本发明涉及煤炭采空区技术领域，特别涉及一种采空区流场相似模拟实验装置。
背景技术
煤自燃灾害是采空区风流场持续供氧、遗煤蓄热、热量积聚综合作用的结果，具有灾害隐蔽性较强、流场复杂、治理难度大等特点。实际采空区并不是各向同性的多孔介质，采空区内孔隙具有弯曲性、无向性和随机性等特点，工作面漏向采空区的风流在煤岩体组成的多孔介质中流动，形成了包括湍流、过渡流和层流同时存在的非线性渗流场，造成采空区内部的气体流动过程极其复杂。从煤自燃火灾的成因来看，采空区“热”与“风”息息相关，风流场与温度场相互作用、相互制约，漏风是热量传递的媒介，漏风供氧是生热的必要前提条件，足够的漏风量可以带走煤自燃产生的热量，降低煤体温度，控制氧气浓度是采空区防灭火的重点工作。因此，研究采空区内流场分布规律是矿井防灭火技术的基础，对丰富多孔介质内的气体流动理论具有重要的理论意义。
采空区气体运移规律研究经历了解析法、图解法、物理相似模拟和电模拟以及数值计算等过程，数值模拟是目前研究采空区流场分布使用最多的方法，该方法将采空区假设成某种孔隙结构下的多孔介质，根据工作面实际地质和开采条件，采用砌体梁理论、“o”型圈理论计算采空区的孔隙率、内部阻力等参数，利用多孔介质渗流力学darcy渗流定律、建立采空区的流体分布计算模型，采用有限元分析法，使用数值模拟软件计算采空区流场分布。数值模拟方法使用方便，但关键基础参数大部分依靠经验公式，参数的准确性直接影响模拟结果的精确度，得出的模拟结果也只是采空区流场分布的近似解，且经常存在计算量较大，耗时长，模拟收敛性较差、计算结果数据量庞大、使用不变等问题。
物理相似模拟主要按实际比例，搭建采场相似物理平台，要求在缩小模型的同时不改变原结构的特性参数，对于实验平台的设计要求较高。在物理平台数据采集方面，早期采用示踪剂、烟雾等手段利用观察法分析气体的流迹，随着监测技术的发展，压力、风速等传感器被用来监测采空区内气体浓度、压力、流速等数据，传感器监测为点监测，通过布点拟合得出面域中的参数分布，对传感器的布置方式和数据要求较高，并且安装在流场区域中的传感器本身会影响流场分布，因此，需要进一步研究采空区的流场监测方法，减少传感器对采空区流场的影响，提高采空区流场数据精度。
技术实现要素：
本发明提供一种采空区流场相似模拟实验装置，采用钢化玻璃构建采场模型，使用玻璃柱体替代采空区多孔介质，以流体(水)替代采空区气体，使用高速摄像机拍摄示踪剂在采空区中的浓度分布，利用图像处理技术分析采空区流场的分布规律，该装置实用性强，具有广泛的推广应用价值。
本发明提供了一种采空区流场相似模拟实验装置，包括采空区、进风巷和回风巷，所述采空区的底面一侧设置有底座，另一侧设置有可伸缩支架；所述采空区外侧设置有液体混合装置，所述液体混合装置上安装有示踪剂存放瓶，所述示踪剂存放瓶瓶内存放有示踪剂，所述示踪剂存放瓶的出口与液体混合装置中液体杯液体连通，所述液体混合装置中液体杯内的液体中插有导管，所述导管远离液体杯的一端与抽水泵的进水口连接，所述抽水泵出水口通过导管连接有水箱，所述水箱内设置有吸水罩，所述吸水罩通过水管与水泵的进水口连接，所述水泵的出水口通过水管与采空区上的进风巷贯通，所述采空区上的回风巷的出口通过软管连接有废水箱；所述采空区上设置有示踪物质口，所述示踪物质口通过水管与液体混合装置中的液体杯中的液体贯通；所述进风巷与回风巷之间设置有压差计；所述采空区上还设置有相机支架，所述相机支架上安装有高速相机。
较佳地，所述水泵的出水口上安装有调节阀。
较佳地，所述进风巷与回风巷之间依次设置有流量计和调节设施。
本发明的有益效果是：
(1)将模型做成透明介质，使用水替代空气，通过添加示踪剂，使用高速像机拍摄示踪剂在采空区中的轨迹，避免了采空区传感器布置和数据拟合问题；
(2)采空区使用圆柱体堆积模拟孔隙率，可通过增加减少圆柱体数量模拟不同的孔隙率分布；
(3)采用图像处理技术分析示踪剂在采空区中的分布规律；
(4)工作面中布置流量调节装置，安装压差计和流量计，与水泵相配合，可以控制整个流场的参数。
本发明提供的一种采空区流场相似模拟实验装置，采用钢化玻璃构建采场模型，使用玻璃柱体替代采空区多孔介质，以流体(水)替代采空区气体，使用高速摄像机拍摄示踪剂在采空区中的浓度分布，利用图像处理技术分析采空区流场的分布规律，该方法及装置实用性强，具有广泛的推广应用价值。
附图说明
图1为本发明提供的一种采空区流场相似模拟实验装置结构示意图；
图2采空物理模型图；
图3为图2中的a-a视图；
图4为图2中的b-b视图。
附图标记说明：
1、采空区；1-1、示踪物质口；1-2、圆柱体；1-3、开孔板；2、底座；3、可伸缩支架；4、进风巷；5、回风巷；6、流量计；7、调节设施；8、液体混装置；9、示踪剂存放瓶；10、抽水泵；11、水箱；12、吸水罩；13、水泵；14、调节阀；15、软管；16、废水箱；17、压差计；18、相机支架；19、高速相机。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
如图1-4所示，本发明实施例提供了一种采空区流场相似模拟实验装置，包括采空区1、进风巷4和回风巷5，采空区1的底面一侧设置有底座2，另一侧设置有可伸缩支架3；采空区1外侧设置有液体混合装置8，液体混合装置8上安装有示踪剂存放瓶9，示踪剂存放瓶瓶9内存放有示踪剂，示踪剂存放瓶9的出口与液体混合装置8中液体杯液体连通，液体混合装置8中液体杯内的液体中插有导管，导管远离液体杯的一端与抽水泵10的进水口连接，抽水泵10出水口通过导管连接有水箱11，水箱11内设置有吸水罩12，吸水罩12通过水管与水泵13的进水口连接，水泵13的出水口通过水管与采空区1上的进风巷4贯通，采空区1上的回风巷5的出口通过软管15连接有废水箱16；采空区1上设置有示踪物质口1-1，示踪物质口1-1通过水管与液体混合装置8中的液体杯中的液体贯通；进风巷4与回风巷5之间设置有压差计17，具体的，压差计的设置有利于记录工作面两端的压差，进一步为最终的数据处理提供参数；采空区1上还设置有相机支架18，相机支架18上安装有高速相机19。
该采空区流场相似模拟实验装置如图1所示，包括采场物理模型、流体流量控制回收系统、示踪剂添加系统、高速拍摄系统。
采场物理模型如图2所示，材质为透明钢化玻璃，内部净高度为2.5cm，分为采空区和工作面两个区域，由开孔板1-3隔开，采空区使用圆柱体1-2替代遗煤与岩石块，根据圆柱体使用的孔隙分布情况，模拟不同孔隙率下的流场分布，为了防止圆柱体过挤时造成孔隙不通，在每个圆柱体相同高度位置上施工三道小槽，保证孔隙连通性；工作面区域由进风巷、回风巷及工作面巷道组成，进风巷和回风巷为流体的进口和出口通道；物理模型底部装有底座和可伸缩支架，用于调节模型的仰角，研究不同煤层倾角对采空区流场的影响。
流体流量控制回收装置由水箱、水泵、调节设施、流量计、压差计、废水回收箱组成，通过水泵调节阀可调节流入模型流体的流量；调节设施和两组流量计用于控制漏入采空区的流量；废水箱用于收集添加示踪物质的流体。
示踪剂添加系统包括示踪物质存放罐、流量计、注气口，示踪物质通过注气口进入采空区中。
高速拍摄系统由高速摄像相和相机支架组成，用于拍摄采空区示踪物质的流动轨迹。
优选地，水泵13的出水口上安装有调节阀14，调节阀的设置有利于控制水泵进入进风巷中的水的流量。
优选地，进风巷4与回风巷5之间依次设置有流量计6和调节设施7，流量计用来测量管道内的流量，调节设施用来控制采空区中的流量。
工作步骤：
一种采空区流场相似模拟实验装置，其操作步骤如下：
(1)设备连接：
根据实际矿井情况，设置采空区1模型参数：由实际采空区孔隙率，计算模型所需圆柱体1-2数量，将其摆放在采空区1区域中，采空区1与工作面间安装开孔板1-3，封闭整个模型；调整可伸缩支架3的高度，配合可旋转底座2，调整工作面的倾角。将吸水罩12通过软管15连接到水泵13的进水口后放入水箱11中，出水口与模型进风巷4相连。模型回风巷5通过软管15连接到废水箱16。示踪剂存放瓶9悬挂在液体混装置8的上方，利用自身重力及调节阀门控制示踪剂的添加量；抽水泵10抽取水箱11中的水至液体混装置8，由软管15连接到示踪物质口1-1中。模型进风巷4安装流量计；工作面靠近进风侧安装流量计6和调节设施7，根据两台流量计的差值确定采空区的漏风量大小，通过调节设施7控制采空区的漏风量。工作面两端头安装压差计17，用于监测两端的压力差，计算工作面、采空区的风流参数；高速相机19安装在相机支架18上，用于记录示踪剂在采空区中的浓度及轨迹分布情况。
(2)水泵13、抽水泵10、高速相机19、流量计6等设备接通电源。
(3)流量调控：
调节水泵13的调节阀14，控制水泵的出水量，即为进风巷4的进风量。
调节工作面的调节设施7，控制工作面和采空区1的流量分配。
(4)示踪剂释放量计算及示踪溶液混合。
根据采空区的流量以及示踪剂浓度要求，计算示踪剂的释放量及释放速度。将示踪剂存放瓶9倒放在示踪剂添加装置上，利用重力取相应剂量流入液体混装置8中，用抽水泵10抽水混合示踪剂溶液，通过调节阀释放液体混装置8中的示踪剂溶液使其流入到示踪物质口1-1中。
(5)打开高速摄像机19，记录示踪剂在采空区中的流动全过程。
(6)数据处理：
根据高速相片拍摄图片，使用图相分析软件，提取不同时刻采空区的示踪剂浓度分布。根据示踪剂存放瓶9添加量、添加速度、水泵13抽水量、压差计17、流量计6等参数，分析采空区的流场分布规律。
综上所述，本发明实施例提供的一种采空区流场相似模拟实验装置，采用钢化玻璃构建采场模型，使用玻璃柱体替代采空区多孔介质，以流体(水)替代采空区气体，使用高速摄像机拍摄示踪剂在采空区中的浓度分布，利用图像处理技术分析采空区流场的分布规律，该方法及装置实用性强，具有广泛的推广应用价值。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。