[发明专利]一种模拟煤矿掘进巷道瓦斯运移规律的方法以及实验系统

说明书

技术领域

本发明涉及矿井通风工程研究领域，尤其涉及模拟煤矿掘进巷道中瓦斯气体的运移规律的方法和实验系统。

背景技术

掘进巷道多数位于煤层的新开拓区，瓦斯涌出量大，如果通风不力将导致瓦斯积聚达到爆炸浓度；而为了保证工作面工人的健康，必须不断通入新鲜风，自然提高了氧气浓度；再者，掘进机巷道产生火花的因素众多，都容易引燃引爆在爆炸点的瓦斯，引发事故。掘进巷道瓦斯治理是煤矿瓦斯治理的重点和难点。经钻井抽放后，煤层内仍有大量瓦斯持续释放。作为长期工作设备，瓦斯排放仍是控制掘进巷道瓦斯浓度降低瓦斯爆炸概率的基本途径。如何安全、快速、有效地排放掘进巷道瓦斯是矿井通风工程的技术难点，也是急需解决的课题之一。

目前，国内外对掘进巷道瓦斯气体运移规律的研究主要集中在独头巷道压入式有限空间风流场规律以及气流的速度场、温度场和PMV场进行数值模拟。但对于掘进巷道通风控制系统设计而言，掘进巷道内风流场的复杂性、矿井大气的多相性以及巷道实际模型尺寸又各有特征，综合性数值模拟结果鲜见。在科学研究中，通常借助建立数学模型来解决工程实际问题，但如本发明所示的掘进巷道瓦斯运移现象具有复杂、非线性、参数彼此强耦合等特征，要想得到理想的控制特性，需要深入探索并深刻理解研究问题的本质，实验方法是必须的。鉴于煤矿生产要求，难以到现场进行长期实验。因此建立实验系统是必需的。这是瓦斯排放系统制定控制策略的理论依据。

专利中未见该类实验装置，2001年9月梁栋、吴强在《黑龙江科技学院学报》上发表《低雷诺数风流中瓦斯上浮机理及其实验研究》，其中描述一种低雷诺数瓦斯运移模拟实验装置，包括模型主体、供风、瓦斯源、气样采集和风速侧定系统四部分组成。该模型基本是实物模型，体积大，不适合普通实验室应用。吴楠楠在《煤矿安全》杂志2010（2）发表《掘进巷道瓦斯运移多相流场实验研究》建立掘进巷道瓦斯运移实验模型，并在一种特定工矿保证模型流动进入自模化区。

本发明充分考虑壁面粗糙度对风流和瓦斯运移的影响，对巷道模型进行了深入细致考虑，而且充分考虑定性实验和定量实验的可操作性，设计多功能操作孔。旨在提高模拟实验研究下掘进巷道瓦斯在特殊风流场中的瓦斯运移特性规律的真实性和可靠性以及易实现性。

发明内容

鉴于上述技术中的不足，本发明旨在提供一种用于研究煤矿掘进巷道动态测量瓦斯运移规律的实验系统，以求真实再现巷道掘进头瓦斯涌出、巷道煤壁瓦斯涌出以及在巷道特有的环境以及风流作用下的运移过程和规律，从而为瓦斯排放控制策略提供理论依据。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明采用了模拟煤矿掘进巷道瓦斯运移规律的实验系统，包括巷道模拟装置、瓦斯涌出源装置、数据采集装置、温度湿度测试及调节装置、通风装置、上位监控装置。其中巷道模拟装置是整个实验系统的主体，瓦斯涌出源、数据采集装置、温度湿度测试及调节装置通过多功能操作孔与巷道模拟装置相连，通风装置的风筒按照《煤矿安全》要求布置在巷道壁。风机和变频器布置在巷道外。数据采集装置采集到的信号通过数据采集板进入上位监控装置。

本发明提供了一种模拟煤矿掘进巷道瓦斯运移规律的方法，以掘进巷道内瓦斯气体为研究对象，采用定性、定量两种测试方法进行研究。定性测试实验方法是设定工况，利用彩色示踪气体模拟瓦斯涌出，设定通风状态，采用高速摄像机进行追踪拍摄气体的运移过程；定量测试实验方法是用带压力阀的瓦斯罐模拟瓦斯涌出，通风装置模拟巷道局部通风，布置温度湿度传感器，多点动态瓦斯传感器和风速传感器热线配合数据采集板，通过上位监控分析巷道风流场和瓦斯浓度场，从而找出巷道瓦斯运移规律，为煤矿掘进巷道瓦斯排放系统控制策略的制定提供有力的理论和数据基础。

附图说明

图1是模拟煤矿掘进巷道瓦斯运移规律的实验系统；

图2是实验系统的模拟掘进巷道截面图；

图3是模拟巷道上多功能操作孔结构示意图。

具体实施方式

本发明的目的是：在多物理场作用下，通过考虑壁面粗糙度对风流和瓦斯运动规律的影响从而定性模拟真实的煤矿掘进巷道内涌出瓦斯在风流场作用下的运移特性，同时可以检测巷道多点瓦斯浓度、风速等参数，为定量研究煤矿掘进巷道中可能出现的瓦斯事故提供准确、可靠的实验依据，并为掘进巷道瓦斯排放系统提供控制策略的依据。