技术领域
[0001] 本
发明涉及矿井安全领域，特别涉及一种矿用泡沫流体材料防灭火特性测试装置及方法。
背景技术
[0002]
煤炭自燃是煤矿生产中的主要
自然灾害之一，它不仅烧毁或冻结大量煤炭资源，而且常会引发重特大瓦斯爆炸灾害事故，造成人员伤亡和经济损失。目前用于矿井煤自燃防治的方法主要有注浆、注惰气、注阻化剂、注凝胶和注泡沫等，这些技术在矿井煤自燃防治中起到了重要的作用，其中泡沫流体材料防灭火效果显著，优点突出，不仅可以有效地防治煤炭自燃，而且还能很好地封堵
破碎煤体防止漏
风，特别适用于采空区不明
位置火源和高冒区煤炭自燃的防治，是一种具有广阔应用前景和推广价值的新型矿用防灭火材料。而泡沫流体压注是一个非常复杂的过程，为了使泡沫流体能够有效的到达需要封堵的裂隙及高温火源点区域，有必要开展压注过程中其本身的渗流、扩散、运移规律研究；同时为了达到灭火效果，必须对泡沫流体防灭火特性进行测试。
[0003] 目前学术上虽然有很多关于矿用防灭火材料性能相关的研究，但是没有具体涉及到一种全面测试矿用泡沫流体防灭火特性的装置与方法。如学者秦波涛在《防灭火三相泡沫流体特性实验研究》一文中虽有涉及泡沫流体材料特性研究，但没有具体涉及到泡沫流体材料的防灭火特性，也没有提供一套成型的的测试装置。中国
专利申请号CN201220745453.3，公开日2013.07.03，公开了一 种煤矿用
堵漏材料隔风性能测试装置，该发明装置虽然能够测试堵漏材料隔风性能，但是并不能用来研究矿用泡沫流体材料渗流、扩散、运移规律以及降温效果。综上所述，有必要发明一套能够全面测试矿用泡沫流体材料防灭火特性测试装置与方法。
发明内容
[0004] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种能够同时检测材料渗流规律、降温特性以及堵漏风特性，并模拟测定出泡沫流体对隐蔽火源降温效果的矿用泡沫流体材料防灭火特性测试装置，本发明还提供了一种矿用泡沫流体材料防灭火特性测试方法。
[0005] 本发明解决上述问题的技术方案是：一种矿用泡沫流体材料防灭火特性测试装置，包括升降式灌注装置、模型试验架、填充介质模型和监测装置，所述升降式灌注装置与模型试验架连接完成泡沫流体的灌注，所述填充介质模型置于模型试验架内，填充介质模型内埋设一个隐蔽高温火源点和多个土压
力计、
热电偶，所述土压力计、热电偶通过
导线与模型试验架外的检测系统相连。
[0006] 上述矿用泡沫流体材料防灭火特性测试装置中，所述模型试验架分为上半部分的模拟区和下半部分的
真空测试腔体，填充介质模型置于模拟区内，模拟区的
侧壁上设有用于连接升降式灌注装置的灌注口，模拟区的
底板上设有与真空测试腔体相连通的连通孔，真空测试腔体内设有
抽屉，抽屉与真空测试腔体四周用玻璃胶密封。
[0007] 上述矿用泡沫流体材料防灭火特性测试装置中，所述模型试验架的模拟区为透明的有机玻璃材质，模型试验架的真空测试腔体为木材质。
[0008] 上述矿用泡沫流体材料防灭火特性测试装置中，所述升降式灌注装置包括
铁桶，所述铁桶挂在升降梯上，铁桶的上部用绑带与
起重机相连，铁桶的底部设有出口，所述出口通过管道与模型试验架上的灌注口相连，管道上设有
阀门。
[0009] 上述矿用泡沫流体材料防灭火特性测试装置中，所述监测装置包括渗流压力监测系统、渗流扩散平面图像实时采集系统、真空腔室
负压监测系统及隐蔽高温点
温度监测系统，所述渗流压力监测系统包括静态应变仪和第一计算机，第一计算机与静态应变仪相连，静态应变仪与土压力计相连，所述渗流扩散平面图像实时采集系统包括动态分析仪和第二计算机，第二计算机与动态分析仪相连，动态分析仪正对模型试验架设置，所述真空腔室负压监测系统包括真空压力表和真空
泵，真空压力表安装在真空测试腔体侧壁上，
真空泵通过真空测试腔体侧壁上的抽真空口与真空测试腔体相连，所述隐蔽高温点温度监测系统包括数字测温表，数字测温表与热电偶相连。
[0010] 上述矿用泡沫流体材料防灭火特性测试装置中，所述填充介质模型中充填物为煤颗粒和煤矸石
岩石，并采用分层铺设。
[0011] 上述矿用泡沫流体材料防灭火特性测试装置中，所述隐蔽高温火源点为点燃的蜂窝煤。
[0012] 一种矿用泡沫流体材料防灭火特性测试方法，步骤如下：
[0013] 步骤一：分层铺设填充介质模型，在填充介质模型中埋设土压力计、热电偶、隐蔽高温火源点；
[0014] 步骤二：连接监测设备，用导线将土压力计与静态应变仪连接，热电偶与数字测温表连接，调试动态分析仪，进行静态应变仪的自动调零；
[0015] 步骤三：进行渗流降温实验，将所要测试的泡沫流体倒入升降式灌注装置内，通过升降梯调节好升降高度，打开阀门，进行灌注实验，全过程实时录像， 并记录好监测
探头数据，分析
应力和对应的扩散图像，结合泡沫流体
粘度参数，得出渗流扩散规律；同时检查真空测试腔体的抽屉中是否有排液
水，若有则将排液水的
质量称重，得出泡沫流体的热
稳定性；记录数字测温表数据，分析得出泡沫流体的降温特性；
[0016] 步骤四：待渗流降温实验结束，用真空泵将真空测试腔体的负压降至-2000Pa，进行堵漏隔风性能测试，通过真空压力表观测负压变化，分析得出泡沫流体的堵漏隔风性能；
[0017] 步骤五：清理模型，并取煤岩与泡沫流体固结体样品，用以分析两者固结面情况。
[0018] 上述矿用泡沫流体材料防灭火特性测试方法，所述步骤一中，煤柱模
块中裂隙孔隙率设置为0.15；周边裂隙区域裂隙孔隙率设置为0.35，所有模块中充填的煤颗粒和煤矸石岩石去除杂色、整体呈深黑色，整个填充介质模型铺设高度为350mm，采用分层铺设，每层铺设高度为50mm。
[0019] 上述矿用泡沫流体材料防灭火特性测试方法，所述步骤三中，渗流扩散规律的得出方法如下：假定到达某位置的单位质量泡沫流体其运动过程是以一个单位整体运动，且沿着一条通道裂隙运动，借鉴
宾汉流体在圆管中的渗流公式推导思想，得出泡沫流体在裂隙通道中渗流扩散距离与渗流压差、扩散时间之间的关系式：
[0020]
[0021] 式中Δp为裂隙通道两监测点的渗流压力差；φ为模型中煤柱区域或周边裂隙区域孔隙率；β为泡沫流体粘度与水粘度的比值；t为灌注泡沫流体时间；K为 渗透系数；λ为2倍静切力与裂隙通道孔径的比值；l0为注浆口半径；l1为渗流距离；
[0022] 开展渗流试验时，泡沫流体粘度的拟合函数为：u＝aebt+c式中，a、b、c为拟合常数；
[0023] 泡沫流体粘度u与水粘度uW的比值β为：
[0024]
[0025] 将式(2)代入式(1)中，得出泡沫流体在裂隙通道中渗流扩散距离与渗流压差、扩散时间之间的关系式如下：
[0026]
[0027] 本发明的有益效果在于：
[0028] 1、本发明装置只需完成一次模拟实验，就能够同时完成泡沫流体防灭火特性三个指标的测定，其中包括渗流规律、降温特性以及堵漏风特性，大大降低了测定实验的繁琐性，并且装置中设有隐蔽高温火源点，能够模拟测定出泡沫流体对隐蔽火源的降温效果。
[0029] 2、本发明装置中模型试验架的模型区为透明的有机玻璃材质，动态分析仪能够直接从模型试验架表面观察到泡沫流体的渗流现象，通过埋设在模拟区内土压力计监测到泡沫流体在填充介质模型内部的渗流情况，结合两组数据分析，能够真实的反应出泡沫流体的渗流规律。
附图说明
[0030] 图1为本发明测试装置的结构示意图。
[0031] 图2为图1中填充介质模型的剖面图。
[0032] 图3为本发明的监测点布置示意图。
[0033] 图4为本发明测试装置测定无机
固化泡沫流体粘度随时间变化曲线图。
[0034] 图5为本发明测试装置测得高温点底部、中间、上部(T1、T2、T3)温度变化曲线图。图6为本发明测试装置测得真空测试腔体内压力随温度变化曲线图。
具体实施方式
[0035] 下面结合附图和
实施例对本发明作进一步的说明。
[0036] 如图1、图2所示，本发明的测试装置包括升降式灌注装置1、模型试验架2、填充介质模型3和监测装置，所述升降式灌注装置1与模型试验架2连接完成泡沫流体的灌注，所述填充介质模型3置于模型试验架2内，填充介质模型3内部不同层位、不同坐标处埋设一个隐蔽高温火源点303和多个土压力计301、热电偶302，所述土压力计301、热电偶302通过导线与模型试验架2外的检测系统相连。
[0037] 所述模型试验架2分为上半部分的模拟区201和下半部分的真空测试腔体202，模型试验架2的模拟区201为透明的有机玻璃材质，模型尺寸：长为1000mm、宽为800mm、高为500mm，填充介质模型3置于模拟区201内，模拟区201的侧壁上设有用于连接升降式灌注装置1的灌注口204，模拟区201的底板上设有两排与真空测试腔体202相连通的连通孔203，每排各5个、共10个；模型试验架2的真空测试腔体202为木材质，真空测试腔体202内设有抽屉207，抽屉207与真空测试腔体202四周用玻璃胶密封。
[0038] 所述升降式灌注装置1用来放置泡沫流体，其包括一个直径为800mm，高 为800mm，容积为400L的铁桶102，所述
[0039] 铁桶102挂在升降梯101上，铁桶102的上部用绑带与起重机相连，可通过升降梯101实现不同的泡沫流体灌注压头，铁桶102的底部设有出口103，所述出口103通过管道与模型试验架2上的灌注口204相连，管道上设有阀门104。升降梯101为一垂直放置的梯子，通过将铁桶102挂在升降梯101上不同的高度档位来实现铁桶102不同高度，有不同的高度后就能靠重力作用使得泡沫流体流出，流出的时候就带有不同的压头。
[0040] 所述填充介质模型3位于模拟区201内，如图3所示，煤柱模块及周边裂隙模块的相似尺寸主要根据两方面来选择，其一是具体煤矿煤柱受到顶板压力作用而破碎
变形后测量得到的煤柱宽度；其二是根据采空区顶板垮落“O”型圈理论划定的周边裂隙范围分布，所有模块中充填的煤颗粒和煤矸石岩石应去除杂色，整体呈深黑色。根据某矿现场实际情况，本次实验煤柱模块中裂隙孔隙率设置为0.15；周边裂隙区域孔隙率设置为0.35，孔隙率的控制采用体积填充法。整个填充介质模型3铺设高度为350mm，采用分层铺设，每层铺设高度为50mm。根据图3所示在模型中间不同层位、坐标处埋设微型土压力计301、热电偶302(LB-3上限1300℃，短时1600℃)、隐蔽高温火源点303。
[0041] 所述监测装置包括渗流压力监测系统401、渗流扩散平面图像实时采集系统404、真空腔室负压监测系统403及隐蔽高温点温度监测系统402，所述渗流压力监测系统401包括YE2539静态应变仪406和第一计算机405，第一计算机405与静态应变仪406相连，静态应变仪406与土压力计301相连，所述渗流扩散平面图像实时采集系统404包括动态分析仪408和第二计算机407，第二计算机407与动态分析仪408相连，动态分析仪408正对模型试验架2设置，所述真空 腔室负压监测系统403包括BD-801KZ真空压力表206(测量范围：-0.1-0Mpa)和2XZ-2直联旋片式真空泵205，真空压力表206安装在真空测试腔体202侧壁上，真空泵205通过真空测试腔体202侧壁上的抽真空口与真空测试腔体202相连，所述隐蔽高温点温度监测系统402包括数字测温表409(分辨力，0.1℃/0.1℉；准确度0.1％±0.4°；最大显示1999℃)，数字测温表409与热电偶302相连。
[0042] 一种矿用泡沫流体材料防灭火特性测试方法，步骤如下：
[0043] 步骤一：分层铺设填充介质模型3，煤柱模块中裂隙孔隙率设置为0.15；周边裂隙区域裂隙孔隙率设置为0.35，所有模块中充填的煤颗粒和煤矸石岩石去除杂色、整体呈深黑色，整个填充介质模型3铺设高度为350mm，采用分层铺设，每层铺设高度为50mm，在填充介质模型3中埋设土压力计301、热电偶302、隐蔽高温火源点303，隐蔽高温火源点为点燃的蜂窝煤。
[0044] 步骤二：连接监测设备，用导线将土压力计301与静态应变仪406连接，热电偶302与数字测温表409连接，调试动态分析仪408，进行静态应变仪406的自动调零。
[0045] 步骤三：进行渗流降温实验，将所要测试的泡沫流体倒入升降式灌注装置1内，按设计要求的出口压力通过升降梯101调节好升降高度，打开阀门104，进行灌注实验，全过程实时录像，并记录好监测探头数据，分析应力和对应的扩散图像，结合泡沫流体粘度参数，得出渗流扩散规律；
[0046] 由于无机固化泡沫流体在裂隙通道中运动情况复杂，假定到达某位置的单位质量泡沫流体其运动过程是以一个单位整体运动，且沿着一条通道裂隙运动，借鉴宾汉流体在圆管中的渗流公式推导思想，得出泡沫流体在裂隙通道中渗流 扩散距离与渗流压差、扩散时间之间的关系式：
[0047]
[0048] 式中Δp为裂隙通道两监测点的渗流压力差；φ为孔隙率，模型中煤柱区域孔隙率值为0.15，周边裂隙区域孔隙率值为0.35；β为泡沫流体粘度与水粘度的比值；t为灌注泡沫流体时间(即扩散时间)；K为渗透系数；λ为2倍静切力与裂隙通道孔径的比值；l0为注浆口半径，试验系统中尺寸为15mm；l1为渗流距离(即扩散距离)；
[0049] 开展渗流试验时，得到粘度随时间的变化曲线图，如图4所示，对图4中粘度随bt时间变化进行拟合，得到泡沫流体粘度的拟合函数为：u＝ae +c，式中，a＝0.033，b＝
0.166，c＝4.335；
[0050] 泡沫流体粘度u与水粘度uW(试验条件为10℃，水的粘度值为1.3077×10-3pa·s)的比值β为：
[0051]
[0052] 泡沫流体流经过1#-10#监测点的平均渗流压力和渗流扩散到各个监测点所需的时间如表1所示。
[0053] 表1
[0054]监测点 1# 2# 3# 4# 5# 6# 7# 8# 9# 10#
平均渗流压力(Kpa) 16.47 13.13 14.97 14.36 10.05 11.94 10.72 5.52 7.63 5.98 渗流扩散时间(s) 0 160 120 144 382 324 364 734 644 712
与1#点间压差(kpa) 0 3.24 1.5 2.01 6.32 4.53 5.65 10.85 8.74 10.39 泡沫流体粘度(pa.s) 4.360 4..370 4.360 4.365 4.451 4.448 4.454 4.557 4.523 4.548 渗流距离(mm) 0 255 250 255 510 500 510 776 750 776
孔隙率 0.35 0.15 0.35 0.35 0.15 0.35 0.35 0.15 0.35 0.35
[0055] 由公式(1)可得3#和6#监测点压差、时间和扩散距离的关系如式3所示：
[0056]
[0057] 将表3中3#、6#监测点对应有关参数代入到式(3)可得，
[0058]
[0059] 为了进一步修正式(1)的准确性，将剩余的2#、4#、5#、7#、8#、9#、10#监测点的扩散时间和渗流距离代入公式(1)计算出预测值，进而与试验测试值进行比较，结果如表2所示。
[0060] 表2
[0061]
[0062] 由表2可得，渗流压差公式预测值与试验结果总体上相符合，因此我们得出泡沫流体在裂隙通道中渗流扩散距离与渗流压差、扩散时间之间的关系式如式(5)所示。
[0063]
[0064] 同时检查真空测试腔体202的抽屉207中是否有排液水，若有则将排液水的质量称重，得出泡沫流体的
热稳定性；记录数字测温表409测得T1、T2、T3数据，绘制如图5所示的高温点底部、中间、上部(T1、T2、T3)温度变化曲线图。整个实验温度监测时间为60min，后续温度也保持平稳降低，并未出现温度反弹，说明无机固化泡沫流体前期能够有效隔离
氧气减缓煤自燃速度，
接触后能够
覆盖迅速降温，分析得出泡沫流体的降温特性；后期泡沫流体在裂隙通道中
凝结后，不开裂，能够持续对漏风通道进行封堵数据。
[0065] 步骤四：待渗流降温实验结束，用2XZ-2直联旋片式真空泵205将真空测试腔体202的负压降至-2000Pa，进行堵漏隔风性能测试，通过BD-801KZ真空压力表206观测负压变化，为了更好的反映出堵漏材料对裂隙封堵的稳定性，整个试验进行300min，结果如图6所示，分析得出泡沫流体的堵漏隔风性能。
[0066] 步骤五：清理模型，并取煤岩与泡沫流体固结体样品，用以分析两者固结面情况。
