CN115171503A - 一种多层复杂采空区遗煤自燃相似材料模拟实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于煤矿技术领域，公开了一种多层复杂采空区遗煤自燃相似材料模拟实验系统，包括：实验箱体，实验箱体包括箱体本体，箱体本体上方开口设置有密封盖板，底部沿竖直方向设置有多孔挡板，多孔挡板上方沿水平方向设置有多孔盖板，多孔盖板将箱体本体内的空间分为上下两部分；多孔盖板上方设置有加热板，加热板上方铺设有一层煤粉；多孔挡板将多孔盖板下方的空间分为采空区和工作区两部分，工作区内设置有挡块和U型的镂空护管，镂空护管设置在挡块外周，且两端延伸至箱体本体外侧；工作区周围空间铺满煤粉。本发明可以模拟各种特定条件下的采空区遗煤自燃过程，为矿井火灾防治提供指导。

Description

一种多层复杂采空区遗煤自燃相似材料模拟实验系统

技术领域

本发明属于煤矿技术领域，具体涉及一种多层复杂采空区遗煤自燃相似材料模拟实验系统。

背景技术

煤炭自然发火是煤矿开采面临的主要灾害之一，据统计，超过50%的国有重点矿井有煤层自然发火倾向。而采空区又是矿井下较易发生煤自燃的区域，因为采空区属于冒落空间，其内裂隙发育并且留有遗煤，氧气进入到采空区使煤发生氧化、放出热量，但热量无法及时被漏风产生的对流换热和表面导热作用带走，造成温度不断升高导致火灾。同时，采空区着火点很难接近且火源比较隐蔽，其燃烧过程缓慢、时间又较为漫长，火灾很难彻底扑灭。采空区火灾一旦发生，在煤与瓦斯突出矿井还有可能引起瓦斯爆炸、煤尘爆炸等衍生事故，爆炸产生的冲击波比火灾的破坏力更大，给人员安全和矿井机械设备造成极大的威胁。因此，开展多层复杂采空区遗煤自燃相似材料模拟实验的研究具有重要意义。

在这种背景下，解决采空区遗煤自燃的方法是否可行、影响防治效果因素等问题就需要进行大量的实验。现场实验投入过于具体且防治效果未知，因此目前最好的方法是在实验室内搭建一个模拟采空区，同时根据不同矿井的煤层厚度、煤炭种类、采空区遗煤量和赋存状态适当的调整模拟材料的配比来尽可能的模拟多层复杂采空区遗煤自燃的情况，较为真实的还原多层复杂采空区遗煤自燃的过程，为矿井火灾防治提供指导。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种多层复杂采空区遗煤自燃相似材料模拟实验系统，以实现多层采空区遗煤自燃的全过程的准确模拟。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种多层复杂采空区遗煤自燃相似材料模拟实验系统，包括：实验箱体，所述实验箱体包括箱体本体，所述箱体本体上方开口设置有密封盖板，底部沿竖直方向设置有多孔挡板，多孔挡板上方沿水平方向设置有多孔盖板，所述多孔盖板将箱体本体内的空间分为上下两部分；所述多孔盖板上方设置有加热板，加热板上方铺设有一层煤粉；

所述多孔挡板将多孔盖板下方的空间分为采空区和工作区两部分，所述工作区内设置有挡块和U型的镂空护管，所述镂空护管设置在挡块外周，且两端延伸至箱体本体外侧；所述工作区周围空间铺满煤粉。

所述箱体本体上设置有多个密封穿线孔，所述密封穿线孔用于连接实验箱体内的传感器。

所述密封穿线孔设置在箱体本体上远离工作区一侧的侧板上。

所述箱体本体上与所述多孔挡板对应的位置设置有卡槽，所述多孔挡板卡设在所述卡槽里。

所述箱体本体上与所述多孔盖板对应的位置设置有限位条，所述多孔盖板设置在所述限位条上。

所述的一种多层复杂采空区遗煤自燃相似材料模拟实验系统，还包括气体推进综合控制系统和数据采集处理系统；

所述气体推进综合控制系统用于向实验箱体内充气；

所述数据采集处理系统用于采集实验箱体内的传感数据。

所述的一种多层复杂采空区遗煤自燃相似材料模拟实验系统，还包括设置在所述采空区内不同位置处的测杆，所述测杆端部设置有温度传感器和气体浓度传感器，用于测量实验箱体内各处的温度和气体浓度。

所述的一种多层复杂采空区遗煤自燃相似材料模拟实验系统，其实验方法包括以下步骤：

S1、根据试验参数，确定煤层厚度和煤炭种类，搭建实验系统；

S2、启动加热装置，通过加热板对实验箱体内的煤层进行加热；

S3、对实验箱体内进行抽气，模拟巷道风流，同时根据实验条件控制气体流量大小；

S4、测量不同气体流量下的煤层温度，得到煤层自燃参数。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明提供了一种多层复杂采空区遗煤自燃相似材料模拟实验系统，可以在实验室条件下，模拟多层复杂采空区遗煤自燃的过程，为矿井灾害防治提供科学指导；同时本发明可以根据不同矿井的煤层厚度、煤炭种类、采空区遗煤量和赋存状态适当的调整模拟材料的配比来尽可能的模拟多层复杂采空区遗煤自燃的情况，较为真实的还原多层复杂采空区遗煤自燃的过程，为矿井火灾防治提供指导。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种多层复杂采空区遗煤自燃相似材料模拟实验系统的正面三维示意图；

图2为本发明实施例中实验箱体的结构示意图；

图3为本发明实施例中实验箱体结构三维分解示意图；

图4为本发明实施例中实验箱体俯视图；

图5为本发明实施例中实验箱体侧视图；

图中：1-实验箱体；2-气体推进综合控制系统；3-数据采集处理系统；4-箱体本体；5-高压密封圈；6-密封盖板；7-密封穿线孔；8-气路接口；10-卡槽；11-多孔挡板；12-多孔盖板；13-挡块；14-镂空护管，15-限位条。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1~5所示，本发明实施例提供了一种多层复杂采空区遗煤自燃相似材料模拟实验系统，包括：实验箱体1，气体推进综合控制系统2和数据采集处理系统3；所述实验箱体1包括箱体本体4，所述箱体本体4上方开口设置有密封盖板6，底部沿竖直方向设置有多孔挡板11，多孔挡板11上方沿水平方向设置有多孔盖板12，所述多孔盖板12将箱体本体4内的空间分为上下两部分；所述多孔盖板12上方设置有加热板，加热板上方铺设有一层煤粉，模拟多层采空区；所述多孔挡板11将多孔盖板12下方的空间分为采空区和工作区两部分，所述工作区内设置有挡块13和U型的镂空护管14，所述镂空护管14设置在挡块13外周，且两端延伸至箱体本体4外侧；所述工作区周围空间铺满煤粉，多孔挡板11另一侧的采空区用于模拟单层采空区。

本实施例中，多孔挡板11上设置有多个通气孔，用于实现采空区和工作区之间的漏风模拟。多孔盖板12上也设置有多个通气孔，用于实现上层采空区和下层采空区之间的漏风模拟。U型的镂空护管14用于模拟采煤工作面两侧设置的进风巷和回风巷，镂空护管14上也设置有通风口，用于模拟进风巷和回风巷与煤层之间的漏风。

具体地，本实施例中，所述箱体本体4上设置有多个密封穿线孔7，所述密封穿线孔用于连接实验箱体1内的传感器。所述密封穿线孔7设置在箱体本体4上远离工作区一侧的侧板上。通过密封穿线孔，可以向实验箱体内设置传感器测杆，测杆上布置有温度传感器和气体浓度传感器，用于测量实验箱体内各处的温度和气体浓度。

具体地，如图2所示，所述箱体本体4上与所述多孔盖板12对应的位置设置有限位条15，所述多孔盖板12设置在所述限位条15上。图2中为了清楚起见，没有画出密封盖板6、多孔盖板12和加热板。所述密封盖板6和多孔盖板12作为上层材料的顶板和顶板，均为可活动模块，能够通过所述箱体侧面凹槽插入所述实验箱体内部，凹槽内壁安装有密封圈，可以保证气密性，以模拟采空区。其中，多孔盖板12上设置有11排网孔，每排20个一共220个，用于模拟多层采空区的漏风、漏煤现象。

所述箱体本体4上与所述多孔挡板11对应的位置设置有卡槽10，所述多孔挡板11卡设在所述卡槽10里。其中多孔挡板11为可活动模块，能够通过所述卡槽10插入所述实验箱体内部，以模拟同一煤层的采空区和采煤工作面；所述挡块13固定在下层材料底板，以模拟煤柱；所述镂空护管14布置在进风巷、回风巷和采煤工作面，以模拟稳定的工作面进回风系统。

具体地，本实施例中，所述气体推进综合控制系统2用于向实验箱体内充气；所述数据采集处理系统3用于采集实验箱体1内的传感数据。当向所述实验箱体的内部充入气体的时，气体推进综合控制系统与对应需要充气的多功能密封穿线孔通过气路管相连接，并对气体的流量和流速进行综合控制。连接传感器的多功能密封穿线孔与数据采集处理系统通过数据线连接，并实时采集和转换数据。

具体地，所述实验箱体1背面设置有9排多功能密封穿线孔，每排20个共180个，用于向实验箱体内的材料内埋设传感器或充装气体。

具体地，本实施例的一种多层复杂采空区遗煤自燃相似材料模拟实验系统，其实验方法包括以下步骤：

S1、根据试验参数，确定煤层厚度和煤炭种类，搭建实验系统。

搭建实验系统时，以煤粉作骨料，粘土作胶结物来制备煤层相似材料顶底板，用加热板模拟采空区的发火热源。下层材料铺设时，用多孔挡板11隔开，靠近多功能穿线孔一侧的模拟采空区铺设一层煤粉，多孔挡板11另一侧放入钢制镂空护管和挡块填入煤粉并压实，以模拟巷道和煤柱，钢制的镂空护管一方面保证了通风线路的稳定，另一方面可以模拟通风过程中进风巷和采煤工作面向采空区的漏风；上层相似材料铺设时：先放置多孔盖板12作为相似材料底板，然后放置加热板，给采空区遗煤足够的温度促使其自燃；最后在加热板上方铺一层煤粉以模拟采空区遗煤。在采空区各个位置均匀插入若干测杆，且测杆下端安装有温度传感器和气体浓度传感器。测杆上端接传感器信号线，信号线经实验箱体的出线口连接外部计算机。温度传感器的作用是实时反映采空区内温度，气体浓度传感器包括CO2浓度传感器、O2浓度传感器、N2浓度传感器和CH4浓度传感器，其作用是监测采空区不同位置处的特定气体浓度。

S2、启动加热装置，通过加热板对实验箱体内的煤层进行加热。

S3、对实验箱体内进行抽气，模拟巷道风流，同时根据实验条件控制气体流量大小。

启动气体推进综合控制系统。通过对所述内部出气口进行抽气模拟巷道风流，并通过控制气体流量大小模拟风流大小。

S4、测量不同气体流量下的煤层温度，得到煤层自燃参数。

当模拟系统配置完毕，启动加热装置和气体推进综合控制系统，此时上层相似材料底板的加热层源源不断给采空区遗煤提供热量，同时气体推进综合控制系统工作使进风巷和采煤工作面持续向多层采空区漏风，提供氧气，以模拟遗煤自燃的情况。通过采空区内布置的温度传感器可以检测到自燃是否发生。

本发明提供了一种多层复杂采空区遗煤自燃相似材料模拟实验系统，一方面可以模拟某一特定条件下的采空区遗煤自燃过程；另一方面通过控制变量法，能根据不同不同矿井的煤层厚度、煤炭种类、采空区遗煤量和赋存状态适当的调整开展针对性试验，可以增强防灭火措施的针对性，提高防灭火工程的效果，有效预防自然发火事故，将对预防采空区的自然发火及保障综放面的安全生产具有十分重要的现实意义。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种多层复杂采空区遗煤自燃相似材料模拟实验系统，其特征在于，包括：实验箱体（1），所述实验箱体（1）包括箱体本体（4），所述箱体本体（4）上方开口设置有密封盖板（6），底部沿竖直方向设置有多孔挡板（11），多孔挡板（11）上方沿水平方向设置有多孔盖板（12），所述多孔盖板（12）将箱体本体（4）内的空间分为上下两部分；所述多孔盖板（12）上方设置有加热板，加热板上方铺设有一层煤粉；

所述多孔挡板（11）将多孔盖板（12）下方的空间分为采空区和工作区两部分，所述工作区内设置有挡块（13）和U型的镂空护管（14），所述镂空护管（14）设置在挡块（13）外周，且两端延伸至箱体本体（4）外侧；所述工作区周围空间铺满煤粉。

2.根据权利要求1所述的一种多层复杂采空区遗煤自燃相似材料模拟实验系统，其特征在于，所述箱体本体（4）上设置有多个密封穿线孔（7），所述密封穿线孔用于连接实验箱体（1）内的传感器。

3.根据权利要求2所述的一种多层复杂采空区遗煤自燃相似材料模拟实验系统，其特征在于，所述密封穿线孔（7）设置在箱体本体（4）上远离工作区一侧的侧板上。

4.根据权利要求1所述的一种多层复杂采空区遗煤自燃相似材料模拟实验系统，其特征在于，所述箱体本体（4）上与所述多孔挡板（11）对应的位置设置有卡槽（10），所述多孔挡板（11）卡设在所述卡槽（10）里。

5.根据权利要求1所述的一种多层复杂采空区遗煤自燃相似材料模拟实验系统，其特征在于，所述箱体本体（4）上与所述多孔盖板（12）对应的位置设置有限位条（15），所述多孔盖板（12）设置在所述限位条（15）上。

6.根据权利要求1所述的一种多层复杂采空区遗煤自燃相似材料模拟实验系统，其特征在于，还包括气体推进综合控制系统（2）和数据采集处理系统（3）；

所述气体推进综合控制系统（2）用于向实验箱体内充气；

所述数据采集处理系统（3）用于采集实验箱体（1）内的传感数据。

7.根据权利要求1所述的一种多层复杂采空区遗煤自燃相似材料模拟实验系统，其特征在于，还包括设置在所述采空区内不同位置处的测杆，所述测杆端部设置有温度传感器和气体浓度传感器，用于测量实验箱体（1）内各处的温度和气体浓度。

8.根据权利要求1所述的一种多层复杂采空区遗煤自燃相似材料模拟实验系统，其特征在于，其实验方法包括以下步骤：

S1、根据试验参数，确定煤层厚度和煤炭种类，搭建实验系统；

S2、启动加热装置，通过加热板对实验箱体内的煤层进行加热；

S3、对实验箱体内进行抽气，模拟巷道风流，同时根据实验条件控制气体流量大小；

S4、测量不同气体流量下的煤层温度，得到煤层自燃参数。

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