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公開番号2025048681
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-04-03
出願番号2023179935
出願日2023-10-19
発明の名称石炭の自然発火の動的進行特性を測定する類似実験システムおよび方法
出願人個人,内蒙古科技大学,Inner Mongolia University of Science & Technology
代理人個人,個人
主分類G01N 25/50 20060101AFI20250326BHJP(測定;試験)
要約【課題】炭鉱採掘の分野において、石炭の自然発火の動的進行特性を測定する類似実験システムおよび方法を開示する。
【解決手段】気体供給システムは窒素および酸素を乾燥空気に配合し、石炭試料タンクは、天盤が崩落し採空区を満たすと類似の順序とスパンの大きさに基づいて石炭試料を添加し、プログラム昇温箱は、炉温度を調節し、プログラム昇温速度を設定し、ガスクロマトグラフは、動的試料添加石炭タンクの排気口から採取した気体試料を分析し、石炭試料の添加が完了した後に温度センサによって収集された石炭試料の温度を記録し、データ収集ホストは、動的試料添加過程における石炭の温度並びに排気成分と濃度を取得し、酸化動力学方法を用いて酸化酸素消費速度、熱発生率などを計算し、動的採掘過程において採空区の残留石炭の自然発火の動的規則と進行を判断する。これにより、石炭試料の動的添加による石炭自然発火の動的進行特性の測定を実現した。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項１】
石炭の自然発火の動的進行特性を測定する類似実験システムであって、気体供給システム、プログラム昇温箱、動的試料添加の石炭試料タンク、ガスクロマトグラフ、温度検査装置、データ収集ホストを含み、前記気体供給システムの２つの吸気口はそれぞれ窒素ボンベと酸素ボンベに接続され、前記気体供給システムの排気口は前記動的試料添加の石炭試料タンクに接続され、前記動的試料添加の石炭試料タンクはそれぞれ前記ガスクロマトグラフ、前記温度検査装置に接続され、前記ガスクロマトグラフと前記温度検査装置の出力端はいずれも前記データ収集ホストに接続され、
前記気体供給システムは、窒素および酸素を乾燥空気に配合し、前記動的試料添加の石炭試料タンクに供給するために用いられ、
前記動的試料添加の石炭試料タンクは、採炭切羽の採掘過程における初回加重と定期加重で、天盤が崩落し採空区を満たすと類似の順序とスパンの大きさに基づいて石炭試料を添加し、採空区の残留石炭の自然発火の動的進行類似実験を完成し、
前記プログラム昇温箱は、炉温度を調節し、プログラム昇温速度を設定するために用いられ、
前記ガスクロマトグラフは、前記動的試料添加の石炭試料タンクの排気口から採取した気体試料を分析とテストするために用いられ、
前記温度検査装置は、石炭試料の添加が完了した後に石炭試料内の温度センサによって収集された石炭試料の温度を記録するために用いられ、
前記データ収集ホストは、動的試料添加過程における石炭の温度並びに排気成分と濃度を取得し、実験完了後に酸化動力学方法を用いて、前記石炭の温度並びに前記排気成分と濃度により、酸化酸素消費速度、熱発生率を計算し、動的採掘過程において前記採空区の残留石炭の自然発火の動的規則と進行を判断するために用いられることを特徴とする、石炭の自然発火の動的進行特性を測定する類似実験システム。
続きを表示（約 2,700 文字）【請求項２】
気体供給システム出力開閉バルブと、３ウェイパイプと、気体通路開閉バルブと、気体流量計とをさらに含み、配合された前記乾燥空気は、前記気体供給システム出力開閉バルブを介して前記３ウェイパイプを経て、前記気体通路開閉バルブと前記気体流量計を通過して、それぞれ２つの前記動的試料添加の石炭試料タンクに入り込むことを特徴とする、請求項１に記載の石炭の自然発火の動的進行特性を測定する類似実験システム。
【請求項３】
前記動的試料添加の石炭試料タンクは、原料供給ホッパーと、石炭試料タンクプラグと、３０４ステンレス鋼接続パイプと、原料供給パイプ開閉バルブと、前記温度センサと、石炭試料タンク吸気パイプと、石炭試料漏れ防止銅メッシュと、排気パイプと、石炭試料タンクブラケットとを含み、
前記原料供給ホッパーの出口は前記石炭試料タンクプラグの位置と対向し、前記石炭試料タンクプラグが前記３０４ステンレス鋼接続パイプの中に挿着され、前記３０４ステンレス鋼接続パイプが石炭試料タンクの中に挿着され、
前記３０４ステンレス鋼接続パイプに前記原料供給パイプ開閉バルブが設置され、前記石炭試料タンク内には深さ方向に沿っていくつかの前記温度センサが設けられ、
前記気体供給システムにより配合された前記乾燥空気は前記石炭試料タンク吸気パイプを介して上部から前記石炭試料タンクに流れ込み、前記石炭試料タンクの中には、前記石炭試料漏れ防止銅メッシュと前記排気パイプが底部近くに設置され、前記石炭試料タンクの下側に前記石炭試料タンクブラケットが設置されることを特徴とする、請求項１に記載の石炭の自然発火の動的進行特性を測定する類似実験システム。
【請求項４】
前記温度検査装置は、温度伝送データ線により前記温度センサと接続されることを特徴とする、請求項３に記載の石炭の自然発火の動的進行特性を測定する類似実験システム。
【請求項５】
前記排気パイプは、前記ガスクロマトグラフと接続されることを特徴とする、請求項３に記載の石炭の自然発火の動的進行特性を測定する類似実験システム。
【請求項６】
請求項１～５のいずれか１項に記載の石炭の自然発火の動的進行特性を測定する類似実験システムに適用される石炭の自然発火の動的進行特性を測定する類似実験方法であって、
Ｓ１、採空区の残留石炭の自然発火期間をｔ日間とし、初回加重時間をｔ
１
日間とし、定期加重時間をｔ
ｒ
日間とし、採掘推進速度をｖｍ／ｄとし、切羽の採掘に従い、採空区の深さまたは長さがｔ
ｖ
を超えると、前記採掘区の残留石炭が自然発火するステップと、
Ｓ２、窒素と酸素を２つの気体供給システムを通じて空気中の窒素と酸素の比率で乾燥空気に混合し、配合された前記乾燥空気を気体供給システム出力開閉バルブを介して３ウェイパイプを経て、気体通路開閉バルブと気体流量計を通過して、それぞれ２つの動的試料添加の石炭試料タンクに入り込み、この時、気体供給と吸気パイプ通路を遮断するステップと、
Ｓ３、実験開始時、まず２つの前記動的試料添加の石炭試料タンクに初回加重の石炭試料を入れ、前記動的試料添加の石炭試料タンク内の有効添加された石炭試料の全高さをＬと仮定する場合、初回添加された石炭試料の高さを
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17
30
に簡略化するステップと、
Ｓ４、窒素ボンベを開き、窒素が前記気体供給システムを通じて単独で前記動的試料添加の石炭試料タンクに流れ込み、プログラム昇温箱の昇温プログラムを起動し、プログラム昇温速度をｈ
ｔ
℃／ｍｉｎとし、初期周囲温度をＴ
ｅ
として昇温し始め、終止温度をＴ
ｓ
とする場合、類似実験が必要とされる総時間は
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18
55
であり、実験サイクル内に
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15
45
で類似実験過程の時間と実際発火期間ｔとの間の等価換算量を表すステップと、
Ｓ５、窒素の流量を調整し、実験が必要とされる気体流量により酸素と窒素が２１：７９の比例で酸素ボンベを開き、前記気体供給システムにより混合されて流量がＱである前記乾燥空気に配合し、前記吸気パイプ通路に入り込むステップと、
Ｓ６、実験が必要とされる時間により、前記動的試料添加の石炭試料タンクの排気口から気体試料を採取し、ガスクロマトグラフにより分析とテストを行い、気体採取は、炉温度が４０℃から実験終了まで、実際に前記炉温度が１０℃上昇するごとに行い、且つ気体採取は定期加重と石炭試料添加前に完了するステップと、
Ｓ７、実験が開始してから
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17
38
分間の時、初回の定期加重の石炭試料を添加し、加重するたびに添加される石炭試料の高さが
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21
54
であるステップと、
Ｓ８、数回添加してから、石炭試料の動的添加回数と石炭試料量が実験の予定目的に達成すると、実験を停止し、石炭試料の添加過程及び対応する温度センサの対応する位置を記録するステップと、
Ｓ９、石炭酸化動力学理論に基づき、気体試料試験の酸素濃度、炭素酸化物濃度、炭化水素気体濃度に応じて、計算式中の石炭試料の高さ又は吸排気端の高さの差を動的に変化する石炭試料高さに準じて動力学計算を行うステップと、
Ｓ１０、動的試料添加過程における石炭の酸化酸素消費速度、熱発生率に基づき、指標気体生成規則と酸化力学的指標変化規則、前記動的試料添加過程における石炭試料昇温規則を特定し、動的採掘過程における前記採空区の残留石炭の自然発火の動的規則と進行を判断するステップとを含むことを特徴とする、石炭の自然発火の動的進行特性を測定する類似実験方法。
【請求項７】
前記採空区の残留石炭の自然発火期間が前記採空区における石炭の温度が坑井下温度から７０℃まで上昇するのに要する時間であることを特徴とする、請求項６に記載の石炭の自然発火の動的進行特性を測定する類似実験方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭鉱採掘技術の分野に関し、より具体的には、石炭の自然発火の動的進行特性を測定する類似実験システム及び方法に関する。
続きを表示（約 3,300 文字）【背景技術】
【０００２】
採空区熱動力災害の主な特徴は、隠蔽性、結合性、動的性、複雑性があり、これにより災害は高リスク、特定困難、予知困難、防除困難といった特徴を示す。石炭採掘の切羽は、動的なシステムであり、図１に示すように、切羽の進行に伴って切羽と採空区境界が移動し、送気道と還気道の長さが短くなり、採空区が長くなり、採空区中の任意の領域が一旦形成されると、採掘の持続進行に従い、その採空区への埋没の深さは動的に増加し、それにより、採空区及びそれに関連する諸問題が動的に変化するものであると決定される。図１の赤い円で標識される領域のように、採空区の動的変化過程において、採空区ですでに形成された領域は、時間の立つとともに、天盤の崩落と圧力が次第に現れ、安定し、崩壊した石炭岩石は徐々に圧縮を繰り返し、増積率がだんだん低下し、採掘時間が続くと、採空区内に任意の既成された領域の残炭の厚さ、気孔率、通気性などが徐々に減少し、空気漏れ速度も低下し、ガスなどの気体の濃度が上昇する。空気漏れ流れ場および残留石炭の堆積、破砕膨張特性の変化は採空区の酸素供給・放熱状態の変化と、有毒・有害気体の排出・分布の変化とをもたらし、それにより必ず採空区内残留石炭の自然発火現象の動的な変化、特に自然発火の「３ゾーン」分布の動的な変化などを引き起こす。切羽が作業工程において、採空区残留石炭の高温領域と高酸素濃度領域との間に一定の距離が存在し、且つその距離が動的に変化するものであり、動的推進中、その距離が絶えず減少し、採空区の昇温速度が絶えず増加する。切羽の動的前進と採空区内の応力の漸次回復に伴い、採空区内の残留石炭の空隙率は動的に減少し、破砕の程度が動的に増加し、最終的には採空区の空気漏れ、ガス移動、残留石炭の自然発火などの動的変化を引き起こす。採空区内残留石炭の自然発火の特性と進行について研究するには、採空区の自然発火の特性と進行の全てを正確に把握できるように動的方法が必要である。切羽が作業工程において、採空区内の残留砕炭は空気漏れと高酸素濃度を経験し、適切な条件下で自己発熱を開始し、自然発火の開始を引き起こし、その後、当該箇所の残留砕炭は、絶えずに圧縮、押しつぶされ、空気漏れ流量と酸素濃度が低下し、ガスなどの濃度が上昇し続け、自然発火の進行が動的に進み、このような動的な進行過程は、強い複雑性、変動性及び偶然性を有し、残留石炭の自己燃焼は、浸透流、熱伝達、物質移動の動的結合過程において過渡的な形に起こり絶えずに進化する。従って、通常採掘期間における採空区内残留石炭の自然発火問題について検討及び予防する時、採空区関連因子の動的変化を重視する必要がある。
【０００３】
採掘が進むにつれて、採空区内残留石炭がだんだん増え、浅部にある新たに露出した残留石炭は酸素との接触時間が短く、深部にある長時間形成された残留石炭は空気との接触時間が長いが、切羽による継続的加重により、深部残留石炭の受ける空気流量が少なくなり、且つ受けた気流がだんだん浅部残留石炭の酸化によって消費された気体に変化し、浅部の新規増加された残留石炭により消費された気体は、その酸素の含有量が低いだけでなく、温度も若干高く、気体組成中のＣＯ、ＣＯ２、ＣＨ４及びガス炭化水素類気体が徐々に増加し、深部の早期残留石炭又は空気漏れルートの回路に沿った残留石炭の酸化が顕著な影響を受けるため、採空区内残留石炭の形成順序及び天盤加重の規則に基づき、採空区空気漏れの流動ルートなどと結合して、関連する石炭試料の添加と気流の流入順序を特定する必要があり、さらに実際の採空区内残留石炭の酸化と自然発火により近く、類似した規則を取得することができる。
【０００４】
従って、石炭試料の動的添加を実現できる採空区内残留石炭の自然発火の動的進行特性を測定する類似実験システム及び方法を如何に設計することが当業者が早急に解決すべき問題である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
これを鑑み、本発明は石炭の自然発火の動的進行特性を測定する類似実験システム及び方法を提供し、背景技術に記載の問題点を解決した。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を実現するために、本発明は以下の技術的解決手段を提供する。
【０００７】
石炭の自然発火の動的進行特性を測定する類似実験システムにおいて、気体供給システム、プログラム昇温箱、動的試料添加の石炭試料タンク、ガスクロマトグラフ、温度検査装置、データ収集ホストを含み、気体供給システムの２つの吸気口はそれぞれ窒素ボンベと酸素ボンベに接続され、気体供給システムの排気口は、動的試料添加の石炭試料タンクに接続され、動的試料添加の石炭試料タンクは、それぞれガスクロマトグラフ、温度検査装置に接続され、ガスクロマトグラフと温度検査装置の出力端はいずれもデータ収集ホストに接続され、
気体供給システムは、窒素および酸素を乾燥空気に配合し、動的試料添加の石炭試料タンクに供給するために用いられ、
動的試料添加の石炭試料タンクは、採炭切羽の採掘過程における初回加重と定期加重で、天盤が崩落し採空区を満たすと類似の順序とスパンの大きさに基づいて石炭試料を添加し、採空区の残留石炭の自然発火の動的進行類似実験を完成し、
プログラム昇温箱は、炉温度を調節し、プログラム昇温速度を設定するために用いられ、
ガスクロマトグラフは、動的試料添加石炭タンクの排気口から採取した気体試料を分析とテストするために用いられ、
温度検査装置は、石炭試料の添加が完了した後に石炭試料内の温度センサによって収集された石炭試料の温度を記録するために用いられ、
データ収集ホストは、動的試料添加過程における石炭の温度並びに排気成分と濃度を取得し、実験完了後に酸化動力学方法を用いて、石炭の温度並びに排気成分と濃度により、酸化酸素消費速度、熱発生率を計算し、動的採掘過程において採空区の残留石炭の自然発火の動的規則と進行を判断するために用いられる。
【０００８】
選択的には、気体供給システム出力開閉バルブ、３ウェイパイプ、気体通路開閉バルブ、気体流量計をさらに含み、配合された乾燥空気は、気体供給システム出力開閉バルブを介して３ウェイパイプを経て、気体通路開閉バルブと気体流量計を通過して、それぞれ２つの動的試料添加の石炭試料タンクに入り込む。
【０００９】
選択的には、動的試料添加の石炭試料タンクは、原料供給ホッパーと、石炭試料タンクプラグと、３０４ステンレス鋼接続パイプと、原料供給パイプ開閉バルブと、温度センサと、石炭試料タンク吸気パイプと、石炭試料漏れ防止銅メッシュと、排気パイプと、石炭試料タンクブラケットとを含み、
原料供給ホッパーの出口は石炭試料タンクプラグの位置と対向し、石炭試料タンクプラグが３０４ステンレス鋼接続パイプの中に挿着され、３０４ステンレス鋼接続パイプが石炭試料タンクの中に挿着され、
３０４ステンレス鋼接続パイプに原料供給パイプ開閉バルブが設置され、石炭試料タンク内には深さ方向に沿っていくつかの温度センサが設けられ、
気体供給システムにより配合された乾燥空気は石炭試料タンク吸気パイプを介して上部から石炭試料タンクに流れ込み、石炭試料タンクの中には、石炭試料漏れ防止銅メッシュと排気パイプが底部近くに設置され、石炭試料タンクの下側に石炭試料タンクブラケットが設置される。
【００１０】
選択的には、温度検査装置は、温度伝送データ線により温度センサと接続される。
選択的には、排気パイプは、ガスクロマトグラフと接続される。
（【００１１】以降は省略されています）

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