一種模擬煤礦井下巷道內瓦斯-煤塵爆炸的實驗裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于煤礦安全工程技術領域，特別涉及模擬煤礦井下巷道內瓦斯-煤塵爆炸的實驗裝置及方法。
【背景技術】
[0002]在煤炭開采中，瓦斯爆炸成為制約煤礦安全的隱患之一。瓦斯爆炸事故的發生，給國家和人民的生命財產帶來了巨大的損失，也給煤礦的安全生產造成極大的負面影響，瓦斯爆炸亦可引起更為嚴重的瓦斯-煤塵爆炸。所以開展瓦斯-煤塵爆炸特性與傳播機理的研究，有利于解決煤礦及其它工業部門亟待解決的安全生產問題，對制定預防、控制及減小爆炸災害的技術措施具有重要的現實意義，其社會效益與經濟效益十分顯著。
[0003]近年來，國內外研究機構對利用瓦斯爆炸實驗裝置開展了多項關于抑制煤礦瓦斯爆炸的實驗研究，其中包括:水霧抑制瓦斯爆炸火焰的效果實驗研究;瓦斯爆炸沖擊波超壓在不同距離上的衰減規律研究;泡沫陶瓷對瓦斯爆炸過程的影響規律及機理研究，惰性氣體對瓦斯爆炸過程中爆炸超壓變化及火焰作用規律的研究；多孔材料抑制瓦斯爆炸傳播的實驗及機理研究。綜上所述，大部分學者均應用瓦斯爆炸實驗裝置開展了相關抑制瓦斯爆炸的實驗研究，揭示了瓦斯爆炸作用機理等，而忽略了瓦斯爆炸可引發的更為可怕的瓦斯-煤塵爆炸相關研究;應用瓦斯-煤塵爆炸實驗裝置進行瓦斯-煤塵爆炸的相關研究尚屬空白階段，因此，設計一種模擬煤礦井下巷道內瓦斯-煤塵爆炸的實驗裝置是十分必要的。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是滿足煤礦井下巷道內瓦斯-煤塵爆炸的實驗模擬裝置及方法的需求，同時獲得爆炸過程中沖擊波壓力、火焰作用時間等參數，便于后續分析出煤礦井下發生類似爆炸時沖擊波壓力、火焰作用時間、火焰傳播速度等參數的變化規律，為預防煤礦井下發生類似爆炸提供科學依據。提出了一種模擬煤礦井下巷道內瓦斯-煤塵爆炸的實驗裝置及方法。
[0005]—種模擬煤礦井下巷道內瓦斯-煤塵爆炸的實驗裝置，它包括高能點火柜1、真空栗2、高速數據采集器3、爆炸腔體4、點火電極5、增壓栗6、空氣壓縮機7、高壓儲氣瓶8、t個粉室9、電磁閥1、m個壓力傳感器11、截止閥12、火焰傳感器安裝口 13、η個火焰傳感器14、瓦斯爆炸擴散管路15、壓力傳感器安裝口 16、瓦斯爆炸擴散支路17、連接管18和瓦斯鋼瓶19;n、m和t均為正整數；
[0006]爆炸腔體4的一端設置有點火電極5;點火電極5的點火信號輸入端連接高能點火柜I的點火信號輸出端;爆炸腔體4的另一端連通瓦斯爆炸擴散管路15;爆炸腔體4的腔體上開有t個煤塵進口，且該t個煤塵進口分別與t個粉室9的一端——連通;粉室9用于放置煤塵;t個粉室9的另一端均通過連接管18與高壓儲氣瓶8的出氣口連通;高壓儲氣瓶8的出氣口與每個粉室9之間均設置有截止閥12;
[0007]高壓儲氣瓶8的入氣口與增壓栗6的增壓端連通;增壓栗6的增壓端與瓦斯鋼瓶19的瓦斯輸出端連通;增加栗6的另一端與空氣壓縮機7的一端連通；
[0008]瓦斯爆炸擴散管路15上垂直設置有P個瓦斯爆炸擴散支路17，p為正整數；瓦斯爆炸擴散支路17用于減緩瓦斯爆炸產生的氣體或粉塵的沖擊，還用于瓦斯爆炸產生的氣體或粉塵的擴散；
[0009]瓦斯爆炸擴散管路15上開有壓力傳感器安裝口16，壓力傳感器安裝口 16用于安裝m-Ι個壓力傳感器11 ;m-l個壓力傳感器11用于實時監測瓦斯爆炸擴散管路15內的壓力；
[0010]瓦斯爆炸擴散管路15上還開有火焰傳感器安裝口13，火焰傳感器安裝口 13用于安裝η個火焰傳感器14;n個火焰傳感器14用于監測瓦斯爆炸擴散管路15內的火焰作用參數；[00?1 ] m-Ι個壓力傳感器11的壓力信號輸出端和η個火焰傳感器14的火焰信號輸出端同時連接高速數據采集器3的數據輸入端；
[0012]高速數據采集器3的數據采集信號輸出端連接高能點火柜I的數據采集信號輸入端；
[0013]高能點火柜I的控制信號輸出端連接真空栗2的控制信號輸入端;真空栗2的輸出端連通爆炸腔體4; 一個壓力傳感器11設置在真空栗2和爆炸腔體4的管路上，用于監測爆炸腔體4內的壓力，且將監測的爆炸腔體4內的壓力發送至高速數據采集器3;電磁閥10設置在壓力傳感器11和爆炸腔體4之間。
[0014]爆炸腔體4和瓦斯爆炸擴散管路15的連接處設置有聚四氟乙烯薄膜，該薄膜用于密封。
[0015]高能點火柜I包括顯示單元1-1、處理單元1-2、點火控制單元1-3、存儲單元1-4、采集單元1-5和控制單元1-6 ；
[0016]采集單元1-5用于采集高速數據采集器3發送的壓力信號和火焰信號；
[0017]處理單元1-2用于將采集單元1-5采集的爆炸腔體4內的壓力值與外部大氣壓力值進行比較，并將比較結果輸入至顯示單元1-1;還用于控制真空栗2啟動、關閉，控制電磁閥10開、關以及控制電磁閥開啟延遲；
[0018]顯示單元1-1用于顯示處理單元1-2的比較結果；
[0019]點火控制單元1-3用于根據處理單元1-2的比較結果控制點火電極5點火；
[0020]存儲單元1-4用于存儲采集單元1-5接收的壓力信號和火焰信號；
[0021 ]控制單元1-6用于控制真空栗2啟動和停止。
[0022]爆炸腔體4、瓦斯爆炸擴散管路15和瓦斯爆炸擴散支路17均由高強度鋼管制成。
[0023]基于一種模擬煤礦井下巷道內瓦斯-煤塵爆炸的實驗裝置的實驗方法，該方法包括下述步驟:
[0024]步驟一、打開電磁閥10，高能點火柜I通過控制真空栗2，抽出爆炸腔體4中的部分空氣;關閉電磁閥10，保證爆炸腔體4內的壓力值小于外部大氣壓力值；
[0025]步驟二、啟動增壓栗6和空氣壓縮機7，增壓栗6和空氣壓縮機7共同作用將瓦斯鋼瓶19中的瓦斯氣體壓入高壓儲氣瓶8中，高壓儲氣瓶8中儲存預設壓力的瓦斯氣體以后，關閉瓦斯鋼瓶19增壓栗6和空氣壓縮機7，停止供給瓦斯；
[0026]步驟三、打開截止閥12，高壓儲氣瓶8中的瓦斯氣體通過連接管18通入粉室9內，瓦斯氣體和粉室9內的煤塵一起進入爆炸腔體4內；壓力傳感器11監測爆炸腔體4內的壓力，并將壓力通過高速數據采集器3發送至高能點火柜I，并在顯示單元1-1顯示；
[0027]步驟四、高能點火柜I中的處理單元1-2將接收的爆炸腔體4內的壓力值與外部大氣壓力值進行比較，當爆炸腔體4內的壓力值與爆炸腔體4外部的壓力值相等時，高能點火柜I的顯示單元1-1上顯示值為O;
[0028]步驟五、高能點火柜I中的點火控制單元1-3控制點火電極5點火;安裝在瓦斯爆炸擴散管路15上的壓力傳感器11和火焰傳感器14，分別監測爆炸時瓦斯爆炸擴散管路15內的壓力和火焰，并將壓力和火焰通過高速數據采集器3發送至高能點火柜I中的存儲單元1-4儲存。
[0029]本發明公開了一種模擬煤礦井下巷道內瓦斯-煤塵爆炸實驗裝置。本實驗裝置既可實現煤礦井下瓦斯氣體爆炸模擬實驗，又可實現瓦斯與煤塵、粉塵混合爆炸模擬實驗。
[0030]該裝置應用于科研、教學模擬巷道內發生瓦斯-煤塵爆炸，有助于科研工作者研究發生瓦斯-煤塵爆炸后巷道內各位置沖擊波壓力大小分布情況及火焰傳播規律;有利于學生認識煤礦井下瓦斯-煤塵爆炸危險程度，豐富教學效果。該裝置為預防煤礦井下發生瓦斯-煤塵爆炸事故提供良好的演示模擬效果。
[0031]本發明滿足了對模擬煤礦井下巷道內瓦斯-煤塵爆炸的實驗裝置的需求，使工人們能夠清楚、直觀地了解瓦斯-煤塵發生爆炸的現象及危害性，提高工