本发明属于关闭煤矿瓦斯灾害控制，具体涉及一种关闭煤矿瓦斯解吸、涌出及运移泄漏物理模拟综合实验系统。
背景技术：
1、关闭煤矿是指由于煤炭资源枯竭、不符合安全开采条件或政策等原因而被关闭和废弃的煤矿。关闭煤矿区潜在的灾害隐患与环境生态问题将日益凸显。煤矿关闭后在地下水位、地面降雨等影响下，矿井水逐步淹没煤层、巷道及采空区，矿井水作用下，煤体结构与瓦斯解吸涌出特性发生变化，解吸的游离瓦斯在井筒、巷道及采空区等井下空间内扩散积聚；同时矿井水位提升导致井下空间气压增大，将导致关闭煤矿内外空间通过井筒或采空区导通裂隙及排水口发生气体交换，引发瓦斯泄漏爆炸风险，严重威胁关闭煤矿安全、生态环境及区域生产生活，引发严重的公共安全问题。
2、现有瓦斯灾害控制理论与技术多基于生产煤矿，难以适用于关闭煤矿。然而，煤层淹没过程中矿井水作用煤体结构与瓦斯储运特性的变化规律还不清楚，不同水位矿井水封堵下煤层瓦斯渗流特性也缺乏研究；因此，亟需掌握关闭煤矿有限空间的气水动态平衡机制，探明井下瓦斯浓度场分布及演化特征，为摸清关闭煤矿瓦斯泄漏规律提供基础，为全国煤矿科学闭井及已关闭矿井防灾减灾等提供重要支撑。
3、经检索，还没有本发明类似的技术方案公开。
技术实现思路
1、本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种关闭煤矿瓦斯解吸、涌出及运移泄漏物理模拟综合实验系统。
2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：关闭煤矿瓦斯解吸、涌出及运移泄漏物理模拟综合实验系统，包括构建的关闭煤矿本体、以及构建在关闭煤矿本体中的顶部设有封口塞的井筒，关闭煤矿本体包括周向间隔分布的能够独立运行的三个煤矿模块，相邻两个煤矿模块之间通过设有第一阀门的连接管道连接；三个煤矿模块包括具有多层煤层的多水平煤层模块、具有采空区的采空区模块和游离空间模块，游离空间模块包括与井筒连接的巷道、与巷道连接的联络巷、以及与联络巷连接的硐室，煤层和采空区通过联络巷与巷道连通；实验系统还包括用于给关闭煤矿本体提供地应力环境的应力加载单元、向关闭煤矿本体中注入水的设有注水阀的注水管路、将关闭煤矿本体中的水排出的设有排水阀的排水管路、以及向关闭煤矿本体中注入气体的设有注气阀的注气管路；实验系统还包括与控制系统相连的用于监测煤岩破坏及变形情况的煤岩监测单元、用于监测井筒水位的水位监测单元、用于监测关闭煤矿本体有限空间的瓦斯浓度和气体压力的瓦斯监测单元、用于监测瓦斯泄漏速率和泄漏总量的瓦斯泄漏监测单元、以及用于监测关闭煤矿本体有限空间的温度和气压的环境监测单元。
3、上述技术方案，通过应力加载单元提供地应力环境、通过注气管路注入甲烷气体、通过注水管路注水，模拟关闭煤矿涌水淹没过程，模拟深部原位瓦斯爆炸环境；而且将关闭煤矿本体分成三个煤矿模块，既可以分析单个煤矿模块瓦斯运移规律，也可以综合分析三个煤矿模块耦合情况下瓦斯运移规律。本发明至少可以进行三类物理相似实验，包括：关闭煤矿淹没过程瓦斯涌出实验、关闭煤矿有限空间气水平衡及瓦斯泄漏模拟实验和关闭煤矿抽水调压控制瓦斯泄漏实验，以掌握关闭煤矿有限空间的气水动态平衡机制，探明井下瓦斯浓度场分布及演化特征，为摸清关闭煤矿瓦斯泄漏规律提供基础。
4、在本发明的一种优选实施方式中，巷道的两端连接有设有第二阀门的管道，巷道通过设有第二阀门的管道与井筒连接；在多水平煤层模块和采空区模块中，与煤层和采空区连接的联络巷上设有第三阀门。
5、上述技术方案，通过设置第二阀门，使得每个煤矿模块中的巷道与井筒之间的通断可独立控制；通过设置第三阀门，使得煤层/采空区与巷道之间的通断可独立控制。
6、在本发明的一种优选实施方式中，应力加载单元在关闭煤矿本体的顶部及四周施加压力形成轴压及围压。
7、上述技术方案，通过设置应力加载单元，以模拟煤层原始赋存条件的地应力。
8、在本发明的一种优选实施方式中，注水管路穿过封口塞伸入井筒中。
9、在本发明的一种优选实施方式中，排水管路与关闭煤矿本体中部的巷道外端连接。
10、在本发明的另一种优选实施方式中，注气管路与关闭煤矿本体中部的巷道外端连接。
11、在本发明的另一种优选实施方式中，关闭煤矿本体为圆柱形，井筒设在关闭煤矿本体的中心，三个煤矿模块以井筒为中心将关闭煤矿本体平分为三部分。
12、在本发明的另一种优选实施方式中，煤岩监测单元包括声发射传感器和应变片，在井筒侧壁和所有煤矿模块中均安装声发射传感器和应变片；水位监测单元包括安装在井筒中、并沿井筒高度方向间隔设置的多个水位传感器；瓦斯监测单元包括用于监测甲烷浓度的甲烷传感器、以及用于监测气体压力的微压传感器；瓦斯泄漏监测单元包括用于监测甲烷泄漏速率气的气流速度传感器、以及用于甲烷泄漏总量的气体质量流量计；环境监测单元包括温度传感器和压力传感器。
13、上述技术方案，在井筒侧壁及三个煤矿模块安装声发射传感器和应变片的监测仪器，用以监测应力加载单元加载情况下，煤岩破坏及变形情况；采用甲烷传感器、微压传感器监测有限空间甲烷浓度和气体压力；采用气流速度传感器、气体流量质量计监测甲烷泄漏速率、泄漏总量；利用温度传感器、压力传感器采集有限空间温度和气压数据。
14、相比现有技术，本发明较优的技术方案具有如下有益效果：
15、1)将关闭煤矿本体分成三个煤矿模块，既可以分析单个煤矿模块瓦斯运移规律，也可以综合分析三个煤矿模块耦合情况下瓦斯运移规律，为瓦斯爆炸前后的防控提供基础。
16、2)本发明的关闭煤矿瓦斯涌出泄露实验系统，可用于关闭煤矿瓦斯爆炸孕育过程的科学研究、以及预防瓦斯爆炸手段研究。
17、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
1.关闭煤矿瓦斯解吸、涌出及运移泄漏物理模拟综合实验系统，其特征在于，包括构建的关闭煤矿本体、以及构建在关闭煤矿本体中的顶部设有封口塞的井筒，所述关闭煤矿本体包括周向间隔分布的能够独立运行的三个煤矿模块，相邻两个煤矿模块之间通过设有第一阀门的连接管道连接；
2.根据权利要求1所述的关闭煤矿瓦斯解吸、涌出及运移泄漏物理模拟综合实验系统，其特征在于，所述巷道的两端连接有设有第二阀门的管道，巷道通过设有第二阀门的管道与所述井筒连接；
3.根据权利要求1所述的关闭煤矿瓦斯解吸、涌出及运移泄漏物理模拟综合实验系统，其特征在于，所述应力加载单元在关闭煤矿本体的顶部及四周施加压力形成轴压及围压。
4.根据权利要求1所述的关闭煤矿瓦斯解吸、涌出及运移泄漏物理模拟综合实验系统，其特征在于，所述注水管路穿过所述封口塞伸入井筒中。
5.根据权利要求1所述的关闭煤矿瓦斯解吸、涌出及运移泄漏物理模拟综合实验系统，其特征在于，所述排水管路与关闭煤矿本体中部的巷道外端连接。
6.根据权利要求1所述的关闭煤矿瓦斯解吸、涌出及运移泄漏物理模拟综合实验系统，其特征在于，所述注气管路与关闭煤矿本体中部的巷道外端连接。
7.根据权利要求1所述的关闭煤矿瓦斯解吸、涌出及运移泄漏物理模拟综合实验系统，其特征在于，所述关闭煤矿本体为圆柱形，所述井筒设在关闭煤矿本体的中心，三个煤矿模块以井筒为中心将关闭煤矿本体平分为三部分。
8.根据权利要求1所述的关闭煤矿瓦斯解吸、涌出及运移泄漏物理模拟综合实验系统，其特征在于，所述煤岩监测单元包括声发射传感器和应变片，在井筒侧壁和所有煤矿模块中均安装所述声发射传感器和应变片；
