实特征填充，构成模拟采空区；模拟采煤工作面两端分别连接模拟进风巷和模拟回风巷，模拟进风巷通过送风管道连接风机，构成所述模拟通风系统；所述风机采用无极变速；在模拟采空区箱体的整个底面设气体释放室，气体释放室顶面均布气孔，气体释放室通过若干分支气路连接气瓶，构成所述气体释放系统；所述温度监控系统包括加热模块、若干温度...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦波涛，李林，马东，卓辉，梁洪军，高昂，宋爽，王俊，高远，侯晋，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32