综放/采长壁工作面采空区流场模拟试验装置及方法

摘要

一种综放/采长壁工作面采空区流场模拟试验装置及方法，适用于拟仿真获取试验数据使用。它包括充填有仿真煤层的试验箱体，仿真煤层下方处设有采空区流场试验系统，使用时开启采空区流场试验系统，从而模拟煤层采空区煤层垮塌过程，并通过采空区流场试验系统引燃煤层，并采集煤层燃烧后的流场信息。试验方法简单，模拟结果对于了解采空区的火灾状态、气体运移规律以及治理采空区自燃、瓦斯灾害具有指导意义。

说明书

技术领域

本发明涉及一种试验装置及方法，尤其适用于矿山安全中模拟仿真获取试验数据使用的综放/采长壁工作面采空区流场模拟试验装置及方法。

背景技术

在矿井开采过程中，随着工作面的推进，煤层采空，采场原有的力学平衡状态遭到破坏，失去支撑的上覆岩层发生位移变形，直至破坏垮落，在工作面后方形成大量由松散煤岩堆积体构成的采空区。

厚煤层综放工作面回采率一般在80%以下，采空区的遗煤比较多，成为自然发火的物质基础；放煤和顶板垮落范围较大，在矿压作用下，采场后方形成椭球状的冒落、破碎带，采空区在短时期内不会被压实，漏风通道畅通，浮煤极易发生氧化生成有毒有害气体，甚至造成采空区火灾隐患；同时，大量遗煤在采空区中逐渐释放瓦斯并随采空区内部的漏风运移，也易造成瓦斯事故。采空区自燃火灾和瓦斯的涌出严重威胁了采场工作人员的身体健康和矿井的安全回采必须加以研究，而认识采空区流场特性是开展此类研究的基础。

由于综放/采长壁工作面采空区内部的隐蔽性强、破坏性大，对采空区流场主要参数进行系统观测的可行性不大，模拟实验是研究瓦斯流动、自然发火等采空区流场相关问题的主要手段。目前，对采空区流场相关问题的模拟主要采用两种方法，一是通过借助于现代计算分析技术的采空区流场特性的数值模拟；二是通过铺设相似材料搭建物理模型进行物理模拟。数值模拟的客观性不强，结论易偏离实际，必须在物理模拟或现场实测数据修正的前提下才能克服上述缺点，这就显得采空区流场的物理模拟尤为重要。目前，已有的采空区流场物理模拟方法多是在封闭空间直接充填颗粒介质，例如如碎煤、碎石等实现对采空区的模拟，而这些充填物上并没有加载上覆压力，即使有些模型加载了上覆压力，加载力和实际的上覆地层的应力也不具相似性，也就是说矿压对采空区流场的影响没有被考虑，因而不能将矿压作用下的流场性质完全地体现在相似模型上，导致通过物理模拟得到的研究结论与实际情况还不能较好的吻合。

发明内容

发明目的：针对现有技术的不足之处，提供一种结构简单，使用方便，可以真实还原综放/采长壁工作面采空区塌陷以及燃烧和工作面气体流动流场的综放/采长壁工作面采空区流场模拟试验装置及方法。

技术手段：为实现上述技术目的，本发明的综放/采长壁工作面采空区流场模拟试验装置，包括充填有仿真煤层的试验箱体，所述仿真煤层由上覆岩层和遗留煤层构成，试验模型箱的仿真煤层下方处设有采空区流场试验系统，所述采空区流场试验系统包括设在试验箱体底部的液压升降装置，所述的液压升降装置包括直线排列的多个液压升降杆和与液压升降杆相互连接的液压装置启动器，液压升降装置上铺有与液压升降杆相配合的多块条带状滑块，所述条带状滑块两侧挖有凹槽，多个条带状滑块直线排列从而在条带状滑块两侧分别形成进风巷道和回风巷道，所述试验箱体上位于进风巷道和回风巷道处分别设有进风口和出风口，进风口上设有精密鼓风机，所述条带状滑块上表面上设有槽型硅管，并设有均匀排列的多个孔洞，所述孔洞内设有不跟随条带状滑块上下升降的热电偶、速度传感器和气体检测仪，所述热电偶、速度传感器和气体检测仪的输出端分别连接到数据采集器的输入端。

所述的试验箱体为钢化玻璃结构，液压升降杆为气动或油动液压杆；所述热电偶、速度传感器和气体检测仪下方设有固定在试验箱体内的支架，当液压升降杆升起时，热电偶、速度传感器和气体检测仪被收在条带状滑块的孔洞内，当液压升降杆降下时，则热电偶、速度传感器和气体检测仪不跟随带状滑块下降，在条带状滑块降下后从带状滑块的孔洞内探出。

一种综放/采长壁工作面采空区流场模拟试验方法，其步骤如下：

a. 利用液压控制装置控制试验箱体底部的多个液压升降杆连带条带状滑块升起，在试验箱体内由下往上依次铺设遗留煤层和上覆岩层，所述遗留煤层为干散的散体煤，所述上覆岩层石膏粉、碳酸钙粉和硼砂混合而成；

b. 启动液压控制装置控制直线排列的液压升降杆带动条状滑块依次降下，设置在条带状滑块上的上覆岩层与遗留煤层之间的离层空间在模拟的矿压作用下逐步增大，当达到上覆岩层的破坏极限时，即产生变形破坏，直至垮落，从而模拟还原采空区流场的场景，同时随着条带状滑块下降后，设在条带状滑块孔洞中的热电偶、速度传感器和气体检测仪从孔洞内探出；

c. 从条带状滑块孔洞内探出热电偶、速度传感器和气体检测仪伸入条带状滑块上方暴露在遗留煤层塌陷后形成的遗煤中，之后开启进风口上的精密鼓风机向进风巷道中鼓风，打开电源）给设置在条带状滑块上的槽型硅管供电，逐步提升槽型硅管温度从而引燃遗留煤层塌陷后形成的遗煤，之后启动热电偶、速度传感器和气体检测仪，利用热电偶监测采空区的温度场变化，利用气体检测仪监测模拟工作面采空区塌陷情况的遗煤燃烧后的氧气、甲烷、CO、二氧化碳，氮气、C₂H₄、C₂H₆、C₃H₈气体组分的比重，利用速度传感器监测模拟工作面采空区中燃烧产生的流场流动流，并将热电偶、速度传感器和气体检测仪监测的数据发送到数据采集器中记录下来从而完成试验的数据获取。

在进行瓦斯流场试验时，则在条带状滑块上设置甲烷输出气管，并将条带状滑块内设置的热电偶和气体检测仪替换为甲烷气体检测仪，之后通过甲烷输出气管释放甲烷，开启精密鼓风机向条带状滑块形成的进风巷道鼓风，用设置在条带状滑块上的甲烷气体检测仪和速度传感器记录监测信息，并将监测信息发送到数据采集器中记录后得到瓦斯浓度场的分布特征。

有益效果：本发明在钢化玻璃制成的试验箱体内设置液压升降杆和条带状滑块，并在条带状滑块上铺上上覆岩层和煤层模拟煤层，并通过液压升降杆升降模拟工作面塌陷后形成遗煤过程，结构简单，方便观察全过程，同时充分体现了上覆岩层与遗留煤层之间的离层空间在矿压作用下逐步增大的过程，模拟效果好，同时在模拟过程后可以引燃塌陷遗煤，并通过热电偶、速度传感器和气体检测仪收集研究采空区发火时气体产物参数以及火灾烟气的流动规律，还可以用以掌握采空区温度场和瓦斯流场的分布规律，试验方法简单，模拟结果对于了解采空区的火灾状态、气体运移规律以及治理采空区自燃、瓦斯灾害具有指导意义。

附图说明

图1为本发明综放/采长壁工作面采空区流场特性的物理模拟装置结构图；

图2 为本发明的条带状滑块两侧凹槽特征图；

图3为本发明综放/采长壁工作面采空区流场特性的物理模拟装置条带状滑块上方俯视图；

图4为本发明综放/采长壁工作面采空区上部煤层和顶板随采随落过程示意图；

图中：1-试验箱体，2-上覆岩层，3-煤层，4-条带状滑块，5-液压升降杆，6-进风巷道，7-回风巷道，8-精密鼓风机，9-热电偶，10-速度传感器，11-气体检测仪，12-槽型硅管，13-电源，14-数据采集器，15-液压控制装置，16-凹槽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步说明，

如图1所示，本发明的综放/采长壁工作面采空区流场模拟试验装置，它包括充填有仿真煤层的试验箱体1，所述的试验箱体1为钢化玻璃结构，长宽高为3800 mm×2000 mm×1500mm，所述仿真煤层由上覆岩层2和遗留煤层3构成，试验模型箱的仿真煤层下方处设有采空区流场试验系统，所述采空区流场试验系统包括设在试验箱体1底部的液压升降装置，所述的液压升降装置包括直线排列的多个液压升降杆5和与液压升降杆5相互连接的液压装置启动器15，所述液压升降杆5为气动或油动液压杆，液压升降装置上铺有与液压升降杆5相配合的多块条带状滑块4，所述条带状滑块4两侧挖有凹槽13，多个条带状滑块4直线排列从而在条带状滑块4两侧分别形成进风巷道和回风巷道，所述试验箱体1上位于进风巷道和回风巷道处分别设有进风口6和出风口7，进风口6上设有精密鼓风机8，所述条带状滑块4上表面上设有槽型硅管12，并设有均匀排列的多个孔洞，所述孔洞内设有不跟随条带状滑块4上下升降的热电偶9、速度传感器10和气体检测仪11，所述热电偶9、速度传感器10和气体检测仪11的输出端分别连接到数据采集器14的输入端,所述热电偶9、速度传感器10和气体检测仪11下方设有固定在试验箱体1内的支架，当液压升降杆5升起时，热电偶9、速度传感器10和气体检测仪11被收在条带状滑块4的孔洞内，当液压升降杆5降下时，则热电偶9、速度传感器10和气体检测仪11不跟随带状滑块4下降，在条带状滑块4降下后从带状滑块4的孔洞内探出；所述热电偶9、速度传感器10和气体检测仪11型号均为现有销售产品。

一种综放/采长壁工作面采空区流场模拟试验方法，其步骤如下：

a. 利用液压控制装置15控制试验箱体1底部的多个液压升降杆5连带条带状滑块4升起，在试验箱体1内由下往上依次铺设遗留煤层3和上覆岩层2，所述遗留煤层3为干散的散体煤，所述上覆岩层2为石膏粉、碳酸钙粉和硼砂混合而成；

b. 启动液压控制装置15控制直线排列的液压升降杆5带动条状滑块4依次降下，设置在条带状滑块4上的上覆岩层2与遗留煤层3之间的离层空间在模拟的矿压作用下逐步增大，当达到上覆岩层2的破坏极限时，即产生变形破坏，直至垮落，从而模拟还原采空区流场的场景，同时随着条带状滑块4下降后，设在条带状滑块4孔洞中的热电偶9、速度传感器10和气体检测仪11从孔洞内探出；

c. 从条带状滑块4孔洞内探出热电偶9、速度传感器10和气体检测仪11)伸入条带状滑块4上方暴露在遗留煤层3塌陷后形成的遗煤中，之后开启进风口6上的精密鼓风机8向进风巷道中鼓风，打开电源13给设置在条带状滑块4上的槽型硅管12供电，逐步提升槽型硅管12温度从而引燃遗留煤层3塌陷后形成的遗煤，之后启动热电偶9、速度传感器10和气体检测仪11，利用热电偶9监测采空区的温度场变化，利用气体检测仪11监测模拟工作面采空区塌陷情况的遗煤燃烧后的氧气、甲烷、CO、二氧化碳，氮气、C₂H₄、C₂H₆、C₃H₈气体组分的比重，利用速度传感器10监测模拟工作面采空区中燃烧产生的流场流动流，并将热电偶9、速度传感器10和气体检测仪11监测的数据发送到数据采集器14中记录下来从而完成试验的数据获取。

当进行瓦斯流场试验时，则在条带状滑块4上设置甲烷输出气管，并将条带状滑块4内设置的热电偶9和气体检测仪11替换为甲烷气体检测仪11，之后通过甲烷输出气管释放甲烷，开启精密鼓风机7向条带状滑块4形成的进风巷道鼓风，用设置在条带状滑块4上的甲烷气体检测仪11和速度传感器10记录监测信息，并将监测信息发送到数据采集器14中记录后得到瓦斯浓度场的分布特征。

本方法通过对采空区火灾、瓦斯流场的模拟实验，可揭示采空区自然火灾过程中产生的气体产物以及火灾、瓦斯等灾害气体的流动规律，掌握采空区温度场的规律，模拟的结果对于了解采空区的火灾状态、气体产物及运移规律以及防治采空区瓦斯灾害具有重大指导意义。