模拟高地温大矿压下煤岩体破损自燃用实验系统及其方法

摘要

本发明属于自然发火基础实验测试技术领域且公开了模拟高地温大矿压下煤岩体破损自燃用实验系统，包括自加热程序升温罐；所述的自加热程序升温罐包括罐体、程序升温控制装置、高温加热棒以及内外保温层，罐体顶部设有罐盖通过法兰连接，罐体内部布置6根高温加热棒，罐体的前部和后部中间开有石英材质的观察窗，顶部和底部均有气孔，顶部为出气口，底部为进气口，中部设有温度第一探头和第二探头，第一探头和第二探头设置在试样罐内和罐外各设置一个并在同一个高度水平。本发明结构设计简单、可操作性强，能够有效模拟高地温以及煤岩体受压的破碎过程,为预防该类型的煤自燃灾害提供科学合理的理论参考。

说明书

技术领域

本发明具体涉及模拟高地温大矿压下煤岩体破损自燃用实验系统及其方法，属于自然发火基础实验测试技术领域。

背景技术

我国是煤炭开采和消费大国，随着煤炭开采技术及装备的发展以及浅埋煤层资源的不断减少，煤炭开采深度在逐年不断增加，最大开采深度已经超过1000m以上，然而随着煤炭开采深度的增加也伴随着一些灾害的显现频繁，如高地温、高地应力和漏风严重等一系列问题，这些问题导致煤层自然发火的倾向越来越严重，对煤矿的安全高效开采造成了严重的影响。煤炭自然发火的主因是破碎煤体遇氧气缓慢的氧化，煤岩体有良好的蓄热条件，持续足够的时间煤体就能出现自然发火的征兆，而地应力的显现使煤层产生裂隙甚至使煤体破碎至细小的颗粒，高地温的环境会加速煤体的氧化，漏风也会某种程度的促进煤体氧化自燃，这些地质灾害导致煤体具备了煤炭自然发火的要素，保持一定时间之后煤体就会发生自燃现象。而目前，对于地温对煤体自燃的影响已经有了部分的研究，对于地应力作用下、高温条件等多种因素综合影响下煤体的自燃状态的研究较少，为了解决上述问题，需要尝试研制一种能够模拟高地温、大矿压下煤岩体破损过程中煤自燃的实验平台，对于解决工程实际中的这种问题具有重要的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题克服现有的缺陷，提供模拟高地温大矿压下煤岩体破损自燃用实验系统及其方法，结构设计简单、可操作性强，能够有效模拟高地温以及煤岩体受压的破碎过程,为预防该类型的煤自燃灾害提供科学合理的理论参考，可以有效解决背景技术中的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

本发明提供模拟高地温大矿压下煤岩体破损自燃用实验系统及其方法，包括：

自加热程序升温罐；所述的自加热程序升温罐包括罐体、程序升温控制装置、高温加热棒以及内外保温层，罐体顶部设有罐盖通过法兰连接，罐体内部布置根高温加热棒，罐体的前部和后部中间开有石英材质的观察窗，顶部和底部均有气孔，顶部为出气口，底部为进气口，中部设有温度第一探头和第二探头，第一探头和第二探头设置在试样罐内和罐外各设置一个并在同一个高度水平，并与程序升温控制装置相接，所述程序升温控制装置与加热棒及计算机相接，通过采集的温度数据和设置温度的数据差异实时控制加热棒的加热功率实现温度的自动化控制，所述罐体底部放有试样，试样顶部与静力载荷施加装置相接，所述出气口和气体分析系统相接，所述进气口与流量计相接，所述流量计和控制阀相接，通过流量计调节气体的流量大小，所述控制阀控制通过流量计的氮气和空气气体的切换，以实现对罐体的降温或者参与样品的氧化反应；

观测装置；所述的观测装置包括X光透视机及计算机，将X光透视机固定在自加热程序升温罐石英玻璃观察窗同一高度位置，通过设置的时间间隔持续监测试验过程中罐体内部样品的内部空隙及裂隙的变化状况；

气体分析系统；所述气体分析系统包括气相色谱仪和质谱仪、废气处理装置及计算机，所述的气相色谱仪与试样罐的出气口相接，所述的质谱仪与气相色谱仪相接，所述气相色谱仪和质谱仪与计算机相接，计算机自动化采集数据并保存打印，所述质谱仪与废气处理装置相接，所述废气处理装置用来处理气相色谱和质谱联用仪连用后的废气；

静力载荷施加装置；所述静力载荷施加装置包括轴向加载装置和控制系统以及支撑框架，所述的支撑框架由底座以及两根立柱及固定横梁组成，用于支撑整个轴向加载装置的稳定，所述的轴向加载装置包括油缸和气泵以及活塞，所述油缸和气泵相接，通过气泵的开启将油液送入油缸顶起工作活塞给试样施加载荷，所述活塞设置在油缸底部，通过油缸向活塞施加载荷，且活塞与试样上垫块紧密相接载荷传递至试样；

所述控制系统包括传感器、继电器及控制阀门、压力表及计算机，所述传感器包含压力传感器、电阻应变片、贴片式温度传感器，所述的压力传感器布置在油缸下面的活塞上，测量施加给试样的载荷大小，所述的压力表用于显示气泵的工作压力，所述电阻应变片以及贴片式温度传感器放置在试样表面中心位置处并与控制系统相接，所述控制系统通过传感器采集试样的温度、应变参数的变化，控制轴向加载装置向试样施加静力载荷的作用，并将数据都传递至计算机保存。

进一步的：所述试样为圆柱状煤样、岩石样品或煤岩混样，且试样表面有贴片式温度传感器以及电阻应变片，电阻应变片有纵向、横向应变片呈采用“┫”形排列，以对试样表面温度及相应载荷下的纵向、横向应变进行采集。

进一步的：通过温度数据模块采集试样罐内温度探头和环境温度探头，反馈给计算机软件调节温度按照设置的升温速度调节程序升温控制器，程序升温控制装置控制高温加热棒进行升温或者恒温状态，通过改变罐体进气口氮气气体的流量实现对自加热升温罐的快速降温。

进一步的：所述的试样罐出气口通向气相色谱-质谱联用仪，气相色谱-质谱联用仪分析将得色谱图和质谱图，从色谱图像定性定量得到气体的组成成分及浓度，从质谱图同时获取样品的化学成分信息和样品表面化学成分空间分布信息,并以图像的形式直观地反映被测物的物质与空间分布情况。

进一步的：所述的高温加热棒镶嵌在自加热程序升温罐的内外保温夹层之中，保温夹层中填充有玻璃纤维保温棉。

进一步的：所述的进气口与空气发生器和氮气瓶相接。

进一步的：所述的自加热程序升温罐高200mm，直径100mm，进气口和出气口分别在距离自加热程序升温罐底部和上部20mm的空间内。

模拟高地温大矿压下煤岩体破损自燃用实验方法，其特征在于：具体步骤包括：

步骤1，在矿井煤层或者煤岩体上切割大块矩形样品，用薄膜密封保存运送至实验室，使用取样器在矩形样品上取一定直径和高度的圆柱状试样，并对试样进行编号，记录试样的颜色、层理和含水状态等状态；

步骤2，对实验平台进行开机测试，保证包括自加热程序升温罐能够正常加热且温控精度达到实验要求，静力载荷施加装置的油缸密封性良好，能够加压，各种仪器仪表显示正常；

步骤3，试样安装，将制备的圆柱状试样表面贴上电阻应变片和温度传感器，把钢垫块端部擦拭干净，置于上、下垫块之间，使三者中心保持在一条直线上，再将试样与垫块之间套上热缩管，热缩管长度稍大于试样高度，用吹风机缓慢加热热缩管并用密封胶带固定试样两端，然后将试样放入加热罐体中，提高油缸活塞，以防碰撞试样，再将活塞对准上垫块中心，并将法兰和罐体密封连接；同时将X光透视机放置在加热罐体石英玻璃窗的同一高度拍摄照片，记录样品的初始状态信息；

步骤4，打开气体切控制阀调节流量计向自加热罐体通入一定流量的气体，并持续一定时间，待出气稳定之后，开启程序升温控制装置进行升温，并设定温度控制器为恒定温度值，待温度数据模块采集的温度探头数据稳定之后，使用气体分析装置持续检测出气的气体成分及浓度值，待气体成分稳定并保持不变，在准备给试样加压；

步骤5，施加载荷，开动油泵电机，打开送油阀，油泵把油液送入工作油缸顶起工作活塞给试样加载，以1.0kN/s～2.0kN/s的加载速度均匀加载，直至试样破坏，立即关闭油泵泵卸载阀，再此过程中同时使用X光透视机、气相色谱仪及质谱仪监测出气口的气体和样品的状态，记录试样的破坏状态及其他检测值；

步骤6，自加热程序升温罐进行升温，设定温度控制器升温范围室温至450℃，初始温度分别为30℃、40℃和50℃，并施加相同的载荷值，重复步骤1～5研究不同初始地温环境下样品氧化升温过程中试样的破坏状态以及气体产物的生成规律的变化；

步骤7，同时步骤5中给试样施加不同的载荷，但步骤4中自加热程序升温罐的温度设置相同，重复步骤1～5以研究高地温环境下不同矿压的显现对试样的破坏形式及高地温环境对试样自燃特性的影响。

进一步的：所述步骤1中，试样是煤样、煤岩混合体或者使用破碎的一定粒径煤样或者煤岩体制备的试样，均可以模拟矿压显现后煤岩体的破坏形式及煤岩体产生裂隙后自燃特性的变化。

本发明所达到的有益效果是：

(1)模拟高地温大矿压下煤岩体破损自燃用实验系统及其方法，结构简单、成本低廉，能够模拟多种条件综合作用下煤岩体的破裂状态以及煤岩体破裂过程中的自燃危险性进行评估以为煤岩体的自燃预防提供可靠资料；

(2)本发明可模拟矿井不同初始地温(20℃～50℃)环境下室温至450℃温度范围内煤体、岩体以及煤岩体在地应力作用下的裂隙发展状况以及动态氧化升温过程中的自燃情况，分析其气体、温度的变化规律，建立自燃预防指标体系。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

在附图中：

图1是本发明实施例所述的模拟高地温大矿压下煤岩体破损自燃用实验系统结构图；

图2是本发明实施例所述的模拟高地温大矿压下煤岩体破损自燃用实验系统自加热程序升温罐俯视图；

图3是本发明实施例所述的模拟高地温大矿压下煤岩体破损自燃用实验系统自加热程序升温罐正视图；

图4是本发明实施例所述的模拟高地温大矿压下煤岩体破损自燃用实验系统尾气处理装置图；

图5是本发明实施例所述的模拟高地温大矿压下煤岩体破损自燃用实验系统试样示意图；

图中标号：1－压力阀；2－压力表；3－继电器；4－送油阀；5－气泵；6－轴向加载装置；7－油缸；8－框架；9－自加热程序升温罐；10－试样罐盖；11－出气口；12－活塞；13－第一探头；14－第二探头；15－进气口；16－底座；17－玻璃转子流量计；18－程序升温控制装置；19－气体分析装置；20－控制系统；21－计算机；22－气相色谱仪；23－质谱仪；24－排气管；25－废气处理装置；26－高温加热棒；27－保温层；28－碳钢内外层；29－石英玻璃观察窗；30－上垫块；31－贴片式温度传感器；32－试样；33－密封圈；34－下垫块；35－电阻应变片。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例：如图1所示，模拟高地温大矿压下煤岩体破损自燃用实验系统，包括自加热程序升温罐9及观测装置、气体分析装置19和静力载荷施加装置；

所述的自加热程序升温罐9，主要包含罐体、程序升温控制装置18、高温加热棒26以及内外保温层27，所述的罐体形状圆柱形，罐体顶部设计有罐盖10通过法兰连接，罐体及盖子均为双层保温设计，罐体的内层为耐高温材料，外层为碳钢，罐体内部布置6根高温加热棒26，加热棒周围填充耐高温材料，罐体的前部和后部中间开有石英材质的观察窗29，顶部和底部均有气孔，顶部为出气口11，底部为进气口15，中部设有第一探头13和第二探头14，第一探头13和第二探头14设置在试样罐内和罐外各设置一个并在同一个高度水平，并与程序升温控制装置18相接，所述程序升温控制装置18与加热棒26及计算机21相接，通过采集的温度数据和设置温度的数据差异实时控制加热棒的加热功率实现温度的自动化控制，所述加热罐体底部放有试样，试样顶部与静力载荷施加装置6相接，所述出气口11和气体分析系统19相接，所述进气口11与流量计17相接，所述流量计17和控制阀相接，通过流量计调节气体的流量大小，所述控制阀主要控制通过流量计的氮气和空气气体的切换，以实现对罐体的降温或者参与样品的氧化反应。

具体实施时：所述的高温加热棒26镶嵌在自加热程序升温罐9的内外保温夹层之中，保温夹层中填充有玻璃纤维保温棉，防治热量的热传导损失，所述的进气口15与空气发生器和氮气瓶相接，通过气体切换控制阀来切换供给的气体，持续的通入氮气可以对罐体进行快速的降温处理，所述的自加热程序升温罐9高度200mm，直径100mm，进气口11和出气口15分别在距离自加热程序升温罐9底部和上部20mm的空间内。

所述的观测装置主要包含X光透视机及计算机，将X光透视机固定在自加热程序升温罐石英玻璃观察窗29同一高度位置，通过设置的时间间隔持续监测试验过程中罐体内部样品的内部空隙及裂隙的变化状况，有助于研究样品在高温、高压环境下微观结构的规律，对于掌握煤岩体的自燃机理具有重要的意义，具体实施时，可以根据需求持续的对样品进行摄像的需求，并且X光透视机距离石英玻璃窗29间隔大约100mm～200mm防止高温对X光透视机的造成损伤。

所述的气体分析装置包含气相色谱仪22(GC)和质谱仪23(MS)、废气处理装置25及计算机21，所述的气相色谱仪22与自加热程序升温罐9的出气口相接，所述的质谱仪23与气相色谱仪22相接，所述气相色谱仪和质谱仪与计算机相接，计算机自动化采集数据并保存打印，所述质谱仪与废气处理装置相接，所述废气处理装置25用来处理气相色谱-质谱联用仪(GC-MC)连用后的废气，防止废气污染空气。具体实施时，气相色谱仪22使用北分SP2120可以高精度的检测CO、C₂H₄、C₂H₆、C₂H₂、CO₂、CH₄、O₂、N₂等8种气体，质谱仪使用赛默飞四级杆质谱仪，计算机21装有自动化的数据采集软件实时在线采集数据并保存。

所述的静力载荷施加装置包含轴向加载装置6和控制系统以及支撑框架8，所述的支撑框架8包含底座16以及两根立柱及固定横梁组成，支撑着整个轴向加载装置6的稳定，所述的轴向加载装置6包含油缸7和气泵5以及活塞12，所述油缸7和气泵5相接，通过气泵5的开启将油液送入油缸顶起工作活塞12给试样施加载荷，所述活塞12设置在油缸底部，通过油缸向活塞施加载荷，且活塞与试样上垫块紧密相接载荷传递至试样，所述控制系统包含传感器、继电器3及控制阀门、压力表2及计算机21，所述传感器包含压力传感器、电阻应变片、贴片式温度传感器，所述的压力传感器布置在油缸下面的活塞12上，测量施加给试样的载荷大小，所述的压力表2主要是显示气泵的工作压力，所述电阻应变片35以及贴片式温度传感器31放置在试样表面中心位置处并与控制系统20相接，所述控制系统20主要通过传感器采集试样的温度、应变等参数的变化，控制轴向加载装置向试样施加静力载荷的作用，并将数据都传递至计算机21保存；具体实施时使用计算机21控制软件设置的压力模式通过控制系统20动态的进行加压，可以进行多样化的加压方式进行试验，能够从不同方面全面的研究煤岩体的破坏过程。

本实施例中，试样可以是圆柱状煤样、岩石样品以及煤岩混样等，根据实验要求具体进行配比制样，且试样表面有贴片式温度传感器31以及电阻应变片35，电阻应变片有纵向、横向应变片呈采用“┫”形排列，以对试样表面温度及相应载荷下的纵向、横向应变进行采集。

本实施例中，通过研程序升温控制装置18内置PID控制器通过采集自加热程序升温罐9内温度探头13和环境温度探头14，反馈给计算机软件调节温度按照设置的升温速度控制高温加热棒26的功率从而实现对温度的控制，第一温度探头13、第二探头14均采用铂电阻，测量温度误差小。

本实施例中，自加热程序升温罐9出气口11通向气相色谱22-质谱联23用仪，气相色谱-质谱联用仪分析将得色谱图和质谱图，从色谱图像可以定性定量得到气体的组成成分及浓度，从质谱图能够同时获取样品的化学成分信息和样品表面化学成分空间分布信息,并以图像的形式直观地反映被测物的物质与空间分布情况。

模拟高地温大矿压下煤岩体破损自燃用实验方法，具体步骤包括：

步骤1，在矿井煤层或者煤岩体上切割大块矩形样品，用薄膜密封保存(避免淋雨或者煤岩体受到外力挤压破坏)运送至实验室，使用取样器在矩形样品上取一定直径和高度(试样高度与直径的关系一般为2～2.5倍)的圆柱状试样，并对试样进行编号，记录试样的颜色、层理和含水状态等状态；

步骤2，对实验平台进行开机测试，保证包括自加热程序升温罐9能够正常加热且温控精度达到实验要求，静力载荷施加装置的油缸7密封性良好，能够加压，各种仪器仪表显示正常；

步骤3，试样安装，将制备的圆柱状试样表面贴上电阻应变片35和温度传感器，把钢垫块端部擦拭干净，置于上垫块30、下垫块34之间，使三者中心保持在一条直线上，再将试样与垫块之间套上热缩管，热缩管长度稍大于试样高度，用吹风机缓慢加热热缩管并用密封圈33固定试样两端，然后将试样放入加热罐体9中，提高油缸7活塞12，以防碰撞试样，再将活塞对准上垫块中心，并将法兰和罐体密封连接；同时将X光透视机放置在加热罐体石英玻璃窗29的同一高度拍摄照片，记录样品的初始状态信息；

步骤4，打开气体切控制阀调节流量计17向自加热罐体9通入一定流量的气体，并持续一定时间，待出气稳定之后，开启程序升温控制装置18进行升温，并设定温度控制器为恒定温度值，待程序升温控制装置18采集的温度探头数据稳定之后，使用气体分析装置持续检测出气的气体成分及浓度值，待气体成分稳定并保持不变(误差允许范围之内)，在准备给试样加压；

步骤5，施加载荷，开动油泵电机，打开送油阀，油泵把油液送入工作油缸7顶起工作活塞12给试样加载，以1.0kN/s～2.0kN/s的加载速度均匀加载，直至试样破坏，立即关闭油泵泵卸载阀，再此过程中同时使用X光透视机、气相色谱仪22及质谱仪23监测出气口的气体和样品的状态，记录试样的破坏状态及其他检测值；

步骤6，自加热程序升温罐9进行升温，设定温度控制装置18升温范围室温至450℃，初始温度分别为30℃、40℃和50℃，并施加相同的载荷值，重复步骤1～5研究不同初始地温环境下样品氧化升温过程中试样的破坏状态以及气体规律的变化；

步骤7，同时步骤5中给试样施加不同的载荷，但步骤4中自加热程序升温罐9的温度设置相同，重复步骤1～5以研究高地温环境下不同矿压的显现对试样的破坏形式及高地温环境对试样自燃特性的影响。

上述步骤1中，试样可以是煤样、煤岩混合体或者使用破碎的一定粒径煤样或者煤岩体制备的试样，均可以模拟矿压显现后煤岩体的破坏形式及煤岩体产生裂隙后自燃特性的变化。

本发明的优点：

(1)本发明结构简单、成本低廉，能够模拟多种条件综合作用下煤岩体的破裂状态以及煤岩体破裂过程中的自燃危险性进行评估以为煤岩体的自燃预防提供可靠资料；

(2)本发明可模拟矿井不同初始地温(20℃～50℃)条件下煤体、岩体以及煤岩体在地应力作用下室温～450℃范围内的裂隙发展状况以及氧化升温过程中的自燃情况，分析其气体、温度的变化规律，建立自燃预防指标体系；

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。