[发明专利]采空区气体输运与煤自燃传热动态平衡实验装置及方法

说明书

本发明涉及采空区实验装置技术领域，公开了一种采空区气体输运与煤自燃传热动态平衡实验装置及方法，包括：煤仓、煤仓盖板、通风部、温度巡检仪和多个加热部，煤仓用于盛放煤样，煤仓盖板活动连接于煤仓上，用于密封煤仓，煤仓盖板上具有多个连接孔，连接孔能够与采样部连接，采样部用于对煤仓内部不同位置处的气体进行采样，通风部与煤仓连接，用于为煤仓内部提供风流，温度巡检仪的多个探头分别埋于煤样的中部呈网格状排布，用于实时测量各处煤样的温度值，本发明的目的在于实时模拟采空区风流场与温度场的动态平衡问题。

技术领域

本发明涉及采空区实验装置技术领域，特别涉及一种采空区气体输运与煤自燃传热动态平衡实验装置及方法。

背景技术

采空区内孔隙具有弯曲性、无向性和随机性等特点，工作面漏向采空区的风流在煤岩体组成的多孔介质中流动，形成了包括湍流、过渡流和层流同时存在的非线性渗流场；由于采空区遗煤氧化自燃的存在，温度场分布也会影响气体的流动规律，且孔隙内的气体浓度随时间、空间发生变化，造成采空区内部的气体流动过程极其复杂。

目前采空区气体运移规律的研究主要采用物理相似模拟和数值模拟两种方法，物理模拟主要按实际比例，搭建采场相似物理平台，早期采用示踪剂、烟雾等手段观察气体的流迹，随着监测技术的发展，瓦斯、氧气浓度、压力、风速等传感器被用来监测采空区内气体浓度、压力、流速等数据。数值模拟方法将采空区假设成某种孔隙结构下的多孔介质，根据工作面实际地质和开采条件，采用砌体梁理论、“O”型圈理论计算采空区的孔隙率、内部阻力等参数，结合Darcy定律建立采空区的流体分布计算模型，利用有限元网格化处理方法，计算采空区的流场分布。这些基本参数的使用大部分依靠经验公式，得出的模拟结果也只是采空区流场分布的近似解，且经常存在模拟收敛性较差、计算结果数据量庞大、使用不变等问题。相似物理模拟和数值模拟各有优势，物理模拟要求在缩小模型的同时不改变原结构的特性参数，对于实验平台的设计要求较高，数值模拟使用方便，但关键基础参数的准确性直接影响模拟结果的精确度，因此，二者相互结合、重复实验是解决复杂问题的有效方法。

采空区内部传热过程可以分为两种情况：一类是内部无流动或者非常缓慢，或者流-固之间温差很小时的传热，这一类传热可以按导热来处理，采用局域热平衡模型，用等效热导率作为宏观导热系数，有各种情况的关联式可以利用；另一类是内部发生强制对流而且流-固间存在一定的温差，该类传热需要采用局域非热平衡模型。采空区的温度场分布与煤体的导热性能(导热系数等)与风流场流动规律紧密相关，是煤体与风流间热量传导和风流热量输运共同作用的结果，亟待深入研究采空区风流场与温度场之间的相互作用关系。

综上所述，煤自燃过程涉及氧气输运与扩散、以及热量传递和煤-氧反应，这些理论均建立在采空区风流场和温度场研究的基础之上，二者相互作用、相互制约，不平衡发展必然导致灾害事故的发生。

发明内容

本发明提供一种采空区气体输运与煤自燃传热动态平衡实验装置及方法，目的在于以此实时模拟采空区风流场与温度场的动态平衡问题。

本发明的目的之一在于提供一种采空区气体输运与煤自燃传热动态平衡实验装置，包括：

煤仓，用于盛放煤样；

煤仓盖板，活动连接于煤仓上，用于密封煤仓，煤仓盖板上具有多个连接孔，连接孔能够与采样部连接，采样部用于对煤仓内部不同位置处的气体进行采样；

通风部，与煤仓连接，用于为煤仓内部提供风流；

温度巡检仪，其上的多个探头分别埋于煤样中部呈网格状布置，用于实时测量各处煤样的温度值；

多个加热部，分别埋于煤样中部。

可选的，通风部包括：

两个风仓，与煤仓固定连接，分别设于煤仓的左右两侧，风仓与煤仓之间通过具有多个通风孔的通风板相连通，风仓的侧面具有第一进风孔；