用於模擬採空區氧化升溫規律的動態相似實驗臺及方法與流程
2023-12-10 07:12:12
本發明涉及一種用於模擬採空區氧化升溫規律的動態相似實驗臺，能實現工作面移動自調節，通風方式轉換，實現不同風量、不同通風方式、不同推進速度下採空區內部溫度場的監測和分析。
背景技術：
近年來，隨著綜採技術的廣泛應用，一次開採強度大、冒落空間高、工作面供風量相對較大、一次性開採遺煤量大、漏風嚴重等特點，使得採空區自然發火頻繁。為了進行煤自燃危險區域判定，預測採空區遺煤的自燃危險性，已經有很多採空區遺煤自燃的數值模擬研究，但真實採空區條件極其複雜，很多參數難以測定，使得數值模擬的正確性驗證沒有很好的途徑。
近年來，世界各主要產煤國先後建立了模擬煤層自燃過程的大型煤自然發火實驗臺，把空氣通入裝有鬆散煤樣的自然發火實驗臺進行模擬實驗，觀測不同時間段的煤自燃過程。
不同於大型實驗臺的高額成本，小型實驗臺造價較低，實驗周期短，針對採空區問題可以有效解決。目前小型採空區實驗臺主要集中在對採空區風流場的研究，而對採空區溫度場分布的研究比較空白，同時，已有的研究基本都是針對靜態的採空區進行研究，而真實的採空區是處於四維動態演化的過程中的。因此，本發明研製了一種採空區動態相似實驗臺，可以探索煤在氧化升溫過程中的未知規律、基本性能及相關參數，也可以通過對採空區在四維時空演化過程中溫度場變化規律的監測，從而對採空區自然發火的位置和時間進行預判，提高了採空區遺煤自燃靶向預防的有效性。
技術實現要素：
為了解決上述問題，本發明的目的在於提供一種工作面可動態變化，可測溫度場、多條件可調節的動態採空區相似的用於模擬採空區氧化升溫規律的動態相似實驗臺及方法。
本發明的技術方案是：用於模擬採空區氧化升溫規律的動態相似實驗臺，該實驗臺與礦井比例尺度相似，可對採空區的動態演化過程進行模擬，不僅工作面可沿軌道向前推進，採空區內孔隙率也按非均質方式分布，同時還可以模擬頂板壓力對採空區的影響，實現對動態採空區內溫度場變化規律的研究。
進一步，所述試驗臺包括實驗臺殼體、測溫系統、可移動開採系統和通風系統，
其中，所述測溫系統設置在所述實驗臺殼體內部，所述通風系統嵌入到所述可移動開採系統內，所述可移動開採系統置於所述實驗臺殼體內，通過手動控制運行。
進一步，所述實驗臺殼體包括底板、側壁、上頂板和下頂板，採用網格化非均質孔隙率對殼體內部區域進行分區；
所述可移動開採系統包括進風巷、迴風巷、工作面、封閉擋板和支撐板；
其中，呈u型的所述側壁的上端設有所述下頂板，下端設有所述底板，所述上頂板通過調節裝置與所述下頂板連接，所述進風巷（1）和迴風巷對稱設置在所述側壁的開口端的兩端，所述進風巷和迴風巷聯通，所述工作面設置在所述進風巷和迴風巷之間，所述封閉擋板設置在所述進風巷和迴風巷連接管道上，用於密封所述工作面，所述支撐板設置在所述進風巷和迴風巷之間。
所述通風系統包括風機和流量計，所述風機安裝在進風巷上，所述流量計分別安裝在進風巷和迴風巷上。
進一步，所述調節裝置包括調節槽和固定螺栓，所述調節槽設置所述上頂板上，所述固定螺栓設置在所述調節槽內，並於所述下頂板固接。
進一步，所述測溫系統為若干熱電偶，布置方式為在垂直高度方向按2層分布，第一層高度為1cm，第二層高度為2.5cm，分別布置在進風側和迴風側。
進一步，所述通風系統採用ztf-100小型筒式管道風機，出風口徑100mm，功率18w，最大風量170m3/h，設計風速為1.2m/s，0.9m/s，0.6m/s。
進一步，所述側壁上設有通風方式轉換接口6，用於實現u和u+l型通風方式的變換。
本發明的另一目的是提供採用上述的實驗臺的模擬實驗的方法，具體包括以下步驟：
s1.鋪設熱電偶：
在以固定部分為採空區的內部空間布置熱電偶，連接多路溫度巡檢儀，檢測各通道熱電偶是否正常工作；
s2.相似材料混合和充填：
將採空區以網格形式劃分為若干個區域，將待測試煤樣用顎式破碎機和振動篩篩分出5種不同粒徑的煤樣置於煤樣袋中，與自發熱材料按配比為1-2:1-3進行混合，待混合均勻之後，按照設計粒徑分布填充至網格區域內，相似材料填充高度為3cm，採用分層填充的方法；
s3.矸石填充：
為了模擬採空區遺煤上層為冒落巖體的特徵，所以在填充完相似材料之後，在上層鋪設矸石，為了矸石的再利用，鋪設鐵絲紗窗網鋪對相似材料和矸石進行分層，矸石鋪設厚度為5cm；鋪設方式為：矸石分為兩種粒徑2cm~7cm和7cm~15cm，近工作面的0.5m鋪設粒徑較大7cm~15cm矸石，後端0.5m鋪設小粒徑2cm~7cm矸石；
s4.調節風速：
連調整進風口、迴風口、聯絡巷風速，保證平行試驗時各項參數保持一致；
s5.工作面推進：
①根據相似時間比，計算推進速度；
②推進過程中，先鬆開頂板螺鈕（7），卸下膠帶，拖動工作面移動到相應距離；
③留空區域充填相似材料和矸石，上部用棉花保溫，移動上頂板（8）至與上部擋板（4）貼合，密閉實驗臺，旋緊螺鈕（7）；
④每隔一定時間重複②③一次，直到推進到停採線為止，過程中記錄下採空區測量數據；
s6.結束實驗：
實驗結束後，關閉風機開關，分離底板與工作面部分，篩分矸石與相似材料。
進一步，所述自發熱材料的各個組分的質量比：還原fe粉56%，水分23%，nacl5%，活性炭5%，蛭石10%，高吸水性樹脂1%。
進一步，所述fe粉80-100目、活性炭200-300目，蛭石100目，高吸水性樹脂100目。
本發明的有益效果是：由於採用以上技術方案，並且填充應用了自製自發熱型相似材料，本發明具有以下特點：
1）通過填充自發熱型相似材料，可以在室溫下對採空區的升溫規律進行實驗室模擬；
2）本實驗臺所用相似材料的升溫機理與煤的氧化升溫機理相似，實驗臺設計與實際採空區之間符合傳熱傳質的相似準則；
3）本實驗臺工作面可動態推進，頂板可進行加壓，實現了採空區動態演化過程，可對採空區溫度場的時空演化過程進行研究；
4）通過升溫實驗，預測採空區高溫點出現的位置和時間，同時，可以為採空區數值模擬研究提供新的驗證方法；
5）本實驗臺可實現不同通風方式下採空區溫度場的模擬。
附圖說明
圖1為本發明用於模擬採空區氧化升溫規律的動態相似實驗臺的結構示意圖。
圖2為本發明用於模擬採空區氧化升溫規律的動態相似實驗臺動態過程示意圖。
圖3本發明用於模擬採空區氧化升溫規律的動態相似實驗臺的動態採空區剖面示意圖。
圖4為本發明用於模擬採空區氧化升溫規律的動態相似實驗臺的分區示意圖。
圖5為本發明用於模擬採空區氧化升溫規律的動態相似實驗臺的測溫系統布置圖。
圖中：
1．進風巷；2.迴風巷；3.工作面；4.上擋板；5.支撐板；6.通風方式轉換接口；7.固定螺鈕；8.上頂板；9.下頂板；10.相似材料；11.測溫系統；12.進風系統；13.底板；14.側壁；15流量計；16.網格化非均質孔隙率；17.調節槽。
具體實施方式
下面結合附圖和實例對本發明做進一步說明，
如圖1-5所示，本發明一種用於模擬採空區氧化升溫規律的動態相似實驗臺，該實驗臺與礦井比例尺度相似，可對採空區的動態演化過程進行模擬，不僅工作面可沿軌道向前推進，採空區內孔隙率也按非均質方式分布，同時還可以模擬頂板壓力對採空區的影響，實現對動態採空區內溫度場變化規律的研究。
所述試驗臺包括實驗臺殼體、測溫系統、可移動開採系統和通風系統，
其中，所述測溫系統設置在所述實驗臺殼體內部，所述通風系統嵌入到所述可移動開採系統內，所述可移動開採系統置於所述實驗臺殼體內，通過手動控制運行。
所述試驗臺包括實驗臺殼體、測溫系統、可移動開採系統和通風系統，
其中，所述測溫系統設置在所述實驗臺殼體內部，所述通風系統嵌入到所述可移動開採系統內，所述可移動開採系統置於所述實驗臺殼體內，通過手動控制運行。
所述實驗臺殼體包括底板13、側壁14、上頂板8和下頂板9，採用網格化非均質孔隙率對殼體內部區域進行分區；
所述開採系統包括進風巷1、迴風巷2、工作面3、封閉擋板4和支撐板5；
其中，呈u型的所述側壁14的上端設有所述下頂板9，下端設有所述底板13，所述上頂板8通過調節裝置與所述下頂板9連接，所述進風巷1和迴風巷2對稱設置在所述側壁14的開口端的兩端，所述進風巷1和迴風巷2聯通，所述工作面3設置在所述進風巷1和迴風巷2之間，所述封閉擋板4設置在所述進風巷1和迴風巷2連接管道上，用於密封所述工作面3，所述支撐板5設置在所述進風巷1和迴風巷2之間。
所述通風系統包括風機12和流量計15，所述風機12安裝在進風巷1上，所述流量計15分別安裝在進風巷1和迴風巷2上。
所述調節裝置包括調節槽和固定螺栓，所述調節槽設置所述上頂板8上，所述固定螺栓設置在所述調節槽內，並於所述下頂板9固接。
所述測溫系統為若干熱電偶，布置方式為在所述固定部分內部的垂直高度方向按2層分布，第一層高度為1cm，第二層高度為2.5cm，分別布置在進風側和迴風側。
所述通風系統採用ztf-100小型筒式管道風機，出風口徑100mm，功率18w，最大風量170m3/h，設計風速為1.2m/s，0.9m/s，0.6m/s。
所述側壁上設有通風方式轉換接口6，用於實現u和u+l型通風方式的變換。
上述的實驗臺的模擬實驗的方法，具體不包括以下步驟：
s1.鋪設熱電偶：
在以固定部分為採空區的內部空間布置熱電偶，連接多路溫度巡檢儀，檢測各通道熱電偶是否正常工作；
s2.相似材料混合和充填：
將採空區以網格形式劃分為若干個區域，將待測試煤樣用顎式破碎機和振動篩篩分出5種不同粒徑的煤樣置於煤樣袋中，與自發熱材料按配比為1-2:1-3進行混合，待混合均勻之後，按照設計粒徑分布填充至網格區域內，相似材料填充高度為3cm，採用分層填充的方法；
s3.矸石填充：
為了模擬採空區遺煤上層為冒落巖體的特徵，所以在填充完相似材料之後，在上層鋪設矸石，為了矸石的再利用，鋪設鐵絲紗窗網鋪對相似材料和矸石進行分層，矸石鋪設厚度為5cm；鋪設方式為：矸石分為兩種粒徑2cm~7cm和7cm~15cm，近工作面的0.5m鋪設粒徑較大7cm~15cm矸石，後端0.5m鋪設小粒徑2cm~7cm矸石；
s4.調節風速：
連調整進風口、迴風口、聯絡巷風速，保證平行試驗時各項參數保持一致；
s5.工作面推進：
③根據相似時間比，計算推進速度；
④推進過程中，先鬆開頂板螺鈕7，卸下膠帶，拖動工作面移動到相應距離；
③留空區域充填相似材料和矸石，上部用棉花保溫，移動上頂板8至與上部擋板4貼合，密閉實驗臺，旋緊螺鈕7；
④每隔一定時間重複②③一次，直到推進到停採線為止，過程中記錄下採空區測量數據；
s6.結束實驗：
實驗結束後，關閉風機開關，分離底板與工作面部分，篩分矸石與相似材料。
所述自發熱材料的各個組分的質量比：所述自熱材料的各個組分的質量百分比：還原fe粉53-58%，水分20-25%，nacl4-8%，活性炭4-8%，蛭石8-12%，高吸水性樹脂1-5%。
所述fe粉80-100目、活性炭200-300目，蛭石100目，高吸水性樹脂100目。
本發明殼體尺寸150cm×100cm×12cm，採空區初始長度110cm，採空區停採長度130cm，進、迴風巷道尺寸為(長×寬×高)500mm×40mm×40mm。工作面淨長度為100cm(包括進、迴風巷道的截面寬)，通風系統設有大小頭變徑管。實驗臺剖面結構示意圖如圖3所示。
進一步，所述實驗臺模型材料選取eps保溫板，採用聚氨酯泡沫填縫劑連接，外部用鋁箔二次連接，增大模型強度。
進一步，所述實驗臺的上頂板8，下頂板9採用3mm透明亞克力板，分為上下兩層，上頂板8可隨工作面推進，尺寸分別為：上100cm×60cm，下——110cm×100cm。鬆動螺絲7後上層頂板8可隨工作面的推進向前滑動，產生的留空區域充填完相似材料及矸石之後再一次進行密封。
本發明所採用的技術方案主要有：可移動工作面，可調節頂板，孔隙率非均質性分區，自發熱型相似材料，測溫系統和通風系統六部分。
1）可調節工作面，其特徵是：前段是兩條巷道進風巷1和迴風巷2；通過工作面3連接；整個構件為左右對稱分體結構，迴風側通過變換接口6可進行通風方式的轉換；工作面通道近採空區一側採用網狀漏風結構，上部採用封閉擋板4，該結構主要用於輔助工作面頂部密封。
2）可調節頂板，其特徵是：通過上頂板8的滑動展開，使得採空區擴大，在隨工作面3的推動過程中，實現採空區的動態變化。
進一步，所述頂板採用密封條減少熱量散失，當推進頂板時，打開頂板螺鈕7，充填填充材料，並在頂板下部用棉花填補縫隙，減少熱量散失，之後推動上層頂板8，進行再一次密封。
3）孔隙率非均質性分區，其特徵是：基於採空區「o」型圈理論，根據網格化的概念對實驗臺劃線分區，通過在不同區填充不同粒徑的相似材料，實驗採空區多孔介質非均質性。
為保證採空區孔隙率的非均質性分布，選用了五種不同粒徑15~20mm、10~15mm、5~10mm、2~5mm、0.2~2mm進行填充，模擬採空區不同深度的孔隙率分布，如圖4所示。
4）自發熱型相似材料，其特徵是：採用採用還原鐵粉，活性炭，nacl，蛭石（[mg0.5(h2o)4mg3[alsi3o10](oh)2]），高吸水性樹脂的混合熱樣，作為相似材料的自發熱材料，附著在煤粒表面作為相似材料10。
該相似材料在室溫下便能發生氧化反應並放出大量的熱，且放熱持續時間長，能形成明顯的溫度場。
5）測溫系統，其特徵是：就採空區垂直空間與橫向、縱向空間的溫度進行全面測量。
所述測溫系統11，共布置48個溫度測點，在垂直高度方向按2層分布，第一層包括42個測點，高度為1cm，第二層共6個，高度為2.5cm，分別在進風側（3個）和迴風側（3個）。由於採空區深度為35~65cm深度處為大體為氧化升溫帶，是溫度特徵比較明顯的區域，所以在2.5cm高處的第二層，熱電偶布置在進迴風測的35~65cm深度處，測溫度點的空間位置如圖5所示。
6）通風系統，其特徵是：可實現橫截面、風量、風速的多重調節，同時可以模擬不同的礦井礦井通風方式。