[发明专利]一种矿用泡沫流体材料防灭火特性测试装置及方法

权利要求书

1.一种矿用泡沫流体材料防灭火特性测试装置，其特征在于：包括升降式灌注装置、模型试验架、填充介质模型和监测装置，所述升降式灌注装置与模型试验架连接完成泡沫流体的灌注，所述填充介质模型置于模型试验架内，填充介质模型内埋设一个隐蔽高温火源点和多个土压力计、热电偶，所述土压力计、热电偶通过导线与模型试验架外的检测系统相连，所述模型试验架分为上半部分的模拟区和下半部分的真空测试腔体，填充介质模型置于模拟区内，模拟区的侧壁上设有用于连接升降式灌注装置的灌注口，模拟区的底板上设有与真空测试腔体相连通的连通孔，真空测试腔体内设有抽屉，抽屉与真空测试腔体四周用玻璃胶密封。

2.根据权利要求1所述的矿用泡沫流体材料防灭火特性测试装置，其特征在于：所述模型试验架的模拟区为透明的有机玻璃材质，模型试验架的真空测试腔体为木材质。

3.根据权利要求1所述的矿用泡沫流体材料防灭火特性测试装置，其特征在于：所述升降式灌注装置包括铁桶，所述铁桶挂在升降梯上，铁桶的上部用绑带与起重机相连，铁桶的底部设有出口，所述出口通过管道与模型试验架上的灌注口相连，管道上设有阀门。

4.根据权利要求3所述的矿用泡沫流体材料防灭火特性测试装置，其特征在于：所述监测装置包括渗流压力监测系统、渗流扩散平面图像实时采集系统、真空腔室负压监测系统及隐蔽高温点温度监测系统，所述渗流压力监测系统包括静态应变仪和第一计算机，第一计算机与静态应变仪相连，静态应变仪与土压力计相连，所述渗流扩散平面图像实时采集系统包括动态分析仪和第二计算机，第二计算机与动态分析仪相连，动态分析仪正对模型试验架设置，所述真空腔室负压监测系统包括真空压力表和真空泵，真空压力表安装在真空测试腔体侧壁上，真空泵通过真空测试腔体侧壁上的抽真空口与真空测试腔体相连，所述隐蔽高温点温度监测系统包括数字测温表，数字测温表与热电偶相连。

5.根据权利要求1所述的矿用泡沫流体材料防灭火特性测试装置，其特征在于：所述填充介质模型中充填物为煤颗粒和煤矸石岩石，并采用分层铺设。

6.根据权利要求1所述的矿用泡沫流体材料防灭火特性测试装置，其特征在于：所述隐蔽高温火源点为点燃的蜂窝煤。

7.一种基于权利要求4所述的矿用泡沫流体材料防灭火特性测试装置的矿用泡沫流体材料防灭火特性测试方法，步骤如下：

步骤一：分层铺设填充介质模型，在填充介质模型中埋设土压力计、热电偶、隐蔽高温火源点；

步骤二：连接监测设备，用导线将土压力计与静态应变仪连接，热电偶与数字测温表连接，调试动态分析仪，进行静态应变仪的自动调零；

步骤三：进行渗流降温实验，将所要测试的泡沫流体倒入升降式灌注装置内，通过升降梯调节好升降高度，打开阀门，进行灌注实验，全过程实时录像，并记录好监测探头数据，分析应力和对应的扩散图像，结合泡沫流体粘度参数，得出渗流扩散规律；同时检查真空测试腔体的抽屉中是否有排液水，若有则将排液水的质量称重，得出泡沫流体的热稳定性；记录数字测温表数据，分析得出泡沫流体的降温特性；

步骤四：待渗流降温实验结束，用真空泵将真空测试腔体的负压降至-2000Pa，进行堵漏隔风性能测试，通过真空压力表观测负压变化，分析得出泡沫流体的堵漏隔风性能；

步骤五：清理模型，并取煤岩与泡沫流体固结体样品，用以分析两者固结面情况。

8.根据权利要求7所述的矿用泡沫流体材料防灭火特性测试方法，其特征在于：所述步骤一中，煤柱模块中裂隙孔隙率设置为0.15；周边裂隙区域裂隙孔隙率设置为0.35，所有模块中充填的煤颗粒和煤矸石岩石去除杂色、整体呈深黑色，整个填充介质模型铺设高度为350mm，采用分层铺设，每层铺设高度为50mm。

9.根据权利要求7所述的矿用泡沫流体材料防灭火特性测试方法，其特征在于：所述步骤三中，渗流扩散规律的得出方法如下：假定到达某位置的单位质量泡沫流体其运动过程是以一个单位整体运动，且沿着一条通道裂隙运动，借鉴宾汉流体在圆管中的渗流公式推导思想，得出泡沫流体在裂隙通道中渗流扩散距离与渗流压差、扩散时间之间的关系式：

式中Δp为裂隙通道两监测点的渗流压力差；φ为模型中煤柱区域或者周边裂隙区域孔隙率；β为泡沫流体粘度与水粘度的比值；t为灌注泡沫流体时间；K为渗透系数；λ为2倍静切力与裂隙通道孔径的比值；l₀为注浆口半径；l₁为渗流距离；

开展渗流试验时，泡沫流体粘度的拟合函数为：u＝ae^bt+c，式中，a、b、c为拟合常数；

泡沫流体粘度u与水粘度u_W的比值β为：

将式(2)代入式(1)中，得出泡沫流体在裂隙通道中渗流扩散距离与渗流压差、扩散时间之间的关系式如下：