[发明专利]一种模拟采空区自然发火的实验装置及试验方法

权利要求书

1.一种模拟采空区自然发火的实验装置，其特征在于：包括实验炉体，实验炉体由外至内分为炉体外层钢板、普通砖层、聚氨酯隔热层、水夹层、耐火砖层，实验炉体上设有出煤口、进风管和回风管，实验炉体上方设有顶盖；实验炉体内设有煤层，煤层下方设有相似材料底板和预置水袋，预置水袋上方设有待下沉相似材料底板，煤层上方设有第一相似材料顶板和第二相似材料顶板，第二相似材料顶板上方设有多点热电偶测杆和取气束管，多点热电偶测杆之间设有覆盖层，多点热电偶测杆设有若干热电偶，多点热电偶测杆和取气束管与相似材料紧密接触；煤层上的采煤工作面两端设有进风巷和回风巷，在进风巷、采煤工作面和回风巷铺设拱形镂空护管，支撑煤体形成一定的通道空间，以构建采空区和工作面的进回风系统，进风巷与实验炉上的进风管相连，回风巷与实验炉上的回风管相连，进风管依次连接实验炉体外部的涡街流量计、气体测温热电偶、气体压力表、换热器、鼓风机，换热器连接换热器控制柜，回风管依次连接实验炉体外部的涡街流量计、气体测温热电偶、气体压力表、气相色谱仪、气体采集器；所述出煤口连接气体采集器和数据采集模块；数据采集模块和气相色谱仪连接工控机；实验方法按照以下步骤进行：

步骤1，相似材料的选取；以河砂为骨料，粘土或石膏为胶结物，利用正交试验和全面实验方法分析不同材料配比下的单轴抗压强度，并与利用相似原理计算的抗压强度进行对比，确定满足相似比的不同顶底板岩层河砂和粘土配比；在工作现场采集所需煤块，作为实验用煤，选取黄土作为覆盖层，根据现场实际厚度的1/10～1/30的几何缩放比确定煤层和顶底板相似材料的厚度，基于相似材料配比铺设煤层及顶底板相似材料；

步骤2，模拟采空区系统的构建；通过铺设拱形镂空护管构建采空区及工作面的进风巷、回风巷和采煤工作面；将进风管、进风巷、采煤工作面、回风巷以及回风管构成模拟采空区及工作面系统的进回风系统，进风巷、采煤工作面和回风巷均由拱形镂空护管构建，模拟进风巷和工作面向采空区内的漏风；

步骤3，测温和取气布置；在铺设采空区煤层及第一相似材料煤层顶板、第二相似材料煤层顶板、覆盖层的同时，在相应位置点埋设多点热电偶测杆和取气束管，测杆和取气束管与第一相似材料煤层顶板、第二相似材料煤层顶板、覆盖层紧密接触，取气束管取气口有防尘保护；

多点热电偶测杆高度方向由下到上共布置多个热电偶测点，能监测到采空区底板到顶板不同高度上的温度值，热电偶测杆呈网格化布置，能够监测到整个采空区三维空间的温度值；

取气束管在采空区范围内呈网格化分布，每个位置的取气束管对采空区高度方向上的多个位置点进行取气，从而分析得到采空区三维空间的气体组分、浓度分布和演化规律；

步骤4，相似模拟材料及采空区系统的铺设；在实验炉体内自下而上敷设相似材料底板、煤层、第一相似材料顶板、第二相似材料顶板和表层覆盖层，边铺设边进行压实处理，待胶结后具有一定的强度，满足采空区顶底板岩层强度相似比的要求；

在底板材料的铺设过程中，在采空区范围内提前预置一定高度的水袋，水袋高度等同于模拟的采高，在煤层采高范围预先填充底板相似材料，其上为采空区煤层遗煤；

从煤层开始，在进风巷、采煤工作面和回风巷铺设拱形镂空护管，支撑煤体形成一定的通道空间，以构建采空区和工作面的进回风系统，进风巷与实验炉上的进风管相连，回风巷与实验炉上的回风管相连；

步骤5，采空区顶煤垮落过程的模拟；当相似模拟材料及采空区系统的铺设完毕后，将水袋的水抽出一定体积的水，使水袋放出水的高度等同于煤层采高，水袋及其上待下沉相似材料底板向下移动并填满水袋放出水高度，通过此方式造成采空区上部顶遗煤的垮塌，采空区顶煤自然垮落覆盖在采空区底板，模拟采空区遗煤的堆积分布，同时还能模拟遗煤之上的覆岩的跨落和弯曲，制造孔隙和裂隙，形成上三带结构；

步骤6，采空区煤自然发火过程的模拟；采空区遗煤堆积在采空区，由于进风巷和采煤工作面的漏风，导致采空区内遗煤与氧气接触，在煤氧的物理吸附、化学吸附和氧化反应作用下，产生微小的热量，产生热量积聚使得煤体温度缓慢而持续地上升，当达到煤的临界自热温度后，氧化升温速率加快，最后达到煤的着火点温度而燃烧起来，达到模拟煤自然发火过程目的。