[发明专利]一种采空区二氧化碳输运耗散实验方法

说明书

本发明提供了一种采空区二氧化碳输运耗散实验方法，属于煤炭开采领域，在升温实验中加入煤样；实验初始参数设定；进行实验装置参数调控方式选择；打开恒温箱将温度控制在实验设定的工况；控制器发送指令，打开二氧化碳流量自动释放器、氧气自动释放器以及排风机；实验状态分析；通过判断参数的监测数据，判断系统是否处于稳定状态；实验自动控制；实验数据自动分析；实验结束条件判断；实验结果输出；利用数据输出系统显示实验全过程参数变化情况。该方法可实现采空区二氧化碳惰化条件下不同灌注参数对二氧化碳吸附量、扩散运移量、涌出量及煤自燃预警指标的自动监测分析，实用性强。

技术领域

本发明属于煤炭开采领域，具体涉及一种采空区二氧化碳输运耗散实验方法。

背景技术

采空区中下部覆岩垮落破碎与遗煤混合的区域，是煤矿灾害的重要发生部位，区域内的遗煤和岩体被上覆岩层压裂后形成导气通道，从煤自燃火灾的成因来看，煤氧化放热后热量的聚集是引起采空区煤自燃的主要原因，煤炭自燃涉及到热量的产生与传递，是生热与散热博弈的结果。根据煤自燃气化理论，煤自燃是风流场持续提供热氧气、遗煤氧化蓄热、热量积聚综合作用的结果。受采空区多孔介质孔隙特性、风流场、温度场的影响，采空区煤自燃具有灾害隐蔽性较强、流场复杂、治理难度大等特点。由于采空区内煤岩体构成的孔隙具有无向性、弯曲性和随机性等特点，采空区中的风流形式包括了湍流、过渡流、层流以及非线性渗流；根据热传递理论，漏风作为热量对流的媒介，是煤自燃生热传输的重要途径。因此，研究采空区煤自燃生热传热规律是防治煤自燃的重要理论基础。

二氧化碳惰化采空区技术是采空区煤自燃防治方法之一，由于二氧化碳气体具有惰化率高、抑爆性能好、速度快、成本低等特点，在通常状态下不与其他物质发生反应，可快速沉入火区底部置换底部二氧化碳，使火区因缺氧而窒息，同时又因为煤对二氧化碳的吸附能力大，脱附温度高，在矿井火灾防治应用中取得了较好的效果。

然而，采用二氧化碳防灭火技术时，二氧化碳与采空区漏风场相互作用，引起采空区内的风流场发生变化，此外，由于破碎煤岩体与二氧化碳发生吸附作用和热量传递、采空区温度场影响二氧化碳的理化性质，使得采空区内二氧化碳气体的储存和流动过程极其复杂。

二氧化碳对煤自燃过程的抑制作用主要体现在被破碎煤岩体吸附排除氧气、覆盖包裹煤体隔绝氧气、降低采空区氧气浓度、吸收并传导采空区热量。由于二氧化碳气体密度较大，可快速沉入火区底部，且煤岩体吸附二氧化碳气体的能力较大，脱附温度高，对煤低温吸附氧气过程有重要影响，使火区因缺氧而窒息，抑制煤氧化升温过程。国内外许多学者采用吸附、色谱吸氧及红外光谱分析等研究了煤对二氧化碳的吸附特性；在温度影响二氧化碳惰化特征方面，对二氧化碳抑制煤低温氧化特性进行了大量实验研究，得出了二氧化碳对煤的氧化自燃环境起到了惰化降氧和吸附阻氧作用，抑制了氧化产物产生，这些研究对指导二氧化碳防治煤自燃提供了很好的借鉴意义。

目前对于采空区流场的研究主要采用物理相似模拟和数值模拟两种方法，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Navier-Stokes方程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。

物理相似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。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，本申请提出一种采空区二氧化碳输运耗散实验方法。

发明内容