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〇~l〇cm之間。
[0025] 所述的點(diǎn)、線、面加熱方式，其特征是通過開啟單個(gè)不連續(xù)的電加熱器來模擬點(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)面的電加熱器來模擬面火源。
[0026] 實(shí)施例1 :以新疆某煤田火區(qū)為原型進(jìn)行火區(qū)模型試驗(yàn)。該火區(qū)范圍 為300m (長）X 200m (寬）X 60m (高）、煤層厚8m，燃燒層（煤層）頂板距離地 表36m。煤層為長焰煤，其上部為粉砂巖，下部為粗砂巖?；饏^(qū)燃燒層采空區(qū)范圍 為130m(長）X92m(寬）X8m(高）；在水平剖面上，采空區(qū)距離原型火區(qū)各邊界距 離（左邊界起順時(shí)針方向）分別為52m、150m、56m、20m ;燃燒區(qū)位于采空區(qū)內(nèi)部范圍為 90m (長）X 52m (寬）X 8m (高），在水平剖面上，燃燒區(qū)距離采空區(qū)邊界的距離均為20m。原 型火區(qū)風(fēng)速為3m/s，燃燒區(qū)放熱速率為6000kW。
[0027] (1)選取火區(qū)模型與原型幾何比尺Q為1:100,根據(jù)原型火區(qū)地層情況和相似關(guān) 系 Gn= GpCLCps、En= EPCLCPS、vn= Vp、λη= λ pCLCps、ε η= ε p、（p c)sp= (p c) sn、Asp =λ?、1= β 確定模型火區(qū)材料物性參數(shù)。
[0028] (2)表1模型火區(qū)材料物性參數(shù)表
[0029]
[0030] (3)按照原型火區(qū)范圍尺寸、地質(zhì)情況和模型與原型幾何比尺1:100,確定模型火 區(qū)的尺寸為300cm (長）X 200cm (寬）X 60cm (高）、煤層厚8cm，燃燒層（煤層）頂板距離 地表36cm。火區(qū)燃燒層采空區(qū)范圍為130cm(長）X92cm(寬）X8cm(高），在水平剖面上， 采空區(qū)距離模型火區(qū)各邊界距離（左邊界起順時(shí)針方向）分別為52Cm、15〇Cm、56cm、2〇 Cm ; 燃燒區(qū)范圍為90cm(長）X 52cm(寬）X 8cm(高），在水平剖面上，燃燒區(qū)距離采空區(qū)邊界的 距離均為20cm。
[0031] (4)然后參照表1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。測(cè)溫元件選用熱電偶，上覆 巖層共布置兩層熱電偶，熱電偶等間距布置，熱電偶縱向?qū)娱g距為20cm，最上層距表面距離 為10cm，第二層熱電偶距離煤層頂板6cm，每層的熱電偶之間相鄰間距為35cm，兩層熱電偶 最外層距離模型火區(qū)燃燒層采空區(qū)邊界的最近水平距離（左邊界起順時(shí)針方向）分別為 6cm、28cm、38cm、32cm ;燃燒層采空區(qū)內(nèi)共布置一層電加熱器，電加熱器直徑為14cm，相鄰 電加熱器間距均為5cm，電加熱器距離燃燒層采空區(qū)邊界均為lcm，共布置35個(gè)電加熱器， 其中燃燒區(qū)布置15個(gè)電加熱器。
[0032] (5)根據(jù)⑴中已經(jīng)確定的模型火區(qū)各地質(zhì)層的尺寸、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。
[0033] (6)按照風(fēng)速相似條件匕確定對(duì)模型的供風(fēng)風(fēng)速為0. 30m/s ;根據(jù)體積 火源產(chǎn)熱速率相似關(guān)系β·", = ，確定模型燃燒區(qū)的放熱速率為60kW，燃燒區(qū)單個(gè)電加 熱器放熱速率為4kW。
[0034] (7)根據(jù)原型火區(qū)燃燒區(qū)為面火源分布的特征，選擇模型火區(qū)燃燒區(qū)的加熱方式 為面加熱。將供風(fēng)風(fēng)速調(diào)為0. 30m/s，對(duì)火區(qū)供風(fēng)；將燃燒區(qū)的每個(gè)電加熱器的功率調(diào)至 4kW，同時(shí)打開燃燒區(qū)內(nèi)的15個(gè)加熱器，并同時(shí)開啟火區(qū)外部的紅外熱成像儀和覆巖內(nèi)的 熱電偶對(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。
[0035] (8)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。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 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，其特征是：模型測(cè)試方法， 步驟如下： (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_定模型火區(qū)材料的物性參數(shù)，其中Gni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I ; Cft為模型與原型的煤巖固 體密度比，量綱為I !E111和Ep分別為模型和原型的彈性模量，MPa ; V JP V p分別為模型與 原型的泊松比，量綱為I ; Ani和λ p分別為模型和原型的拉梅常量，MPa ; ε "和ε 別為模 型和原型的體積應(yīng)變，量綱為I ; (P c)sni和（P c) @分別為模型和原型的煤巖體積熱容，J/ (K · m3) ; Asni和λ sp分別為模型和原型的固體的導(dǎo)熱系數(shù)，WAm · K) ; β "和β p分別為模 型和原型的固體的熱膨脹系數(shù)，K SL "和L p分別為模型和原型的特征長度，m ;U "和U p分別 為模型和原型的位移，m 和d p分別為模型和原型的粒子直徑，m ; (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； (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； (4) 根據(jù)速度相似關(guān)系和體積火源產(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V p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 ; (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； (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。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測(cè)試地下煤田火區(qū)覆巖溫度變化的模型試驗(yàn)方法，其特 征是：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 層間距控制在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。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測(cè)試地下煤田火區(qū)覆巖溫度變化的模型試驗(yàn)方法，其特 征是：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~IOcm之間。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測(cè)試地下煤田火區(qū)覆巖溫度變化的模型試驗(yàn)方法，其特 征是：所述的點(diǎn)、線、面加熱方式，其特征是通過開啟單個(gè)不連續(xù)的電加熱器來模擬點(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)面的電加熱器來模擬面火源。
【專利摘要】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，屬于測(cè)試煤田火區(qū)溫度變化的模型試驗(yàn)方法。首先根據(jù)火區(qū)原型范圍、地層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νm＝vp、εm＝εp、(ρc)sp＝(ρc)sm、λsp＝λsm、βm＝βp、Lm＝LpCL、Um＝UpCL、確定模型火區(qū)材料的物性參數(shù)和模型火區(qū)尺寸；然后根據(jù)原型火區(qū)及確定的模型火區(qū)尺寸和材料參數(shù)搭建模型火區(qū)，獲得燃燒層開采后的覆巖情況；最后根據(jù)速度相似關(guān)系和體積火源產(chǎn)熱速率相似關(guān)系控制模型火區(qū)風(fēng)速和火源產(chǎn)熱速率，同時(shí)利用布置的測(cè)溫元件監(jiān)測(cè)模型火區(qū)覆巖的溫度變化，解決了現(xiàn)有地下煤田火區(qū)模型試驗(yàn)無法實(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。
【IPC分類】G01N25/22, G01N33/22
【公開號(hào)】CN105352996
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510684586
【發(fā)明人】仲曉星, 曾杰, 王曉玲, 任宏偉, 湯研, 楊正杰
【申請(qǐng)人】中國礦業(yè)大學(xué)
【公開日】2016年2月24日
【申請(qǐng)日】2015年10月20日