矿井采动空间裂隙场-流场-气体浓度场联合实验平台制造技术

本发明专利技术属于矿井采动空间通风与灾害防治领域，具体是一种矿井采动空间裂隙场

【技术实现步骤摘要】
矿井采动空间裂隙场
‑
流场
‑
气体浓度场联合实验平台


[0001]本专利技术属于矿井采动空间通风与灾害防治领域，具体是一种矿井采动空间裂隙场
‑
流场
‑
气体浓度场联合实验平台
。

技术介绍

[0002]采空区瓦斯与自然发火灾害是裂隙场
、
通风流场
、
气体浓度场（瓦斯和氧气）相互作用的结果，采空区内部空隙和裂隙分布是漏风
、
瓦斯赋存和气体运移的载体，通风流场为气体浓度场的改变提供了外在动力，瓦斯和氧气浓度场则诱发了相应的灾害
。
[0003]目前，尚缺乏裂隙场
‑
流场
‑
气体浓度场联合实验平台来建立这三场之间的内在联系
。
煤岩体内部存在大量微小孔隙
、
原生裂隙，受采动影响，许多次生大裂隙出现，煤岩空间形成了不同尺度范围的裂隙场；从整体看，井下巷道网络，为灾害发生及传播提供了空间，其几何特征量可看作广义的空间尺度
。
因此，矿井整体可抽象为不同尺度的煤岩体裂隙场的集合
。
同时在煤岩裂隙场中还存在以多元气体流动
、
热交换为基础的
CH4浓度场
、O2浓度场和氧化温度场，其中，裂隙场
、O2浓度场和温度场交汇区是煤自燃危险区
。
裂隙场
、CH4浓度场
、O2浓度场和温度场的交汇区是煤自燃引发瓦斯燃烧或爆炸的危险区
。
[0004]矿井采空区空间裂隙场
、
流场
、
气体浓度场的研究均可采用现场测试
、
数值模拟
、
相似模拟的方法，其中，现场测试操作困难
、
成本较高
、
难以大范围获取现场数据；数值模拟关键参数选取和模型校验困难
、
准确度难以有效保障；相似模拟操作简单
、
成本低
、
能在一定程度上还原矿井真实情况，但现有相似模拟研究难以建立采空区空间裂隙场
、
流场
、
气体浓度场三者直接的联系，导致研究结果仍与实际情况存在较大偏差
。

技术实现思路

[0005]本专利技术为了解决上述问题，提供是一种矿井采动空间裂隙场
‑
流场
‑
气体浓度场联合实验平台
。
[0006]本专利技术采取以下技术方案：一种矿井采动空间裂隙场
‑
流场
‑
气体浓度场联合实验平台，包括：采动空间模拟实验箱；采空区裂隙场加载系统，采空区裂隙场加载系统设置在采动空间模拟实验箱内；采动空间模拟实验箱一侧设置工作面，工作面两端分别连接进风巷和回风巷，进风巷安装抽真空机，回风巷安装风机；采动空间模拟实验箱侧壁布置气体释放口并分别连接
CH4储气瓶
、N2储气瓶，向采空区内部供气
。
[0007]进一步的，采空区裂隙场加载系统包括：采空区裂隙场金属压头和水囊球，水囊球自然铺设在采空区底部，采空区裂隙场金属压头与箱体顶部相连，由液压装置控制其工作
。
[0008]进一步的，采空区裂隙场金属压头通过理论分析
、
数值模拟和现场测试相结合的方法，得到采空区垮落带空隙率空间分布函数；利用
3D
打印技术加工制作采空区裂隙场金
属压头，裂隙场金属压头厚度与空隙率空间分布函数相对应
、
大小由相似比确定
。
[0009]进一步的，进风巷
、
回风巷和工作面内布置单风向
S
型皮托管；所述采动空间模拟实验箱内部布置双风向
S
型皮托管，测量一端设有保护罩，用于测量各自位置的风速和风压
。
[0010]进一步的，在采动空间模拟实验箱内部沿走向和倾向方向布置取气孔，每个取气孔间隔设置，取气孔安装取气管抽取内部气体送至气相色谱仪进行浓度检测
。
[0011]进一步的，采动空间模拟实验箱包括模型骨架，模型骨架由铝合金型材制成，模型骨架四周及顶底部由亚克力板缝合，并使用有机粘合剂对所有缝隙进行密封，底部由平台支架支撑
。
[0012]进一步的，采动空间模拟实验箱内部布置的水囊球与真实采空区垮落带未承压时的破碎岩石大小对应成比例
。
[0013]一种测采场风速和压力实验方法，包括：利用布置在巷道和工作面内的单风向
S
型皮托管，单风向
S
型皮托管连接风速
‑
风压测量仪，直接测量进回风顺槽和工作面内的风速和压力；利用布置在采空区内部的双风向
S
型皮托管间接监测采空区内部漏风流场风流方向
、
速压和静压：具体为：双风向
S
型皮托管中
0#、1#、2#
管分别获取测点静压
P0、x
方向静压与速压之和
P1、y
方向静压与速压之和
P2；
0#
管和
1#
管分别连接补偿式微压计静压接口和动压接口时，测得测点
x
方向风速；
0#
管和
2#
管分别连接补偿式微压计静压接口和动压接口时，测得测点
y
方向风速；为测点空气密度，由井下干湿球温度计测得；测点风速大小；测点风速方向
。
[0014]一种测自燃三带分布规律实验方法，包括：将工作面进风巷和回风巷封闭，并打开进风巷处的抽真空机将整个采场抽至真空；打开
N2储气瓶注入高纯氮气至常压；打开风机调至工作面正常通风参数，风机持续向采动空间模拟实验箱送风一段时间后进行气体浓度检测；通过四通阀将所有取气管汇集，四通阀的汇聚端与多功能集管器相连；将多功能集管器的取气端与气泵相接，随后打开气泵一次性将采空区内不同位置的气体抽至气相色谱仪中进行浓度检测，通过氧气浓度确定自燃三带分布规律
。
[0015]一种测瓦斯分布与运移规律实验方法，包括：在采动空间模拟实验箱顶部
、
底部
、
中间位置布置瓦斯均匀释放口；打开
CH4储气瓶根据相似比计算向模型内注入的
CH4流量；
打开风机并调节风量至工作面正常参数，通过四通阀将所有取气管汇集，四通阀的汇聚端与多功能集管器相连，多功能集管器一次将进风巷
、
回风巷
、
工作面
、
采动空间模拟实验箱内部不同位置的气体抽至气相色谱仪中进行浓度检测，通过瓦斯浓度确定不同通风和瓦斯涌出条件下采场瓦斯分布和运移规律
。
[0016]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术能够直接建立起矿井采动空间裂隙本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种矿井采动空间裂隙场
‑
流场
‑
气体浓度场联合实验平台，其特征在于，包括：采动空间模拟实验箱（1）；采空区裂隙场加载系统，采空区裂隙场加载系统设置在采动空间模拟实验箱（1）内；采动空间模拟实验箱（1）一侧设置工作面（8），工作面（8）两端分别连接进风巷（9）和回风巷（
10
），进风巷（9）安装抽真空机（
17
），回风巷（
10
）安装风机（
15
）；箱体（1）侧壁布置气体释放口并分别连接
CH4储气瓶（5）
、N2储气瓶（6），向采空区内部供气
。2.
根据权利要求1所述的矿井采动空间裂隙场
‑
流场
‑
气体浓度场联合实验平台，其特征在于，所述采空区裂隙场加载系统包括：采空区裂隙场金属压头（2）和水囊球（3），水囊球（3）自然铺设在采空区底部，采空区裂隙场金属压头（2）与箱体（1）顶部相连，由液压装置控制其工作
。3.
根据权利要求2所述的矿井采动空间裂隙场
‑
流场
‑
气体浓度场联合实验平台，其特征在于，所述采空区裂隙场金属压头（2）通过理论分析
、
数值模拟和现场测试相结合的方法，得到采空区垮落带空隙率空间分布函数；利用
3D
打印技术加工制作采空区裂隙场金属压头（2），裂隙场金属压头厚度（2）与空隙率空间分布函数相对应
、
大小由相似比确定
。4.
根据权利要求1所述的矿井采动空间裂隙场
‑
流场
‑
气体浓度场联合实验平台，其特征在于，所述进风巷（9）
、
回风巷（
10
）和工作面（8）内布置单风向
S
型皮托管（
11
）；所述采动空间模拟实验箱（1）内部布置双风向
S
型皮托管（
12
），测量一端设有保护罩，用于测量各自位置的风速和风压
。5.
根据权利要求1所述的矿井采动空间裂隙场
‑
流场
‑
气体浓度场联合实验平台，其特征在于，在采动空间模拟实验箱（1）内部沿走向和倾向方向布置取气孔（
18
），每个取气孔间隔设置，取气孔（
18
）安装取气管（
13
）抽取内部气体送至气相色谱仪（
22
）进行浓度检测
。6.
根据权利要求1所述的矿井采动空间裂隙场
‑
流场
‑
气体浓度场联合实验平台，其特征在于，所述采动空间模拟实验箱（1）包括模型骨架，模型骨架由铝合金型材制成，模型骨架四周及顶底部由亚克力板缝合，并使用有机粘合剂对所有缝隙进行密封，底部由平台支架（4）支撑
。7.
根据权利要求1所述的矿井采动空间裂隙场
‑
流场
‑
气体浓度场联合实验平台，其特征在于，所述采动空间模拟实验箱（1）内部布置的水囊球（3）与真实采空区垮落带未承压时的破碎岩石大小对应成比例
。8.
一种测采场风速和压力实验方法，采用如权利要求4所述的矿井采动空间裂隙场
‑
流场
‑
气体浓度场联合实验平台，其特征在于，包括：利用布置在巷道和工作面内的单风向
S<...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑旭，刘鹏鹏，王珂，刘红威，罗平，王飞，黄玉玺，闫晶晶，刘树锋，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：