一種煤礦采空區(qū)微流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)方法及其系統(tǒng)裝置制造方法
【專利摘要】一種煤礦采空區(qū)微流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于：采區(qū)動(dòng)態(tài)供風(fēng)和預(yù)混示蹤氣體的方法，捕捉壓差驅(qū)動(dòng)效應(yīng)對(duì)采空區(qū)內(nèi)部流場的影響，采空區(qū)內(nèi)部釋放示蹤氣體的方法，捕捉氣體濃度差擴(kuò)散效應(yīng)采空區(qū)內(nèi)部氣體濃度運(yùn)移的影響。其實(shí)驗(yàn)裝置包括采區(qū)動(dòng)態(tài)通風(fēng)子裝置，示蹤氣體釋放子裝置，示蹤氣體濃度測定子裝置，采空區(qū)模型子裝置，通過測定采空區(qū)內(nèi)及工作面的示蹤氣體濃度，并獲取其連續(xù)實(shí)時(shí)的濃度數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓差驅(qū)動(dòng)-濃度擴(kuò)散耦合采空區(qū)微流動(dòng)過程的模擬，定量研究采空區(qū)內(nèi)瓦斯涌出或突出對(duì)采區(qū)通風(fēng)的影響規(guī)律和作用機(jī)理，可研究采區(qū)動(dòng)態(tài)通風(fēng)對(duì)采空區(qū)內(nèi)部流場流動(dòng)的擾動(dòng)特征，研究多種通風(fēng)方式對(duì)采區(qū)通風(fēng)和采空區(qū)內(nèi)部微流動(dòng)的影響規(guī)律。
【專利說明】一種煤礦采空區(qū)微流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)方法及其系統(tǒng)裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于煤礦采空區(qū)內(nèi)部流動(dòng)研究領(lǐng)域，具體涉及采空區(qū)微流動(dòng)濃度場測定的實(shí)驗(yàn)方法，包括采空區(qū)模型裝置、采區(qū)動(dòng)態(tài)通風(fēng)裝置、示蹤氣體釋放裝置、示蹤氣體濃度測定裝置。
技術(shù)背景
[0002]采空區(qū)是煤體開采后留下的空區(qū)，采空區(qū)微流動(dòng)是指流體在尺寸微小的流動(dòng)通道內(nèi)的流動(dòng)現(xiàn)象。采空區(qū)微流動(dòng)是流體流動(dòng)的特殊形式，存在細(xì)微尺度流動(dòng)，較大尺度流動(dòng)，及其二者的混合流動(dòng)，導(dǎo)致現(xiàn)有線性達(dá)西滲流方程及Navier-Stokes流體控制方程組，均不能有效描述其流動(dòng)現(xiàn)象。然而，采空區(qū)內(nèi)部的流動(dòng)情況直接影響地下煤炭開采中的采區(qū)通風(fēng)安全。采空區(qū)是煤礦重大隱患的區(qū)域，除頂板冒落和水害引發(fā)的安全問題之外，采空區(qū)存在的瓦斯及遺煤氧化自燃也是極大的安全隱患。據(jù)統(tǒng)計(jì)，采空區(qū)瓦斯約占工作面瓦斯涌出量的40%至60%，對(duì)于近距離多煤層開采的礦井，其所占比例則更高；此外，我國煤礦自燃發(fā)火非常嚴(yán)重，有56 %的煤礦存在自燃發(fā)火問題，礦井自燃發(fā)火又占總發(fā)火次數(shù)的94%，其中采空區(qū)自燃則占內(nèi)因火災(zāi)的60%，這種火災(zāi)常造成工作面封閉、凍結(jié)大量的煤炭資源和昂貴的生產(chǎn)設(shè)備，造成工作面、采區(qū)風(fēng)流紊亂，影響礦井正常的生產(chǎn)接續(xù)，并造成人員傷亡。因此，掌握煤礦采空區(qū)內(nèi)部的微流動(dòng)過程及其規(guī)律，對(duì)于保障煤礦采空區(qū)安全有重要意義。
[0003]影響采空區(qū)氣體微流動(dòng)的因素很多，由于采區(qū)通風(fēng)壓力變化引起的采空區(qū)氣體微流動(dòng)，最為頻繁，采空區(qū)內(nèi)部的濃度差形成的采空區(qū)氣體微流動(dòng)，最為復(fù)雜，使得采空區(qū)內(nèi)氣體微尺度流動(dòng)機(jī)理的揭示更加困難。目前，從國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀來看，主要從采空區(qū)漏風(fēng)、采空區(qū)頂板垮落效應(yīng)等方面研究瓦斯運(yùn)移，均取得不少研究成果。但是，受到流體流動(dòng)基礎(chǔ)理論及實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)設(shè)備的制約，對(duì)采區(qū)的動(dòng)態(tài)通風(fēng)對(duì)采空區(qū)微流動(dòng)的影響，采空區(qū)內(nèi)部微流動(dòng)，尤其是壓差驅(qū)動(dòng)-濃度擴(kuò)散耦合下的采空區(qū)微流動(dòng)過程，研究進(jìn)展極為緩慢。然而，江成玉等得出了貴州盤江大氣壓的變化會(huì)影響當(dāng)?shù)孛旱V井下掘進(jìn)巷道瓦斯涌出量，周心權(quán)等指出瓦斯?jié)舛鹊脑黾铀俾屎痛髿鈮毫Φ南陆邓俾驶境收汝P(guān)系；此外，大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，一年內(nèi)地面大氣壓力變化可達(dá)1700Pa至4500Pa，一天內(nèi)可達(dá)200Pa至800Pa;顯然，采區(qū)與采空區(qū)之間的壓差驅(qū)動(dòng)作用，對(duì)采空區(qū)內(nèi)部的微流動(dòng)及采區(qū)通風(fēng)安全的影響，不可忽視。在采區(qū)正常生產(chǎn)時(shí)，在采空區(qū)距離工作面20m范圍內(nèi)，瓦斯?jié)舛炔▌?dòng)較大，且濃度偏低；在距離工作面20m至50m范圍內(nèi)，采空區(qū)瓦斯?jié)舛戎饾u增大；因此，采空區(qū)內(nèi)部氣體濃度差客觀存在，必然存在氣體濃度差擴(kuò)散，即采空區(qū)內(nèi)部存在細(xì)微尺度的氣體運(yùn)移；當(dāng)然，采空區(qū)內(nèi)部瓦斯突出，對(duì)采空區(qū)內(nèi)部非穩(wěn)態(tài)微尺度瓦斯流動(dòng)過程的影響更加顯著，其濃度擴(kuò)散過程研究起來更加困難；但是，這個(gè)突出過程對(duì)采區(qū)通風(fēng)安全的危害更大。所以，必須解決如何有效模擬采空區(qū)內(nèi)部氣體涌出及其非穩(wěn)態(tài)運(yùn)移，以及采區(qū)動(dòng)態(tài)通風(fēng)對(duì)采空區(qū)內(nèi)部氣體脈動(dòng)運(yùn)移情況，以定量研究壓差驅(qū)動(dòng)-濃度擴(kuò)散耦合下的采空區(qū)內(nèi)氣體微尺度流動(dòng)過程和作用機(jī)理。[0004]目前，在煤礦采空區(qū)流體流動(dòng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備方面，楊勝強(qiáng)等為了研究通風(fēng)方式對(duì)采空區(qū)漏風(fēng)及瓦斯運(yùn)移的影響，提出了一種綜放面多種通風(fēng)方式下的采空區(qū)流場模擬實(shí)驗(yàn)裝置；趙耀江等設(shè)計(jì)了研究不同通風(fēng)條件下采空區(qū)瓦斯運(yùn)移的試驗(yàn)?zāi)M裝置；但是該兩個(gè)裝置均無法實(shí)現(xiàn)微小干擾獲取采空區(qū)內(nèi)的氣體樣本，或無法獲得采空區(qū)非穩(wěn)態(tài)濃度分布。此夕卜，李化敏等設(shè)計(jì)了綜采工作面周期來壓采空區(qū)瓦斯涌出的模擬試驗(yàn)裝置，其目的為了研究采空區(qū)的頂板垮落過程中瓦斯的運(yùn)行規(guī)律；楊勝強(qiáng)等人設(shè)計(jì)了一種立體瓦斯抽采采空區(qū)流場模擬實(shí)驗(yàn)裝置，其目的是開展U型通風(fēng)形式下的現(xiàn)場瓦斯抽采設(shè)計(jì)；楊勝強(qiáng)等提出了一種工作面采空區(qū)深部自燃氧化情況的判斷方法和一種高瓦斯采空區(qū)自燃“三帶”的判別方法，郝朝瑜等提出了一種采空區(qū)氧化帶漏風(fēng)量的確定方法。但是，這些實(shí)驗(yàn)方法和裝置難以實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)內(nèi)氣體濃度的連續(xù)實(shí)時(shí)獲取，其實(shí)驗(yàn)方法和結(jié)果難以捕捉到采空區(qū)內(nèi)氣體濃度的非穩(wěn)態(tài)演變過程，也難以揭示采空區(qū)內(nèi)外壓差驅(qū)動(dòng)效應(yīng)及其內(nèi)部氣體濃度梯度的擴(kuò)散效應(yīng)。針對(duì)采區(qū)動(dòng)態(tài)通風(fēng)對(duì)采空區(qū)氣體運(yùn)移的影響，必須能低擾動(dòng)的、連續(xù)實(shí)時(shí)的獲取采空區(qū)及采區(qū)的濃度數(shù)據(jù)，使其濃度數(shù)值可以定量描述氣體濃度場，則采空區(qū)內(nèi)微流動(dòng)的運(yùn)動(dòng)過程和基本規(guī)律可望得到認(rèn)識(shí)和掌握。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提出一種煤礦采空區(qū)微流動(dòng)實(shí)驗(yàn)方法及其系統(tǒng)裝置，能夠模擬采空區(qū)內(nèi)外壓差產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)效應(yīng)耦合了采空區(qū)內(nèi)部濃度差效應(yīng)對(duì)采空區(qū)內(nèi)部微流動(dòng)場，結(jié)合微尺度流體力學(xué)和礦井氣體動(dòng)力學(xué)可定量揭示采區(qū)動(dòng)態(tài)通風(fēng)對(duì)采空區(qū)內(nèi)部氣體濃度場的吞吐效應(yīng)和在濃度差效應(yīng)的驅(qū)動(dòng)下采空區(qū)內(nèi)部氣體濃度非穩(wěn)態(tài)演變過程，及其二者耦合作用對(duì)采空區(qū)內(nèi)部氣體濃度場的影響規(guī)律。
[0006]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0007]—種煤礦采空區(qū)微流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于:采區(qū)動(dòng)態(tài)供風(fēng)和預(yù)混示蹤氣體的方法，捕捉壓差驅(qū)動(dòng)效應(yīng)對(duì)采空區(qū)內(nèi)部流場的影響，采空區(qū)內(nèi)部釋放示蹤氣體的方法，捕捉氣體濃度差擴(kuò)散效應(yīng)采空區(qū)內(nèi)部氣體濃度運(yùn)移的影響，在采空區(qū)內(nèi)部氣體微流動(dòng)過程中，通過測定采空區(qū)內(nèi)及工作面的示蹤氣體濃度，并獲取其連續(xù)實(shí)時(shí)的濃度數(shù)據(jù)，捕捉其濃度演變過程，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓差驅(qū)動(dòng)-濃度擴(kuò)散耦合采空區(qū)微流動(dòng)過程的模擬。
[0008]上述的一種煤礦采空區(qū)微流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)方法，所述示蹤氣體為六氟化硫。
[0009]一種煤礦采空區(qū)微流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)方法的系統(tǒng)裝置，包括采區(qū)動(dòng)態(tài)通風(fēng)子裝置，示蹤氣體釋放子裝置，示蹤氣體濃度測定子裝置，采空區(qū)模型子裝置，其特征在于:采區(qū)動(dòng)態(tài)通風(fēng)子裝置，包括進(jìn)風(fēng)口、通風(fēng)管道、通風(fēng)巷道、調(diào)節(jié)閥、測量孔及變頻通風(fēng)機(jī)，示蹤氣體釋放子裝置，包括氣源瓶、減壓閥、示蹤氣體擴(kuò)散分氣箱、氣體流量計(jì)、示蹤氣體管路、調(diào)節(jié)閥，示蹤氣體濃度測定子裝置，包括多孔采集頭、軟管、過濾器、無油真空泵、濃度傳感變送器、剛性管、和排氣風(fēng)機(jī)，采空區(qū)模型子裝置，包括多孔隔板、采空區(qū)模型子裝置的填料、無孔隔板、可拆卸蓋板、支撐鋼板、卸料閥門、卸料口和示蹤氣體濃度測定子裝置的剛性支架。
[0010]上述的一種煤礦采空區(qū)微流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)方法的系統(tǒng)裝置，所述采區(qū)動(dòng)態(tài)通風(fēng)子裝置中，調(diào)節(jié)閥開關(guān)閉合可實(shí)現(xiàn)和控制多種通風(fēng)方式。
[0011]上述的一種煤礦采空區(qū)微流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)方法的系統(tǒng)裝置，所述示蹤氣體濃度測定子裝置中利用示蹤氣體管路上調(diào)節(jié)閥的開度調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)示蹤氣體的定點(diǎn)釋放，其定點(diǎn)釋放又可分為進(jìn)風(fēng)預(yù)混釋放和采空區(qū)內(nèi)部定點(diǎn)釋放。
[0012]上述的一種煤礦采空區(qū)微流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)方法的系統(tǒng)裝置，所述示蹤氣體釋放子裝置中利用氣體流量計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)釋放流量的實(shí)時(shí)測定；利用氣源瓶和減壓閥和示蹤氣體擴(kuò)散分氣箱的綜合調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)示蹤氣體的均勻、可控的釋放。
[0013]上述的一種煤礦采空區(qū)微流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)方法的系統(tǒng)裝置，所述采空區(qū)模型子裝置中多孔隔板為開孔率不低于60%，孔徑不大于填料最小粒徑的孔板，并且可拆卸。
[0014]上述的一種煤礦采空區(qū)微流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)方法的系統(tǒng)裝置，其特征在于示蹤氣體釋放子裝置(III)與采空區(qū)模型子裝置(IV)中重疊的區(qū)域中，布置12個(gè)釋放點(diǎn)。
[0015]本發(fā)明采用上述技術(shù)方案得到了以下的有益效果:
[0016]本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)方法和裝置與現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)方法和裝置相比
[0017]1.采區(qū)通風(fēng)的動(dòng)態(tài)變化
[0018]2.對(duì)示蹤氣體的靈活釋放
[0019]3.對(duì)氣體樣本的小擾動(dòng)獲取和示蹤氣體濃度連續(xù)測定
[0020]4.采空區(qū)尺寸的可調(diào)和采空區(qū)孔隙率的可變
[0021]5.能實(shí)現(xiàn)采區(qū)動(dòng)態(tài)通風(fēng)對(duì)采空區(qū)示蹤氣體濃度場影響的有效模擬，能實(shí)現(xiàn)采空區(qū)氣體涌出對(duì)采空區(qū)內(nèi)示蹤氣體濃度場和采區(qū)巷道示蹤氣體濃度的有效模擬，可望初步揭示壓差驅(qū)動(dòng)-濃度擴(kuò)散耦合采空區(qū)微流動(dòng)過程，為煤礦采空通風(fēng)設(shè)計(jì)及采空區(qū)災(zāi)害防治提供更符合實(shí)際的實(shí)驗(yàn)理論支持。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1,煤礦采空區(qū)微流動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖。
[0023]圖2，采區(qū)動(dòng)態(tài)通風(fēng)子裝置系統(tǒng)示意圖。
[0024]圖3，示蹤氣體釋放子裝置流程示意圖。
[0025]圖4，示蹤氣體濃度測定子裝置流程示意圖。
[0026]圖5，示蹤氣體濃度測定子裝置中多孔采集頭示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。
[0028]針對(duì)煤礦采區(qū)通風(fēng)與采空區(qū)災(zāi)害防治的問題，本發(fā)明利用基本的礦井通風(fēng)原理，通過四個(gè)子裝置的有機(jī)組合和匹配，形成了煤礦采空區(qū)微流動(dòng)實(shí)驗(yàn)方法及其系統(tǒng)裝置。該裝置可實(shí)現(xiàn)采區(qū)動(dòng)態(tài)通風(fēng)對(duì)采空區(qū)示蹤氣體濃度場影響的有效模擬，可實(shí)現(xiàn)采空區(qū)氣體涌出對(duì)采空區(qū)內(nèi)示蹤氣體濃度場和采區(qū)巷道示蹤氣體濃度的有效模擬。本發(fā)明所示的實(shí)驗(yàn)裝置,如圖1所示。圖1為煤礦采空區(qū)微流動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖，在圖1中，I是采區(qū)動(dòng)態(tài)通風(fēng)子裝置，II是示蹤氣體濃度測定子裝置，III是示蹤氣體釋放子裝置，IV是采空區(qū)模型子裝置。
[0029]圖1中所述的I采區(qū)動(dòng)態(tài)通風(fēng)子裝置，其系統(tǒng)布置如圖2所示。在圖2，A、B、C是調(diào)節(jié)裝置，DU D2、D3是調(diào)節(jié)裝置，E、F、H、I是調(diào)節(jié)裝置，K、L、M、N是調(diào)節(jié)裝置，P是調(diào)節(jié)裝置，R1、R2、R3是調(diào)節(jié)裝置，Z是調(diào)節(jié)裝置，1、2、3、4是調(diào)節(jié)裝置，為空氣流量調(diào)節(jié)或者全開(或全關(guān))的閥門；而11/’是填料顆粒的卸料閥門，也是一種調(diào)節(jié)裝置；WKGB是無孔隔板，為一種密封機(jī)構(gòu)，通過裝上或卸下該隔板而變化采空區(qū)體積；TL是填料區(qū)，為一種不吸附氣體(空氣和示蹤氣體)輕質(zhì)顆粒形成的充填區(qū)域，可通過調(diào)節(jié)11填料粒徑的配比而變化采空區(qū)填充率；DKGB是多孔隔板，為開孔率超過60%的鋼板，是分隔采區(qū)通風(fēng)巷道和采空區(qū)填料區(qū)的支撐結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于煤礦井下采煤工作面中的掩護(hù)支架；TFHD是通風(fēng)巷道，即為微流動(dòng)不占優(yōu)的空氣流動(dòng)區(qū)域，由下部支撐鋼板(XBZC)、上部可拆卸蓋板(SBGB)、多孔隔板(DKGB)和側(cè)面支撐鋼板(CMZC)所圍成的空腔，相關(guān)于煤礦井下采煤工作面的巷道；CMZC是側(cè)面支撐鋼板，為采空區(qū)模型側(cè)面支撐體，由厚鋼板焊接拼裝而成；SBGB是上部可拆卸蓋板，為采空區(qū)上部區(qū)域的密封體，通過卸下該密封體而實(shí)現(xiàn)采空區(qū)填料的更換；XBZC是下部支撐鋼板，為采空區(qū)的承重支撐體，由厚鋼板焊接拼裝而成。通過圖2中所示的“新風(fēng)吸入”吸入新風(fēng)，調(diào)節(jié)K的開度控制吸入量，調(diào)節(jié)Z的開度降低采區(qū)動(dòng)態(tài)通風(fēng)子裝置的水力失調(diào)，再根據(jù)通風(fēng)型式和采空區(qū)區(qū)域的需要設(shè)置B、C、Dl (D2或D3)、E、F、H、1、L、M、N、P、R1(R2或R3)、l、2、3和4的全開或全關(guān)，被吸入的新風(fēng)，流經(jīng)上述管道和區(qū)域，新風(fēng)轉(zhuǎn)變?yōu)槲埏L(fēng)，該污風(fēng)與經(jīng)Z旁通過來的新風(fēng)，流經(jīng)A，流經(jīng)圖2中所示“主通風(fēng)機(jī)”，經(jīng)圖2中所示的“污風(fēng)排出”排至大氣環(huán)境。結(jié)合圖2，煤礦常見的U型后退式通風(fēng)，其風(fēng)流流經(jīng)路線如下:(I) “新風(fēng)吸入” 一“K” 一 “M” 一 “4” 一回采工作面一“3” 一 “C” 一 “A” 一 “主通風(fēng)機(jī)”一“污風(fēng)排出”;其余調(diào)節(jié)裝置均全關(guān)。⑵“新風(fēng)吸入”一“K”一 “G”一 “3”一回采工作面一“4” 一 “N” 一 “A” 一 “主通風(fēng)機(jī)”一“污風(fēng)排出”；其余調(diào)節(jié)裝置均全關(guān)。依礦井通風(fēng)的基本原理，據(jù)實(shí)驗(yàn)的需要，還可以形成U型前進(jìn)式、W型、H型、Z型、Y型等通風(fēng)流線，可自由組合出至少多種通風(fēng)方式，不再贅述。因此，通過“主通風(fēng)機(jī)”的變頻調(diào)節(jié)或“A”或“K”或“Z”的開度調(diào)節(jié)，可提供多種通風(fēng)形式下采區(qū)的多種通風(fēng)工況，形成采區(qū)通風(fēng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了采區(qū)動(dòng)態(tài)通風(fēng)子裝置的多種通風(fēng)方式和工頻節(jié)流變工況或變頻節(jié)流變工況的多變通風(fēng)功能。
[0030]在圖1中，“III”為示蹤氣體釋放子裝置。示蹤氣體釋放子裝置的工作流程如圖3所示。圖3,示蹤氣體釋放子裝置流程示意圖。在圖3中，5是減壓閥,6是氣體流量計(jì),7是示蹤氣體管道，8是示蹤氣體氣瓶,9是示蹤氣體擴(kuò)散分氣箱,10是示蹤氣體調(diào)節(jié)閥。存儲(chǔ)于8的高壓示蹤氣體，經(jīng)過5減壓，進(jìn)入9中進(jìn)一步減壓、擴(kuò)散形成穩(wěn)定氣源，流經(jīng)6的示蹤氣體顯示出當(dāng)前的氣體標(biāo)準(zhǔn)體積流量，進(jìn)而示蹤氣體流經(jīng)10,再流經(jīng)7,進(jìn)入示蹤氣體釋放點(diǎn)。示蹤氣體釋放點(diǎn)的布置，如圖1中“III”所圈定的區(qū)域所示。如圖1所示，示蹤氣體的釋放，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)混釋放，即在圖2中所示“K”調(diào)節(jié)裝置后釋放進(jìn)入管道與新風(fēng)混合；也可以，直接釋放到采空區(qū)內(nèi)，如圖1中“III”和“IV”重疊的區(qū)域中，布置12個(gè)釋放點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)模擬采空區(qū)內(nèi)不同區(qū)域氣體正常涌出或者異常涌出的工況，也可以很方便的實(shí)現(xiàn)連續(xù)釋放示蹤氣體或間隔性釋放示蹤氣體等各類模擬采空區(qū)內(nèi)氣體涌出的工況，也能模擬預(yù)混示蹤氣體濃度與采空區(qū)內(nèi)示蹤氣體存在濃度的工況。通過示蹤氣體釋放子裝置，滿足不同實(shí)驗(yàn)需求的示蹤氣體釋放方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)與采區(qū)存在氣體濃度差或者采區(qū)多種通風(fēng)方式耦合采空區(qū)內(nèi)部氣體擴(kuò)散流動(dòng)的有效模擬。
[0031]在圖1中，“II”是示蹤氣體濃度測定子裝置。示蹤氣體濃度測定子裝置的工作流程，如圖4和圖5所不。圖4,不蹤氣體濃度測定子裝置流程不意圖。在圖4中，11是米空區(qū)模型子裝置的上蓋板體，與圖2所示I中的SBGB上部可拆卸蓋板可等同，12是多孔采集頭，13是采空區(qū)模型子裝置的填料，充填了 13的區(qū)域即為圖21中的TL填料區(qū)，14是無油真空泵，15是連接14與16的軟管，16是多孔采集頭延伸剛性管，17是采空區(qū)模型子裝置的下支撐板體，18是地面，19是示蹤氣體濃度測定子裝置的剛性支架，20是示蹤氣體傳感器。圖5，示蹤氣體濃度測定子裝置中多孔采集頭示意圖。在圖5中，11是采空區(qū)模型子裝置的上蓋板，12是多孔采集頭，13是采空區(qū)模型子裝置的填料，17是采空區(qū)模型子裝置的下支撐板體，21是多孔采集頭的圓孔，22是多孔采集頭的剛性管。采區(qū)中流動(dòng)的氣體和采空區(qū)中微流動(dòng)的氣體,均需要采集其氣體樣本。下面以采空區(qū)內(nèi)的氣體樣本的采集、氣體樣本的示蹤氣體濃度測定和氣體樣本的排走為例，進(jìn)行詳細(xì)說明，其過程如下:由11、17和13構(gòu)成的采空區(qū)，采空區(qū)中的氣體，經(jīng)21進(jìn)入22形成氣體樣本，氣體樣本流經(jīng)16，氣體樣本流經(jīng)15，氣體樣本流經(jīng)14，氣體樣本進(jìn)入20，測定出含有示蹤氣體或不含示蹤氣體的采空區(qū)氣體樣本的實(shí)時(shí)濃度，流出20，經(jīng)管道，經(jīng)小型聯(lián)動(dòng)軸流風(fēng)機(jī)，排至室外，完成了氣體樣本的采集、濃度測定和排走的全過程。
[0032]在圖1中，“IV”是采空區(qū)模型子裝置。該子裝置，在圖2中也進(jìn)行了示意的表示；在圖4和圖5中，有其局部放大圖。在圖2中，TL是填料區(qū)，為采空區(qū)模型子裝置的填充區(qū)域，13填料采用難以吸濕、輕質(zhì)的陶粒，其粒徑為和10mm，以便形成類似于采空區(qū)內(nèi)聯(lián)通、半聯(lián)通和非聯(lián)通的流動(dòng)通道，受控制造出采空區(qū)的微流動(dòng)物理模型。為實(shí)現(xiàn)對(duì)不同采區(qū)面積與采區(qū)通風(fēng)之間耦合的微流動(dòng)研究，采空區(qū)的面積可變化，如圖2中WKGB是無孔隔板，該隔板選用高透光大厚度亞力克板材。通過抽取I組或2組WKGB無孔隔板，實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)變面積的物理模擬。由此，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)模型子裝置的多變采空區(qū)面積效果，是該實(shí)驗(yàn)方法和裝置能完成多種情況的采空區(qū)模型實(shí)驗(yàn)?zāi)M。
[0033]總結(jié)上述具體實(shí)現(xiàn)方法，本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)方法與現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)相比，利用所述的采區(qū)動(dòng)態(tài)通風(fēng)子裝置實(shí)現(xiàn)采區(qū)通風(fēng)的動(dòng)態(tài)變化，利用所述的釋放頭及其所述的示蹤氣體釋放子裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)示蹤氣體的靈活釋放，利用所述的采集頭及其所屬的示蹤氣體濃度測定子裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)氣體樣本的小擾動(dòng)獲取和示蹤氣體濃度連續(xù)測定，利用采空區(qū)模型子裝置實(shí)現(xiàn)了采空區(qū)尺寸的可調(diào)和采空區(qū)孔隙率的可變；這樣，本發(fā)明所述的實(shí)驗(yàn)方法和裝置，能實(shí)現(xiàn)采區(qū)動(dòng)態(tài)通風(fēng)對(duì)采空區(qū)示蹤氣體濃度場影響的有效模擬，能實(shí)現(xiàn)采空區(qū)氣體涌出對(duì)采空區(qū)內(nèi)示蹤氣體濃度場和采區(qū)巷道示蹤氣體濃度的有效模擬，可望初步揭示壓差驅(qū)動(dòng)-濃度擴(kuò)散耦合采空區(qū)微流動(dòng)過程，為煤礦采空通風(fēng)設(shè)計(jì)及采空區(qū)災(zāi)害防治提供更符合實(shí)際的實(shí)驗(yàn)理論支持。
【權(quán)利要求】
1.一種煤礦采空區(qū)微流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于:采區(qū)動(dòng)態(tài)供風(fēng)和預(yù)混示蹤氣體的方法，捕捉壓差驅(qū)動(dòng)效應(yīng)對(duì)采空區(qū)內(nèi)部流場的影響，采空區(qū)內(nèi)部釋放示蹤氣體的方法，捕捉氣體濃度差擴(kuò)散效應(yīng)采空區(qū)內(nèi)部氣體濃度運(yùn)移的影響，在采空區(qū)內(nèi)部氣體微流動(dòng)過程中，通過測定采空區(qū)內(nèi)及工作面的示蹤氣體濃度，并獲取其連續(xù)實(shí)時(shí)的濃度數(shù)據(jù)，捕捉其濃度演變過程，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓差驅(qū)動(dòng)-濃度擴(kuò)散耦合采空區(qū)微流動(dòng)過程的模擬。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種煤礦采空區(qū)微流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于:所述示蹤氣體為六氟化硫。
3.一種煤礦采空區(qū)微流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)方法的系統(tǒng)裝置，包括采區(qū)動(dòng)態(tài)通風(fēng)子裝置(I)，示蹤氣體釋放子裝置(II)，示蹤氣體濃度測定子裝置(III)，采空區(qū)模型子裝置(IV)，其特征在于:采區(qū)動(dòng)態(tài)通風(fēng)子裝置(I)，包括進(jìn)風(fēng)口、通風(fēng)管道(TFGD)、通風(fēng)巷道(TFHD)、調(diào)節(jié)裝置、測量孔及變頻通風(fēng)機(jī)，示蹤氣體釋放子裝置(II)，包括氣源瓶(8)、減壓閥(5)、示蹤氣體擴(kuò)散分氣箱(9)、氣體流量計(jì)(6)、示蹤氣體管路(7)、示蹤氣體調(diào)節(jié)裝置(10)、示蹤氣體濃度測定子裝置(III)，包括多孔采集頭(12)、軟管(15)、過濾器、無油真空泵(14)、濃度傳感變送器、剛性管(16)和示蹤氣體排出，采空區(qū)模型子裝置(IV)，包括多孔隔板(DKGB)、采空區(qū)模型子裝置的填料區(qū)(TL)、無孔隔板(WKGB)、上部可拆卸蓋板(SBGB)、下部支撐鋼板(XBZC)、卸料閥門(XL)、卸料口和示蹤氣體濃度測定子裝置的剛性支架(19)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種煤礦采空區(qū)微流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)方法的系統(tǒng)裝置，其特征在于:所述采區(qū)動(dòng)態(tài)通風(fēng)子裝置(I)中，調(diào)節(jié)裝置的開關(guān)閉合可實(shí)現(xiàn)和控制多種通風(fēng)方式。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種煤礦采空區(qū)微流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)方法的系統(tǒng)裝置，其特征在于:所述示蹤氣體濃度測定子裝置(II)中利用示蹤氣體管路上調(diào)節(jié)閥(10)的開度調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)示蹤氣體的定點(diǎn)釋放，其定點(diǎn)釋放又可分為進(jìn)風(fēng)預(yù)混釋放和采空區(qū)內(nèi)部定點(diǎn)釋放。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種煤礦采空區(qū)微流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)方法的系統(tǒng)裝置，其特征在于:所述示蹤氣體釋放子裝置(III)中利用氣體流量計(jì)(6)，實(shí)現(xiàn)對(duì)釋放流量的實(shí)時(shí)測定；利用氣源瓶(8)和減壓閥(5)和示蹤氣體擴(kuò)散分氣箱(9)的綜合調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)示蹤氣體的均勻、可控的釋放。`
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種煤礦采空區(qū)微流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)方法的系統(tǒng)裝置，其特征在于所述的采空區(qū)模型子裝置(IV)中多孔隔板(DKGB)為開孔率不低于60%，孔徑不大于填料最小粒徑的孔板，并且可拆卸。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種煤礦采空區(qū)微流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)方法的系統(tǒng)裝置，其特征在于示蹤氣體釋放子裝置(III)與采空區(qū)模型子裝置(IV)中重疊的區(qū)域中，布置12個(gè)釋放點(diǎn)。
【文檔編號(hào)】E21F1/02GK103790607SQ201310676359
【公開日】2014年5月14日 申請(qǐng)日期:2013年12月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月13日
【發(fā)明者】王海橋, 陳世強(qiáng), 李軼群, 李永存, 成劍林, 章曉偉 申請(qǐng)人:湖南科技大學(xué)