阅读说明：本技术 一种煤的高温氧化特性及引燃/爆瓦斯的实验模拟装置及方法 (Experimental simulation device and method for high-temperature oxidation characteristic and ignition/explosion gas of coal ) 是由 杨胜强 周步壮 杨锴 蒋孝元 宋万新 胡新成 蔡佳文 许芹 汤宗情 周全超 张东 于 2020-11-04 设计创作，主要内容包括：一种煤的高温氧化特性及引燃/爆瓦斯的实验模拟装置及方法,装置包括定量配比供气装置、燃烧反应炉、卸压保护装置、计算机自动监测监控装置；将煤样放入燃烧反应炉内打开各开关,观察各参数运行情况,并观察压力、流量数值的变化；实时采集实验数据；若发现温度传感器和压力传感器显示燃烧反应炉内的温度和压力骤然上升,并伴有剧烈声响,则说明燃烧炉内发生爆炸反应,记录此时温度和压力作为发生煤自燃能够引燃/爆瓦斯的条件,为井下现场调整风量和温度提供参考,反应产生的强烈气压通过加长钢制管和泄压阀排出；实现煤自燃引燃/爆瓦斯,真实模拟灾害发生情况,为矿井防治煤自燃与瓦斯的耦合灾害提供理论指导和参考,降低发生瓦斯爆炸的概率。(An experimental simulation device and method of high-temperature oxidation characteristic and ignition/explosion gas of coal, the apparatus includes the quantitative proportioning air feeder, burns the reaction furnace, pressure relief protection device, computer automatic monitoring device; putting the coal sample into a combustion reaction furnace, opening each switch, observing the running condition of each parameter, and observing the change of the pressure and flow values; collecting experimental data in real time; if the temperature sensor and the pressure sensor show that the temperature and the pressure in the combustion reaction furnace suddenly rise and are accompanied by violent sounds, the explosion reaction in the combustion furnace is shown, the temperature and the pressure at the moment are recorded as conditions for igniting/exploding gas due to spontaneous combustion of coal, reference is provided for underground on-site air quantity and temperature adjustment, and strong air pressure generated by the reaction is discharged through the lengthened steel pipe and the pressure release valve; the method has the advantages of realizing spontaneous combustion ignition/gas explosion of the coal, truly simulating the occurrence condition of disasters, providing theoretical guidance and reference for preventing and controlling the coupling disasters of spontaneous combustion of the coal and the gas in the mine, and reducing the probability of gas explosion.)

一种煤的高温氧化特性及引燃/爆瓦斯的实验模拟装置及 方法

技术领域

本发明涉及一种煤的高温氧化特性及引燃/爆瓦斯的实验模拟装置及方法，尤其是一种适用于煤矿井下卸压瓦斯抽采过程中煤自燃进入高温阶段后的氧化特性，并可能引发瓦斯燃烧或爆炸的实验模拟装置及方法。

背景技术

我国79％的开采煤层都具有自燃倾向性，随着矿井开采向深部煤层转移，瓦斯含量增大，煤层破碎度增加，瓦斯与煤自燃共存是严重威胁矿井安全生产的两大灾害。在治理瓦斯过程中，加大卸压瓦斯抽采所形成的漏风风流，加剧了煤自燃的危险性，同时煤自燃氧化升温至高温状态，直至成为瓦斯燃烧或爆炸的点火源，导致煤自燃引燃/爆瓦斯事故发生。煤自燃引燃/爆瓦斯事故给人民带来巨大的伤痛，给国家和企业造成重大的经济损失和恶劣影响。

目前，开采深部高瓦斯煤层过程中，对瓦斯与煤自燃耦合灾害机理的研究尚不完善，煤自燃引燃/爆瓦斯的模拟实验装置是个空白，传统的数值模拟研究方式难以真实再现煤矿井下的煤自燃引燃/爆瓦斯状况，对煤自燃参数及瓦斯燃烧或爆炸参数的设定过于理想化，因此通过自主设计并搭建一套煤的高温氧化特性及引燃/爆瓦斯的实验模拟装置及方法，结合相应的计算机数值模拟实验结果进一步研究瓦斯与煤自燃耦合灾害机理显得至关重要。

发明内容

技术问题：本发明的目的是要克服现有技术中的不足之处，提供一种模拟瓦斯抽采条件下煤的高温氧化特性及引燃/爆瓦斯的实验模拟装置及方法，能真实再现煤矿井下由煤自燃所引起的瓦斯燃烧或爆炸灾害事故的致灾过程，从而更为科学地指导瓦斯与煤自燃灾害的协同防治。

技术方案：本发明的一种煤的高温氧化特性及引燃/爆瓦斯的实验模拟装置，包括定量配比供气装置、燃烧反应炉、卸压保护装置、计算机自动监测监控装置；

所述定量配比供气装置包括甲烷气瓶、干空气气瓶与储气罐，所述储气罐通过两根导管分别与甲烷气瓶和干空气气瓶相连接，同时储气罐一侧经一根导管与燃烧反应炉的进气口连接；

所述燃烧反应炉包括横向布置的绝热防爆密封腔体，绝热防爆密封腔体开口一端设有绝热防爆盖，开口一侧的上下外缘上设有出气口和进气口，绝热防爆密封腔体内部四周均铺设有保温层，绝热防爆密封腔体的外部分别设有伸入绝热防爆密封腔体内的电加热器、温度传感器与压力传感器；

所述泄压保护装置包括连接在燃烧反应炉上的一根加长钢制管和与加长钢制管相连的泄压阀；

所述计算机自动监测监控装置包括多个电磁阀、流量传感器、压力传感器和温度传感器，以及与这些元器件相连的操作台，操作台包括计算机与控制机，通过操作台实时显示监测数据并进行开启和快速关闭，完成设置温度、控制气体进出的操作。

所述的绝热防爆盖和绝热防爆密封腔体通过螺栓密封连接。

所述的多个电磁阀、流量传感器、压力传感器和温度传感器包括设在定量配比供气装置中三根导管上的第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀，第一流量传感器、第二流量传感器、第三流量传感器，第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器，还包括燃烧反应炉的温度传感器与压力传感器。

使用上述煤的高温氧化特性及引燃/爆瓦斯的实验模拟装置的实验模拟方法，包括如下步骤：

第一步：预先设置好实验所需气体混合的比例和混合气体总量，检查输气管路的气密性，打开卸压阀，准备开始实验；

第二步：将煤样放入燃烧反应炉内，然后通过螺栓将绝热防爆盖和绝热防爆密封腔体紧密连接在一起；

第三步：打开计算机，启动控制机，观察操作程序是否正常显示，若能正常显示，则继续进行下一步，否则先关闭机器，排除故障后再继续进行下一步；

第四步：打开干空气气瓶和甲烷气瓶的开关阀，然后在计算机上打开第一电磁阀，第二电磁阀，使得气体流入储气罐，同时将第一流量传感器，第二流量传感器，第一压力传感器，第二压力传感器依次打开，观察各参数运行情况；

第五步：待储气罐中的混合气体量达到实验设定值后，通过计算机关闭第一电磁阀，第二电磁阀，并打开第三电磁阀，使混合气体流入燃烧反应炉，同时打开第三流量传感器，第三压力传感器，观察压力、流量数值的变化；

第六步：通过计算机设置实验所需温度及升温速率，通过电加热器对燃烧反应炉内进行加热，打开温度传感器，压力传感器，观察参数运行情况；

第七步：在计算机上观察反应进行情况，实时采集实验数据；若发现温度传感器和压力传感器显示燃烧反应炉内的温度和压力骤然上升，并伴有剧烈声响，则说明燃烧炉内发生爆炸反应，记录此时温度和压力作为发生煤自燃能够引燃/爆瓦斯的条件，为井下现场调整风量和温度提供参考，反应产生的强烈气压通过加长钢制管和泄压阀排出；实现煤自燃引燃/爆瓦斯，真实模拟灾害发生情况，为矿井防治煤自燃与瓦斯的耦合灾害提供理论指导和参考，降低发生瓦斯爆炸的概率。

有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明基于瓦斯与煤自燃耦合灾害事故，用于研究煤自燃引发瓦斯燃烧(爆炸)的发生机理，从而更真实地模拟井下煤自燃引燃/爆瓦斯现场情况，完善瓦斯与煤自燃耦合致灾理论，其结构简单，操作方便，使用效果好，在本技术领域内具有广泛的实用性，主要优点如下：

1)采用相似理论搭建实验台，最大程度地模拟瓦斯抽采过程中煤自燃引燃/爆瓦斯的致灾过程，与单纯的理论分析和数值模拟相比，还原度更高，能够有效提高实验数据的真实性、准确性和可靠性。

2)设置计算机自动监测监控装置，能够直观地看到实验过程中具体数据实时的变化，提高了可视性；同时又能够在计算机上直接进行实验的必要操作，如开启(快速关闭)装置、设置温度以及控制气体进出，避免实验过程中操作人员与实验台接触造成误伤，极大地提高了实验的可操作性、简便性和安全性。

3)在燃烧室中设置有出气口，可随时取出煤自燃引燃/爆瓦斯实验过程中产生的气体，实时分析其成分变化，增加了实验装置的连续性，能够从温度场、压力场、气体场全方位地观察煤自燃引燃/爆瓦斯的变化过程。

附图说明

图1是本发明的装置结构示意图。

图2是图1中燃烧反应炉的结构示意图。

图中：1—干空气气瓶，2—甲烷气瓶，3—储气罐，4—燃烧反应炉，5—控制机，6—计算机，7—加长钢制管，8—泄压阀，9-1—第一电磁阀，10-1—第一流量传感器，11-1—第一压力传感器，9-2—第二电磁阀，10-2—第二流量传感器，11-2—第二压力传感器，9-3—第三电磁阀，10-3—第三流量传感器，11-3第三压力传感器，12—电加热器，13—温度传感器，14—压力传感器。15—绝热防爆密封腔体，16—保温层，17—绝热防爆盖，18—螺栓，19—进气口，20—出气口。

具体实施方式

下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的描述：

本发明的煤的高温氧化特性及引燃/爆瓦斯的实验模拟装置，主要由定量配比供气装置、燃烧反应炉4、卸压保护装置、计算机自动监测监控装置构成；

所述定量配比供气装置包括甲烷气瓶2、干空气气瓶1与储气罐3，所述储气罐3通过两根导管分别与甲烷气瓶2和干空气气瓶1相连接，同时储气罐3一侧经一根导管与燃烧反应炉4的进气口连接；

所述燃烧反应炉4包括横向布置的绝热防爆密封腔体15，绝热防爆密封腔体15开口一端设有绝热防爆盖17，开口一侧的上下外缘上设有出气口20和进气口19，绝热防爆密封腔体15内部四周均铺设有保温层16，绝热防爆密封腔体15的外部分别设有伸入绝热防爆密封腔体内的电加热器12、温度传感器13与压力传感器14；所述的绝热防爆盖17和绝热防爆密封腔体15通过螺栓18密封连接。

所述泄压保护装置包括连接在燃烧反应炉4上的一根加长钢制管7和与加长钢制管7相连的泄压阀8；

所述计算机自动监测监控装置包括多个电磁阀、流量传感器、压力传感器和温度传感器，以及与这些元器件相连的操作台，操作台包括计算机6与控制机5，通过操作台实时显示监测数据并进行开启和快速关闭，完成设置温度、控制气体进出的操作。所述的多个电磁阀、流量传感器、压力传感器和温度传感器包括设在定量配比供气装置中三根导管上的第一电磁阀9-1、第二电磁阀9-2、第三电磁阀9-3，第一流量传感器10-1、第二流量传感器10-2、第三流量传感器10-3，第一压力传感器11-1、第二压力传感器11-2、第三压力传感器11-3，还包括燃烧反应炉4中的温度传感器13与压力传感器14。

使用上述煤的高温氧化特性及引燃/爆瓦斯的实验模拟装置的实验模拟方法，具体步骤如下：

第一步：预先设置好实验所需气体混合的比例和混合气体总量，检查输气管路的气密性，打开卸压阀8，准备开始实验；

第二步：将煤样放入燃烧反应炉4内，然后通过螺栓18将绝热防爆盖17和绝热防爆密封腔体15紧密连接在一起；

第三步：打开计算机6，启动控制机5，观察操作程序是否正常显示，若能正常显示，则继续进行下一步，否则先关闭机器，排除故障后再继续进行下一步；

第四步：打开干空气气瓶1和甲烷气瓶2的开关阀1-1、2-1，然后在计算机6上打开第一电磁阀9-1，第二电磁阀9-2，使得气体流入储气罐3，同时将第一流量传感器10-1，第二流量传感器10-2，第一压力传感器11-1，第二压力传感器11-2依次打开，观察各参数运行情况；

第五步：考虑到采空区遗煤所处的真实环境，以及甲烷的爆炸浓度极限5％～16％，使用干空气和甲烷作为混合气源，设计甲烷浓度范围为0％～45％，与之对应的氧浓度范围为21％～11.55％，根据不同实验需要设定，通过计算机6与控制机5控制第一流量传感器10-1与第二流量传感器10-2的输出流量(ml/min)，待储气罐3中的混合气体量达到实验设定值后，通过计算机6关闭第一电磁阀9-1，第二电磁阀9-2，并打开第三电磁阀9-3，使混合气体流入燃烧反应炉4，同时打开第三流量传感器10-3，第三压力传感器11-3，观察压力、流量数值的变化；

第六步：根据实验设计方案，通过计算机6设置实验所需温度以及升温速率，经过控制机5控制电加热器12对燃烧反应炉内进行加热，加热器升温区间为25～800℃，最小升温速率1℃/min，当温度达到设定值时，打开温度传感器13，压力传感器14，观察参数运行情况；

第七步：在计算机6上观察反应进行情况，实时采集实验数据；若发现温度传感器13和压力传感器14显示燃烧反应炉4内的温度和压力骤然上升，并伴有剧烈声响，则说明燃烧炉4内发生爆炸反应，记录此时温度和压力作为发生煤自燃能够引燃/爆瓦斯的条件，为井下现场调整风量和温度提供参考，反应产生的强烈气压通过加长钢制管7和泄压阀8排出；实现煤自燃引燃/爆瓦斯，真实模拟灾害发生情况，为矿井防治煤自燃与瓦斯的耦合灾害提供理论指导和参考，降低发生瓦斯爆炸的概率。