用于模拟采空区氧化升温规律的动态相似实验台及方法与流程

本发明涉及一种用于模拟采空区氧化升温规律的动态相似实验台，能实现工作面移动自调节，通风方式转换，实现不同风量、不同通风方式、不同推进速度下采空区内部温度场的监测和分析。

背景技术：

近年来，随着综采技术的广泛应用，一次开采强度大、冒落空间高、工作面供风量相对较大、一次性开采遗煤量大、漏风严重等特点，使得采空区自然发火频繁。为了进行煤自燃危险区域判定，预测采空区遗煤的自燃危险性，已经有很多采空区遗煤自燃的数值模拟研究，但真实采空区条件极其复杂，很多参数难以测定，使得数值模拟的正确性验证没有很好的途径。

近年来，世界各主要产煤国先后建立了模拟煤层自燃过程的大型煤自然发火实验台，把空气通入装有松散煤样的自然发火实验台进行模拟实验，观测不同时间段的煤自燃过程。

不同于大型实验台的高额成本，小型实验台造价较低，实验周期短，针对采空区问题可以有效解决。目前小型采空区实验台主要集中在对采空区风流场的研究，而对采空区温度场分布的研究比较空白，同时，已有的研究基本都是针对静态的采空区进行研究，而真实的采空区是处于四维动态演化的过程中的。因此，本发明研制了一种采空区动态相似实验台，可以探索煤在氧化升温过程中的未知规律、基本性能及相关参数，也可以通过对采空区在四维时空演化过程中温度场变化规律的监测，从而对采空区自然发火的位置和时间进行预判，提高了采空区遗煤自燃靶向预防的有效性。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种工作面可动态变化，可测温度场、多条件可调节的动态采空区相似的用于模拟采空区氧化升温规律的动态相似实验台及方法。

本发明的技术方案是：用于模拟采空区氧化升温规律的动态相似实验台，该实验台与矿井比例尺度相似，可对采空区的动态演化过程进行模拟，不仅工作面可沿轨道向前推进，采空区内孔隙率也按非均质方式分布，同时还可以模拟顶板压力对采空区的影响，实现对动态采空区内温度场变化规律的研究。

进一步，所述试验台包括实验台壳体、测温系统、可移动开采系统和通风系统，

其中，所述测温系统设置在所述实验台壳体内部，所述通风系统嵌入到所述可移动开采系统内，所述可移动开采系统置于所述实验台壳体内，通过手动控制运行。

进一步，所述实验台壳体包括底板、侧壁、上顶板和下顶板，采用网格化非均质孔隙率对壳体内部区域进行分区；

所述可移动开采系统包括进风巷、回风巷、工作面、封闭挡板和支撑板；

其中，呈u型的所述侧壁的上端设有所述下顶板，下端设有所述底板，所述上顶板通过调节装置与所述下顶板连接，所述进风巷（1）和回风巷对称设置在所述侧壁的开口端的两端，所述进风巷和回风巷联通，所述工作面设置在所述进风巷和回风巷之间，所述封闭挡板设置在所述进风巷和回风巷连接管道上，用于密封所述工作面，所述支撑板设置在所述进风巷和回风巷之间。

所述通风系统包括风机和流量计，所述风机安装在进风巷上，所述流量计分别安装在进风巷和回风巷上。

进一步，所述调节装置包括调节槽和固定螺栓，所述调节槽设置所述上顶板上，所述固定螺栓设置在所述调节槽内，并于所述下顶板固接。

进一步，所述测温系统为若干热电偶，布置方式为在垂直高度方向按2层分布，第一层高度为1cm，第二层高度为2.5cm，分别布置在进风侧和回风侧。

进一步，所述通风系统采用ztf-100小型筒式管道风机，出风口径100mm，功率18w，最大风量170m³/h，设计风速为1.2m/s，0.9m/s，0.6m/s。

进一步，所述侧壁上设有通风方式转换接口6，用于实现u和u+l型通风方式的变换。

本发明的另一目的是提供采用上述的实验台的模拟实验的方法，具体包括以下步骤：

s1.铺设热电偶：

在以固定部分为采空区的内部空间布置热电偶，连接多路温度巡检仪，检测各通道热电偶是否正常工作；

s2.相似材料混合和充填：

将采空区以网格形式划分为若干个区域，将待测试煤样用颚式破碎机和振动筛筛分出5种不同粒径的煤样置于煤样袋中，与自发热材料按配比为1-2:1-3进行混合，待混合均匀之后，按照设计粒径分布填充至网格区域内，相似材料填充高度为3cm，采用分层填充的方法；

s3.矸石填充：

为了模拟采空区遗煤上层为冒落岩体的特征，所以在填充完相似材料之后，在上层铺设矸石，为了矸石的再利用，铺设铁丝纱窗网铺对相似材料和矸石进行分层，矸石铺设厚度为5cm；铺设方式为：矸石分为两种粒径2cm~7cm和7cm~15cm，近工作面的0.5m铺设粒径较大7cm~15cm矸石，后端0.5m铺设小粒径2cm~7cm矸石；

s4.调节风速：

连调整进风口、回风口、联络巷风速，保证平行试验时各项参数保持一致；

s5.工作面推进：

①根据相似时间比，计算推进速度；

②推进过程中，先松开顶板螺钮（7），卸下胶带，拖动工作面移动到相应距离；

③留空区域充填相似材料和矸石，上部用棉花保温，移动上顶板（8）至与上部挡板（4）贴合，密闭实验台，旋紧螺钮（7）；

④每隔一定时间重复②③一次，直到推进到停采线为止，过程中记录下采空区测量数据；

s6.结束实验：

实验结束后，关闭风机开关，分离底板与工作面部分，筛分矸石与相似材料。

进一步，所述自发热材料的各个组分的质量比：还原fe粉56%，水分23%，nacl5%，活性炭5%，蛭石10%，高吸水性树脂1%。

进一步，所述fe粉80-100目、活性炭200-300目，蛭石100目，高吸水性树脂100目。

本发明的有益效果是：由于采用以上技术方案，并且填充应用了自制自发热型相似材料，本发明具有以下特点：

1）通过填充自发热型相似材料，可以在室温下对采空区的升温规律进行实验室模拟；

2）本实验台所用相似材料的升温机理与煤的氧化升温机理相似，实验台设计与实际采空区之间符合传热传质的相似准则；

3）本实验台工作面可动态推进，顶板可进行加压，实现了采空区动态演化过程，可对采空区温度场的时空演化过程进行研究；

4）通过升温实验，预测采空区高温点出现的位置和时间，同时，可以为采空区数值模拟研究提供新的验证方法；

5）本实验台可实现不同通风方式下采空区温度场的模拟。

附图说明

图1为本发明用于模拟采空区氧化升温规律的动态相似实验台的结构示意图。

图2为本发明用于模拟采空区氧化升温规律的动态相似实验台动态过程示意图。

图3本发明用于模拟采空区氧化升温规律的动态相似实验台的动态采空区剖面示意图。

图4为本发明用于模拟采空区氧化升温规律的动态相似实验台的分区示意图。

图5为本发明用于模拟采空区氧化升温规律的动态相似实验台的测温系统布置图。

图中：

1．进风巷；2.回风巷；3.工作面；4.上挡板；5.支撑板；6.通风方式转换接口；7.固定螺钮；8.上顶板；9.下顶板；10.相似材料；11.测温系统；12.进风系统；13.底板；14.侧壁；15流量计；16.网格化非均质孔隙率；17.调节槽。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明做进一步说明，

如图1-5所示，本发明一种用于模拟采空区氧化升温规律的动态相似实验台，该实验台与矿井比例尺度相似，可对采空区的动态演化过程进行模拟，不仅工作面可沿轨道向前推进，采空区内孔隙率也按非均质方式分布，同时还可以模拟顶板压力对采空区的影响，实现对动态采空区内温度场变化规律的研究。

所述试验台包括实验台壳体、测温系统、可移动开采系统和通风系统，

其中，所述测温系统设置在所述实验台壳体内部，所述通风系统嵌入到所述可移动开采系统内，所述可移动开采系统置于所述实验台壳体内，通过手动控制运行。

所述试验台包括实验台壳体、测温系统、可移动开采系统和通风系统，

其中，所述测温系统设置在所述实验台壳体内部，所述通风系统嵌入到所述可移动开采系统内，所述可移动开采系统置于所述实验台壳体内，通过手动控制运行。

所述实验台壳体包括底板13、侧壁14、上顶板8和下顶板9，采用网格化非均质孔隙率对壳体内部区域进行分区；

所述开采系统包括进风巷1、回风巷2、工作面3、封闭挡板4和支撑板5；

其中，呈u型的所述侧壁14的上端设有所述下顶板9，下端设有所述底板13，所述上顶板8通过调节装置与所述下顶板9连接，所述进风巷1和回风巷2对称设置在所述侧壁14的开口端的两端，所述进风巷1和回风巷2联通，所述工作面3设置在所述进风巷1和回风巷2之间，所述封闭挡板4设置在所述进风巷1和回风巷2连接管道上，用于密封所述工作面3，所述支撑板5设置在所述进风巷1和回风巷2之间。

所述通风系统包括风机12和流量计15，所述风机12安装在进风巷1上，所述流量计15分别安装在进风巷1和回风巷2上。

所述调节装置包括调节槽和固定螺栓，所述调节槽设置所述上顶板8上，所述固定螺栓设置在所述调节槽内，并于所述下顶板9固接。

所述测温系统为若干热电偶，布置方式为在所述固定部分内部的垂直高度方向按2层分布，第一层高度为1cm，第二层高度为2.5cm，分别布置在进风侧和回风侧。

所述通风系统采用ztf-100小型筒式管道风机，出风口径100mm，功率18w，最大风量170m³/h，设计风速为1.2m/s，0.9m/s，0.6m/s。

所述侧壁上设有通风方式转换接口6，用于实现u和u+l型通风方式的变换。

上述的实验台的模拟实验的方法，具体不包括以下步骤：

s1.铺设热电偶：

在以固定部分为采空区的内部空间布置热电偶，连接多路温度巡检仪，检测各通道热电偶是否正常工作；

s2.相似材料混合和充填：

将采空区以网格形式划分为若干个区域，将待测试煤样用颚式破碎机和振动筛筛分出5种不同粒径的煤样置于煤样袋中，与自发热材料按配比为1-2:1-3进行混合，待混合均匀之后，按照设计粒径分布填充至网格区域内，相似材料填充高度为3cm，采用分层填充的方法；

s3.矸石填充：

为了模拟采空区遗煤上层为冒落岩体的特征，所以在填充完相似材料之后，在上层铺设矸石，为了矸石的再利用，铺设铁丝纱窗网铺对相似材料和矸石进行分层，矸石铺设厚度为5cm；铺设方式为：矸石分为两种粒径2cm~7cm和7cm~15cm，近工作面的0.5m铺设粒径较大7cm~15cm矸石，后端0.5m铺设小粒径2cm~7cm矸石；

s4.调节风速：

连调整进风口、回风口、联络巷风速，保证平行试验时各项参数保持一致；

s5.工作面推进：

③根据相似时间比，计算推进速度；

④推进过程中，先松开顶板螺钮7，卸下胶带，拖动工作面移动到相应距离；

③留空区域充填相似材料和矸石，上部用棉花保温，移动上顶板8至与上部挡板4贴合，密闭实验台，旋紧螺钮7；

④每隔一定时间重复②③一次，直到推进到停采线为止，过程中记录下采空区测量数据；

s6.结束实验：

实验结束后，关闭风机开关，分离底板与工作面部分，筛分矸石与相似材料。

所述自发热材料的各个组分的质量比：所述自热材料的各个组分的质量百分比：还原fe粉53-58%，水分20-25%，nacl4-8%，活性炭4-8%，蛭石8-12%，高吸水性树脂1-5%。

所述fe粉80-100目、活性炭200-300目，蛭石100目，高吸水性树脂100目。

本发明壳体尺寸150cm×100cm×12cm，采空区初始长度110cm，采空区停采长度130cm，进、回风巷道尺寸为(长×宽×高)500mm×40mm×40mm。工作面净长度为100cm(包括进、回风巷道的截面宽)，通风系统设有大小头变径管。实验台剖面结构示意图如图3所示。

进一步，所述实验台模型材料选取eps保温板，采用聚氨酯泡沫填缝剂连接，外部用铝箔二次连接，增大模型强度。

进一步，所述实验台的上顶板8，下顶板9采用3mm透明亚克力板，分为上下两层，上顶板8可随工作面推进，尺寸分别为：上100cm×60cm，下——110cm×100cm。松动螺丝7后上层顶板8可随工作面的推进向前滑动，产生的留空区域充填完相似材料及矸石之后再一次进行密封。

本发明所采用的技术方案主要有：可移动工作面，可调节顶板，孔隙率非均质性分区，自发热型相似材料，测温系统和通风系统六部分。

1）可调节工作面，其特征是：前段是两条巷道进风巷1和回风巷2；通过工作面3连接；整个构件为左右对称分体结构，回风侧通过变换接口6可进行通风方式的转换；工作面通道近采空区一侧采用网状漏风结构，上部采用封闭挡板4，该结构主要用于辅助工作面顶部密封。

2）可调节顶板，其特征是：通过上顶板8的滑动展开，使得采空区扩大，在随工作面3的推动过程中，实现采空区的动态变化。

进一步，所述顶板采用密封条减少热量散失，当推进顶板时，打开顶板螺钮7，充填填充材料，并在顶板下部用棉花填补缝隙，减少热量散失，之后推动上层顶板8，进行再一次密封。

3）孔隙率非均质性分区，其特征是：基于采空区“o”型圈理论，根据网格化的概念对实验台划线分区，通过在不同区填充不同粒径的相似材料，实验采空区多孔介质非均质性。

为保证采空区孔隙率的非均质性分布，选用了五种不同粒径15~20mm、10~15mm、5~10mm、2~5mm、0.2~2mm进行填充，模拟采空区不同深度的孔隙率分布，如图4所示。

4）自发热型相似材料，其特征是：采用采用还原铁粉，活性炭，nacl，蛭石（[mg0.5(h2o)4mg3[alsi3o10](oh)2]），高吸水性树脂的混合热样，作为相似材料的自发热材料，附着在煤粒表面作为相似材料10。

该相似材料在室温下便能发生氧化反应并放出大量的热，且放热持续时间长，能形成明显的温度场。

5）测温系统，其特征是：就采空区垂直空间与横向、纵向空间的温度进行全面测量。

所述测温系统11，共布置48个温度测点，在垂直高度方向按2层分布，第一层包括42个测点，高度为1cm，第二层共6个，高度为2.5cm，分别在进风侧（3个）和回风侧（3个）。由于采空区深度为35~65cm深度处为大体为氧化升温带，是温度特征比较明显的区域，所以在2.5cm高处的第二层，热电偶布置在进回风测的35~65cm深度处，测温度点的空间位置如图5所示。

6）通风系统，其特征是：可实现横截面、风量、风速的多重调节，同时可以模拟不同的矿井矿井通风方式。