CN102564725A - 一种立体瓦斯抽采采空区流场模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种煤矿矿井瓦斯检测设备，具体涉及一种立体瓦斯抽采采空区流场模拟实验装置，该装置利用在实验室建立模拟模型，对立体瓦斯抽采采空区流场进行实验研究，克服了现场实际中无法直观的困难，与现场实际有很高的相似度，模拟采空区采用有机玻璃，便于直观地观测和分析采空区流场规律；根据需要研究立体瓦斯抽采不同巷道布置位置采空区瓦斯流场规律，配合现场实际全面考察立体瓦斯瓦斯抽采不同巷道布置位置的有关参数，对相关参数进行对比研究，指导现场实际巷道的优化布置，为立体瓦斯抽采瓦斯治理和采空区防火提供提供科学的技术依据。

Description

一种立体瓦斯抽采采空区流场模拟实验装置

技术领域

    本发明涉及一种煤矿矿井瓦斯检测设备，具体涉及一种立体瓦斯抽采采空区流场模拟实验装置，适用于立体瓦斯抽采条件下采空区流场的分析和研究，选择合理的通风参数下合适的巷道布置位置，优化巷道布置，属煤矿安全技术领域。

背景技术

我国有很大一部分矿井为高瓦斯矿井，为了防治高瓦斯矿井煤与瓦斯突出，目前广泛采用“四位一体”立体瓦斯抽采体系防治煤与瓦斯突出。但是，由于瓦斯抽采所带来的破裂煤体和采空区漏风引起破裂煤体和采空区遗煤的自燃，并且煤体的自燃又成为瓦斯燃烧和瓦斯爆炸的引火源，不仅严重地影响瓦斯的安全抽采和安全排放，而且成为矿井生产的巨大危险源。如何在合理地瓦斯抽采和瓦斯排放过程中，控制松散煤体和采空区漏风，防治采空区遗煤自燃，对高瓦斯易自燃煤层瓦斯防治和煤层自燃起到一举两得的作用。

一旦煤层开采引起岩层移动，即使渗透率很低的煤层，其渗透率也将增大数十倍至数百倍，这给卸压瓦斯的抽采提供了可能。卸压瓦斯抽采是瓦斯治理技术体系的重要组成部分，利用采动岩层运动对瓦斯的卸压作用高效抽采瓦斯，防治瓦斯事故发生，实现工作面的安全高效开采。因此，煤层采动后的卸压瓦斯抽采是我国煤矿瓦斯灾害防治的最佳途径，从安全生产方面考虑，很有必要进行卸压瓦斯抽采。但是，对于易自燃煤层，同时由于相邻采空区的影响，采空区形成了多个漏风源和漏风汇，使得破裂煤体中和遗留有大量浮煤的采空区不断存在漏风供氧，经过一定时间的氧化和热量积聚，必然会导致自燃。因此，合理地布置巷道位置，在实现高效治理瓦斯的同时，控制采空区漏风，是防治破裂煤体和采空区遗煤自燃的首要方法。然而采空区内部存在大量的冒落岩石，人们无法进入采空区内部对其进行直观的研究，加之要实现不同位置巷道之间的转换，优化巷道布置，需要消耗巨大的财力和物力，对立体瓦斯抽采采空区流场的研究带来了很大的困难。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足之处，提供一种立体瓦斯抽采采空区流场模拟实验装置。该装置采用模拟实验模型研究立体瓦斯抽采条件下采空区流场，对巷道、工作面、采空区、支架进行了相似模拟，通过该实验模型装置对立体瓦斯抽采条件下不同巷道位置及通风参数下的采空区流场进行对比研究，得出立体瓦斯抽采采空区流场规律，建立立体瓦斯抽采不同巷道位置及通风参数下的采空区流场数学模型，，指导现场实际工作中立体瓦斯抽采巷道优化布置和通风参数确定，为立体瓦斯抽采条件下瓦斯防治和采空区防火提供科学的指导，保证矿井安全高效的开采。

本发明是以如下技术方案实现的：一种立体瓦斯抽采采空区流场模拟实验装置，其特征是：该装置包括有模拟采空区模型主体、瓦斯抽采及通风动力系统、瓦斯源系统、测试系统；所述的模拟采空区模型主体包括有模拟采空区，模拟采空区的两侧分别连接有模拟相邻采空区，模拟采空区内有模拟工作面，模拟工作面后方有模拟支架；所述的模拟采空区分别置有进风巷管、回风巷管、外错尾巷管、内错尾巷管、高抽巷管；所述的瓦斯抽采及通风动力系统包括有风机，真空泵；所述的风机与回风巷管相连接；所述的真空泵与高抽巷管相连接；所述的瓦斯源系统包括有瓦斯瓶，瓦斯瓶通过减压阀与分流稳压罐相连接，然后通过与流量计相连的邻近层瓦斯释放板上的释放孔和底层瓦斯释放板上的底层释放孔注入模拟采空区；所述的测试系统包括有模拟采空区、模拟工作面及进风巷管、回风巷管、外错尾巷管、内错尾巷管、高抽巷管上的多个参数测点。

所述的模拟工作面在其靠近模拟支架一侧的壁上设有多个瓦斯释放孔。

所述的邻近层瓦斯释放板和底层瓦斯释放板上均设有多个瓦斯释放孔。

所述的模拟采空区的进风侧有多个进风巷管，模拟采空区的回风侧有多个内错尾巷管，同时在不同水平及高度位置有多个高抽巷管。

所述的进风巷管、回风巷管、外错尾巷管、内错尾巷管、高抽巷管上均有巷道管路控制阀。

所述的邻近层瓦斯释放板上有阀Ⅰ，所述的底层瓦斯释放板上有阀Ⅱ。

模拟采空区按顶板岩层裂隙发展的“O”形圈特征、岩层破断形式、岩层移动规律选用轻质泡沫材料填充，同时在采空区内部不同水平面上按横向和纵向交叉布置多个取样点和测压点，瓦斯气体源通过减压阀与稳压罐相连，稳压罐通过流量计与连接邻近层瓦斯释放板和底层瓦斯释放板的胶管相连组成了瓦斯源系统。

为了方便的模拟立体瓦斯抽采不同巷道布置和通风参数对采空区流场的影响，当工作面长度不同时可以测试不同工作面时，不同巷道布置和不同通风参数对采空区流场的影响及风排瓦斯的能力；在不同尾巷位置和高抽巷布置组合时，在注入同样瓦斯量的情况下，可以测试尾巷不同位置、高抽巷不同位置、不同通风参数对采空区流场的影响及风排瓦斯的能力，确定最佳的巷道布置位置及通风参数。通过控制阀改变不同的巷道布置位置和参数，研究立体瓦斯抽采不同巷道布置位置及不同通风参数下采空区流场特性及风排瓦斯能力，选择合适的巷道布置位置、巷道布置方式及通风参数。

本发明的优点是：该装置利用在实验室建立模拟模型，对立体瓦斯抽采采空区流场进行实验研究，克服了现场实际中无法直观的对其研究的困难，与现场实际有很高的相似度，密封性能良好；通过控制阀门的调节来实现立体瓦斯抽采不同巷道布置位置的转换，操作简单方便，设备费用较低；模拟采空区采用有机玻璃，便于直观地观测和分析采空区流场规律；根据需要研究立体瓦斯抽采不同巷道布置位置采空区瓦斯流场规律，配合现场实际全面考察立体瓦斯瓦斯抽采不同巷道布置位置的有关参数，对相关参数进行对比研究，指导现场实际巷道的优化布置和实验室研究，为立体瓦斯抽采瓦斯治理和采空区防火提供提供科学的技术依据。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明：

图1是本发明的结构示意图图；

图2是图1的横剖面结构示意图；

图3是图1的A-A剖面图；

图4是邻近层瓦斯释放板结构示意图；

图5是底层瓦斯释放板结构示意图；

图中：1.模拟采空区，2.模拟相邻采空区，3.模拟工作面，4.进风巷管，5.回风巷管，6.外错外巷管，7.内错尾巷管，8.高抽巷管，9.控制阀，10.邻近层瓦斯释放板，11.底层瓦斯释放板，12.分流稳压罐，13.流量计，14.瓦斯瓶，15，减压阀，16.风机，17.真空泵，18.模拟支架，19.阀Ⅰ，20.邻近层瓦斯释放板瓦斯释放孔，21.阀Ⅱ，22.底层瓦斯释放板瓦斯释放孔。

具体实施方式

如图1所示，实验装置包括模拟采空区模型主体、瓦斯抽采及通风动力系统、瓦斯源系统、测试系统。模拟采空区模型主体包括模拟采空区1、模拟采空区两侧相连的模拟相邻采空区2，在模型采空区1内设有模拟工作面3，模拟工作面后方设模拟支架18，在模拟采空区1内冒落带以矿山压力与岩层控制理论为依据，用体积计算的方式，在压实区和“O”型圈分别堆积不同压实特性的泡沫，使满足冒落带孔隙率和渗透率的分布特征，上覆岩层裂隙带按照采动围岩裂隙存在竖向裂隙和离层裂隙的特点，结合“O”型圈理论，用块状泡沫填充，并在其上面施加一定的压力，使其满足裂隙带裂隙分布规律和相似理论；同时模拟工作面3进风侧设进风巷管4，模拟工作面3回风侧底端设外错尾巷管6及与抽出式风机16相连的回风巷管5，模拟工作面3回风侧在其之上同一水平设内错尾巷管7和与真空泵17相连的不同水平和高度的高抽巷管8，在此进风巷管4、回风巷管5、模拟工作面3和模拟支架18之间的通道构成了一个完成的“U”型通风系统，回风巷管5外错尾巷管6、内错尾巷管7、高抽巷管8与模拟采空区1相连通，模拟采空区瓦斯排放，构成了瓦斯抽采及通风动力系统；打开阀Ⅰ19和阀Ⅱ21，瓦斯瓶14中的瓦斯通过减压阀15流进分流稳压罐12，然后通过与流量计13相连的邻近层瓦斯释放板10和底层瓦斯释放板11上的邻近层瓦斯释放板瓦斯释放孔20和底层瓦斯释放板瓦斯释放孔22注入采空区模拟采空区1，构成了瓦斯源系统；在进风巷管4、回风巷管5、外错尾巷管6、内错尾巷管7、高抽巷管8、模拟采空区1内部以及模拟工作面3布置多个参数测点，构成了测试系统；从而达到研究立体瓦斯抽采采空区流场的目的。

图2和图3所示，通过选择不同的巷道管道，可以模拟立体瓦斯抽采条件下不同巷道布置位置采空区流场，如：内错尾巷尾巷不同位置模拟，打开布置在内错尾巷管、进风巷管及回风巷管上的控制阀9，进风巷管4进风，回风巷管5和内错尾巷管7回风，切换内错尾巷管7的布置位置，同时可以在进风一侧布置多个进风巷管4，实现不同工作面长度及尾巷不同位置瓦斯抽采；高抽巷不同位置模拟，打开布置在高抽巷管8上的控制阀9，高抽巷管8与真空泵17相连，使高抽巷管8在负压条件下抽取瓦斯，切换高抽巷管8的布置位置，同时结合上述尾巷管布置方式，实现高抽巷不同位置瓦斯抽采。

Claims (6)

1.一种立体瓦斯抽采采空区流场模拟实验装置，其特征是：该装置包括有模拟采空区模型主体、瓦斯抽采及通风动力系统、瓦斯源系统、测试系统；所述的模拟采空区模型主体包括有模拟采空区（1），模拟采空区的两侧分别连接有模拟相邻采空区（2），模拟采空区内有模拟工作面（3），模拟工作面后方有模拟支架（18）；所述的模拟采空区分别置有进风巷管（4）、回风巷管（5）、外错尾巷管（6）、内错尾巷管（7）、高抽巷管（8）；所述的瓦斯抽采及通风动力系统包括有风机（16），真空泵（17）；所述的风机与回风巷管（7）相连接；所述的真空泵与高抽巷管（8）相连接；所述的瓦斯源系统包括有瓦斯瓶（14），瓦斯瓶通过减压阀（15）与分流稳压罐（12）相连接，然后通过与流量计（13）相连的邻近层瓦斯释放板（10）上的释放孔（20）和底层瓦斯释放板（11）上的底层释放孔（22）注入模拟采空区（1）；所述的测试系统包括有模拟采空区（1）、模拟工作面（3）及进风巷管（4）、回风巷管（5）、外错尾巷管（6）、内错尾巷管（7）、高抽巷管（8）上的多个参数测点。

2.根据权利要求1所述的一种立体瓦斯抽采采空区流场模拟实验装置，其特征是：所述的模拟工作面（3）在其靠近模拟支架（18）一侧的壁上设有多个瓦斯释放孔。

3.根据权利要求1所述的一种立体瓦斯抽采采空区流场模拟实验装置，其特征是：所述的邻近层瓦斯释放板（10）和底层瓦斯释放板（11）上均设有多个瓦斯释放孔。

4.根据权利要求1所述的一种立体瓦斯抽采采空区流场模拟实验装置，其特征是：所述的模拟采空区（1）的进风侧有多个进风巷管（4），模拟采空区的回风侧有多个内错尾巷管（7），同时在不同水平及高度位置有多个高抽巷管（8）。

5.根据权利要求1所述的一种立体瓦斯抽采采空区流场模拟实验装置，其特征是：所述的进风巷管（4）、回风巷管（5）、外错尾巷管（6）、内错尾巷管（7）、高抽巷管（8）上均有巷道管路控制阀（9）。

6.根据权利要求1所述的一种立体瓦斯抽采采空区流场模拟实验装置，其特征是：所述的邻近层瓦斯释放板（10）上有阀Ⅰ（19），所述的底层瓦斯释放板（11）上有阀Ⅱ（21）。

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