1.一种矿井煤与瓦斯共采复合灾害模拟试验系统,其特征在于,包括模拟采煤工作面系统、模拟采空区箱体、模拟瓦斯抽采系统、模拟瓦斯释放系统、气体浓度及温度自动采集系统和计算机;
所述模拟采空区箱体一侧开设进风口和回风口,模拟采空区箱体内部从上至下依次设有裂隙带块状填充区域、冒落带沙石填充区域和遗煤填充区域,且遗煤填充区域处于模拟采空区箱体底部,用于模拟采空区各个区域的地质情况;在冒落带沙石填充区域内设有模拟火区,用于模拟采空区煤自燃的情况;所述裂隙带块状填充区域和冒落带沙石填充区域之间设有过度区域,过度区域采用粒径为3~7 cm的石子填充;所述裂隙带块状填充区域采用耐火砖块填充,用于模拟裂隙带的实际状态;所述模拟采空区箱体内部布设挡板和实心砖块,用于模拟采空区岩层移动角的状态;
所述模拟采煤工作面系统包括模拟进风巷道、模拟回风巷道和模拟采煤工作面,其中模拟采煤工作面固定在模拟采空区箱体一侧,模拟进风巷道一端和模拟回风巷道一端分别与进风口和回风口连通,微型轴流风机通过管路与模拟进风巷道另一端连通,用于通过模拟进风巷道控制模拟采空区箱体内部的风场情况;
所述模拟瓦斯抽采系统包括内错抽采巷道、高位抽采巷道、高位定向长钻孔、高位钻孔以及瓦斯抽采负压源;内错抽采巷道、高位抽采巷道、高位定向长钻孔和高位钻孔均布设在模拟采空区箱体内,且内错抽采巷道一端和高位抽采巷道一端均伸出模拟采空区箱体与处于外部的瓦斯抽采负压源连接,使瓦斯抽采负压源通过内错抽采巷道和高位抽采巷道对模拟采空区箱体内部进行瓦斯抽采;
所述模拟瓦斯释放系统包括瓦斯气瓶和瓦斯释放气室,瓦斯气瓶通过气体释放管路与瓦斯释放气室连通,瓦斯释放气室装在模拟采空区箱体下部,且瓦斯释放气室与模拟采空区箱体之间设有多个气体释放通孔,瓦斯释放气室通过多个气体释放通孔与模拟采空区箱体内部连通,用于向模拟采空区箱体内释放瓦斯气体;所述瓦斯释放气室内部共划分成五个相互独立的子气室,用于对模拟采空区箱体内部不同区域的瓦斯释放速率进行调节;
所述气体浓度及温度自动采集系统包括气样分析及温度采集装置和多个气体浓度及温度综合测点,多个气体浓度及温度综合测点呈多排分布在模拟采空区箱体内,每个气体浓度及温度综合测点均设有气样采集头和温度传感器,其中各个气样采集头通过气样传送管路将各自的气样传递给气样分析及温度采集装置,各个温度传感器通过数据线将各自的温度数据传递给气样分析及温度采集装置,气样分析及温度采集装置对各个气体浓度及温度综合测点采集的气样及温度进行分析处理后获得各个气体浓度及温度综合测点的实时气体成分、气体浓度及温度数据;
所述计算机与气样分析及温度采集装置连接,用于接收气样分析及温度采集装置反馈的各个气体浓度及温度综合测点的实时气体成分、气体浓度及温度数据。
2. 根据权利要求1 所述矿井煤与瓦斯共采复合灾害模拟试验系统,其特征在于,所述模拟采空区箱体包括刚性支撑框架和透明可视化外壳,透明可视化外壳覆盖在刚性支撑框架外部,所述刚性支撑框架由多个钢质横梁和钢质纵梁纵横交错固定组成。
3. 根据权利要求1 所述矿井煤与瓦斯共采复合灾害模拟试验系统,其特征在于,所述模拟火区布设在带有孔洞的不锈钢炉体,不锈钢炉体内部用于盛放燃烧的煤颗粒或煤块,以实现对采空区火区燃烧状态和遗煤燃烧产气状态的模拟。
4.根据权利要求1所述矿井煤与瓦斯共采复合灾害模拟试验系统,其特征在于,所述模拟采空区主箱体的顶板为可开启顶盖。
5.根据权利要求1所述矿井煤与瓦斯共采复合灾害模拟试验系统,其特征在于,所述瓦斯抽采负压源为微型真空泵。
6.根据权利要求1所述矿井煤与瓦斯共采复合灾害模拟试验系统,其特征在于,所述气样分析及温度采集装置由气样成分及浓度分析仪和温度监测仪组成。
7.一种根据权利要求1至6任一项所述矿井煤与瓦斯共采复合灾害模拟试验系统的工作方法,其特征在于,具体步骤为:
步骤一、先确定所需模拟当前煤矿的煤质、裂隙带分布情况、冒落带分布情况、遗煤分布情况、岩层移动角情况以及内错抽采巷道、高位抽采巷道、高位定向长钻孔和高位钻孔的位置情况,并测定当前煤矿采空区内部的瓦斯释放速率,从该煤矿采空区内采集遗煤作为实验煤样,备用;
步骤二、根据步骤一获得的裂隙带分布情况、冒落带分布情况、遗煤分布情况和岩层移动角情况,对模拟采空区箱体内的裂隙带块状填充区域、冒落带沙石填充区域和遗煤填充区域进行布设,并通过布设挡板和实心砖块,用于模拟采空区岩层移动角的状态,其中遗煤填充区域采用步骤一获取的实验煤样填充;接着步骤一获取内错抽采巷道、高位抽采巷道、高位定向长钻孔和高位钻孔的位置情况,在模拟采空区箱体内相应布设内错抽采巷道、高位抽采巷道、高位定向长钻孔和高位钻孔,最后完成系统其他部件的连接;
步骤三、根据步骤一获取的当前煤矿采空区内部的瓦斯释放速率,依据相似原则,设定瓦斯的初始释放速率,并设定模拟工作面的风速值;启动微型轴流风机,测量模拟采空区箱体内的风速情况,调节风机工况直至使模拟采空区箱体的风速值与设定的风速值一致时,停止风机调节工作并保持该工况;接着打开瓦斯气瓶,使瓦斯气体经过气体释放管路以一定的流量进入瓦斯释放气室所需的子气室内,瓦斯气体在各个子气室进行缓冲后,通过各个气体释放通孔进入模拟采空区箱体内,同时启动气样分析及温度采集装置,对各个气体浓度及温度综合测点采集的气样及温度进行分析处理后获得各个气体浓度及温度综合测点的实时气体成分、气体浓度及温度数据;气样分析及温度采集装置从瓦斯气瓶打开时持续将各个气体浓度及温度综合测点测量的实时数据反馈给计算机,计算机对采集的数据进行分析,能获取在当前风速情况下煤与瓦斯共采工作面的温度及瓦斯浓度的分布情况;
步骤四、设定瓦斯抽采速率,然后启动瓦斯抽采负压源,以设定瓦斯抽采速率通过内错抽采巷道和高位抽采巷道对模拟采空区箱体内部进行瓦斯抽采,并改变设定的风速值,气样分析及温度采集装置持续将各个气体浓度及温度综合测点测量的实时数据反馈给计算机,计算机对采集的数据进行分析,能获取不同风速工况下煤与瓦斯共采工作面的气体浓度分布情况和瓦斯抽采量的变化情况;
步骤五、保持瓦斯抽采速率不变,从步骤一的实验煤样中选取煤体,并将其点燃后放入模拟火区内,气样分析及温度采集装置持续进行工作,将各个气体浓度及温度综合测点测量的实时数据反馈给计算机,获取模拟煤与瓦斯共采工作面的风速分布、气体浓度分布和温度分布状态,计算机对采集的数据进行分析,能获取煤与瓦斯共采工作面发生煤自燃情况后,不同风速情况下煤与瓦斯共采工作面的温度及瓦斯浓度的分布规律;接着改变瓦斯抽采速率,继续通过气样分析及温度采集装置获取各个气体浓度及温度综合测点的实时数据,计算机对采集的数据进行分析后,能获取煤与瓦斯共采工作面发生煤自燃情况后,不同瓦斯抽采率及不同风速情况下的温度及瓦斯浓度分布情况;
步骤六、通过改变瓦斯抽采率、风速值、瓦斯释放速率及是否启用模拟火区,并持续重复步骤三至步骤六,从而能得出当前模拟的煤与瓦斯共采工作面在不同抽采工况、不同通风工况及是否发生煤自燃情况下的温度分布变化及气体浓度分布变化规律;
步骤七、再选择一个不同煤质的煤矿,并重复步骤一至六,如此持续重复多次,从而能获取不同煤与瓦斯共采工作面在不同煤质、不同抽采工况、不同通风工况及是否发生煤自燃情况下的温度分布变化及气体浓度分布变化规律。