[发明专利]煤田火灾演化过程相似模拟试验装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及煤田火灾演化过程相似模拟试验装置及方法。

背景技术

煤田火灾是指发生在煤田煤层露头或浅部的、影响煤田开发、储量损失大、严重污染环境、威胁生产安全的大面积火灾，具有典型的非控燃烧特性。中国的煤田火灾主要分布于新疆、甘肃、宁夏、陕西、山西、内蒙古、四川、重庆、福建等省、市、自治区。美国、澳大利亚、印度、塔吉克斯坦等许多国家都存在煤田火灾的严重问题。目前国内外研究中，对于煤田火灾扩展演化过程及其范围的研究缺乏相应的理论与技术支撑。其中，对煤田火灾供氧通道，即煤岩裂隙的发育规律的研究较少，并缺乏系统性。由于煤田火灾裂隙产生和发育规律不明确，难以掌握火灾的扩散特征，无法准确定位高温范围，使得对火灾的防控难以有效进行。同时，加强煤田火灾演化过程的研究不仅仅为火灾的治理提供理论依据和科学保障，更为进一步研究煤、岩、气之间的关系及特性提供基础。

现阶段对于煤田火灾的研究虽然在理论分析方面有所突破，能够建立多场耦合的数学模型和相关解算方程，而且还能运用数值模拟方法进一步解释和探索煤田火灾，但是结果往往与实际还有一定差异。目前，国内外还没有针对研究煤田火灾而形成的较系统的试验台和试验方案。

发明内容

本发明提供的煤田火灾演化过程相似模拟试验装置包括供气部、物理相似模拟部、引燃部、数据采集及分析部、起吊部。

供气部包括氧气源、无油空气压缩机、入口质量流量计。氧气源的出口端与无油空气压缩机的入口端相连，无油空气压缩机的出口端与入口质量流量计的入口端相连。氧气源可以提供氧气浓度为0～100％的氧气。

物理相似模拟部包括物理相似模型、试验箱体、底座。

物理相似模型包括煤层、岩层一、岩层二、岩层三、岩层四(岩层一、岩层二、岩层三、岩层四均为岩层)、隔热岩层。根据不同煤田火灾的实际条件，合理选择材料和物理相似模型的比例，搭建相应的物理相似模型。隔热岩层设置在煤层下。

试验箱体包括顶面板、前面板、后面板、左面板、右面板、底面板、可调支架。试验箱体的外层尺寸为2200mm×2200mm×1800mm(长×宽×高)，试验箱体的内层尺寸为2000mm×2000mm×1600mm(长×宽×高)。各面板(即顶面板、前面板、后面板、左面板、右面板、底面板)的外层为Q235-B钢板、内层为316L钢板，两层钢板之间由槽钢连接及支撑，并充填耐高温(1000℃)纤维棉保温。顶面板、前面板、后面板通过法兰由M16×40螺栓固定，可以保证试验箱体的密封性。M16×40螺栓拆卸后，顶面板、前面板、后面板也可以拆卸，方便物理相似模型的搭建。左面板的下部设置有入气口，顶面板上设置有出气口。前面板设置有三个观察窗。观察窗的尺寸为200mm×400mm，且由透明的耐高温玻璃制成，通过观察窗可以观察到试验箱体内部的情况。通过调节可调支架，可以调节相应的物理相似模型的长度和宽度，以适应不同煤田火灾的实际条件和需要。

底座上设置有液压缸、轴承。液压缸设置在底座的一端，并由液压站提供液压动力。液压缸可以设置为两个并且相互远离，以保证调节倾斜角A时试验箱体的平衡。轴承设置在底座的设置有液压缸一端相对的另外一端。轴承的内、外圈分别与底面板、底座连接固定。液压缸缩入时，底座与底面板接触的平面为水平面。需要调节倾斜角A时，液压站提供动力使液压缸伸出，配合轴承使试验箱体倾斜，倾斜角度为倾斜角A。通过控制液压缸伸出的长度，倾斜角A在0～20°的范围内可以任意调节。

引燃部包括控温柜、加热棒以及温度传感器。加热棒以及温度传感器与控温柜连接。通过温度传感器显示温度、以及控温柜控制加热棒加热，可以使加热棒加热到指定的温度。加热棒以及温度传感器数量设置为一个以上，并设置在煤层中的不同位置，从而实现单/多源引燃。