一种封闭采空区复采时煤自燃模拟试验装置

本技术涉及采空区煤火灾害防治理论与，具体地，涉及一种封闭采空区复采时煤自燃模拟试验装置。

背景技术：

1、采空区煤自燃是煤矿生产重大灾害之一，自燃发生时释放大量有毒有害气体，威胁井下人员的生命健康安全。若发生险情时不能直接将火灾扑灭，则需要对火区进行封闭处理，以隔绝空气流入，并向封闭火区灌注泥浆或注入惰性气体，使火灾因缺氧而熄灭。灭火结束后拆除防火墙进行作业时，由于采空区松散煤体内仍留有余热，易再次引发煤自燃火灾。然而受采空区现场环境不可视，且温度难探测等条件限制，复采后无法实现对煤自燃危险区域的准确判定，给矿井作业带来巨大难题，严重威胁着工作人员的生命安全。

2、现有技术中，申请号为cn201620364696.0，发明名称为《一种煤矿采空区温度场分布规律相似模拟试验装置》，以及申请号为cn201810889050.8，发明名称为《采空区煤自燃温度场实时可视化监测装置、系统及方法》，没有针对封闭采空区复采，只是对煤自燃火灾注惰灭火过程及通风复杂环境进行模拟；同时采用如热电偶测温等接触式测温方法构造温度场，测点布置过多，且温度场变化不连续，采用红外热成像方法等传统非接触式测温方法构造温度场，无法探测煤堆内部温度，造成温度场数据失准。因此，亟须发明一种针对性试验系统，研究采空区封闭处理后复采煤自燃高温区域的形成演化规律，为采空区煤自燃危险区域的识别判定提供理论支持。

技术实现思路

1、本实用新型提供了一种封闭采空区复采时煤自燃模拟试验装置，以达到研究采空区封闭处理后复采煤自燃、灭火时高温区域的形成演化规律的目的。

2、为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

3、一种封闭采空区复采时煤自燃模拟试验装置，包括顶部开口、用于铺设煤层和砂石层的的承煤炉体，还包括通风管道、加热装置、温度检测装置和封闭灭火装置，所述承煤炉体一侧开设有通孔，所述通孔上安装隔离网，所述通风管道通过所述通孔与所述承煤炉体连通，所述加热装置、温度检测装置和封闭灭火装置的工作端均位于所述煤层内。

4、本实用新型中通过承煤炉体依次铺设煤层和砂石层模拟封闭煤矿井下采空区，通风管道模拟复采时采空区遗煤进入助燃空气，加热装置模拟遗煤发热自燃，封闭灭火装置模拟自燃后灭火，并用温度检测装置检测此过程中采空区内的温度变化，研究采空区封闭处理后复采煤自燃高温区域的形成演化规律，为采空区煤自燃危险区域的识别判定提供理论支持。

5、进一步的，所述封闭灭火装置包括惰性气体源、与所述惰性气体源连通的输气管线、若干灭火管路和安装于所述输气管线上的第一流量计，所述灭火管路上端均与所述输气管线连通，下端均插入所述煤层内。

6、通过由惰性气体源向煤层内通入惰性气体的方式排出煤层内的空气，使得煤层内缺失助燃的空气，达到灭火的目的，复刻了采空区煤自燃火灾封闭灭火过程，同时，不会破坏煤层和煤层内的结构，具有更优秀的安全性和可靠性。

7、进一步的，若干灭火管路均匀插入煤层内。使惰性气体均匀且快速的通入并填满煤层，将空气尽快的排出，避免煤层过度自燃。

8、进一步的，所述加热装置包括相互连接的电加热控制器和高温热电加热棒，所述高温热电加热棒的发热端插入所述煤层内。

9、通过插入煤层的高温热电加热棒发热的方式模拟煤层内局部发热自燃，使试验更贴近实际情况。

10、进一步的，所述温度检测装置包括若干温度传感器和热电偶温度数据采集器，所述温度传感器均匀铺设于所述煤层内，所述温度传感器均与所述热电偶温度数据采集器连接。

11、通过埋设与煤层内部的温度传感器检测煤层内部的温度，记录煤层的温度及温度的变化，形成可用数据链，研究采空区封闭处理后复采煤自燃高温区域的形成演化规律，为采空区煤自燃危险区域的识别判定提供理论支持。

12、进一步的，所述温度检测装置还包括声学非接触测温装置，所述声学非接触测温装置包括若干安装于所述承煤炉体侧壁上的收发式声波换能器、与所述收发式声波换能器连接的声信号数据采集器和声信号放大器，以及与所述声信号放大器连接的声波发射器、与所述声信号数据采集器和声波发射器均连接的声电信号转换器。

13、收发式声波换能器能够发送和接收声波，通过其中一个或多个收发式声波换能器发射声波，声波穿过煤层，由另外一个或者多个收发式声波换能器接收，并通过声信号数据采集器采集通过煤层后的声波，利用声学测温精确测定炉体内的煤样温度，利用热电偶测定的煤样温度进行验证，为承煤炉体内煤样温度可视化提供可行性条件。

14、进一步的，所述收发式声波换能器均匀安装于所述承煤炉体相对的两个侧壁上。

15、由于承煤炉体其中一个侧壁需要开设通孔，因此，承煤炉体相对的两个侧壁不包括开设有通孔的侧壁，由一侧的所有收发式声波换能器依次发射声波，由对侧的所有收发式声波换能器接收声波，再由对侧的所有收发式声波换能器依次发射声波，这一侧的所有收发式声波换能器接收声波，得到多组温度数据，及承煤炉体内煤样温度二维分布温度场，实现温度场的可视化，便于分析采空区封闭处理后复采煤自燃过程中高温区域形成演化规律，精确测试各个阶段煤自燃的特性参数。

16、进一步的，所述通风管道包括进风管路和出风管路，所述进风管路入口端安装有空气源，所述出风管路末端安装有气相色谱仪，所述进风管路和出风管路上均安装有第二流量计和阀门。

17、通过空气源向通风管道内注入空气，模拟封闭采空区复采的通风情况，气相色谱仪检测煤样自燃和灭火过程中回风管路气体成分和浓度，得出煤样自燃的和灭火的进程。

18、进一步的，所述承煤炉体外壁上铺设有耐火保温层。耐火保温层用于减少承煤炉体内外的热量交换，减少热量的流速，减小试验误差。

19、进一步的，还包括隔音箱体，所述承煤炉体安装于所述隔音箱体内。减少外界的声音对装置的影响，减小试验误差。

20、本实用新型提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

21、(1)本实用新型中通过承煤炉体铺设煤层和砂石层模拟封闭煤矿井下采空区，通风管道模拟复采时采空区遗煤进入助燃空气，加热装置模拟遗煤发热自燃，封闭灭火装置模拟自燃后灭火，并用温度检测装置检测此过程中采空区内的温度变化，研究采空区封闭处理后复采煤自燃高温区域的形成演化规律，为采空区煤自燃危险区域的识别判定提供理论支持；

22、(2)通过由惰性气体源向煤层内通入惰性气体的方式排出煤层内的空气，达到灭火的目的，复刻了采空区煤自燃火灾封闭灭火过程，同时，不会破坏煤层和煤层内的结构，具有更优秀的安全性和可靠性；

23、(3)通过埋设在煤层内部的温度传感器与声学非接触测温装置检测煤层内部的温度，记录煤层的温度及温度的变化，形成可用数据链；

24、(4)通过声学非接触测温装置实现温度场的可视化。

技术特征：

1.一种封闭采空区复采时煤自燃模拟试验装置，其特征在于，包括顶部开口、用于铺设煤层（101）和砂石层（102）的承煤炉体（1），还包括通风管道（2）、加热装置（3）、温度检测装置和封闭灭火装置（5），所述承煤炉体（1）一侧开设有通孔，所述通孔上安装隔离网（103），所述通风管道（2）通过所述通孔与所述承煤炉体（1）连通，所述加热装置（3）、温度检测装置和封闭灭火装置（5）的工作端均位于所述煤层（101）内。

2.根据权利要求1所述的一种封闭采空区复采时煤自燃模拟试验装置，其特征在于，所述封闭灭火装置（5）包括惰性气体源（501）、与所述惰性气体源（501）连通的输气管线（502）、若干灭火管路（503）和安装于所述输气管线（502）上的第一流量计（504），所述灭火管路（503）上端均与所述输气管线（502）连通，下端均插入所述煤层（101）内。

3.根据权利要求2所述的一种封闭采空区复采时煤自燃模拟试验装置，其特征在于，若干灭火管路（503）均匀插入所述煤层（101）内。

4.根据权利要求1所述的一种封闭采空区复采时煤自燃模拟试验装置，其特征在于，所述加热装置（3）包括相互连接的电加热控制器（301）和高温热电加热棒（302），所述高温热电加热棒（302）的发热端插入所述煤层（101）内。

5.根据权利要求1所述的一种封闭采空区复采时煤自燃模拟试验装置，其特征在于，所述温度检测装置包括若干温度传感器（401）和热电偶温度数据采集器（402），所述温度传感器（401）均匀铺设于所述煤层（101）内，所述温度传感器（401）均与所述热电偶温度数据采集器（402）连接。

6.根据权利要求1所述的一种封闭采空区复采时煤自燃模拟试验装置，其特征在于，所述温度检测装置还包括声学非接触测温装置，所述声学非接触测温装置包括若干安装于所述承煤炉体（1）侧壁上的收发式声波换能器（403）、与所述收发式声波换能器（403）连接的声信号数据采集器（404）和声信号放大器（405），以及与所述声信号放大器（405）连接的声波发射器（406）、与所述声信号数据采集器（404）和声波发射器（406）均连接的声电信号转换器（407）。

7.根据权利要求6所述的一种封闭采空区复采时煤自燃模拟试验装置，其特征在于，所述收发式声波换能器（403）均匀安装于所述承煤炉体（1）相对的两个侧壁上。

8.根据权利要求1所述的一种封闭采空区复采时煤自燃模拟试验装置，其特征在于，所述通风管道（2）包括进风管路（201）和出风管路（202），所述进风管路（201）入口端安装有空气源（203），所述出风管路（202）末端安装有气相色谱仪（204），所述进风管路（201）和出风管路（202）上均安装有第二流量计（205）和阀门（206）。

9.根据权利要求1-8中任意一项所述的一种封闭采空区复采时煤自燃模拟试验装置，其特征在于，所述承煤炉体（1）外壁上铺设有耐火保温层。

10.根据权利要求1-8中任意一项所述的一种封闭采空区复采时煤自燃模拟试验装置，其特征在于，还包括隔音箱体（6），所述承煤炉体（1）安装于所述隔音箱体（6）内。

技术总结
本技术公开了一种封闭采空区复采时煤自燃模拟试验装置，涉及采空区煤火灾害防治理论与技术领域，包括顶部开口、用于铺设煤层和砂石层的的承煤炉体，还包括通风管道、加热装置、温度检测装置和封闭灭火装置，所述承煤炉体一侧开设有通孔，所述通孔上安装隔离网，所述通风管道通过所述通孔与所述承煤炉体连通，所述加热装置、温度检测装置和封闭灭火装置的工作端均位于所述煤层内。以达到研究采空区封闭处理后复采煤自燃、灭火时高温区域的形成演化规律的目的。

技术研发人员：赵婧昱,常家铭,杨小成,宋佳佳,航盖,肖玥琰,池钊龙,王晨,张嬿妮,刘岗,杨飞娟
受保护的技术使用者：西安科技大学
技术研发日：20240508
技术公布日：2025/3/13