[发明专利]松散煤体热物性测试方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及松散煤体热物性测试方法和系统。应用于煤炭自燃火源定位技术研究中的松散煤体热物性参数测试。

背景技术

井下煤炭自燃引发的火灾会造成重大经济损失，实际上，煤炭自燃的孕育和发展过程缓慢，发现矿井中出现自燃火源征兆并不是困难的事情，但发现自燃征兆后不能迅速准确的对火源进行定位，导致不能及时有效地对火源进行控制和扑灭，是造成煤炭自燃发火重大损失的重要原因之一。

目前对于火源位置和范围的圈定方法有红外测温仪、温度传感器、物探仪器、测氡法和计算机模拟法等，其中以红外测温法、直接测温法和计算机模拟法等为代表的温度探测法，由于具有效率高、操作简便等优点在工程实际中得到了一定应用。这些方法是以热传导理论和流场理论为基础，建立采空区或煤柱的温度场数学模型，利用数值解法进行计算机模拟或结合实测温度数据，达到对煤自燃火源高温点定位的目的，而由于数学模型中的松散煤体热物性参数无法准确获取，难以实现对煤自燃火源进行及时、准确的定位。

目前对于松散煤体热物性测试研究较多，如热线法或稳态圆筒法测松散煤体导热系数、DSC法测松散煤体比热容等，且开发了相应的测试仪器。但多为单次实验仅能测一个参数的方法，若要获得多个参数必须做多次实验，这延长了实验过程并增加实验成本。

在原理上交叉热线法也能实现导热系数和热扩散率的同时测定，但测热扩散率的公式中需要考虑热线半径，而热线法测试原理要求热线半径r₀→0，热线半径太小造成其上热电偶焊接点的直径与热线相比过大，就要用热线有效半径r₀’来考虑由此带来的误差，即便如此，由于有效半径r₀’难以直接精密测定，往往导致热扩散率的测定误差过大(＞8％)。而已有的松散煤体导热系数测试仪器在硬件设计方面，存在自动化程度不高、实验操作不方便和实验条件与现场实际相符程度差等缺点，造成测试精度不高，无法很好地满足工程实际应用要求。因此，有必要研究新的测试方法和系统，以实现松散煤体热物性参数的高效、准确测定，为煤炭自燃火源的准确定位奠定基础。

本申请人曾在《中国矿业大学学报》上发表文章(2009年第3期，第38卷)提出利用交叉热线法结合与热线间距为r位置处τ时刻的温升θ(r，τ)同时测松散导热系数和热扩散率的方法，并设计了测试系统，已经投入实际使用，并取得了良好效果，但由于松散煤体导热性较差，实验过程中交叉热线上的温升于平行热线温升往往相差较大，而已有研究表明松散煤体导热系数大小与温度有关，从而直接利用交叉热线法测得的导热系数结合平行热线温升数据计算松散煤体热扩散率，必然会给热扩散率测算精度带来较大影响。另外，系统硬件方面，原有系统中的加热棒固定安装在试样筒底座上，拆卸不方便且容易碰坏。试样筒仅有一活动端盖，实验前拿下以充填煤样，实验完成后，去掉端盖一点点从试样筒中取出试样，操作很不方便。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种松散煤体热物性测试方法及系统，直接利用平行热线法同时测松散煤体导热系数和热扩散率，通过对已有的测温传感器和系统结构进行改进，以进一步提高系统测试精度和增强实验操作方便性。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明松散煤体热物性测试方法的特点是基于热线法，一次性同时测松散煤体导热系数λ、热扩散率a和比热容c_p三个热物性参数，所述方法为在松散煤体的煤样中心放置加热棒作为热源，在煤样中的测温点上设置温度传感器用于检测煤样温度，所述测温点与加热棒之间有煤样相隔；将所述煤样放置于试样筒中；测出所述试样筒中煤样的密度ρ、设定所述加热棒的加热功率(W/m)，记录加热棒从开始加热所经历的时间(s)；测量对应时刻所述煤样的温度(℃)；由所述密度、加热功率、时间和温度，首先根据平行热线法原理计算所述煤样的导热系数λ，然后利用下面公式计算煤样热扩散率a：