技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種用于模擬采空區(qū)溫度場的自發(fā)熱相似材料。
背景技術(shù)：
：：采空區(qū)自然發(fā)火一直都是煤礦安全領(lǐng)域研究的重點(diǎn)問題。由于采空區(qū)地質(zhì)條件極其復(fù)雜，其內(nèi)部氧濃度與溫度的監(jiān)測監(jiān)控在現(xiàn)場難以實(shí)施，因此，一般會采用理論計(jì)算或模擬的方法對其規(guī)律進(jìn)行研究。但數(shù)學(xué)模型理想化參數(shù)過多，一般都是靜態(tài)的模擬或者在工作面不推動時(shí)進(jìn)行瞬態(tài)模擬研究，實(shí)際都是靜態(tài)的采空區(qū)模型，而相似實(shí)驗(yàn)臺的研究多集中于風(fēng)流場的研究，忽略煤體本身的氧化升溫過程，然而，僅根據(jù)內(nèi)部風(fēng)流滲透規(guī)律來確定遺煤自然發(fā)火的位置并不準(zhǔn)確。采用煤在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，其氧化過程極慢且對蓄熱條件極高，所以，一般都會采用相似材料來代替煤進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但目前為止并沒有一種相似材料與煤的氧化過程相似，并且能在室溫下形成明顯溫度場。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：：本發(fā)明的目的在于，研制一種模擬采空區(qū)溫度場的自發(fā)熱相似材料，與煤的氧化機(jī)理相似，且能在室溫下形成明顯的溫度場，具有適用性強(qiáng)、穩(wěn)定性高、成本低等特點(diǎn)。采空區(qū)自發(fā)熱相似材料機(jī)理：采空區(qū)自發(fā)熱相似材料是一種將不同粒度的煤與一定比例的膠狀自熱材料混合形成的復(fù)合物。復(fù)合物中的主體骨架為取自工作面新鮮煤樣，形成采空區(qū)多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)，自發(fā)熱材料均勻附著在煤粒表面，能使放熱整體均勻、穩(wěn)定、持續(xù)時(shí)間長。經(jīng)過對比分析各類易發(fā)熱材料的放熱特性，選擇的自發(fā)熱材料配制方案是：采用還原鐵粉，活性炭，nacl，蛭石([mg0.5(h2o)4mg3[alsi3o10](oh)2])，高吸水性樹脂的混合熱樣，作為自發(fā)熱材料。本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種用于模擬采空區(qū)溫度場的自發(fā)熱相似材料，該相似材料由煤與自發(fā)熱材料混合而成，煤體與自熱材料配比1-2∶1-3。進(jìn)一步，所述自熱材料的各個(gè)組分的質(zhì)量百分比：還原fe粉53-58％，水分20-25％，nacl4-8％，活性炭4-8％，蛭石8-12％，高吸水性樹脂1-5％。進(jìn)一步，所述還原fe粉的粒度為80-100目、活性炭的粒度為200-300目，蛭石粒度為100目，高吸水性樹脂粒度為100目。本發(fā)明的另一目的是提供上述自發(fā)熱相似材料的制備方法，具體包括以下步驟：步驟1.配料：按照設(shè)計(jì)成分分別稱取原料，備用；步驟2：將步驟1稱取的原理料分別獨(dú)立存儲，先將水分與吸水性樹脂混合形成膠體，再將還原fe粉、nacl和蛭石按依次加入，攪拌即得到自熱材料膠體；步驟3：將步驟2得到的自熱材料膠體與煤按照1-2∶1-3混合均勻，即得自發(fā)熱相似材料。一種如上述方法制備得到的自發(fā)熱相似材料在模擬采空區(qū)溫度場中應(yīng)用。還原鐵粉與活性炭互相催化，鐵粉在潮濕環(huán)境下氧化放熱，樹脂吸收容納水分，nacl提供原電池潮濕環(huán)境，起到催化劑的作用，活性炭增大鐵粉的接觸比表面積，蛭石有保溫作用。1mol氧氣參與反應(yīng)放出熱量1099kj。原電池反應(yīng)方程式如下：負(fù)極：fe-2e→fe2+正極：o2+2h2o+2e-→4oh-總反應(yīng)：2fe+o2+2h2o→2fe(oh)34fe+3o2+6h2o→4fe(oh)3↓通過對采空區(qū)滲流場和溫度場控制方程的聯(lián)立計(jì)算，最終得到相似材料與煤之間的相似準(zhǔn)則為：式中xr表示尺寸相似比，ur表示速度相似比，tr表示溫度相似比，qr表示放熱量相似比，tr表示時(shí)間相似比，v(t)r表示耗氧速率相似比。在相似準(zhǔn)則的指導(dǎo)下，可以根據(jù)不同礦井的工況參數(shù)，進(jìn)行相似計(jì)算，得到相應(yīng)的時(shí)間相似比參數(shù)和速度相似比等實(shí)驗(yàn)參數(shù)，從而保證相似實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。本發(fā)明的有益效果是：由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有以下特點(diǎn)：(1)在室溫下能與o2發(fā)生氧化反應(yīng)。還原鐵粉在潮濕的空氣里即會發(fā)生氧化反應(yīng)，消耗空氣中的氧氣，這與煤氧之間的反應(yīng)一樣，都是與空氣中的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)；(2)在低溫下氧化放熱量大，升溫速率快，能在室溫下有明顯的溫度變化，且持續(xù)時(shí)間長；(3)產(chǎn)物簡單，只有fe(oh)3，并且其他無氣體產(chǎn)物，操作安全對人體無害；(4)制備方便，適用性強(qiáng)、穩(wěn)定性高、成本低，同時(shí)在室溫下放熱速率快，放熱持續(xù)時(shí)間長的特點(diǎn)，能在室溫下形成明顯的溫度場。通過相似實(shí)驗(yàn)可為采空區(qū)自燃發(fā)火的預(yù)測提供依據(jù)，同時(shí)也為采空區(qū)數(shù)值模擬研究提供了一種新的驗(yàn)證方法。附圖說明圖1為本發(fā)明應(yīng)用中耗氧速率與溫度的關(guān)系曲線示意圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一說明。本發(fā)明一種用于模擬采空區(qū)溫度場的自發(fā)熱相似材料，該相似材料由煤與自發(fā)熱材料混合而成，煤體與自熱材料配比1-3∶1-2。所述自熱材料的各個(gè)組分的質(zhì)量百分比：還原fe粉53-58％，水分20-25％，nacl4-8％，活性炭4-8％，蛭石8-12％，高吸水性樹脂1-5％。所述還原fe粉的粒度為80-100目、活性炭的粒度為200-300目，蛭石粒度為100目，高吸水性樹脂粒度為100目。實(shí)施例1：采空區(qū)自發(fā)熱相似材料主要由fe粉、水分、活性炭、nacl、蛭石、高吸水性樹脂組成。選擇影響采空區(qū)自發(fā)熱相似材料放熱速率的主要因素為：a-水分含量，b-nacl的用量％(占混合物質(zhì)量)，c-活性炭的用量％(占混合物質(zhì)量)，d-蛭石的用量％(占混合物質(zhì)量)，每個(gè)因素取五個(gè)水平，b，c，d三者合計(jì)20％。根據(jù)采空區(qū)自發(fā)熱相似材料放熱速率的影響因素及各因素水平，選擇l15(53)正交實(shí)驗(yàn)表安排實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)順序安排和各實(shí)驗(yàn)的最終結(jié)果如表1所示。表1采空區(qū)自發(fā)熱相似材料配比安排及試驗(yàn)結(jié)果采空區(qū)自發(fā)熱相似材料配比與升溫參數(shù)關(guān)系的試驗(yàn)結(jié)果見表1。采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)中的正交設(shè)計(jì)方法安排試驗(yàn)，用極差分析方法分析試驗(yàn)結(jié)果，如表2所示。表2極差分析結(jié)果注：k1k2k3k4k5分別表示各因素水平的均值，表示極差r。綜合分析表2，可以看出：(1)比較極差值，c＞b＞d，即自發(fā)熱相似材料各因素對放熱參數(shù)的影響主次順序及強(qiáng)弱為：c-b-d，即：活性炭-nacl-蛭石。(2)活性炭對自發(fā)熱材料放熱參數(shù)最高溫度的影響最大?；钚蕴康挠昧看?，最高溫度越高?；钚蕴康挠昧吭?0％時(shí)對最高溫度最高，當(dāng)用量大于5％時(shí)，其用量變化對最高溫度的影響減弱。(3)蛭石和nacl用量大小對自發(fā)熱材料成膠時(shí)間的影響次之。隨著蛭石用量增大，溫度＞40℃的持續(xù)時(shí)間增加。蛭石用量在5％時(shí)持續(xù)時(shí)間最長，當(dāng)蛭石用量大于5％時(shí)，其用量變化對持續(xù)時(shí)間的影響減弱。(4)nacl、水和高吸水性樹脂形成含鹽的膠狀環(huán)境，有利于反應(yīng)的進(jìn)行，水分百分比根據(jù)化學(xué)方程式并且過量，確定為23％，超過23％后環(huán)境過于潮濕不利于放熱反應(yīng)進(jìn)行。實(shí)施例2：采空區(qū)是多孔介質(zhì)，孔隙率呈非均質(zhì)性分布，各區(qū)域漏風(fēng)率不同，則氧化反應(yīng)速率及散熱量不同。為符合真實(shí)采空區(qū)，需要將粉狀自發(fā)熱材料附著在不同粒度的煤樣上，填充采空區(qū)，因此需要對不同粒度的煤樣與自發(fā)熱材料按不同配比混合后的發(fā)熱效果進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)得到的特征參數(shù)如表3所示。表3不同配比相似材料氧化升溫特征參數(shù)相似材料整體發(fā)熱效果評價(jià)指標(biāo)主要有四個(gè)：最高溫度、達(dá)到最高溫度的時(shí)間、40℃以上溫度持續(xù)的時(shí)間以及最大溫差，其中達(dá)到最高溫度的時(shí)間和40℃以上溫度持續(xù)的時(shí)間為高優(yōu)指標(biāo)，其他兩個(gè)為低優(yōu)指標(biāo)。采用topsis對高優(yōu)指標(biāo)和低優(yōu)指標(biāo)分別進(jìn)行同向化歸一化變化，評價(jià)結(jié)果如表4所示。表4煤樣配比的評價(jià)結(jié)果應(yīng)用實(shí)例：根據(jù)相似準(zhǔn)則，針對一個(gè)尺寸相似比為1∶200的易自燃采空區(qū)，采集煤樣與自發(fā)熱材料進(jìn)行混合，并對相似材料與煤的放熱量相似比和耗氧速率相似比進(jìn)行測量計(jì)算，采用的儀器分別為dsc差示掃描量熱儀、程序升溫程序和氣相色譜儀。從而，計(jì)算得到實(shí)驗(yàn)參數(shù)，進(jìn)行相似實(shí)驗(yàn)。dsc實(shí)驗(yàn)在空氣氣氛中進(jìn)行，空氣流量為50ml/min，實(shí)驗(yàn)升溫速率在室溫至400℃區(qū)間是2℃/min，400～1000℃/min區(qū)間是10℃/min，樣品重量為3.15mg，煤樣剝皮之后制作，為保證煤與自發(fā)熱材料充分混合并完全反應(yīng)，煤樣粒徑dm＜0.125mm。其中，試樣的組成如表5所示。表5實(shí)驗(yàn)樣品組成試樣組分比例重量/mg試樣1煤3.15試樣2煤+自發(fā)熱材料m發(fā)熱∶m煤＝1∶23.15試樣3煤+自發(fā)熱材料m發(fā)熱∶m煤＝1∶13.15下面分別對表5中3種試樣進(jìn)行dsc實(shí)驗(yàn)，對dsc曲線積分得到不同溫度下反應(yīng)的放熱量，并以此計(jì)算相似比值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表6所示。表6不同溫度下混合材料放熱量由表6可以看出：(1)在低溫階段，隨著自發(fā)熱材料混合量的增加，相似發(fā)熱量增加，當(dāng)混合比為1∶1時(shí)，發(fā)熱量在90～110℃區(qū)間可達(dá)132.23j/g，是原煤的4.5倍；(2)根據(jù)相似準(zhǔn)則可以計(jì)算得到速度相似比ur≈0.02。下面分別對表7中的4種試樣材料進(jìn)行程序升溫程序?qū)嶒?yàn)，并使用氣相色譜儀分析氧氣氣體體積分?jǐn)?shù)的變化：表7程序升溫試樣組成實(shí)驗(yàn)中流量是100ml/min，氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21％，升溫速率為室溫～100℃時(shí)0.5℃/min，100～180℃時(shí)2℃/min。將氣相產(chǎn)物導(dǎo)入氣相色譜儀，溫度采集點(diǎn)分別是30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、100℃、120℃、140℃、160℃、180℃，對以上溫度點(diǎn)上的氣體產(chǎn)物進(jìn)行分析，計(jì)算耗氧速率，根據(jù)圖1分析得出時(shí)間相似比。由圖1可得出：(1)隨著體系溫度的升高，耗氧速率不斷增大；相似材料的耗氧速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單純煤的耗氧速率，70℃之前，相似材料的耗氧速率迅速增大，從47～9133×10-11mol/(cm3·s)，而試樣1中煤的耗氧速率很小，只有160～460×10-11mol/(cm3·s)；(2)室溫到50℃之間混合相似材料的耗氧速率與煤樣的耗氧速率比可以達(dá)到120，隨著溫度的升高，相似材料與煤樣耗氧速率比不斷減小，120℃之后煤的反應(yīng)速率明顯開始增大，這足以說明自發(fā)熱材料在室溫下便與氧氣發(fā)生強(qiáng)烈的反應(yīng)，并放出熱量，為相似材料的升溫提供了原始的升溫動力，之后隨著溫度的不斷升高煤的反應(yīng)速率增大，二者共同參與到反應(yīng)中來；(3)從而，耗氧速率比v(t)＝120，根據(jù)相似準(zhǔn)則按數(shù)量級來計(jì)算，可以得到時(shí)間相似比tr＝1/100，即本實(shí)驗(yàn)中15min相當(dāng)于實(shí)際時(shí)間的1d，實(shí)際煤樣不同相似時(shí)間比不同。從而，在得到各項(xiàng)參數(shù)之后，可以將相似材料填充在相似實(shí)驗(yàn)臺中，對采空區(qū)遺煤的氧化升溫過程進(jìn)行相似實(shí)驗(yàn)研究，為預(yù)測采空區(qū)遺煤自燃提供依據(jù)。當(dāng)前第1頁12