一種測(cè)試地下煤田火區(qū)覆巖溫度變化的模型試驗(yàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種測(cè)試煤田火區(qū)溫度變化的模型試驗(yàn)方法，特別是一種測(cè)試地下煤 田火區(qū)覆巖溫度變化的模型試驗(yàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在我國(guó)新疆、內(nèi)蒙、山西等?。ㄗ灾螀^(qū)）現(xiàn)存大面積煤田火區(qū)。煤田火區(qū)不僅燒毀 大量煤炭資源，還會(huì)釋放有毒有害氣體，嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境，直接影響到我國(guó)煤炭資源的可 持續(xù)性發(fā)展和生態(tài)文明的建設(shè)。掌握地下煤田火區(qū)溫度場(chǎng)的變化是火區(qū)高溫區(qū)的反演和開 展有針對(duì)性的治理基礎(chǔ)。然而地下煤火系統(tǒng)是一個(gè)含內(nèi)熱源的熱-流-固多場(chǎng)耦合熱交換 系統(tǒng)。目前，涉及多場(chǎng)耦合的相似試驗(yàn)方法多以熱-流或者流-固為主，對(duì)于地下煤田火區(qū) 含內(nèi)熱源的熱-流-固耦合條件下的模型試驗(yàn)還未見報(bào)道，還沒(méi)有一種適合于測(cè)試地下煤 田火區(qū)熱交換過(guò)程中覆巖溫度變化的模型試驗(yàn)方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是要提供一種測(cè)試地下煤田火區(qū)覆巖溫度變化的模型試驗(yàn)方法，解 決現(xiàn)有的模型方法無(wú)法體現(xiàn)地下煤火區(qū)含內(nèi)熱源的熱-流-固多場(chǎng)耦合特性的問(wèn)題。
[0004] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：模型測(cè)試方法，步驟如下：
[0005] (1)根據(jù)原型火區(qū)情況以及確定的火區(qū)模型與原型幾何比尺和相似關(guān)系G"= GpCLCps、En= EPCLCPS、vn= Vp、λη= λ pCLCps、ε η= ε p、(p c)sp= (p c) sn、Asp= λ sn、 β "= β P、L PQ、1]"= U PQ、C = ? 確定模型火區(qū)材料的物性參數(shù)，其中和G p分 別為模型和原型的剪切模量，MPa 為模型與原型的幾何比尺，量綱為1 ;C ps為模型與原 型的煤巖固體密度比，量綱為1和Ep分別為模型和原型的彈性模量，MPa ; v ^和v p分別 為模型與原型的泊松比，量綱為1 ; 和λ p分別為模型和原型的拉梅常量，MPa ; ε "和ε p分別為模型和原型的體積應(yīng)變，量綱為1 ; (P c)sni和（P c) @分別為模型和原型的煤巖體積 熱容，Χ/(Κ·πι3) ;Asni和λ sp分別為模型和原型的固體的導(dǎo)熱系數(shù)，WAm*K) "和β p分 另IJ為模型和原型的固體的熱膨脹系數(shù)，K 和Lp分別為模型和原型的特征長(zhǎng)度，ml和 Up分別為模型和原型的位移，m ;d "和d p分別為模型和原型的粒子直徑，m ;
[0006] (2)按照原型火區(qū)范圍、地層情況和火區(qū)模型與原型幾何比尺確定模型火區(qū)各地 質(zhì)層以及燃燒層采空區(qū)與燃燒區(qū)的尺寸和位置，然后根據(jù)步驟（1)中確定的物性參數(shù)，搭 建模型火區(qū)并在模型火區(qū)燃燒層上部布置測(cè)溫元件和在燃燒層采空區(qū)內(nèi)等間距布置熱量 可控的電加熱器；
[0007] (3)根據(jù)步驟（2)中已經(jīng)確定的模型火區(qū)燃燒層采空區(qū)的尺寸和位置對(duì)模型燃燒 層開挖，達(dá)到預(yù)先確定的燃燒層采空區(qū)開挖尺寸后停止開挖，獲得燃燒層開采后的覆巖情 況；
[0008] (4)根據(jù)速度相似關(guān)系F；b = 和體積火源產(chǎn)熱速率相似關(guān)系= ，確 定模型火區(qū)風(fēng)速和燃燒層電加熱器的產(chǎn)熱速率，其中Vni和Vp分別為模型和原型的火區(qū)風(fēng) 速，m/s 分別為模型和原型的體積火源產(chǎn)熱速率，W ;
[0009] (5)選擇燃燒層點(diǎn)、線、面的某一加熱方式，根據(jù)已確定的風(fēng)速對(duì)火區(qū)供風(fēng)，將電加 熱器調(diào)整至已確定的產(chǎn)熱速率，開啟電加熱器，同時(shí)打開火區(qū)覆巖內(nèi)的測(cè)溫元件和火區(qū)外 部的紅外熱成像儀對(duì)供熱條件下火區(qū)覆巖各測(cè)點(diǎn)的火區(qū)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和記錄；
[0010] (6)根據(jù)各測(cè)點(diǎn)的溫度記錄結(jié)果和外紅熱成像圖，作出火區(qū)各測(cè)點(diǎn)溫度隨測(cè)試時(shí) 間的變化曲線，即得到火區(qū)覆巖溫度的變化情況；
[0011] 所述的模型火區(qū)燃燒層上部測(cè)溫元件布置，燃燒層采空區(qū)上覆巖層中的最上層測(cè) 溫元件距表面距離均不超過(guò)l〇cm、測(cè)溫元件縱向?qū)娱g距控制在10~30cm之間、測(cè)溫元件橫 向?qū)娱g距控制在10~40cm之間、采空區(qū)上部最外層的測(cè)溫元件距離采空區(qū)邊界的最近水 平距離控制在0~50cm之間。
[0012] 所述的燃燒層采空區(qū)內(nèi)電加熱器布置，相鄰電加熱器間距控制在2~8cm之間；燃 燒層采空區(qū)內(nèi)最外層電加熱器距離采空區(qū)邊界最近水平距離控制在0~l〇cm之間。
[0013] 所述的點(diǎn)、線、面加熱方式，其特征是通過(guò)開啟單個(gè)不連續(xù)的電加熱器來(lái)模擬點(diǎn)火 源，開啟煤層任一方向上相鄰的2個(gè)及2個(gè)以上電加熱器來(lái)模擬線火源，開啟煤層任意相鄰 數(shù)個(gè)能組成一個(gè)面的電加熱器來(lái)模擬面火源。
[0014] 有益效果，由于采用了上述方案，針對(duì)地下煤田火區(qū)熱交換過(guò)程中所表現(xiàn)出來(lái)的 含內(nèi)熱源的熱-流-固多場(chǎng)耦合特性，在預(yù)先確定模型和原型長(zhǎng)度比尺的情況下，模型試驗(yàn) 過(guò)程中通過(guò)模型材料物性參數(shù)相似關(guān)系、火區(qū)風(fēng)速相似關(guān)系和體積火源產(chǎn)熱速率相似關(guān)系 之間的約束實(shí)現(xiàn)熱-流-固多場(chǎng)耦合；基于體積火源產(chǎn)熱速率相似關(guān)系，通過(guò)在燃燒層預(yù)先 布置產(chǎn)熱速率可控的加熱器的方式解決了之前多場(chǎng)耦合模型試驗(yàn)無(wú)內(nèi)熱源的問(wèn)題；試驗(yàn)過(guò) 程中通過(guò)模擬燃燒層的開采獲得火區(qū)形成前的覆巖初始情況；在以上前提下，最后通過(guò)布 置在火區(qū)覆巖內(nèi)的測(cè)溫元件和火區(qū)外部的紅外熱成像儀監(jiān)測(cè)燃燒層產(chǎn)熱下的地下煤田火 區(qū)覆巖溫度的變化。本發(fā)明解決了現(xiàn)有地下煤田火區(qū)模型試驗(yàn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)含內(nèi)熱源熱流固耦 合條件下火區(qū)覆巖溫度變化測(cè)試的不足，測(cè)試結(jié)果較熱流、流固耦合模型試驗(yàn)更準(zhǔn)確，在本 領(lǐng)域內(nèi)具有廣泛的實(shí)用性。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 該模型測(cè)試方法，步驟如下：
[0016] (1)根據(jù)原型火區(qū)情況以及確定的火區(qū)模型與原型幾何比尺和相似關(guān)系G"= GpCLCps、En= EPCLCPS、vn= Vp、λη= λ pCLCps、ε η= ε p、(p c)sp= (p c) sn、Asp= λ sn、 β "= β P、L PQ、1]"= U PQ、4 4，確定模型火區(qū)材料的物性參數(shù)，其中和G p分 別為模型和原型的剪切模量，MPa 為模型與原型的幾何比尺，量綱為1 ;C ps為模型與原 型的煤巖固體密度比，量綱為1和Ep分別為模型和原型的彈性模量，MPa ; v ^和v p分別 為模型與原型的泊松比，量綱為1 ; 和λ p分別為模型和原型的拉梅常量，MPa ; ε "和ε p分別為模型和原型的體積應(yīng)變，量綱為1 ; (P c)sni和（P c) @分別為模型和原型的煤巖體積 熱容，Χ/(Κ·πι3) ;Asni和λ sp分別為模型和原型的固體的導(dǎo)熱系數(shù)，WAm*K) "和β p分 另IJ為模型和原型的固體的熱膨脹系數(shù)，K 和Lp分別為模型和原型的特征長(zhǎng)度，ml和 up分別為模型和原型的位移，m ;d "和d p分別為模型和原型的粒子直徑，m ;
[0017] (2)按照原型火區(qū)范圍、地層情況和火區(qū)模型與原型幾何比尺確定模型火區(qū)各地 質(zhì)層
[0018] 以及燃燒層采空區(qū)與燃燒區(qū)的尺寸和位置，然后根據(jù)步驟（1)中確定的物性參 數(shù)，搭建模型火區(qū)并在模型火區(qū)燃燒層上部布置測(cè)溫元件和在燃燒層采空區(qū)內(nèi)等間距布置 熱量可控的電加熱器；
[0019] (3)根據(jù)步驟（2)中已經(jīng)確定的模型火區(qū)燃燒層采空區(qū)的尺寸和位置對(duì)模型燃燒 層開挖，達(dá)到預(yù)先確定的燃燒層采空區(qū)開挖尺寸后停止開挖，獲得燃燒層開采后的覆巖情 況；
[0020] (4)根據(jù)速度相似關(guān)系匕=和體積火源產(chǎn)熱速率相似關(guān)系β;二，確 定模型火區(qū)風(fēng)速和燃燒層電加熱器的產(chǎn)熱速率，其中Vni和Vp分別為模型和原型的火區(qū)風(fēng) 速，m/s ;幾分別為模型和原型的體積火源產(chǎn)熱速率，W ;
[0021] (5)選擇燃燒層點(diǎn)、線、面的某一加熱方式，根據(jù)已確定的風(fēng)速對(duì)火區(qū)供風(fēng)，將電加 熱器調(diào)整至已確定的產(chǎn)熱速率，開啟電加熱器，同時(shí)打開火區(qū)覆巖內(nèi)的測(cè)溫元件和火區(qū)外 部的紅外熱成像儀對(duì)供熱條件下火區(qū)覆巖各測(cè)點(diǎn)的火區(qū)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和記錄；
[0022] (6)根據(jù)各測(cè)點(diǎn)的溫度記錄結(jié)果和外紅熱成像圖，作出火區(qū)各測(cè)點(diǎn)溫度隨測(cè)試時(shí) 間的變化曲線，即得到火區(qū)覆巖溫度的變化情況；
[0023] 所述的模型火區(qū)燃燒層上部測(cè)溫元件布置，燃燒層采空區(qū)上覆巖層中的最上層測(cè) 溫元件距表面距離均不超過(guò)l〇cm、測(cè)溫元件縱向?qū)娱g距控制在10~30cm之間、測(cè)溫元件橫 向?qū)娱g距控制在10~40cm之間、采空區(qū)上部最外層的測(cè)溫元件距離采空區(qū)邊界的最近水 平距離控制在0~50cm之間。
[0024] 所述的燃燒層電加熱器布置，相鄰電加熱器間距控制在2~8cm之間；