综放工作面非均质采空区流场模拟实验装置

摘要

本发明涉及综放工作面非均质采空区流场模拟实验装置，技术方案是，箱体内水平设置有沿滑车出入口伸出箱体的轨道，轨道上设置有滑车，滑车上设置有用于驱动其沿轨道滑动的千斤顶，侧挡板下端面下方的箱体内填充有底部相似岩层，工作面挡板、侧挡板与箱体内壁之间填充有顶面高于顶板上表面的煤层，高出部分的煤层延伸到顶板上表面并覆盖顶板上表面，煤层上方的箱体内填充有顶部相似岩层，顶板、工作面挡板、侧挡板和底部相似岩层共同围成模拟煤层空间，本发明通过推拉滑车模拟采煤过程，上覆煤岩层在失去滑车支撑后，依靠自重产生变形破坏直至冒落，整个过程为自然冒落，形成的非均质采空区与现场的相似度大大提高。

权利要求

1.一种综放工作面非均质采空区流场模拟实验装置，其特征在于，该模拟实验装置包括箱体(1)，箱体(1)为中空结构，箱体的前面板(11a)上设置有内外贯通的滑车出入口(29)，箱体内水平设置有沿滑车出入口(29)伸出箱体的轨道(7)，轨道(7)上设置有滑车(2)，滑车(2)上设置有用于驱动其沿轨道滑动的千斤顶(14)，滑车(2)顶部设置有水平的顶板(10)，顶板(10)前端设置有向下伸出的工作面挡板(19)，顶板(10)两侧设置有向下竖直伸出的侧挡板(30)，侧挡板(30)下端面下方的箱体内填充有底部相似岩层(3a)，工作面挡板、侧挡板与箱体内壁之间填充有顶面高于顶板上表面的煤层(4)，高出部分的煤层延伸到顶板上表面并覆盖顶板上表面，煤层(4)上方的箱体内填充有顶部相似岩层(3b)，顶板、工作面挡板、侧挡板和底部相似岩层共同围成模拟煤层空间(31)；

箱体(1)的底板(6)上沿滑车滑动方向设置有多组均布的加热孔(20a)，加热孔(20a)上方的底部相似岩层内设置有与模拟煤层空间(31)相连通的加热通道(32a)，加热通道(32a)内装有加热管(25)，加热孔(20a)四周在底板上设置有均布的多个抽气测温孔(20b)，抽气测温孔(20b)上方的底部相似岩层内设置有与模拟煤层空间(31)相连通的抽气测温通道(32b)，抽气测温通道(32b)内分别设置有热电偶(22)和抽气管(23)；

两侧的侧挡板(30)内侧面上分别设置有沿纵向布置的进风巷道(9a)和回风巷道(9b)，工作面挡板(19)内侧设置有沿横向布置的工作面巷道(18)，进风巷道(9a)和回风巷道(9b)分别与工作面巷道(18)的两端相连通，构成U型通风结构，工作面挡板(19)下部均布有多个与工作面巷道相连通的漏风孔(21)，进风巷道、回风巷道、工作面巷道及漏风孔构成采空区的模拟漏风系统；

所述的热电偶(22)和抽气管(23)的下端均伸出抽气测温孔(20b)，热电偶的输出端与温度采集器相连，抽气管(23)的下端与真空泵连接，热电偶、抽气管与抽气测温孔之间设置有密封(24)；

所述的滑车(2)包括固定筋(33)、焊接在固定筋上的支撑板(34)、横向设置在支撑板上的转轴(35)和通过轴承设置在转轴上的滑轮(8)，顶板(10)水平设置在固定筋和支撑板顶部。

2.根据权利要求1所述的综放工作面非均质采空区流场模拟实验装置，其特征在于，所述的箱体(1)是由水平相间设置的底板(6)和盖板(12)以及竖直设置在底板(6)和盖板(12)之间的前面板(11a)、后面板(11b)和左、右两侧的侧板(11c)构成的长方体中空结构。

3.根据权利要求1所述的综放工作面非均质采空区流场模拟实验装置，其特征在于，所述的箱体(1)的前面板上设置有与千斤顶相对应的横向支撑(16)，千斤顶(14)的底座与滑车前端的竖直挡板(13)固定在一起，千斤顶的活塞杆与横向支撑(16)的表面垂直正对，横向支撑(16)与千斤顶的活塞杆之间设置有用于延长支撑距离的方木(15)。

4.根据权利要求1所述的综放工作面非均质采空区流场模拟实验装置，其特征在于，所述的箱体(1)和轨道(7)均设置在支柱(5)上。

5.根据权利要求1所述的综放工作面非均质采空区流场模拟实验装置，其特征在于，每组加热孔(20a)有沿底板横向均布的3个。

6.根据权利要求1所述的综放工作面非均质采空区流场模拟实验装置，其特征在于，所述的底部相似岩层(3a)顶面上覆盖有5mm厚的薄煤层。

说明书

综放工作面非均质采空区流场模拟实验装置

技术领域

[0001] 本发明涉及采空区流场模拟实验装置，特别是一种综放工作面非均质采空区流场模拟实验装置。

背景技术

[0002] 我国是煤自燃较为严重的国家，每年煤自燃造成的资源和环境损失难以估量，由于回采率低、推进速度慢等原因，综放采煤工作面更易出现煤自燃问题。据统计，95％以上的煤自燃发生在人员不能直视或到达的采空区内部，从而难以准确获取煤自燃火源理化参数，造成灭火效果不佳，因此，有必要建立一定的技术方法研究综放工作面采空区煤自燃的分布和蔓延规律，指导现场采空区煤自燃灭火。

[0003] 近年来，学者在实验室里主要从数值模拟和物理模拟两个方面对综放工作面采空区煤自燃问题进行了研究。数值模拟参数的选取存在较多的估计值，从而使得模拟结果偏离实际，必须借助物理模型或现场数据进行修正。由于现场数据受多种因素制约，获取不易且存在误差，因此，搭建采空区物理模型进行物理模拟成为较可靠解决采空区煤自燃的方法。目前，已有的采空区物理模型多是用碎石、碎煤及其他人工材料填充形成采空区，这些填充物上部未加载上覆岩层形成压力，且这些人工充填形成的采空区物理模型加载了上覆压力后，研究结果也不能很好的与现场实际吻合。

[0004] 为了形成与现场相似度高的采空区物理模型，发明人于2014年申请并授权的专利号为ZL201410453668.1的“综放/采长壁工作面采空区流场模拟试验装置及方法”，经过后期的研究发现，该装置存在以下问题：①与现场相似度不高。例如，液压升降杆下降过程中上覆煤岩层会和滑块一起下降，难以形成相似度高的非均质采空区；滑块宽度均匀设置，使得每次采煤的进度相等；现场综放采煤工作面的通风高度为支架高度，装置中的通风高度为支架和放煤高度；装置中工作面采空区方向没有挡板，上覆煤岩层冒落后存在堵塞工作面的情况。②液压升降杆多，管理复杂，容易毁坏，难以更换。例如，此装置长为3800mm，除掉两端保护煤壁长度400mm，按照每次模拟采煤50mm，那么需要68排液压升降杆，按每个滑块下面有两个液压升降杆，则需要136个液压升降杆；每个液压升降杆需要油管或气管，管理复杂；液压杆存在残次率问题，其中一个毁坏，会影响实验正常进行；考虑下部安全及尺寸，液压升降杆、热电偶等电子元件毁坏后难以更换。③装置控制复杂，成本高，现有技术条件下不易实现。例如，68排滑块下降时需要两个液压升降杆同步稳定下降，使得装置成本大幅度增高；当滑块之间存在倾斜和杂物时会增加滑块间的摩擦力，从而阻止滑块下降到指定位置；滑块为金属材质，装置未考虑滑块下部散热问题；滑块下降过程中，会扰动采场流场，影响测量数据的准确性；由于现场每天采煤进度不同，需要把滑块变窄，这使液压升降杆变得更多，且市场上不易买到合适的液压升降杆。因此，其改进和创新势在必行。

发明内容

[0005] 针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种综放工作面非均质采空区流场模拟实验装置，可有效解决利用滑车抽拉模拟工作面采煤，依靠上覆煤岩层自重自然冒落形成非均质采空区，与现场相似度更高，且实验过程可靠易操作，获取的实验数据可信度更高的问题。

[0006] 本发明解决的技术方案是：

[0007] 一种综放工作面非均质采空区流场模拟实验装置，该模拟实验装置包括箱体，箱体为中空结构，箱体的前面板上设置有内外贯通的滑车出入口，箱体内水平设置有沿滑车出入口伸出箱体的轨道，轨道上设置有滑车，滑车上设置有用于驱动其沿轨道滑动的千斤顶，滑车顶部设置有水平的顶板，顶板前端设置有向下伸出的工作面挡板，顶板两侧设置有向下竖直伸出的侧挡板，侧挡板下端面下方的箱体内填充有底部相似岩层，工作面挡板、侧挡板与箱体内壁之间填充有顶面高于顶板上表面的煤层，高出部分的煤层延伸到顶板上表面并覆盖顶板上表面，煤层上方的箱体内填充有顶部相似岩层，顶板、工作面挡板、侧挡板和底部相似岩层共同围成模拟煤层空间；

[0008] 箱体的底板上沿滑车滑动方向设置有多组均布的加热孔，加热孔上方的底部相似岩层内设置有与模拟煤层空间相连通的加热通道，加热通道内装有加热管，加热孔四周在底板上设置有均布的多个抽气测温孔，抽气测温孔上方的底部相似岩层内设置有与模拟煤层空间相连通的抽气测温通道，抽气测温通道内分别设置有热电偶和抽气管；

[0009] 两侧的侧挡板内侧面上分别设置有沿纵向布置的进风巷道和回风巷道，工作面挡板内侧设置有沿横向布置的工作面巷道，进风巷道和回风巷道分别与工作面巷道的两端相连通，构成U型通风结构，工作面挡板下部均布有多个与工作面巷道相连通的漏风孔，进风巷道、回风巷道、工作面巷道及漏风孔构成采空区的模拟漏风系统。

[0010] 所述的热电偶和抽气管的下端均伸出抽气测温孔，热电偶的输出端与温度采集器相连，抽气管的下端与真空泵连接，热电偶、抽气管与抽气测温孔之间设置有密封。

[0011] 所述的底部相似岩层顶面上覆盖有5mm厚的薄煤层。

[0012] 本发明的有益技术效果是：

[0013] 1、根据现场煤岩层情况，在箱体和滑车上铺设相似煤岩层，装置尺寸设计可满足几何相似，通过推拉滑车模拟采煤过程，滑车移动参数可根据实际情况进行调控，上覆煤岩层在失去滑车支撑后，依靠自重产生变形破坏直至冒落，整个过程为自然冒落，形成的非均质采空区与现场的相似度高；

[0014] 2、在滑车下部铺设U型通风管道，利用鼓风机实现抽出式通风，装置满足动力相似和运动相似，在工作面巷道采空区方向均布多组漏风孔模拟漏风，采场空间通风及漏风与现场相似度高；

[0015] 3、利用箱体底部布置加热管加热浮煤模拟煤自燃高温点，同时模拟采空区漏风，浮煤在缺氧环境下升温产生气热并在非均质采空区内部蔓延运移，采空区内部气体蔓延运移环境与现场相似度高，在此基础下获取的采空区气热场变化规律可以较好的指导现场采空区煤自燃火源的辨识与防控；

[0016] 4、利用箱体底部预留孔作为瓦斯释放源，其他底部预留孔作为抽气孔，可以得到不同瓦斯释放源和通风条件下的采空区瓦斯浓度分布规律，对防治采空区瓦斯灾害具有指导意义；

[0017] 5、装置加工材料易选取，成本低，结构可靠易操作，加热管、热电偶及抽气管从底板进行布置，毁坏后易更换。整体来说，装置满足几何相似、动力相似、运动相似，得到的实验结果可信度高，可用于准确获取采空区煤自燃火源理化参数和采空区瓦斯浓度分布规律，实验结果可以较好的指导现场采空区煤自燃火源的定位及采空区瓦斯灾害防治。

附图说明

[0018] 图1为本发明实验装置的剖面主视图。

[0019] 图2为本发明实验装置的剖面主视图(未填充相似岩层)。

[0020] 图3为本发明实验装置的俯视图(未填充相似岩层、未安装滑车)。

[0021] 图4为本发明实验装置的剖面侧视图。

[0022] 图5为本发明实验装置的剖面侧视图(未填充相似岩层)。

[0023] 图6为本发明实验装置剖面主视图工作面挡板处的局部放大图。

[0024] 图7为本发明加热管的安装示意图。

[0025] 图8为本发明热电偶和抽气管的安装示意图。

[0026] 图9为本发明工作面挡板的结构示意图。

[0027] 图10为本发明滑车的结构示意图。

[0028] 图11为本发明U型通风系统的结构示意图。

[0029] 图12‑14为本发明模拟开采中采空区冒落过程剖面示意图

具体实施方式

[0030] 以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

[0031] 由图1至图14给出：

[0032] 一种综放工作面非均质采空区流场模拟实验装置，该模拟实验装置包括箱体1，箱体1为中空结构，箱体的前面板11a上设置有内外贯通的滑车出入口29，箱体内水平设置有沿滑车出入口29伸出箱体的轨道7，轨道7上设置有滑车2，滑车2上设置有用于驱动其沿轨道滑动的千斤顶14，滑车2顶部设置有水平的顶板10，顶板10前端设置有向下伸出的工作面挡板19，顶板10两侧设置有向下竖直伸出的侧挡板30，侧挡板30下端面下方的箱体内填充有底部相似岩层3a，工作面挡板、侧挡板与箱体内壁之间填充有顶面高于顶板上表面的煤层4，高出部分的煤层延伸到顶板上表面并覆盖顶板上表面，煤层4上方的箱体内填充有顶部相似岩层3b，顶板、工作面挡板、侧挡板和底部相似岩层共同围成模拟煤层空间31；

[0033] 箱体1的底板6上沿滑车滑动方向设置有多组均布的加热孔20a，加热孔20a上方的底部相似岩层内设置有与模拟煤层空间31相连通的加热通道32a，加热通道32a内装有加热管25，加热孔20a四周在底板上设置有均布的多个抽气测温孔20b，抽气测温孔20b上方的底部相似岩层内设置有与模拟煤层空间31相连通的抽气测温通道32b，抽气测温通道32b内分别设置有热电偶22和抽气管23；

[0034] 两侧的侧挡板30内侧面上分别设置有沿纵向布置的进风巷道9a和回风巷道9b，工作面挡板19内侧设置有沿横向布置的工作面巷道18，进风巷道9a和回风巷道9b分别与工作面巷道18的两端相连通，构成U型通风结构，工作面挡板19下部均布有多个与工作面巷道相连通的漏风孔21，进风巷道、回风巷道、工作面巷道及漏风孔构成采空区的模拟漏风系统；

[0035] 滑车的滑动方向定为纵向，水平面上垂直于滑车滑动方向的方向定为横向。

[0036] 为保证使用效果，所述的热电偶22和抽气管23的下端均伸出抽气测温孔20b，热电偶的输出端与温度采集器相连，抽气管23的下端与真空泵连接，热电偶22、抽气管与抽气测温孔之间设置有密封24。所述的抽气测温通道32b可采用钢管26布置。钢管26内壁与热电偶、抽气管之间设置有密封24。

[0037] 所述的滑车2包括固定筋33、焊接在固定筋上的支撑板34、横向设置在支撑板上的转轴35和通过轴承设置在转轴上的滑轮8，顶板10水平设置在固定筋和支撑板顶部。

[0038] 所述的顶板10与工作面挡板19通过连接件27连接在一起。

[0039] 所述的箱体1是由水平相间设置的底板6和盖板12以及竖直设置在底板6和顶板12之间的前面板11a、后面板11b和左、右两侧的侧板11c构成的长方体中空结构，箱体1上设置有加强筋17，加强筋17可采用槽钢制作，前面板11a、后面板11b和侧板11c可采用透明的亚克力板制作，可以清楚的观察箱体内的情况。

[0040] 所述的箱体1的前面板上设置有与千斤顶相对应的横向支撑16，千斤顶14的底座与滑车前端的竖直挡板13固定在一起，千斤顶的活塞杆与横向支撑16的表面垂直正对，横向支撑16与千斤顶的活塞杆之间设置有用于延长支撑距离的方木15。

[0041] 所述的箱体1和轨道7均设置在支柱5上。

[0042] 每组加热孔20a有沿底板横向均布的3个。

[0043] 所述的底部相似岩层3a顶面上覆盖有5mm厚的薄煤层。

[0044] 一种综放工作面非均质采空区流场模拟实验方法，包括以下步骤：

[0045] A、安装模拟实验装置

[0046] 所述的模拟实验装置包括箱体1，箱体1为中空结构，箱体的前面板11a上设置有内外贯通的滑车出入口29，箱体内水平设置有沿滑车出入口29伸出箱体的轨道7，轨道7上设置有滑车2，滑车2上设置有用于驱动其沿轨道滑动的千斤顶14，滑车2顶部设置有水平的顶板10，顶板10前端设置有向下伸出的工作面挡板19，顶板10两侧设置有向下竖直伸出的侧挡板30，侧挡板30下端面下方的箱体内填充有底部相似岩层3a，工作面挡板、侧挡板与箱体内壁之间填充有顶面高于顶板上表面的煤层4，高出部分的煤层延伸到顶板上表面并覆盖顶板上表面，煤层4上方的箱体内填充有顶部相似岩层3b，顶板、工作面挡板、侧挡板和底部相似岩层共同围成模拟煤层空间31；

[0047] 两侧的侧挡板30内侧面上分别设置有沿纵向布置的进风巷道9a和回风巷道9b，工作面挡板19内侧设置有沿横向布置的工作面巷道18，进风巷道9a和回风巷道9b分别与工作面巷道18的两端相连通，构成U型通风结构，工作面挡板19下部均布有多个与工作面巷道相连通的漏风孔21，进风巷道、回风巷道、工作面巷道及漏风孔构成采空区的模拟漏风系统，回风巷道9b的出风口与鼓风机相连；

[0048] 箱体1的底板6上沿滑车滑动方向(纵向)设置有多组均布的加热孔20a，加热孔20a上方的底部相似岩层内设置有与模拟煤层空间31相连通的加热通道32a，加热通道32a内装有加热管25，加热孔20a四周在底板上设置有均布的多个抽气测温孔20b，抽气测温孔20b上方的底部相似岩层内设置有与模拟煤层空间31相连通的抽气测温通道32b，抽气测温通道32b内分别设置有热电偶22和抽气管23；

[0049] 所述的热电偶22和抽气管23的下端均伸出抽气测温孔20b，热电偶的输出端与温度采集器相连，抽气管23的下端与真空泵连接，热电偶22、抽气管与抽气测温孔之间设置有密封24；

[0050] 所述的煤层为现场试验工作面开采的干散煤，所述的相似岩层为砂子、石膏粉、碳酸钙粉、硼砂和水按不同比例混合进行铺设而成。

[0051] 安装时，首先把滑车从箱体中拉出，在箱体底板上布置加热管、热电偶、抽气管，热电偶与抽气管用钢管保护一起布置在一个孔中，采用螺纹固定；把滑车推到箱体内，使得加热管、热电偶、抽气管的上端低于工作面挡板以及侧挡板的下端面，把滑车拉出箱体，在底板上铺设底部相似岩层3a，并在相似岩层上铺5mm厚的煤层，把滑车在箱体内来回移动，使得相似岩层上部5mm厚的煤层与工作面挡板以及侧挡板的下端面紧密接触，把滑车推至箱体最里端，然后在工作面挡板、侧挡板与箱体内壁之间填充顶面高于顶板上表面的煤层4，高出部分的煤层延伸到顶板上表面并覆盖顶板上表面，再在煤层上填充顶部相似岩层3b；

[0052] B、模拟开采

[0053] 根据设计步距和设计间隔时间，通过千斤顶移动滑车，形成模拟的采空区，同时开启鼓风机，风流从进风巷道9a进入，经过工作面巷道18从回风巷道9b排出，在经过工作面巷道时，风流通过漏风孔21向采空区漏风，形成采空区漏风流场；随着滑车的移动，顶部相似岩层失去顶板的支撑，矿压作用逐步增大，当达到顶部相似岩层的破坏极限时，即产生变形破坏，直至垮落，从而模拟采空区冒落的场景，顶部相似岩层开始冒落后，开启冒落区域下方的加热管，升温至200‑300℃，同时通过热电偶监控采空区实时温度，并间隔一定时间(如间隔5‑10分钟)通过抽气管对冒落区域进行抽气取样，并编号及备注信息，把收集的气样运到实验室用气相色谱仪化验气体成分，分析O2、N2、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4、C3H8、C2H2等气体的体积分数，即可完成采空区温度及气体实验数据的获取。获取的温度监控信息和抽气分析得到数据汇总到一起，即可得到采空区煤自燃火源理化参数的变化规律，揭示采空区自燃过程中采空区气热场的变化规律，相似模拟的结果对于辨识采空区的自燃状态、气体产物及运移规律以及防治采空区煤自燃灾变具有重大意义。

[0054] 如果研究冷态实验条件下采空区瓦斯流场的变化规律，可利用箱体底板上预留孔作为瓦斯释放源，其他预留孔作为抽气管进行抽气分析化验，从而可以得到不同瓦斯释放源和通风条件下的采空区流场瓦斯体积分数分布规律。

[0055] 本领域技术人员公知的是，对于相似模拟实验装置，最关键的就是要提高实验装置与现场的相似度，从而做出的实验结果才具有参考意义，本发明根据现场煤岩层情况，在箱体和滑车上铺设相似煤岩层，装置尺寸设计满足几何相似，通过推拉滑车模拟采煤过程，滑车移动参数可根据实际情况进行调控，上覆煤岩层在失去滑车支撑后，依靠自重产生变形破坏直至冒落，整个过程为自然冒落，形成的非均质采空区与现场的相似度大大提高；在滑车下部铺设U型通风管道，利用鼓风机实现抽出式通风，装置满足动力相似和运动相似，在工作面巷道采空区方向均布多组漏风孔模拟漏风，采场空间通风及漏风与现场相似度高；利用箱体底部布置加热管加热浮煤模拟煤自燃高温点，同时模拟采空区漏风，浮煤在缺氧环境下升温产生气热并在非均质采空区内部蔓延运移，采空区内部气体蔓延运移环境与现场相似度高，在此基础下获取的采空区气热场变化规律可以较好的指导现场采空区煤自燃火源的辨识与防控；利用箱体底部预留孔作为瓦斯释放源，其他底部预留孔作为抽气孔，可以得到不同瓦斯释放源和通风条件下的采空区瓦斯浓度分布规律，对防治采空区瓦斯灾害具有指导意义；装置加工材料易选取，成本低，结构可靠易操作，加热管、热电偶及抽气管从底板进行布置，毁坏后易更换。整体来说，装置满足几何相似、动力相似、运动相似，得到的实验结果可信度高，可用于准确获取采空区煤自燃火源理化参数和采空区瓦斯浓度分布规律，实验结果可以较好的指导现场采空区煤自燃火源的定位及采空区瓦斯灾害防治，是采空区流场模拟实验装置及方法上的创新，有良好的社会和经济效益。