一种多场耦合的采空区立体自燃带相似模拟实验装置制造方法及图纸

一种多场耦合的采空区立体自燃带相似模拟实验装置，包括可控风速发烟器、进风巷道、回风巷道、可视化采空区模拟台、采空区填充材料、测压管、压力传感器；可控风速发烟器出烟口与进风巷道一端相连，进风巷道另一端与可视化采空区模拟台进烟口相连，回风巷道一端与可视化采空区模拟台出烟口相连，回风巷道另一端与外界大气相连。该装置实用性强，使得对采空区风流分布规律及采空区压能分布的研究简便，直观可视，具有广泛的推广应用价值。具有广泛的推广应用价值。具有广泛的推广应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种多场耦合的采空区立体自燃带相似模拟实验装置


[0001]本技术涉及一种模拟实验装置，特别是一种多场耦合的采空区立体自燃带相似模拟实验装置。

技术介绍

[0002]煤自燃灾害是采空区风流场持续供氧、遗煤蓄热、热量积聚综合作用的结果，具有灾害隐蔽性较强、流场复杂、治理难度大等特点。实际采空区并不是各向同性的多孔介质，采空区内孔隙具有弯曲性、无向性和随机性等特点，工作面漏向采空区的风流在煤岩体组成的多孔介质中流动，形成了包括湍流、过渡流和层流同时存在的非线性渗流场，造成采空区内部的气体流动过程极其复杂。漏风供氧是生热的必要前提条件，足够的漏风量可以带走煤自燃产生的热量，降低煤体温度，控制氧气浓度是采空区防灭火的重点工作。因此，研究采空区内流场分布规律是矿井防灭火技术的基础，对丰富多孔介质内的气体流动理论具有重要的理论意义。
[0003]目前对采空区风流移动规律研究方法主要有：理论分析、现场观测、数值模拟及物理相似模拟。开展现场实测是最为直接和准确的方式，但开展此方法存在固有周期较长、耗费人力物力较多、现场条件限制严重等条件的制约。数值模拟方法受理论、数值计算以及计算机软硬件发展等因素的限制，构建复杂地下工程模型时不得不对其进行大量简化，从而使其计算结果与现场存在较大差异。目前，物理相似模拟被公认为是一种研究采空区风流运移规律行之有效的方法。就目前而言，大多数的物理相似模拟仍然集中于二维、单相或固液方面的物理相似模拟，利用三维物理相似模拟实验装置研究采空区中风流运移规律还很少，因此研发一种多场耦合的采空区立体自燃带相似模拟实验装置，对于实验室中再现煤矿生产实际，进一步研究采空区不同倾角、采空区不同空隙结构、工作面不同风速、采空区不同温度状况及气体浓度变化影响下采空区流场分布规律及压能分布规律显得极其重要。此外，采空区自燃区域受上述参数影响外，其变化规律还受时间因素影响，本装置也可以动态模拟上述参数的变化过程。
[0004]一、相似理论
[0005]相似模拟实验是一种直观、简单、经济、可靠的在科研领域中非常重要的短周期实验研究方法。它基于相似理论基础，通过制作接近于实际环境的精简实验模型，利用科学仪器观测实验发展过程，获取重要实验数据，分析归纳分布规律，得出结论并扩大到现实原型中，以经解决实际生产中的问题。它还可以根据需要固定一些参数并更改其他参数，以分析每个参数对研究对象的影响。这些在现场很难实现，基于相似性原理的模型试验研究已逐渐应用于流体力学问题，直接试验方法的局限性得以突破。
[0006]二、煤氧复合理论
[0007]煤氧复合作用学说认为，煤低温氧化是由于煤在室温下首先与空气中的氧相互作用(物理吸附、化学吸附、化学反应)发生氧化自热，并自动加速，当其氧化速度加快到由氧化产生的热量积聚起来不能及时散发时就导致煤自燃。该学说已被广泛认同，一方面煤自
燃的主要参与对象就是煤与氧；另一方面，煤氧复合作用学说基本上涵盖了其它学说观点煤在实际自燃过程也就是在煤氧复合作用过程中宏观上表现出四个不同的阶段。从环境温度到70～80℃为第一阶段，该阶段主要有三种产热方式，即物理吸附放热，化学吸附放热和化学反应放热，这三种产热效应的叠加，使得总的产热速率呈现加速状态；第二阶段从70～80℃到煤的内在水分开始影响煤的氧化，该阶段主要是化学反应产生热量为主；第三阶段从内在水分作用到贫氧氧化开始；第四阶段为贫氧氧化阶段。煤的低温氧化过程隶属于第一阶段，即在达到临界温度(低温缓慢氧化到高温快速氧化的转折点)以前的这个阶段。
[0008]煤低温氧化过程首先发生物理吸附，释放出物理吸附热，同时物理吸附热促使形成化学吸附并释放化学吸附热，化学吸附之后发生化学反应，化学反应会释放出相对于物理吸附和化学吸附更高的化学反应热，在低温氧化阶段主要以物理、化学吸附为主，局部的少量化学反应次之。
[0009]根据煤氧复合学说，煤低温阶段热量的产生是煤氧复合作用的结果。虽然煤自燃初始阶段因物理吸附导致煤炭表面能量的改变而发出热量，放出的热量使煤温度开始上升，但研究表明煤温达到30～50℃时物理吸附迅速减少其作用几乎可以忽略，在50℃左右之后化学吸附、化学反应已经成为促进煤自燃的主导因素。

技术实现思路

[0010]本技术的目的是：设计一种结构简单，操作方便，试验结果可视化、便于动态或静态观测的采空区流场分布及采空区压能分布及温度场、气体浓度场测试的实验装置，用以克服现有测试技术的不足。
[0011]本技术目的可以通过下述技术方案来实现：
[0012]本技术提供一种多场耦合的采空区立体自燃带相似模拟实验装置，由可控风速发烟器、进风巷道、回风巷道、可视化采空区模拟台、采空区填充材料、测压管、压力传感器组成，发烟器出烟口与进风巷道一端相连，进风巷道另一端与可视化采空区模拟台进烟口相连，回风巷道一端与可视化采空区模拟台出烟口相连，回风巷道另一端与外界大气相连。
[0013]本技术所述可视化采空区模拟台由带有可伸缩装置底座、热电偶发热装置、四周透明箱体和标有刻度尺透明亚克力板组成，带有可伸缩装置底座上设置热电偶发热装置，热电偶发热装置上设置四周透明箱体，四周透明箱体的左侧面前、后两端位置分别设有进烟口和出烟口，四周透明箱体周围设有测压管口，四周透明箱体内部装有模拟顶板塌陷矸石区填充材料，标有刻度尺透明亚克力板盖在箱体的上端口处，带有可伸缩装置底座正面、右侧面及上部安装有高速相机及红外摄像仪。
[0014]本技术所述透明亚克力板与箱体采用密封配合连接，可拆卸。内部采空区填充材料可根据实验要求更换不同材料。
[0015]本技术所述可控风速发烟器，其发烟风速可以实现实时控制，风速范围0.25～ 4m/s。
[0016]本技术所述可伸缩装置底座能够调节底座伸缩装置，使可视化采空区模拟台能够倾斜不同的倾角，倾角范围0～60
°
。
[0017]本技术所述测压管口与压力传感器相连，可实时测定压能数据。
[0018]本技术所述热电偶发热装置，热电偶发热装置可以给四周透明箱体加热至一定的温度，并且可保持温度稳定不变。
[0019]本技术的优点是：1)结构简单，操作方便；2)采空区内部设有测压管，利用压能传感器测定采空区压能分布状况；3)采用可拆卸的透明亚克力板盖在箱体上部，能够根据需求改变采空区内部填充材料以获得采空区不同空隙结构下采空区内部风流及压能实验数据；4)工作面发烟风速可以实现实时控制，能够得到工作面0.25～4m/s风速范围内采空区内部风流及压能实验数据；5)底座带有可伸缩装置，能够使可视化采空区模拟台倾斜0～60
°
倾角，得到采空区不同倾角下采空区内部风流及压能实验数据；6)热电偶发热装置可以给四周透明箱体加热至一定的温度，并且可保持温度稳定不变，得到采空区不同温度下其内部风流及压能实验数据。
[0020]操作人员不用进入到采空区进行探测，就能够根据相似原理进行采空区不同倾本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多场耦合的采空区立体自燃带相似模拟实验装置，其特征是：由可控风速发烟器(1)、进风巷道(2)、回风巷道(3)、可视化采空区模拟台(4)、采空区填充材料(6)、测压管(7)、压力传感器(8)组成，可控风速发烟器(1)出烟口与进风巷道(2)一端相连，进风巷道另一端与可视化采空区模拟台(4)进烟口相连，回风巷道(3)一端与可视化采空区模拟台(4)出烟口相连，回风巷道(3)另一端与外界大气相连。2.根据权利要求1所述的一种多场耦合的采空区立体自燃带相似模拟实验装置，其特征是：所述可视化采空区模拟台(4)由带有可伸缩装置底座(9)、热电偶发热装置(5)、四周透明箱体(10)和标有刻度尺透明亚克力板(11)组成，带有可伸缩装置底座(9)上设置热电偶发热装置(5)，热电偶发热装置(5)设置四周透明箱体(10)，四周透明箱体(10)的右侧面前、后两端位置分别设有进烟口(12)和出烟口(13)，箱体周围设有测压管口(14～29)，四周透明箱体(10)内部装有填充材料(6)，标有刻度尺透明亚克力板(11)盖在四周透明箱体(10)的上端口处，带有可伸缩装置底座(9)正面、右侧面及上部安装有高速相机及红外摄像仪(30)。3.根据权利要求2所述的一种多场耦合的采...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵文彬，张培伟，石新岩，张文明，刘波，赵娟，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：新型
国别省市：