研究不同通风条件下采空区瓦斯运移的试验模拟装置

摘要

本发明公开了一种研究不同通风条件下采空区瓦斯运移的试验模拟装置，包括：管道系统，具有与外界空气相通的进风管道(B)和回风管道(C)；模拟采空区(A)，具有密封的框架结构，其内填充有破碎废矸(A2)，其进风端与进风管道(B)相通，回风端与回风管道(C)相通；瓦斯输入装置(D)，通过输气管道(A3)与模拟采空区(A)内部相通；通风装置(E)，连接在回风管道(C)的末端，具有用于排出气体的排气口(E11)。通过该试验模拟装置对不同通风条件下的有关参量进行分析对比，从而得出瓦斯运移、采空区风流流动的规律，为实际生产中综采工作面通风系统的选择提供指导。

说明书

技术领域

本发明涉及一种试验模拟装置，尤其涉及一种用于研究在不同的通风条件下 采空区瓦斯运移规律的试验模拟装置。

背景技术

受煤炭资源赋存条件的限制，我国几乎所有的井工矿都是瓦斯矿井。近年来， 随着开采范围的扩大和集约化生产程度的迅速提高，瓦斯矿井的地质条件越来越 复杂，瓦斯事故时有发生，煤层瓦斯已成为制约矿井安全高效生产的关键因素。 我国煤矿瓦斯主要依靠通风稀释瓦斯浓度和抽放减少瓦斯涌出量两种技术手段 进行治理，而工作面不同通风方式直接影响着采空区瓦斯的渗流场及积聚规律和 风排瓦斯能力。

目前，我国煤矿工作面主要有U型、U+L型、U+I型、Y型等几种常见的 通风系统，在实际矿井生产中一般根据经验来选择，而未依据工作面所需风排瓦 斯量、上隅角瓦斯积聚程度以及与抽采能力匹配进行选择通风系统及通风参量， 以至于高瓦斯矿井投产后相当长的时间仍存在瓦斯超限问题，严重影响矿井安全 高效开采。因此，研究工作面不同通风系统不同参量条件下的采空区瓦斯的渗流 场及积聚规律，并进行对比研究，形成不同通风系统下通风参量、瓦斯涌出量与 风排瓦斯量的耦合关系，最终依据现场实际条件确定不同通风系统下的风排瓦斯 量临界值，指导现场实际生产中工作面通风系统选择以及通风参量优化确定，实 现低耗、高效、安全的通风系统以及合理瓦斯抽采系统的综合治理技术，为煤矿 综采面瓦斯防治提供科学的技术指导。

但是，由于工作面在回采过程中，采空区顶部会垮塌及掉落大量的石块，同 时煤壁也有片绑发生，加之采空区内的氧气成份较少，所以工作人员无法进入采 空区，如采用现场实测的方法对煤矿采空区内瓦斯的渗流场及瓦斯积聚规律进行 研究，具有实测费用高、难度大、危险性高的特点，且现场实测如实现不同通风 系统之间转变，则需要耗费巨大的资金，占用大量的人力和物力会打乱现场的生 产秩序，无法保证研究的顺利进行。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的问题，提供一种用于研究不 同通风条件下采空区瓦斯运移情况的试验模拟装置，对综采面、采空区及巷道进 行了相似模拟，通过该试验模拟装置对不同通风条件下的有关参量进行分析对 比，从而得出瓦斯运移、采空区风流流动的规律，为实际生产中综采工作面通风 系统的选择提供指导。试验模拟装置模拟效果好，监测直观，安全性能高。

为实现本发明的目的，提供以下技术方案：

一种研究不同通风条件下采空区瓦斯运移的试验模拟装置，包括：管道系统， 具有与外界空气相通的进风管道和回风管道；模拟采空区，具有密封的框架结构， 其内填充有破碎废矸，其进风端与进风管道相通，回风端与回风管道相通，以便 由进风管道向模拟采空区内输入空气，并将模拟采空区内的气体由回风管道排 出；瓦斯输入装置，通过输气管道与模拟采空区内部相通，以便向模拟采空区内 输入瓦斯；通风装置，连接在回风管道的末端，具有用于排出气体的排气口。

其中，模拟采空区内部的一侧设有用于模拟工作面的内置通道，内置通道上 朝向模拟采空区内的一侧分布有多条缝隙，以便向模拟采空区内输入空气。

其中，进风端设有多个进风口；所述进风管道包括主进风管道，其一端与外 界大气相通，另一端分为多条进风支路，其中至少一条进风支路通过一个进风口 与所述内置通道的一端相连，其余进风支路分别通过其余的多个进风口与所述模 拟采空区内部相通。

其中，回风端设有多个回风口；所述回风端内部设置有内置管道，内置管道 的一端置于模拟采空区内，另一端与一个所述的回风口相连通，内置管道上分布 有多个对应所述回风口的通孔；所述回风管道包括主回风管道，其一端与所述通 风装置相连接，另一端分为多条回风支路，其中至少一条回风支路通过一个回风 口与所述内置通道的另一端相连，其余回风支路分别通过其余的多个回风口和内 置管道上与回风口对应的通孔而与所述模拟采空区内部相通。

回风管道还包括内错管道，其上设有阀门，内错管道的一端与所述主回风管 道相通，另一端伸入所述模拟采空区内并靠近所述回风端。

特别是，多条进风支路与所述多条回风支路上设有阀门；所述主进风管道和 主回风管道以及多条进风支路与所述多条回风支路上设有测定风速的装置。

其中，进风管道与所述回风管道之间还设有用于改变风向的换向装置，包括： 连接在主进风管道与主回风管道之间的第一连接管道，其上连接有换向进风支 路，换向进风支路与所述至少一条回风支路相通，并且在换向进风支路与连接主 回风管道的端部之间设置有阀门；连接在主回风管道与多条进风支路之间的第二 连接管道，其一端与主回风管道相连，另一端通过多条换向回风支路分别与多条 进风支路相通；换向进风支路与多条换向回风支路上均设有阀门。

其中，瓦斯输入装置包括：瓦斯气体源，通过减压阀与分流器相连，分流器 通过胶管与所述输气管道相连；所述减压阀与分流器之间安装有流量计，所述输 气管道上均匀分布有多个输出孔。

其中，通风装置包括：抽风机，一端与主回风管道相连，另一端具有所述排 气口。

其中，模拟采空区顶部由透明件密封，透明件上有方格网，并且透明件上分 布有由橡皮塞密封的孔。

本发明的有益效果体现在以下方面：

1、在实验室建立本发明的试验模拟装置，进行综采工作面U型、U+L型、 U+I型、Y型等多种通风系统的模拟试验，克服了在施工现场进行考察研究比 较困难的问题，试验模拟装置结构紧凑，与实际现场相似程度高；

2、通过阀门的调节来实现多种通风系统的转换，操作简单方便，设备成本 低；

3、模拟采空区顶部采用有机玻璃覆盖密封，玻璃上画有方格网，便于观测 和分析流动情况，试验直观形象；

4、根据需要研究巷道、工作面及采空区风流流动、瓦斯运移等规律，以配 合现场全面考察多种通风系统的有关参量，对不同通风系统条件下的相关参量进 行对比研究，指导现场实际生产中综采工作面通风系统的选择，为综采面瓦斯防 治提供科学的技术途径。

附图说明

图1是本发明的研究不同通风条件下采空区瓦斯运移的试验模拟装置的俯 视示意图；

图2是本发明中瓦斯输入装置与输气管道的连接示意图；

图3是本发明中的模拟采空区顶部密封件的俯视示意图。

附图标记说明：1～19-阀门；21-阀门；23-反风阀门；24-减振装置；A-模拟 采空区；A0-内置管道；A1-内置通道；A2-破碎废矸；A3-输气管道；A5-透明件； A6-孔；A4、A7、A8、A9-进风口；A11、A12、A13、A16-回风口；B-进风管道； B0-主进风管道；B1、B2、B4、B6、B7、B8、B9-进风支路；B10-直排支路； B18-换向进风支路；C-回风管道；C0-主回风管道；C3、C5-换向回风支路；C11、 C12、C13、C14、C15、C16-回风支路；C17-内错管道；D-瓦斯输入装置；D1- 瓦斯气体源；D2-减压器；D3-分流器；D4-胶管；D5-流量计；E-通风装置；E1- 抽风机E11-排气口；E12-闸门；E2-反风装置；E21-第一反风管道；E22-第二反 风管道；E23-反风支路；E3-防爆装置；E31-防爆管道；E32-防爆门。

具体实施方式

如图1为本发明的研究不同通风条件下采空区瓦斯运移的试验模拟装置的 俯视示意图。

如图1所示，本发明的研究不同通风条件下采空区瓦斯运移的试验模拟装置 通过支架(图中未示出)支撑在地面，包括：模拟采空区A，具有密封的框架结 构，其内填充有破碎废矸A2，粒度为1～60mm不等。采空区岩体的堆砌以《岩 层控制的关键层理论》为指导，冒落带的岩体用碎状的废矸模拟堆砌，在模型内 的中心压实区和“O”形圈内分别堆积具有不同压实特性的破碎废矸，使之满足 冒落带的渗透特性。模拟采空区A具有进风端和回风端，并且图1中示出的回 风端的高度高于进风端，使得模拟采空区A倾斜一定的角度，以便与实际采空 区相似；管道系统，具有进风管道B和回风管道C，进风管道B与模拟采空区A 的进风端相通，以便向模拟采空区内输入空气，回风管道C与模拟采空区A的 回风端相通，以便将模拟采空区内含有瓦斯的混合气体排走；瓦斯输入装置D， 如图2所示，通过输气管道与模拟采空区A内部相通，以便向模拟采空区A内 部输入瓦斯气体；回风管道C的末端连接有通风装置E，含有瓦斯的混合气体经 由回风管道C最后由通风装置E排出。

如图1所示，模拟采空区A内的一侧设置有用于模拟综采工作面的内置通 道A1，内置通道A1上朝向模拟采空区内的一侧分布有多条缝隙，用于向模拟 采空区A内输入空气。

其中，模拟采空区A的进风端设置有多个进风口A4、A7、A8、A9；进风 管道B包括主进风管道B0，其一端与外界大气相通，另一端分为多条进风支路 B2、B4、B6、B7、B8、B9，每条进风支路上均设有阀门。其中一条进风支路 B4通过一个进风口A4与内置通道A1的进风端相通，以便由进风支路B4经由 内置通道A1的进风端向内置通道A1内输入空气。进风支路B2分成多条进风 支路B6、B7、B8、B9，其中，进风支路B6与进风支路B4连接，使得进风支 路B6与进风支路B4同时与内置通道A1的进风端相连通，这样，当开启进风支 路B4上的阀门4时，便可由进风支路B4经由内置通道A1的进风端向内置通 道A1输入空气；当开启进风支路B2上的阀门2以及进风支路B6上的阀门6 时，便可由进风支路B6经由内置通道A1的进风端向内置通道A1输入空气； 进风支路B7、B8、B9分别与模拟采空区A进风端的进风口A7、A8、A9相连， 以便通过进风口A7、A8、A9向模拟采空区输入空气。

模拟采空区的回风端设置有多个回风口A11、A12、A13、A16；回风端的内 部设置有内置管道A0，内置管道A0的一端置于模拟采空区内，另一端与一个 回风口A11相连通，内置管道A0上分布有分别对应回风口A12、A13的通孔； 回风管道C包括主回风管道C0，其一端与通风装置E相连，另一端分为多条回 风支路C11、C12、C13、C14、C15、C16，图1中为了清除显示主回风管道C0 和回风支路C15，将主回风管道C0进行了偏置，实际上回风支路C15和主回风 管道C0为上下分布。

每条回风支路C11、C12、C13、C14、C15、C16上均设置有阀门，其中一 条回风支路C16通过一个回风口A16与内置通道A1的出风端相通，以便含有 瓦斯的混合气体由内置通道A1的出风端经由回风支路C16排出。回风支路C15 分成多条回风支路C11、C12、C13、C14，回风支路C14与回风支路C16连接， 使得回风支路C14与回风支路C16同时与内置通道A1的出风端相连通，这样， 当开启回风支路C16上的阀门16时，内置通道A1内含有瓦斯的混合气体由内 置通道A1的出风端经由回风支路C16排走；当开启回风支路C15上的阀门15 以及回风支路C14上的阀门14时，内置通道A1内含有瓦斯的混合气体由内置 通道A1的出风端经由回风支路C14再经由回风支路C15排走；回风支路C11、 C12、C13分别与模拟采空区A回风端的回风口A11、A12、A13相连，以便模 拟采空区A内含有瓦斯的混合气体由内置管道A0上对应回风口A12、A13的通 孔经过回风口A11、A12、A13排走。

再如图1所示，进风支路B2还形成有一条直排支路B10，其上设置有阀门 10，直排支路B10直接与回风支路C15相连，当开启进风支路B2上的阀门2、 直排支路B10上的阀门10以及回风支路C15上的阀门1时，空气便可由进风支 路B2经由直排支路B10，再经过回风支路C15由主回风支路C0排走。

进风管道B与回风管道C之间还设置有用于改变空气流动方向的换向装置， 包括：第一连接管道F1，其一端与主进风管道B0相连通，另一端与主回风管道 C0相连通，第一连接管道F1上设置有阀门19，在阀门19与连接主进风管道 B0的端部之间连接有换向进风支路B18，其上设置有阀门18，换向进风支路B18 与回风支路C16连通，使得换向进风支路B18与回风支路C16一起同时与内置 通道A1的出风端相通，当开启换向进风支路B18上的阀门18时，空气便可由 第一连接管道F1经由换向进风支路B18由内置通道A1的出风端进入内置通道 A1，使得空气的流动方向改变。

换向装置还包括第二连接管道，其一端与主回风管道C0相连通，另一端分 成两条换向回风支路C3、C5，换向回风支路C3、C5上分别设置有阀门3和阀 门5，换向回风支路C3、C5分别与进风支路B2、B4相连通，使得换向回风支 路C5与进风支路B4一起同时与内置通道A1的进风端相连通，当开启换向回风 支路C5上的阀门5时，内置通道A1内含有瓦斯的混合气体便可经由内置通道 A1的进风端由换向回风支路C5再经由第二连接管道F2排走；当开启进风支路 B9上的阀门9和/或进风支路B8上的阀门8和/或进风支路B7上的阀门7和/或 进风支路B6上的阀门6，以及换向回风支路C3上的阀门3时，模拟采空区A 内的含有瓦斯的混合气体便可由换向回风支路C3经由第二连接管道F2排走， 使得空气的流进和气体的排出方向改变。

图1中为了清楚显示换向回风支路C3、C5与进风支路B2、B4，将换向回 风支路C3、C5进行了偏置，实际上换向回风支路C3、C5分别与进风支路B2、 B4上下分布。

回风管道C还包括用于模拟内错巷的内错管道C17，其上设置有阀门17， 内错管道C17的一端伸入模拟采空区A内并靠近模拟采空区A的回风端，另一 端与第二连接管道F2相连接，使得内错管道C17通过第二连接管道F2与主回 风管道C0相连通，内错管道C17伸入模拟采空区A内的长度较短，这样当开启 内错管道C17上的阀门17时，聚集在模拟采空区A的角落处的含有瓦斯的混合 气体可迅速的由内错管道C17经第二连接管道F2和主回风管道C0排出。

在进风支路B2的上方还设置有进风支路B1，进风支路B1上设置有阀门1。 图1中为了清楚显示进风支路B1和进风支路B2，将进风支路B1进行了偏置， 实际上进风支路B1与进风支路B2上下分布。进风支路B1的一端与主进风管道 相连通，另一端与第二连接管道F2相连通，当开启进风支路B1上的阀门1时， 空气便可由进风支路B1经由第二连接管道F2在由主回风管道直接排走，而不 会进入模拟采空区A内。

本发明中主进风管道和主回风管道以及进风支路与回风支路上均设有测定 风速的装置(图中未示出)。

另外，在主回风管道C0的末端连接有通风装置E，包括依次连接的防爆装 置E3、反风装置E2、抽风机E1，如图1所示，防爆装置E3包括与主回风管道 C0的末端相连通的防爆管道E31，防爆管道E31的另一端安装有防爆门E32， 当模拟采空区内发生爆炸时，爆炸产生的强气流由主回风管道C0进入防爆管道 E31，防爆管道E31端部的防爆门E32打开将强气流泄出，以避免强气流进入抽 风机E1将抽风机损坏；反风装置E2包括两条反风管道E21、E22，第一反风 管道E21一端与防爆管道E31相连通，另一端通过减振装置24与抽风机E1相 连通，第二反风管道E22一端连接在第一反风管道E21上，从而使得第二反风 管道E22的一端也与防爆管道E31相连通，另一端也通过减振装置24与抽风机 E1相连通；第一反风管道E21的上安装有阀门21，第二反风管道E22上安装有 阀门22，还设置有反风支路E23，反风支路上安装有反风阀门23；抽风机E1具 有用于排出气体的排气口E11，排气口E11上安装有闸门E12。

当开启第一反风管道E21上的阀门21以及排气口上的闸门E12时，主回风 管道C0内的气体便在抽风机E1的作用下由第一反风管道E21经由抽风机E1 的排气口E11排出；当关闭排气口E11上的闸门E12，开启阀门21和反风阀门 23时，外界空气便由反风支路E23经由第二反风管道E22进入抽风机E1，再经 由第一反风管道E21由主回风管道C0进入各回风支路和模拟采空区内，这样， 便使得主回风管道C0成为进风管道。

如图3所示，本发明的研究不同通风条件下采空区瓦斯运移的试验模拟装置 的模拟采空区A顶部采用透明件如有机玻璃A5密封，这样当向模拟采空区A 内输入有色气体时，可以通过有机玻璃A5直观的观察到模拟采空区A内气体的 流动情况。有机玻璃上绘制有网格，这样可以直观的分析气体的流动情况。有机 玻璃上还开设有孔A6，采用橡皮塞将孔密封，当实验者需要抽取模拟采空区内 的气体进行分析时，可以将采集器扎入橡皮塞进入模拟采空区抽取气体进行分 析。

如图2所示，本发明中的瓦斯输入装置包括瓦斯气体源D1，可以是瓦斯瓶， 瓦斯源通过减压阀D2与分流器D3相连，减压阀D2与分流器D3之间安装有流 量计，分流器通过胶管D4与输气管道A3相连，输气管道A3伸入模拟采空区A 内部，位于模拟采空区的底部，输气管道A3上均匀分布有多个输气孔，以便瓦 斯通过输气孔流入模拟采空区A内。

本发明的研究不同通风条件下采空区瓦斯运移的试验模拟装置可以模拟采 空区不同的通风系统条件，例如；

U型通风系统：

开启阀门4、16，综采面(即内置通道A1)实现U型通风系统(上行风)；

或开启调节风门5、18，综采面实现U型通风系统(下行风)。

U+L型通风系统：

开启阀门4、13、14、15、18，综采面实现U+L型两进一回通风系统(上 行风)；

或开启调节风门3、4、6、7、18，综采面实现U+L型两进一回通风系统(下 行风)。

U+I型通风系统：

开启阀门4、16，17，综采面实现U+I型通风系统(上行风)。

Y型通风系统：

开启阀门4、10、11、15，综采面实现双Y型通风系统(上行风)。

其它类型通风系统：

开启阀门2、4、7、13、14、15、16、17，综采面实现有两进三回通风系统 等，以便研究在U型、U+L型、U+I型、Y型等多种通风系统条件下的采空区 风流流动规律以及采空区瓦斯浓度分布情况，并结合瓦斯流动情况进一步分析瓦 斯运移规律，分析不同通风系统之间的优缺点，并对不同通风系统的采空区瓦斯 运移规律进行对比研究，以期为现场不同地质生产条件下的综采面通风系统选择 提供科学的依据。

尽管上文对本发明作了详细说明，但本发明不限于此，本技术领域的技术人 员可以根据本发明的原理进行修改，因此，凡按照本发明的原理进行的各种修改 都应当理解为落入本发明的保护范围。