采空区煤制油气化灰渣凝胶浆液流动特性测试系统及方法

1.本发明涉及注浆设备技术领域，更具体的说是涉及一种采空区煤制油气化灰渣凝胶浆液流动特性测试系统及方法。


背景技术：

2.采空区是指低价固体矿床被开采后留下的空间区域，随着采煤方法及采煤工艺的不断发展更新，煤炭产量大幅增加，经济效益不断提高，同时也造成了采空区遗煤增多，增加了浮煤氧化自燃潜在危险，使得煤层发火概率增高，矿井自燃火灾事故增多。采空区煤自燃除了能引发煤矿火灾之外，还可能引起瓦斯爆炸、煤尘爆炸等次生事故，其危害程度不亚于瓦斯、顶板、突水等事故类型。因此，防治采空区自燃，对减少人员伤亡和财产损失具有重大的意义。采用采空区注浆方法能很好解决采空区问题。采空区注浆法是采空区治理工程的核心内容,是关系到采空区治理工程质量和效益的关键环节，具有工艺简单，操作方便，费用低，治理效果好的优点。煤制油气化灰渣(简称气化灰渣)是一种在煤制油过程中产生的固体灰渣。由于气化灰渣难以降解，存在利用效率和经济效益低的问题，导致气化灰渣长期堆积在地面占用大量的土地资源，而且遇到雨水和大风会向周围和地下渗透、引发扬尘，造成环境污染。根据前人研究成果以及结合气化灰渣自身的特点，可以将气化灰渣配制成防灭火材料灌注到井下采空区，对采空区煤层自燃引发的矿井火灾事故进行有效地防治，同时有效解决了气化灰渣的堆积及污染问题，并且推动煤制油行业的迅猛发展，带动能源资源行业结构转型，实现各项资源的可持续发展，对社会、环保、经济等方面具有积极的促进作用。
3.矿用气化灰渣防灭火凝胶是一种介于固态与液态之间的弹性半固体，通过胶凝前浆液输送至井下，逐渐渗流进入到煤岩裂隙，最终将煤体表面覆盖，阻止氧气与煤体接触；凝胶中的水分子可以吸收煤体热量降低煤温，且水受热汽化后形成的水蒸气能降低区域内的氧气浓度，减缓煤氧反应速率，达到矿井火灾防治的目的。该技术对气化灰渣浆液的流动性质有一定的要求。气化灰渣浆液流动特性主要体现在液面高度、扩散形状、扩散半径和流速与压力的变化上，但是在不同浆液配比、不同注浆参数的条件下，浆液所展现的流动特性也难以预测，没有专门的测试系统，很难大规模对于气化灰渣浆液进行流动特性测试。
4.因此提出一种采空区煤制油气化灰渣凝胶浆液流动特性测试系统及方法，来解决现有技术存在的困难，是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种采空区煤制油气化灰渣凝胶浆液流动特性测试系统及方法，可以得知不同工况下的浆液扩散情况，为现场注浆工程提供指导意见，对采空区注浆实时浆液流动状态的掌握具有实际意义。
6.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种采空区煤制油气化灰渣凝胶浆液流动特性测试系统，包括注浆系统、可视化
注浆模型、观测系统以及数据采集系统；
8.所述注浆系统包括依次连接的空气压缩机、调压阀、气动隔膜泵、截止阀、压力计、稳压罐和流量计；
9.所述可视化注浆模型包括可拆卸透明注浆箱和设置于所述可拆卸透明注浆箱中的多个孔隙水压力传感器；
10.所述观测系统包括依次连接的高速摄像机和第一电脑；
11.所述数据采集系统包括采集模块、流量记录仪，所述流量记录仪连接所述流量计，将测得浆液流量数据输送至所述采集模块，所述采集模块将多个所述孔隙水压力传感器所测得的所述可拆卸透明注浆箱内注浆压力数据进行采集汇总并连接第二电脑进行数据呈现。
12.上述的方法，可选的，所述可拆卸透明注浆箱箱体由透明亚克力板制成并拼接组成，由横杆贯穿加固。
13.上述的方法，可选的，所述可拆卸透明注浆箱内沿垂直中心线等间距分布多个所述孔隙水压力传感器，多个所述孔隙水压力传感器分别测试浆液流经不同高度时的压力变化，以观测浆液在煤矸石间的流动特性。
14.上述的方法，可选的，所述孔隙水压力传感器由不锈钢材质制成。
15.上述的方法，可选的，所述孔隙水压力传感器的个数为7。
16.上述的方法，可选的，所述高速摄像机的摄像头朝向所述可拆卸透明注浆箱安装，并连接所述第一电脑实时录像监测注浆液面高度、浆液流动状态随时间的变化。
17.一种采空区煤制油气化灰渣凝胶浆液流动特性测试方法，应用于上述任一项所述的一种采空区煤制油气化灰渣凝胶浆液流动特性测试系统，包括如下步骤：
18.步骤1：首先以水灰比、孔隙率和注浆压力做为实验变量分别确定相关参数；
19.步骤2：测试获得不同实验条件下注浆时的液面高度、扩散形状、扩散半径、流速与压力变化，并将每种实验条件下，所得扩散半径数据与注浆压力、水灰比、孔隙率一一对应，扩散高度、注浆流速、注浆压力数据与时间一一对应，再分别通过软件进行拟合，得出各注浆参数与注浆时间的函数关系式；
20.步骤3：通过函数关系式反应了这些注浆参数与浆液扩散特性的规律，通过注浆压力和流速的变化反应了浆液在采空区中的扩散阻力，得出不同注浆条件下，气化灰渣浆液的流动特性状态。
21.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种采空区煤制油气化灰渣凝胶浆液流动特性测试系统及方法：完善了一种采空区气化灰渣浆液流动特性测试方法，弥补了由于采空区的隐蔽性对于浆液扩散状态无法得知的缺陷，通过本测试方法可以得知不同工况下的浆液扩散情况，为现场注浆工程提供指导意见，对采空区注浆实时浆液流动状态的掌握具有实际意义。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据
提供的附图获得其他的附图。
23.图1为本发明提供的一种采空区煤制油气化灰渣凝胶浆液流动特性测试的系统结构示意图；
24.1-空气压缩机，2-调压阀，3-气动隔膜泵，4-截止阀，5-压力计，6-稳压罐，7-流量计，8-可拆卸透明注浆箱，9-孔隙水压力传感器，10-采集模块，11-第二电脑，12-流量记录仪，13-高速摄像机，14-第一电脑；
25.图2为本发明提供的一种采空区煤制油气化灰渣凝胶浆液流动特性测试的方法流程图。
具体实施方式
26.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.参照图1所示，本发明公开了一种采空区煤制油气化灰渣凝胶浆液流动特性测试系统，包括注浆系统、可视化注浆模型、观测系统以及数据采集系统；
28.注浆系统包括依次连接的空气压缩机1、调压阀2、气动隔膜泵3、截止阀4、压力计5、稳压罐6和流量计7；
29.可视化注浆模型包括可拆卸透明注浆箱8和设置于可拆卸透明注浆箱8中的多个孔隙水压力传感器9；
30.观测系统包括依次连接的高速摄像机13和第一电脑14；
31.数据采集系统包括采集模块10、流量记录仪12，所述流量记录仪12连接流量计7，将测得浆液流量数据输送至所述采集模块10，采集模块10将多个所述孔隙水压力传感器9所测得的可拆卸透明注浆箱8内注浆压力数据进行采集汇总并连接第二电脑11进行数据呈现。
32.本实施例中，压力计5量程为1.6mpa隔膜式压力表，用于监测两个注浆管道的实时压力。
33.本实施例中，空气压缩机1功率为4270w，通过气动压缩空气提供压力，最大压力为1.2mpa。
34.本实施例中，调压阀2选用型号为ir2020-02bg，调压范围为0.01-1mpa，由调压手轮、金属支架、铝合金阀体、负荷孔、精密压力表及出气口构成，通过扭转调压手轮实现精准调压。
35.本实施例中，气动隔膜泵3型号为qby-40铝合金，具有轻度的耐腐蚀性。气动隔膜泵采用压缩气体为动力源，流量随出口阻力的变化而主动调节，用于作为浆液的输送装置。
36.本实施例中，稳压管6型号为12l-1mpa，所述稳压罐由罐体、气囊、接水口及排气口四部份组成，避免安全阀频繁开启和自动补水阀频繁补水，当外界有压力的液体进入膨胀罐气囊内时，密封在罐内的氮气被压缩，直到膨胀罐内气体压力与液体的压力达到一致时停止进水，起到了平衡水量及压力的作用。
37.本实施例中，流量计7选用防酸抗碱耐磨电磁流量计，型号是dn20，接口螺纹尺寸
为20mm的外螺纹，对应注浆管内径20mm。
38.本实施例中，流量记录仪12由流量采集模块和流量计信号转换器组成，流量计信号转换器通过将流量信号转换成电信号输入到采集模块，再传输到电脑端显示流量的变化。所述流量采集模块选用型号为daqm-4203,流量计信号转换器型号为cbt-1009。
39.本实施例中，注浆管选用pvc透明钢丝软管，管径为内径20mm，厚2.5mm。
40.进一步的，可视化注浆模型中，可拆卸透明注浆箱8箱体由透明亚克力板制成并拼接组成，由横杆贯穿加固，该箱体可以进行模型拆卸，便于研究观察扩散浆液脉络分布规律、扩散半径及扩散形状等参数，其内填充满煤矸石以模拟采空区自然条件；
41.本实施例中，可视化注浆模型由含内嵌槽的钢板、高强度亚克力板、高强对拉螺栓、压头、反力板以及注浆花管构成。可拆卸透明注浆箱8尺寸为600mm
×
600mm
×
800mm，厚度是30mm，箱体内填充满煤矸石以模拟采空区自然条件。
42.更进一步的，可拆卸透明注浆箱8内沿垂直中心线等间距分布多个孔隙水压力传感器9，多个孔隙水压力传感器9分别测试浆液流经不同高度时的压力变化，以观测浆液在煤矸石间的流动特性。
43.本实施例中，相邻的两个孔隙水压力传感器9沿箱体垂直中心线间隔100mm均匀设置，共七个，保证检测范围覆盖浆液高度，测量浆液扩散情况。所述孔隙水压力传感器9由不锈钢材质制成，是在土压力传感器的基础上加了渗水石和外壳，以保护传感器不被煤矸石挤压破坏，同时所述孔隙水压力传感器9的细线需套上透明塑料软线圈套，保护其功能在煤矸石挤压下正常运行。
44.进一步的，高速摄像机13的摄像头朝向可拆卸透明注浆箱8安装，并连接第一电脑14实时录像监测注浆液面高度、浆液流动状态随时间的变化。
45.本实施例中，高速摄像机13选用型号为sua134gc/m，130万像素，211帧，全局快门。
46.参照图2所示，一种采空区煤制油气化灰渣凝胶浆液流动特性测试方法，应用于上述任一项所述的一种采空区煤制油气化灰渣凝胶浆液流动特性测试系统，包括如下步骤：
47.步骤1：首先以水灰比、孔隙率和注浆压力做为实验变量分别确定相关参数；
48.步骤2：测试获得不同实验条件下注浆时的液面高度、扩散形状、扩散半径、流速与压力变化，并将每种实验条件下，所得扩散半径数据与注浆压力、水灰比、孔隙率一一对应，扩散高度、注浆流速、注浆压力数据与时间一一对应，再分别通过origin软件进行拟合，得出各注浆参数与注浆时间的函数关系式；
49.步骤3：通过函数关系式反应了这些注浆参数与浆液扩散特性的规律，通过注浆压力和流速的变化反应了浆液在采空区中的扩散阻力，得出不同注浆条件下，气化灰渣浆液的流动特性状态。
50.进一步的，步骤1中进行实验变量相关参数的选择，其具体内容为：
51.实验变量一是气化灰渣凝胶浆液，选择五组不同参数配比。本测试实验所选用的五组气化灰渣凝胶浆液对应五组不同水灰比、不同添加量羟丙基甲基纤维素(hpnc)和不同添加量的nahco3；实验变量二是孔隙率的选择，选用五种不同直径大小的煤矸石填入注浆箱对应五组不同的孔隙率；实验变量三是注浆压力的选择，对应选择五组不同的注浆压力。
52.本实施例中，实验变量一是浆液的配比，测试实验的五组气化灰渣凝胶浆液分别依次选用水灰比为1：0.2、1：0.4、1：0.6、1：0.8、1：1；添加剂羟丙基甲基纤维素(hpnc)含量
依次为2％、1.5％、1％、0.5％、0.5％；添加nahco3含量依次为2％、1.5％、1％、0.5％、0.5％。实验变量二孔隙率，即注浆箱中煤矸石直径的选择分别是1-2cm、2-3cm、3-4cm、4-5cm、5-6cm。实验变量三是注浆压力，分别选择0.2mpa、0.4mpa、0.6mpa、0.8mpa、1mpa。每个实验变量五组参数，共三个实验变量，可进行共15次气化灰渣凝胶浆液流动特性测试，以进行不同注浆参数的流动特性研究，以上实验变量相关参数可以由实验者根据情况自行选择和改动。
53.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
54.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种采空区煤制油气化灰渣凝胶浆液流动特性测试系统，其特征在于，包括注浆系统、可视化注浆模型、观测系统以及数据采集系统；所述注浆系统包括依次连接的空气压缩机(1)、调压阀(2)、气动隔膜泵(3)、截止阀(4)、压力计(5)、稳压罐(6)和流量计(7)；所述可视化注浆模型包括可拆卸透明注浆箱(8)和设置于所述可拆卸透明注浆箱(8)中的多个孔隙水压力传感器(9)；所述观测系统包括依次连接的高速摄像机(13)和第一电脑(14)；所述数据采集系统包括采集模块(10)、流量记录仪(12)，所述流量记录仪(12)连接所述流量计(7)，将测得浆液流量数据输送至所述采集模块(10)，所述采集模块(10)将所述孔隙水压力传感器(9)所测得的箱内注浆压力数据进行采集汇总并连接第二电脑(11)进行数据呈现。2.根据权利要求1所述的一种采空区煤制油气化灰渣凝胶浆液流动特性测试系统，其特征在于，所述可拆卸透明注浆箱(8)箱体由透明亚克力板制成并拼接组成，由横杆贯穿加固。3.根据权利要求2所述的一种采空区煤制油气化灰渣凝胶浆液流动特性测试系统，其特征在于，所述可拆卸透明注浆箱(8)内沿垂直中心线等间距分布多个所述孔隙水压力传感器(9)，多个所述孔隙水压力传感器(9)分别测试浆液流经不同高度时的压力变化，以观测浆液在煤矸石间的流动特性。4.根据权利要求3所述的一种采空区煤制油气化灰渣凝胶浆液流动特性测试系统，其特征在于，所述孔隙水压力传感器(9)由不锈钢材质制成。5.根据权利要求3所述的一种采空区煤制油气化灰渣凝胶浆液流动特性测试系统，其特征在于，所述孔隙水压力传感器(9)的个数为7。6.根据权利要求1所述的一种采空区煤制油气化灰渣凝胶浆液流动特性测试系统，其特征在于，所述高速摄像机(13)的摄像头朝向所述可拆卸透明注浆箱(8)安装，并连接所述第一电脑(14)实时录像监测注浆液面高度、浆液流动状态随时间的变化。7.一种采空区煤制油气化灰渣凝胶浆液流动特性测试方法，其特征在于应用于权利要求1-6任一项所述的一种采空区煤制油气化灰渣凝胶浆液流动特性测试系统，包括如下步骤：步骤1：首先以水灰比、孔隙率和注浆压力做为实验变量分别确定相关参数；步骤2：测试获得不同实验条件下注浆时的液面高度、扩散形状、扩散半径、流速与压力变化，并将每种实验条件下，所得扩散半径数据与注浆压力、水灰比、孔隙率一一对应，扩散高度、注浆流速、注浆压力数据与时间一一对应，再分别通过软件进行拟合，得出各注浆参数与注浆时间的函数关系式；步骤3：通过函数关系式反应了这些注浆参数与浆液扩散特性的规律，通过注浆压力和流速的变化反应了浆液在采空区中的扩散阻力，得出不同注浆条件下，气化灰渣浆液的流
动特性状态。

技术总结
本发明公开了采空区煤制油气化灰渣凝胶浆液流动特性测试系统及方法，应用于注浆设备技术领域，其中包括：注浆系统、可视化注浆模型、观测系统以及数据采集系统。气化灰渣浆液的主要流动特性通过注浆液面高度、扩散形状、扩散半径及浆液压力、注浆流速变化所体现。本测试以孔隙率、浆液水灰比、注浆压力为试验变量，观察浆液在测试实验中流动特性随时间的变化。本测试系统完善了一种采空区气化灰渣浆液流动特性测试方法，弥补了由于采空区的隐蔽性对于浆液扩散状态无法得知的缺陷，通过本测试方法可以得知不同工况下的浆液扩散情况，为现场注浆工程提供指导意见，对采空区注浆实时浆液流动状态的掌握具有实际意义。液流动状态的掌握具有实际意义。液流动状态的掌握具有实际意义。


技术研发人员：张铎 文虎 王子琪 邓军 翟小伟 王伟峰 王振平 杜阳 王帅豪
受保护的技术使用者：西安科技大学
技术研发日：2023.02.17
技术公布日：2023/7/12