模拟电厂烟气注入采空区防治遗煤自燃的实验装置及方法

摘要

本发明属于煤矿技术领域，公开了一种模拟电厂烟气注入采空区防治遗煤自燃的实验装置及方法，包括：箱体，箱体顶部设置顶盖，侧壁和底板包括自外向内依次设置的外层钢板、聚氨酯隔热层、耐火砖层，箱体侧壁设置有进风口和回风口，顶盖上设置有注气口，箱体内由下至上依次铺设有第二相似材料底板、第一相似材料底板、模拟煤层、第一相似材料顶板、第二相似材料顶板；模拟煤层底部设置有用于支撑上方遗煤构建采空区的预置气囊，模拟煤层中通过钢制镂空护管构建进风巷、回风巷和采煤工作面，采空区设置有测杆以及加热板，注气口管道与模拟煤层连通。本发明可研究电厂烟气注入采空区防治遗煤自燃的机理和效果。

说明书

技术领域

本发明属于煤矿技术领域，涉及一种模拟电厂烟气注入采空区防治遗煤自燃的实验装置及方法。

背景技术

采空区煤炭自燃，往往会诱发瓦斯、煤尘燃烧或爆炸等连锁事故，严重威胁着矿井的安全生产和工作人员的生命安全，目前普遍采用以注氮为主的综合防灭火措施进行预防。近年来，我国煤电一体化建设中形成了大量坑口电厂，其烟道气体作为燃烧产物，主要成分是CO2，若通过管路直接注入井下用于预防采空区煤炭自燃，可避免由于制氮造成的能源浪费，为企业节省大量资金，同时实现电厂烟气的减量化、无害化、资源化处理，具有多重经济效益。

采空区遗煤自燃的过程十分复杂，和采空区漏风量、漏风速度、采空区散热效果、遗煤种类、遗煤量、遗煤自燃倾向性大小等因素有关。同一矿井内不同的采空区或者是不同矿井的采空区其自燃特性各不相同。在这种背景下，解决将电厂烟气注入采空区防治遗煤自燃是否可行、防治效果和什么因素有关等问题就需要进行大量的试验。现场试验投入过于巨大且效果未知，因此目前最好的方法是在实验室内构建一个模拟采空区，并给予不同的条件催生遗煤自燃，最后向采空区注入电厂烟气观察防治遗煤自燃的效果，以期为现场试验提供一些指导。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种模拟电厂烟气注入采空区防治遗煤自燃的实验装置及方法，以为现场试验提供指导。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种模拟电厂烟气注入采空区防治遗煤自燃的实验装置，包括：箱体，所述箱体顶部开口设置有用于封闭开口的顶盖，侧壁和底板包括自外向内依次设置的外层钢板、聚氨酯隔热层、耐火砖层，所述箱体侧壁设置有进风口和回风口，所述顶盖上设置有注气口，所述箱体内由下至上依次铺设有第二相似材料底板、第一相似材料底板、模拟煤层、第一相似材料顶板、第二相似材料顶板；

所述第二相似材料底板和第二相似材料顶板分别模拟煤层间接顶、底板，所述第一相似材料底板和第一相似材料顶板分别模拟煤层直接顶、底板；

所述模拟煤层底部设置有预置气囊，所述预置气囊用于支撑上方遗煤构建采空区，所述模拟煤层中通过钢制镂空护管构建进风巷、回风巷和采煤工作面，其中，进风巷与所述进风口连通，回风巷与所述回风口连通，采空区设置有多个用于测量温度和气体浓度的测杆以及用于提供热量的加热板，所述注气口的另一端插入模拟煤层。

所述顶盖上还设置有出线口，所述测杆上端的传感器信号线经所述出线口连接外部数据采集模块。

所述的一种模拟电厂烟气注入采空区防治遗煤自燃的实验装置，还包括烟气气瓶、空气泵、气相色谱仪，所述烟气气瓶与所述注气口连接，所述回风口通过空气泵与所述气相色谱仪连接。

所述烟气气瓶与所述注气口之间还设置有压力表和质量流量控制计，所述回风口与空气泵之间也设置有压力表和质量流量控制计。

模拟煤层的材料以煤粉作骨料，粘土作胶结物制作；所述第一相似材料底板、第二相似材料顶板、第一相似材料底板和第一相似材料顶板以砂石作骨料，石膏做胶结物制作，并根据模拟对象的力学强度特性和相似原理确定配比进行制作。

所述模拟煤层、顶底板的第一相似材料底板、第二相似材料顶板、第一相似材料底板和第一相似材料顶板厚度按照实际厚度的1/10～1/30的几何缩放比确定。

测杆底部设置有温度传感器和气体浓度传感器，所述气体浓度传感器包括CO

本发明还提供了一种模拟电厂烟气注入采空区防治遗煤自燃的实验方法，采用所述的装置实现，包括以下步骤：

S1、搭建试验装置；

S2、放掉气囊的空气，则气囊上方的遗煤和相似材料顶板则发生垮落，然后利用加热板向采空区遗煤提供热量，使遗煤发生自燃；

S3、通过采空区内布置的温度传感器检测到自燃是否发生，当自燃发生后，通过注气口向采空区注入烟气，阻止遗煤自燃，同样通过温度传感器判断自燃是否停止；

S4、通过控制变量法，改变参量，开展注烟气防治遗煤自燃效果的针对性试验。

所述参量包括：

煤化程度、煤岩成分、煤孔隙结构、煤的粒径大小、煤层厚度、倾角、埋藏深度、地质构造及围岩性质、通风因素、回采速度、采空区丢煤量。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明可以在实验室准确有效地模拟漏风条件下采空区遗煤自然发火的全过程且注入电厂烟气防治其自燃的效果，可以模拟多种采空区煤岩赋存状态、采空区顶煤和顶板的自然垮落、遗煤的分布状态，监测采空区范围内温度场分布及演化规律。从而为研究电厂烟气注入采空区防治遗煤自燃的机理和效果创造良好的实验条件。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种模拟电厂烟气注入采空区防治遗煤自燃的实验装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中气囊充气时箱体的剖视图；

图3为本发明实施例中气囊放气时箱体的剖视图；

图4为本发明实施例中箱体的俯视图；

图中，1外层钢板、2聚氨酯隔热层、3耐火砖层、4进风口、5回风口、6注气口、7顶盖、8进风巷、9回风巷、10拱形镂空护管、11出线口、12煤层、13遗煤、14第一相似材料底板、15第二相似材料底板、16第一相似材料顶板、17第二相似材料顶板、18预置气囊、19模拟的采煤工作面、20采空区加热板、21空气泵、22气体压力表、23质量流量控制计、24烟气气瓶、25气相色谱仪、26气体浓度传感器、27温度传感器、28测杆、29计算机。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1～4所示，本发明实施例提供了一种模拟电厂烟气注入采空区防治遗煤自燃的实验装置，包括：箱体，所述箱体顶部开口设置有用于封闭开口的顶盖7，侧壁和底板包括自外向内依次设置的外层钢板1、聚氨酯隔热层2、耐火砖层3，所述箱体侧壁设置有进风口4和回风口5，所述顶盖7上设置有注气口6，所述箱体内由下至上依次铺设有第二相似材料底板15、第一相似材料底板14、模拟煤层12、第一相似材料顶板16、第二相似材料顶板17；所述第一相似材料顶板16和第二相似材料顶板17的材料用于模拟煤层的直接顶板和间接顶板，所述第一相似材料底板14和第二相似材料顶板15的材料用于模拟煤层的直接底板和间接底板；所述模拟煤层12底部设置有预置气囊18，所述预置气囊18用于支撑上方遗煤构建采空区，所述模拟煤层12中通过钢制镂空护管10构建进风巷、回风巷和采煤工作面，其中，进风巷与所述进风口4连通，回风巷与所述回风口5连通，采空区设置有多个用于测量温度和气体浓度的测杆28以及用于提供热量的加热板20，所述注气口6的一端与外界连通，用于注气，其另一端与所述模拟煤层连通。

具体地，本实施例中，所述顶盖7上还设置有出线口，所述测杆28上端的传感器信号线经所述出线口连接外部数据采集模块。

具体地，本实施例的一种模拟电厂烟气注入采空区防治遗煤自燃的实验装置，还包括烟气气瓶24、空气泵25、气相色谱仪25，所述烟气气瓶24与所述注气口6连接，所述回风口5通过空气泵25与所述气相色谱仪25连接。

进一步地，本实施例中，所述烟气气瓶24与所述注气口6之间还设置有压力表和质量流量控制计，所述回风口5与空气泵之间也设置有压力表和质量流量控制计。

进一步地，本实施例中，模拟煤层12的材料以煤粉作骨料，粘土作胶结物制作；所述第一相似材料底板15、第二相似材料底板14、第二相似材料顶板16和第一相似材料顶板17以砂石作骨料，石膏做胶结物制作，并根据模拟对象的力学强度特性和相似原理确定配比进行制作，其分别用于模拟实际煤层的直接顶、底板以及临近顶、底板，真实还原煤层所处实际环境。

进一步地，本实施例中，所述模拟煤层12、顶底板的第一相似材料底板15、第二相似材料顶板17、第一相似材料底板14和第一相似材料顶板16厚度按照实际厚度的1/10～1/30的几何缩放比确定。

进一步地，本实施例中，测杆28底部设置有温度传感器和气体浓度传感器，所述气体浓度传感器包括CO

实施例二

本发明实施例二提供了一种模拟电厂烟气注入采空区防治遗煤自燃的实验方法，采用实施例一所述的装置实现，包括以下步骤：

S1、搭建试验装置。

试验装置的搭建主要包括以下几个方面：

1、箱体的准备；箱体包括外层钢板、聚氨酯隔热层、耐火砖层，箱体上还设置进风口和回风口，顶盖上设置注气口，箱体和箱盖上设置出线口，准备好用于构建进风巷和回风巷的钢制镂空护管。本实施例中，实验箱体为长方体，箱体内尺寸为3×3×2m。

2、相似材料的选取。根据相似原理，模拟煤层的材料以煤粉作骨料，粘土作胶结物；模拟顶底板岩层时以砂石作骨料，石膏做胶结物。不同材料的配比可根据模拟对象的力学强度特性和相似原理确定。模拟煤层和顶底板的厚度按照实际厚度的1/10～1/30的几何缩放比确定。

3、材料的铺设。在实验箱体内由下至上依次铺设第二相似材料底板、第一相似材料底板、模拟煤层、第一相似材料顶板、第二相似材料顶板，边铺设边进行压实处理。模拟采空区的位置在铺设完第一相似材料底板后放置若干预置气囊，预置气囊上方铺一层遗煤，遗煤与相似材料顶板直接接触。并且预置气囊和遗煤的高度之和等于模拟煤层厚度。气囊的作用是暂时支撑遗煤和待下沉的顶板，在实验开始后打开气囊，则模拟采空区的位置会出现遗煤和相似顶板下沉。

4、通风系统的构建。通过铺设钢制的镂空护管来构建进风巷、采煤工作面、回风巷。钢制的镂空管一方面保证了通风线路的稳定，另一方面可以模拟通风过程中进风巷和采煤工作面向采空区的漏风。

进风巷与实验箱体上的进风口相连，进风口又连接气体压力表；回风巷与实验箱体上的回风口相连，回风口又依次连接气体压力表、质量流量控制计、空气泵、气相色谱仪。烟气注入口依次连接实验箱体外部的质量流量控制计、气体压力表、电厂烟气气瓶。

5、设置加热装置。模拟采空区的位置在第一相似材料底板上方放置加热层，目的是给采空区遗煤足够的温度提供自燃的必要条件。

6、测杆和传感器的布置。在采空区位置上方的相似材料顶板内均匀插入若干测杆，测杆的下端靠近模拟采空区的底部，且测杆下端安装有温度传感器和气体浓度传感器。测杆上端接传感器信号线，信号线经实验箱体的出线口连接外部计算机。温度传感器的作用是实时反映采空区内温度，气体浓度传感器包括CO2浓度传感器、O2浓度传感器、N2浓度传感器和CH4浓度传感器，其作用是监测采空区不同位置处的特定气体浓度。

7、烟气注入装置。在试验箱体顶盖上设计一个注气口，该注气口外部依次连接质量流量控制计、气体压力表、气相色谱仪、电厂烟气气瓶；注气口可将烟气直接输入模拟采空区的位置。

S2、采空区遗煤自燃以及注入烟气防治其自燃的模拟：放掉气囊的空气，则气囊上方的遗煤和相似材料顶板则发生垮落，然后利用加热板(20)向采空区遗煤提供热量，使遗煤发生自燃。

S3、通过采空区内布置的温度传感器检测到自燃是否发生，当自燃发生后，通过注气口6向采空区注入烟气，阻止遗煤自燃，同样通过温度传感器判断自燃是否停止

当实验装置搭建配置完毕，放掉气囊的空气，则气囊上方的遗煤和相似材料顶板则发生垮落。此时模拟采空区位置下方的加热板源源不断给采空区遗煤提供热量；此外进风巷和采煤工作面持续的向采空区漏风，提供了O

上述步骤中，在采空区遗煤和氧的物理吸附、化学吸附和氧化反应等一系列作用下，产生了一定热量，如果某一条件下遗煤产热速率大于向环境的散热速率，产生热量积聚使得煤体温度缓慢而持续地上升，当达到煤的临界自热温度后，氧化升温速率加快，最终达到煤的着火点温度而燃烧起来，称为煤自燃。煤自燃是煤的氧化产热与向环境散热共同作用的结果，因此与产热和热量散热相关的因素都能影响煤自燃，可归纳为内在因素和外在因素两类。内在因素包括：煤化程度、煤岩成分、煤孔隙结构、煤的粒径大小；外在因素包括：煤层厚度、倾角、埋藏深度、地质构造及围岩性质、通风因素、回采速度、采空区丢煤量及其集中程度、顶板管理方法、采空区封闭难易等。

S4、通过控制变量法，改变参量，开展注烟气防治遗煤自燃效果的针对性试验。

综上所述，本发明提供了一种模拟电厂烟气注入采空区防治遗煤自燃的实验装置及方法，一方面可以模拟某一特定条件下的采空区遗煤自燃过程以及注入电厂烟气阻止自燃的过程；另一方面通过控制变量法，能对影响注烟气防治遗煤自燃效果的因素开展针对性试验。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。