一種礦用泡沫流體材料防滅火特性測(cè)試裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及礦井安全領(lǐng)域，特別涉及一種礦用泡沫流體材料防滅火特性測(cè)試裝置 及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 煤炭自燃是煤礦生產(chǎn)中的主要自然災(zāi)害之一，它不僅燒毀或凍結(jié)大量煤炭資源， 而且常會(huì)引發(fā)重特大瓦斯爆炸災(zāi)害事故，造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。目前用于礦井煤自燃 防治的方法主要有注漿、注惰氣、注阻化劑、注凝膠和注泡沫等，這些技術(shù)在礦井煤自燃防 治中起到了重要的作用，其中泡沫流體材料防滅火效果顯著，優(yōu)點(diǎn)突出，不僅可以有效地防 治煤炭自燃，而且還能很好地封堵破碎煤體防止漏風(fēng)，特別適用于采空區(qū)不明位置火源和 高冒區(qū)煤炭自燃的防治，是一種具有廣闊應(yīng)用前景和推廣價(jià)值的新型礦用防滅火材料。而 泡沫流體壓注是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，為了使泡沫流體能夠有效的到達(dá)需要封堵的裂隙及 高溫火源點(diǎn)區(qū)域，有必要開(kāi)展壓注過(guò)程中其本身的滲流、擴(kuò)散、運(yùn)移規(guī)律研究；同時(shí)為了達(dá) 到滅火效果，必須對(duì)泡沫流體防滅火特性進(jìn)行測(cè)試。
[0003]目前學(xué)術(shù)上雖然有很多關(guān)于礦用防滅火材料性能相關(guān)的研究，但是沒(méi)有具體涉 及到一種全面測(cè)試礦用泡沫流體防滅火特性的裝置與方法。如學(xué)者秦波濤在《防滅火 三相泡沫流體特性實(shí)驗(yàn)研究》一文中雖有涉及泡沫流體材料特性研究，但沒(méi)有具體涉及 到泡沫流體材料的防滅火特性，也沒(méi)有提供一套成型的的測(cè)試裝置。中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?CN201220745453. 3,公開(kāi)日2013. 07. 03,公開(kāi)了一種煤礦用堵漏材料隔風(fēng)性能測(cè)試裝置， 該發(fā)明裝置雖然能夠測(cè)試堵漏材料隔風(fēng)性能，但是并不能用來(lái)研究礦用泡沫流體材料滲 流、擴(kuò)散、運(yùn)移規(guī)律以及降溫效果。綜上所述，有必要發(fā)明一套能夠全面測(cè)試礦用泡沫流體 材料防滅火特性測(cè)試裝置與方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種能夠同時(shí)檢測(cè)材料滲流規(guī)律、降溫特性 以及堵漏風(fēng)特性，并模擬測(cè)定出泡沫流體對(duì)隱蔽火源降溫效果的礦用泡沫流體材料防滅火 特性測(cè)試裝置，本發(fā)明還提供了一種礦用泡沫流體材料防滅火特性測(cè)試方法。
[0005] 本發(fā)明解決上述問(wèn)題的技術(shù)方案是：一種礦用泡沫流體材料防滅火特性測(cè)試裝 置，包括升降式灌注裝置、模型試驗(yàn)架、填充介質(zhì)模型和監(jiān)測(cè)裝置，所述升降式灌注裝置與 模型試驗(yàn)架連接完成泡沫流體的灌注，所述填充介質(zhì)模型置于模型試驗(yàn)架內(nèi)，填充介質(zhì)模 型內(nèi)埋設(shè)一個(gè)隱蔽高溫火源點(diǎn)和多個(gè)土壓力計(jì)、熱電偶，所述土壓力計(jì)、熱電偶通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)與 模型試驗(yàn)架外的檢測(cè)系統(tǒng)相連。
[0006] 上述礦用泡沫流體材料防滅火特性測(cè)試裝置中，所述模型試驗(yàn)架分為上半部分的 模擬區(qū)和下半部分的真空測(cè)試腔體，填充介質(zhì)模型置于模擬區(qū)內(nèi)，模擬區(qū)的側(cè)壁上設(shè)有用 于連接升降式灌注裝置的灌注口，模擬區(qū)的底板上設(shè)有與真空測(cè)試腔體相連通的連通孔， 真空測(cè)試腔體內(nèi)設(shè)有抽屜，抽屜與真空測(cè)試腔體四周用玻璃膠密封。
[0007] 上述礦用泡沫流體材料防滅火特性測(cè)試裝置中，所述模型試驗(yàn)架的模擬區(qū)為透明 的有機(jī)玻璃材質(zhì)，模型試驗(yàn)架的真空測(cè)試腔體為木材質(zhì)。
[0008] 上述礦用泡沫流體材料防滅火特性測(cè)試裝置中，所述升降式灌注裝置包括鐵桶， 所述鐵桶掛在升降梯上，鐵桶的上部用綁帶與起重機(jī)相連，鐵桶的底部設(shè)有出口，所述出口 通過(guò)管道與模型試驗(yàn)架上的灌注口相連，管道上設(shè)有閥門(mén)。
[0009] 上述礦用泡沫流體材料防滅火特性測(cè)試裝置中，所述監(jiān)測(cè)裝置包括滲流壓力監(jiān)測(cè) 系統(tǒng)、滲流擴(kuò)散平面圖像實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)、真空腔室負(fù)壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及隱蔽高溫點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)系 統(tǒng)，所述滲流壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括靜態(tài)應(yīng)變儀和第一計(jì)算機(jī)，第一計(jì)算機(jī)與靜態(tài)應(yīng)變儀相連， 靜態(tài)應(yīng)變儀與土壓力計(jì)相連，所述滲流擴(kuò)散平面圖像實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)包括動(dòng)態(tài)分析儀和第二 計(jì)算機(jī)，第二計(jì)算機(jī)與動(dòng)態(tài)分析儀相連，動(dòng)態(tài)分析儀正對(duì)模型試驗(yàn)架設(shè)置，所述真空腔室負(fù) 壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括真空壓力表和真空栗，真空壓力表安裝在真空測(cè)試腔體側(cè)壁上，真空栗通 過(guò)真空測(cè)試腔體側(cè)壁上的抽真空口與真空測(cè)試腔體相連，所述隱蔽高溫點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包 括數(shù)字測(cè)溫表，數(shù)字測(cè)溫表與熱電偶相連。
[0010] 上述礦用泡沫流體材料防滅火特性測(cè)試裝置中，所述填充介質(zhì)模型中充填物為煤 顆粒和煤矸石巖石，并采用分層鋪設(shè)。
[0011] 上述礦用泡沫流體材料防滅火特性測(cè)試裝置中，所述隱蔽高溫火源點(diǎn)為點(diǎn)燃的蜂 窩煤。
[0012] 一種礦用泡沫流體材料防滅火特性測(cè)試方法，步驟如下：
[0013] 步驟一：分層鋪設(shè)填充介質(zhì)模型，在填充介質(zhì)模型中埋設(shè)土壓力計(jì)、熱電偶、隱蔽 高溫火源點(diǎn)；
[0014] 步驟二：連接監(jiān)測(cè)設(shè)備，用導(dǎo)線(xiàn)將土壓力計(jì)與靜態(tài)應(yīng)變儀連接，熱電偶與數(shù)字測(cè)溫 表連接，調(diào)試動(dòng)態(tài)分析儀，進(jìn)行靜態(tài)應(yīng)變儀的自動(dòng)調(diào)零；
[0015] 步驟三：進(jìn)行滲流降溫實(shí)驗(yàn)，將所要測(cè)試的泡沫流體倒入升降式灌注裝置內(nèi)，通過(guò) 升降梯調(diào)節(jié)好升降高度，打開(kāi)閥門(mén)，進(jìn)行灌注實(shí)驗(yàn)，全過(guò)程實(shí)時(shí)錄像，并記錄好監(jiān)測(cè)探頭數(shù) 據(jù)，分析應(yīng)力和對(duì)應(yīng)的擴(kuò)散圖像，結(jié)合泡沫流體粘度參數(shù)，得出滲流擴(kuò)散規(guī)律；同時(shí)檢查真 空測(cè)試腔體的抽屜中是否有排液水，若有則將排液水的質(zhì)量稱(chēng)重，得出泡沫流體的熱穩(wěn)定 性；記錄數(shù)字測(cè)溫表數(shù)據(jù)，分析得出泡沫流體的降溫特性；
[0016] 步驟四：待滲流降溫實(shí)驗(yàn)結(jié)束，用真空栗將真空測(cè)試腔體的負(fù)壓降至_2000Pa， 進(jìn)行堵漏隔風(fēng)性能測(cè)試，通過(guò)真空壓力表觀(guān)測(cè)負(fù)壓變化，分析得出泡沫流體的堵漏隔風(fēng)性 能；
[0017] 步驟五：清理模型，并取煤巖與泡沫流體固結(jié)體樣品，用以分析兩者固結(jié)面情況。
[0018] 上述礦用泡沫流體材料防滅火特性測(cè)試方法，所述步驟一中，煤柱模塊中裂隙孔 隙率設(shè)置為〇. 15 ;周邊裂隙區(qū)域裂隙孔隙率設(shè)置為0. 35,所有模塊中充填的煤顆粒和煤矸 石巖石去除雜色、整體呈深黑色，整個(gè)填充介質(zhì)模型鋪設(shè)高度為350mm，采用分層鋪設(shè)，每層 鋪設(shè)高度為50mm。
[0019] 上述礦用泡沫流體材料防滅火特性測(cè)試方法，所述步驟三中，滲流擴(kuò)散規(guī)律的得 出方法如下：假定到達(dá)某位置的單位質(zhì)量泡沫流體其運(yùn)動(dòng)過(guò)程是以一個(gè)單位整體運(yùn)動(dòng)，且 沿著一條通道裂隙運(yùn)動(dòng)，借鑒賓漢流體在圓管中的滲流公式推導(dǎo)思想，得出泡沫流體在裂 隙通道中滲流擴(kuò)散距離與滲流壓差、擴(kuò)散時(shí)間之間的關(guān)系式：
[0020] (1)
[0021] 式中Ap為裂隙通道兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)的滲流壓力差；Φ為模型中煤柱區(qū)域或周邊裂隙區(qū) 域孔隙率；β為泡沫流體粘度與水粘度的比值；t為灌注泡沫流體時(shí)間；Κ為滲透系數(shù)；λ 為2倍靜切力與裂隙通道孔徑的比值；1。為注漿口半徑；1i為滲流距離；
[0022] 開(kāi)展?jié)B流試驗(yàn)時(shí)，泡沫流體粘度的擬合函數(shù)為：u=aebt+c式中，a、b、c為擬合常 數(shù)；
[0023] 泡沫流體粘度u與水粘度uw的比值β為：
[0024]
[0025] 將式（2)代入式（1)中，得出泡沫流體在裂隙通道中滲流擴(kuò)散距離與滲流壓差、擴(kuò) 散時(shí)間之間的關(guān)系式如下：
[0026]
[0027] 本發(fā)明的有益效果在于：
[0028] 1、本發(fā)明裝置只需完成一次模擬實(shí)驗(yàn)，就能夠同時(shí)完成泡沫流體防滅火特性三個(gè) 指標(biāo)的測(cè)定，其中包括滲流規(guī)律、降溫特性以及堵漏風(fēng)特性，大大降低了測(cè)定實(shí)驗(yàn)的繁瑣 性，并且裝置中設(shè)有隱蔽高溫火源點(diǎn)，能夠模擬測(cè)定出泡沫流體對(duì)隱蔽火源的降溫效果。
[002