模拟封闭火区内煤自然发火及熄灭过程的实验装置及方法

1.本发明涉及煤自然发火及灭火实验技术领域，具体涉及一种模拟封闭火区内煤自然发火及熄灭过程的实验装置及方法。


背景技术：

2.我国一直是世界上最大的煤炭生产国和消费国，2021年我国的煤炭产量就已经达到40.7亿吨。煤自燃作为煤炭生产中的主要灾害之一，主要发生在采空区、压裂的煤柱等隐蔽地点，存在自燃初期不易发现、难以确定高温区域位置和针对性使用防灭火材料等问题。对于矿井的外因火灾一般使用注惰的方法来进行灭火，但是对于条件复杂的煤炭矿井，在启封火区时经常发生复燃事故，极易造成人员伤亡和财产损失。目前，模拟煤炭自燃以及煤体降温的实验研究尚缺乏，因此，针对性并高效使用灭火材料对火灾的初次扑灭及阻断复燃条件是当前研究的重要课题，对于煤炭开采具有重要意义。


技术实现要素：

3.为了解决现有技术存在的上述技术问题，本发明提供了一种模拟封闭火区内煤自然发火及熄灭过程的实验装置及方法，该实验装置使用操作方便，能够模拟煤自然发火全过程以及熄灭的过程，可以真实反映不同灭火材料对不同煤体的抑制效果。
4.为实现上述目的，本发明提供了一种模拟封闭火区内煤自然发火及熄灭过程的实验装置，其包括煤体模拟系统、火情监测系统、灭火模拟系统和排污处理系统，其中：
5.所述煤体模拟系统包括内部密闭并填充有煤体的实验箱体；
6.所述火情监测系统包括色谱仪、氮气源、氧气源，以及嵌插于所述煤体中且分布于不同部位的多个热电偶和多个取气口，所述色谱仪的采样管连接有集气瓶，所述集气瓶通过采气管与所述取气口连接，所述氮气源和氧气源分别提供氮气和氧气并从所述实验箱体的底部通入到煤体中；
7.所述灭火模拟系统包括灭火剂源，所述灭火剂源用于提供气体灭火剂并从所述实验箱体的底部通入到煤体中，或者用于提供固态灭火剂或液态灭火剂并从所述实验箱体的顶部通入到煤体中；
8.所述排污处理系统包括气体排污处理子系统和液体排污处理子系统，所述气体排污处理子系统连接在所述实验箱体的顶部以处理经煤体上溢的气体，所述液体排污处理子系统连接在所述实验箱体的底部以处理经煤体流出的液体。
9.作为本发明的进一步优选技术方案，所述实验箱体为长方体结构，顶部连接有可拆卸的密封盖，所述密封盖与煤体顶部之间设有网纱；所述热电偶和所述取气口均贯穿所述实验箱体的侧壁后嵌插于煤体中，且每个侧壁对应至少两个所述热电偶和至少两个所述取气口；所述采气管上连接有采气流量阀和采气流量计。
10.作为本发明的进一步优选技术方案，所述实验箱体的四周设置有保温夹层，所述保温夹层中填充有隔热或保温材料，所述保温夹层中还设有电加热丝。
11.作为本发明的进一步优选技术方案，所述实验箱体内埋设有位于所述煤体底部的底部管路，所述底部管路上呈筛孔状设有若干孔口，所述底部管路连接有穿过所述实验箱体的底板并延伸出的连通管，所述灭火剂源提供的气体灭火剂，以及所述氮气源和氧气源分别提供的氮气和氧气均通过所述连通管输入到所述实验箱体内，且所述实验箱体内的液体通过所述连通管流出到液体排污处理子系统。
12.作为本发明的进一步优选技术方案，所述火情监测系统还包括气体混合箱，所述气体混合箱的输出端通过供气管路与所述连通管连接，所述氮气源和氧气源分别通过氮气支管和氧气支管与所述气体混合箱的输入端连接；所述氮气支管上设有氮气解压阀和氮气流量计，所述氧气支管上设有氧气解压阀和氧气流量计，所述气体混合箱内还设有用于将氮气和氧气搅拌混匀的螺旋叶片。
13.作为本发明的进一步优选技术方案，所述灭火模拟系统还包括灭火剂混合箱，所述灭火剂混合箱的输入端与所述灭火剂源连接，所述灭火剂混合箱的输出端连接有灭火剂输出主管，所述灭火剂输出主管的输出端通过分支连接有气体灭火剂输出支管和固液灭火剂输出支管，所述气体灭火剂输出支管与所述连通管连接，所述固液灭火剂输出支管与所述实验箱体的顶部连通；所述灭火剂源为两个，分别为提供气体灭火剂的气体灭火剂源，以及提供固态或液体灭火剂的固液灭火剂源；所述灭火剂输出主管上设有压力泵和灭火剂流量计，所述气体灭火剂输出支管和所述固液灭火剂输出支管分别连接有气体灭火剂流量阀和固液灭火剂流量阀。
14.作为本发明的进一步优选技术方案，所述液体排污处理子系统包括液体回收装置，所述液体回收装置与所述连通管连接，所述连通管与所述液体回收装置之间的管路中设有压力阀，所述液体回收装置还与所述灭火剂混合箱连接，所述液体回收装置与所述灭火剂混合箱之间的管路中设有阀门。
15.作为本发明的进一步优选技术方案，所述气体排污处理子系统包括废气处理瓶，所述废气处理瓶的废气管路与所述实验箱体的顶部连通，所述废气管路中设有废气流量阀。
16.根据本发明的另一方面，本发明还提供一种模拟封闭火区内煤自然发火及熄灭过程的实验装置的实验方法，包括以下步骤：
17.1)将实验箱体内填装煤样形成煤体，以及将多个热电偶和多个取气口分散埋设于煤体中，并将实验箱体密封，再将火情监测系统、灭火模拟系统和排污处理系统分别与煤体模拟系统连接并保证连接的密封性；
18.2)启动火情监测系统，由氮气源和氧气源分别提供氮气和氧气形成混合气体并从所述实验箱体的底部通入到煤体中，根据色谱仪实时采集取气口排出的气体以及热电偶实时监测煤体内的温度并综合判断煤体自然发火程度；
19.3)当确定煤体自然发火且达到预设的灭火条件时启动灭火模拟系统，由灭火剂源提供气体灭火剂并从实验箱体的底部通入到煤体中，或者提供固态灭火剂或液态灭火剂并从所述实验箱体的顶部通入到煤体中，直至灭火；
20.其中，当执行步骤2)和3时，由排污处理系统的气体排污处理子系统对经煤体上溢的气体进行处理，同时，由排污处理系统的液体排污处理子系统对经煤体流出的液体进行处理。
21.作为本发明的进一步优选技术方案，当采用固态灭火剂或液态灭火剂进行灭火后，液体排污处理子系统对含有灭火剂的液体进行回收处理后输送给灭火模拟系统，以便灭火模拟系统重复利用经回收处理后的灭火剂。
22.本发明可根据煤层中封闭火区所取煤样进行自然发火氧化升温模拟实验，通过分析实验过程中气体产生及浓度随温度的变化规律，来确定自然发火指标气体和最短自然发火期，可为煤层自然发火预测和针对性技术防治提供重要的参考依据。
23.本发明的模拟封闭火区内煤自然发火及熄灭过程的实验装置及方法，采用上述技术方案，可以达到如下有益效果：
24.1)本发明模拟封闭火区煤自然发火及熄灭过程的装置结构简单，设计新颖合理，实验方便且成本低；
25.2)本发明模拟封闭火区煤自然发火及熄灭过程的装置使用操作方便，能够模拟煤自然发火全过程以及熄灭的过程，可以真实反映不同灭火材料对不同煤体的抑制效果，解决了现有技术只能单程模拟煤自然发火或者灭火过程的弊端；
26.3)本发明模拟封闭火区煤自然发火及熄灭过程的装置，通过温度测量可以检测煤体不同位置的温度变化，从而针对性使用最合理的灭火材料进行灭火并可观测其效果；
27.4)本发明模拟封闭火区煤自然发火及熄灭过程的装置设置了流量计和混合装置，可以实现升温过程中的气体和灭火过程中的灭火材料的用量把控，具有节省经济的作用；
28.5)本发明模拟封闭火区煤自然发火及熄灭过程的方法步骤简单，实现方便，记录的实验数据能够用于建立相关煤自燃模型，具有指导意义。
附图说明
29.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
30.图1为本发明模拟封闭火区内煤自然发火及熄灭过程的实验装置提供的一实例的结构示意图；
31.图2为本发明的实验箱体在俯视下的内部结构示意图。
32.图中：1—热电偶；2—取气口；3—水；4—煤体；5—密封盖；6—网纱；7—废气流量阀；8—采气流量阀；9—气体灭火剂流量阀；10—固液灭火剂流量阀；11—氮气解压阀；12—灭火剂流量计；13—氮气流量计；14—氧气流量计；15—气体混合箱；16—螺旋叶片；17—氧气源；18—氮气源；19—氮气支管；20—氧气支管；21—压力泵；22—混合灭火剂；23—灭火剂混合箱；24—气体灭火剂源；25—固液灭火剂源；26—采气流量计；27-集气瓶；28—色谱仪；29—废气处理瓶；30—灭火剂输出主管；31—采气管；32—废气管路；33—底部管路；34—阀门；35—回收装置；36—压力阀；37—连通管；38—电加热丝。
33.本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
34.下面将结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述。较佳实施例中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等用语，仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
35.如图1所示，本发明提供了一种模拟封闭火区内煤自然发火及熄灭过程的实验装置，包括煤体4模拟系统、火情监测系统、灭火模拟系统和排污处理系统。
36.所述煤体4模拟系统包括内部密闭并填充有煤体4的实验箱体，所述实验箱体为长方体结构，顶部连接有可拆卸的密封盖5，所述密封盖5与煤体4顶部之间设有网纱6。
37.所述火情监测系统包括色谱仪28、氮气源18、氧气源17，以及嵌插于所述煤体4中且分布于不同部位的多个热电偶1和多个取气口2，通过不同部位分布的取气口2可以采集煤体4中不同部位的气体样品，以及通过不同部位分布的热电偶1以便采集煤体4中不同部位的温度，所述色谱仪28的采样管连接有集气瓶27，所述集气瓶27通过采气管31与所述取气口2连接，所述氮气源18和氧气源17分别提供氮气和氧气并从所述实验箱体的底部通入到煤体4中，所述采气管31上连接有采气流量阀8和采气流量计26，所述热电偶1和所述取气口2均贯穿所述实验箱体的侧壁后嵌插于煤体4中，且每个侧壁对应至少两个所述热电偶1和至少两个所述取气口2，本实施例中，参阅图2所示，每个侧面对应两个所述热电偶1和两个所述取气口2。
38.所述灭火模拟系统包括灭火剂源，所述灭火剂源用于提供气体灭火剂并从所述实验箱体的底部通入到煤体4中，或者用于提供固态灭火剂或液态灭火剂并从所述实验箱体的顶部通入到煤体4中，在此需说明的是，本技术中的气体灭火剂、固态灭火剂或液态灭火剂可根据不同的实验需求进行选择，在此对其不做限定。
39.所述排污处理系统包括气体排污处理子系统和液体排污处理子系统，所述气体排污处理子系统连接在所述实验箱体的顶部以处理经煤体4上溢的气体，所述液体排污处理子系统连接在所述实验箱体的底部以处理经煤体4流出的液体。
40.优选地，所述实验箱体的四周设置有保温夹层，保温夹层的作用就是：防止煤自然发火实验过程中热量散失，维持煤自然发火所需的蓄热条件，所述保温夹层中填充有隔热或保温材料，本实施例中的隔热或保温材料为水3，当然，还可采用其他类型的隔热或保温材料，如保温棉、保温板、发泡保温剂等。所述实验箱体的保温夹层中设有用于加热的电加热丝38，电加热丝38处于保温夹层的水3中用于维持水3的恒温，防止煤体4温度与水温进行热交换，同时使煤体4维持所需的实验温度。
41.在一实施例中，所述实验箱体内埋设有位于所述煤体4底部的底部管路33，所述底部管路33上呈筛孔状设有若干孔口，所述底部管路33连接有穿过所述实验箱体的底板并延伸出的连通管37，所述灭火剂源用于提供气体灭火剂，以及所述氮气源18和氧气源17分别提供的氮气和氧气均通过所述连通管37输入到所述实验箱体内，且所述实验箱体内的液体通过所述连通管37流出到液体排污处理子系统。
42.所述火情监测系统还包括气体混合箱15，所述气体混合箱15的输出端通过供气管路与所述连通管37连接，所述氮气源18和氧气源17分别通过氮气支管19和氧气支管20与所述气体混合箱15的输入端连接；所述氮气支管19上设有氮气解压阀11和氮气流量计13，所述氧气支管20上设有氧气解压阀和氧气流量计14，所述气体混合箱15内还设有用于将氮气和氧气搅拌混匀的螺旋叶片16，气体混合箱15用于将氮气和氧气经螺旋叶片16搅拌混匀后再通入到煤体4内，更加符合真实煤层中渗入的气体成分。
43.所述灭火模拟系统还包括灭火剂混合箱23，所述灭火剂混合箱23的输入端与所述灭火剂源连接，所述灭火剂混合箱23的输出端连接有灭火剂输出主管30，所述灭火剂混合
箱23用于将灭火剂源输入的灭火剂材料形成混合灭火剂22后再输出，所述灭火剂输出主管30的输出端通过分支连接有气体灭火剂输出支管和固液灭火剂输出支管，所述气体灭火剂输出支管与所述连通管37连接，所述固液灭火剂输出支管与所述实验箱体的顶部连通；所述灭火剂源为两个，分别为提供气体灭火剂的气体灭火剂源24，以及提供固态或液体灭火剂的固液灭火剂源25；所述灭火剂输出主管30上设有压力泵21和灭火剂流量计12，所述气体灭火剂输出支管和所述固液灭火剂输出支管分别连接有气体灭火剂流量阀9和固液灭火剂流量阀10。
44.所述液体排污处理子系统包括液体回收装置35，所述液体回收装置35与所述连通管37连接，所述连通管37与所述液体回收装置35之间的管路中设有压力阀36，所述液体回收装置35还与所述灭火剂混合箱23连接，所述液体回收装置35与所述灭火剂混合箱23之间的管路中设有阀门34。
45.所述气体排污处理子系统包括废气处理瓶29，所述废气处理瓶29的废气管路32与所述实验箱体的顶部连通，所述废气管路32中设有废气流量阀7，所述废气处理瓶29用于收集废弃以便实验中再次利用，循环利用，节省材料。
46.本实施例中，固液灭火剂源25与气体灭火剂源24里主要充填液氮、胶体、泡沫、注浆、凝胶、其他惰性气体、微生物、以及新型复合材料等灭火材料，灭火剂混合箱23中的灭火材料均来自固液灭火剂源25或气体灭火剂源24，实际使用时根据需要进行选择，当要测试灭火剂材料时，这些物质在灭火剂混合箱23中可以进行预混合，测试单独的灭火材料时可以撤下灭火剂混合箱23或者不撤下。其中，固态或液体灭火剂通过压力泵21、灭火剂流量计12和固液灭火剂流量阀10顺着管路输送至实验箱体的顶部进行灭火，随后通过带有孔口的底部管路33、连通管37和废气流量阀7流至液体回收装置35内进行处理，处理完成之后通过带有阀门34的管路流至灭火剂混合箱23内，该回收处理的灭火剂可以重新输入至煤体4进行二次灭火，这样便可节省灭火剂材料。
47.本发明还提供了一种模拟封闭火区内煤自然发火及熄灭过程的实验装置的实验方法，包括以下步骤：
48.1)将实验箱体内填装煤样形成煤体4，以及将多个热电偶1和多个取气口2分散埋设于煤体4中，并将实验箱体密封，再将火情监测系统、灭火模拟系统和排污处理系统分别与煤体4模拟系统连接并保证连接的密封性；
49.2)启动火情监测系统，由氮气源18和氧气源17分别提供氮气和氧气形成混合气体并从所述实验箱体的底部通入到煤体4中，根据色谱仪28实时采集取气口2排出的气体以及热电偶1实时监测煤体4内的温度并综合判断煤体4自然发火程度；
50.3)当确定煤体4自然发火且达到预设的灭火条件时启动灭火模拟系统，由灭火剂源提供气体灭火剂并从实验箱体的底部通入到煤体4中，或者提供固态灭火剂或液态灭火剂并从所述实验箱体的顶部通入到煤体4中，直至灭火；其中，
51.当执行步骤2)和3时，由排污处理系统的气体排污处理子系统对经煤体4上溢的气体进行处理，同时，由排污处理系统的液体排污处理子系统对经煤体4流出的液体进行处理。
52.在此需说明的是，可根据色谱仪28实时采集取气口2排出的气体以及热电偶1实时监测煤体4内的温度继续综合判断煤体4的火情，从而得知火被扑灭的实时情况，当未灭火
时，继续由灭火剂源提供气体灭火剂并从实验箱体的底部通入到煤体4中，或者提供固态灭火剂或液态灭火剂并从所述实验箱体的顶部通入到煤体4中，直至灭火。
53.本发明为综合判断煤体4自然发火程度，利用煤体4温度、煤的吸氧速度、指标性气体(如co、ch4、乙烯等)来判断煤的自然发火程度，并当测出来烯烃类气体(一般是乙烯)时，就意味着煤自然发火进程进入了加速氧化阶段，当出现炔烃类气体时，就意味着煤自然发火步入了激烈氧化阶段，依次作为本发明的判定依据。
54.优选地，当采用固态灭火剂或液态灭火剂进行灭火后，液体排污处理子系统对含有灭火剂的液体进行回收处理后输送给灭火模拟系统，以便灭火模拟系统重复利用经回收处理后的灭火剂。
55.采用本发明的模拟封闭火区内煤自然发火及熄灭过程的实验装置及实验方法可完成以下实验：
56.(1)煤自然发火实验：
57.通过装入要测试的煤样，检查装置气密性，然后再向装置中通入空气(氮气 氧气)气氛，使用流量计监测气氛的流速，在升温过程中监测煤体中的温度、气体产物等随参数随时间的变化直至箱体中的煤发生自燃现象。
58.(2)阻化剂抑制煤自燃实验
59.通过装入要测试的煤样，在煤低温氧化阶段向煤体中注入阻化剂，监测注入阻化剂后煤体在氧化过程中的气体产物等参数，直至煤样发生自燃。此实验可以判断加入的阻化剂是否延长了煤的自然发火周期。
60.虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域熟练技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对本实施方式做出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质，本发明的保护范围仅由所附权利要求书限定。