CN103604832B - 一种瓦斯爆炸模拟试验系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种瓦斯爆炸模拟试验系统及方法，属于爆炸试验技术领域。试验方法为：检查传感器连接完好性，打开数据采集仪；打开高速摄像仪及计算机软件，调整高速摄像仪的拍摄角度；打开出气阀门，用真空泵对模拟巷道抽真空；打开进气阀门以及甲烷气瓶和空气瓶、减压阀、电磁阀和流量计，调节得到不同瓦斯浓度下的试验预混气；点火器点火，同时触发数据采集仪采集压力和温度数据，以及通过外触发开启高速摄像仪对瓦斯爆炸过程进行摄像；通过对采集数据及影像的分析和处理，找到瓦斯爆炸规律。优点是能得到瓦斯爆炸过程中爆炸应力波传播规律、温度变化规律、烟气和火焰变化规律，实现了瓦斯爆炸过程的定量化和精细化描述。
Description
技术领域
本发明涉及爆炸试验技术领域，尤其是涉及一种瓦斯爆炸模拟试验系统及方法。
背景技术
我国是世界上煤炭生产和消费的大国，预计2050年煤炭作为主要能源还将占50％以上，但煤炭生产面临着各种煤矿灾害，特别是瓦斯灾害，如在煤矿企业一次死亡10人以上的事故中，瓦斯事故占死亡人数的71％。其中，瓦斯爆炸不仅可导致大量人员伤亡，还会摧毁井巷设施、中断生产，有时还会引起煤尘爆炸、矿井火灾等二次煤矿灾害。所以，对瓦斯爆炸规律的研究对预防和控制瓦斯灾害具有重大意义，是保障煤矿安全生产的基础。
矿井瓦斯是煤矿井下各种有毒有害气体的总称，其主要成分是甲烷(CH4)，占80％以上，故人们习惯上将甲烷称为瓦斯，也就是说，瓦斯爆炸可以等价为甲烷-空气的混合气体在外界火源诱导触发下的爆炸过程。对于该爆炸过程的模拟试验研究方面的专利，目前只有樊小利等发明的智能型瓦斯爆炸实验演示装置(申请号：CN200910064363.0)，其不足在于：它只是一个定性的瓦斯爆炸演示实验装置，而不能定量地对各种浓度的瓦斯爆炸进行研究。所以，有必要发明一种可定量、精细化地对各种不同浓度条件下的瓦斯爆炸进行研究的模拟试验系统及方法，通过对瓦斯爆炸规律的定量化和精细化研究，为预防和控制煤矿瓦斯灾害提供理论支持。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种瓦斯爆炸模拟试验系统及方法，它实现了对瓦斯爆炸过程的定量化和精细化描述，能得到瓦斯爆炸过程中爆炸应力波传播规律、温度变化规律、烟气和火焰变化规律等。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：
一种瓦斯爆炸模拟试验系统，包括甲烷气瓶、空气瓶、减压阀、电磁阀、流量计、三通、模拟巷道、试验架、进气口、进气阀门、出气口、出气阀门、真空泵、防爆安全阀、点火探针、点火器、压力传感器、温度传感器、数据采集仪、高速摄像仪、三角支架、计算机、连接管、连接线、数据线。其特征在于，所述甲烷气瓶和空气瓶分别通过连接管与减压阀、电磁阀和流量计连接，并交汇于三通，再通过连接管和进气阀门连接于模拟巷道的进气口；所述模拟巷道由透明高强度钢化玻璃制成的密闭圆柱腔体，并固定在试验架上，其上有进气口、出气口和防爆安全阀；所述真空泵通过连接管和出气阀门连接于模拟巷道的出气口；所述压力传感器和温度传感器安装在模拟巷道内，并通过连接线分别与数据采集仪相连；所述点火探针安装于模拟巷道的中部，其针尖位于巷道断面的中心位置，以保证试验的压力、温度和烟气的对称均匀传播，且点火探针通过连接线与点火器相连；所述点火器、数据采集仪和高速摄像仪通过连接线相连，在点火器触发点火探针时，同时触发数据采集仪开始采集数据，此时数据采集仪又通过外触发开启高速摄像仪开始摄像，实现点火、数据采集和摄像同步进行；所述高速摄像仪置于三角支架上，通过数据线连接于计算机。
进一步，所述减压阀、电磁阀和流量计各有两个，分别用于甲烷气瓶和空气瓶气路；所述模拟巷道为一透明高强度钢化玻璃制成的密闭圆柱腔体，这样就可用高速摄像仪进行摄像；所述防爆安全阀安装于模拟巷道的中部附近，以防止瓦斯爆炸产生的压力超过钢化玻璃强度而毁损模拟巷道，起到释放压力的作用。
进一步，所述压力传感器测量范围为0～10MPa，温度传感器为热电偶型，最高可测温度不小于3000℃，它们的个数根据模拟巷道的长度来确定，其中压力传感器从模拟巷道中部向一侧等距离布置，以探测爆炸应力波沿巷道走向的传递变化情况；温度传感器从模拟巷道中部向一侧沿两边布置，以探测温度沿巷道走向及在巷道断面内的变化情况；所述数据采集仪经不同的通道接口与压力传感器和温度传感器相连，记录并存储传感器采集的压力和温度数据，之后再通过相关软件对数据进行分析和处理。
进一步，所述三角支架为一种可调整各方位角度的三角支撑架，固定于其上的高速摄像仪是可调焦的，且最短曝光时间为1μs，在降低分辨率情况下最大帧速可达100,000fps，其通过数据线与计算机相连，在计算机中通过软件对高速摄像仪进行操作及对拍摄图像进行存储、分析和处理。
一种瓦斯爆炸模拟试验方法，其分为以下几步：
1)检查压力传感器和温度传感器是否完好、连接线的连接是否准确，打开数据采集仪。
2)把高速摄像仪架设在三角支架上，用数据线将高速摄像仪和计算机连接、同时用连接线连接数据采集仪和高速摄像仪；打开计算机和高速摄像仪，之后打开计算机中的摄像控制软件；根据软件中所示的实时图像调整三角支架和高速摄像仪得到所需拍摄角度和清晰度。
3)保持进气阀门关闭状态，打开出气阀门，用真空泵对模拟巷道抽真空。
4)关闭出气阀门，打开进气阀门，再先后打开甲烷气瓶和空气瓶、减压阀、电磁阀和流量计，调节甲烷和空气通过三通和连接管通入模拟巷道的混合量，得到不同瓦斯浓度条件下的试验预混气，关闭进气阀门。
5)检查点火探针与点火器的连接完好性，同时用连接线连接点火器和数据采集仪。
6)点火器对点火探针点火，并触发数据采集仪开始采集压力和温度数据，同时数据采集仪通过外触发开启高速摄像仪，同步开始对模拟巷道中瓦斯爆炸全过程进行摄像。
7)通过对采集的压力和温度数据、瓦斯爆炸影像的综合分析和处理，找到瓦斯爆炸规律，如爆炸应力波传播规律、温度变化规律、烟气和火焰变化规律等。
本发明的有益效果是：本发明不仅可以模拟瓦斯爆炸的现象和基本过程，还实现了对瓦斯爆炸过程的定量化和精细化描述，通过压力传感器和温度传感器的合理布置，经过对所采集数据的分析和处理，可得到瓦斯爆炸过程中爆炸应力波传播规律、温度变化规律；通过对高速摄像仪采集图像的分析和处理，可得到瓦斯爆炸过程中烟气和火焰的变化规律，对瓦斯爆炸的规律和危害性研究具有重要意义，对瓦斯爆炸的预防和控制措施研究具有重要参考价值。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图。
图2为本发明实施例2的结构示意图。
图3为点火探针点火图。
其中：1—甲烷气瓶，2a—减压阀，3a—电磁阀，4a—流量计，5—空气瓶，2b—减压阀，3b—电磁阀，4b—流量计，6—三通，7—模拟巷道，8—进气口，80—进气阀门，9—出气口，90—出气阀门，10—试验架，11—真空泵，12—防爆安全阀，13—点火探针，14—点火器，15a—压力传感器，15b—压力传感器，15c—压力传感器，16a—温度传感器，16b—温度传感器，16c—温度传感器，17—数据采集仪，18—高速摄像仪，19—三角支架，20—计算机，30—连接管，40—连接线，50—数据线。
具体实施方式
下面结合附图和各实施例对本发明作进一步阐述。
如图1为本发明实施例1的结构示意图，一种瓦斯爆炸模拟试验系统，其特征在于，所述甲烷气瓶1和空气瓶5分别通过连接管30与减压阀2、电磁阀3和流量计4连接，并交汇于三通6，再通过连接管30和进气阀门80连接于模拟巷道7的进气口8；所述模拟巷道7固定在试验架10上，其上有进气口8、出气口9和防爆安全阀12；所述真空泵11通过连接管30和出气阀门90连接于模拟巷道7的出气口9；所述压力传感器15和温度传感器16安装在模拟巷道7内，并通过连接线40分别与数据采集仪17相连；所述点火探针13安装于模拟巷道7的中部，其针尖位于巷道断面的中心位置，如图3所示为点火探针点火图，以保证试验的压力、温度和烟气的对称均匀传播，且点火探针13通过连接线40与点火器14相连；所述点火器14、数据采集仪17和高速摄像仪18通过连接线40相连，在点火器14触发点火探针13时，同时触发数据采集仪17开始采集数据，此时数据采集仪17又通过外触发开启高速摄像仪18开始摄像，实现点火、数据采集和摄像同步进行；所述高速摄像仪18置于三角支架19上，另有一路通过数据线50连接于计算机20。
其中，所述甲烷气瓶1和空气瓶5要固定放置，用以防止气瓶倾斜倒塌发生事故；所述减压阀2、电磁阀3和流量计4各有两个，分别用于甲烷气瓶1和空气瓶5气路；所述模拟巷道7为一透明高强度钢化玻璃制成的圆柱腔体，这样就可用高速摄像仪18进行摄像；所述防爆安全阀12安装于模拟巷道7的中部附近，以防止瓦斯爆炸产生的压力超过钢化玻璃强度而毁损模拟巷道7，起到释放压力的作用；所述压力传感器15的测量范围为0～10MPa，温度传感器16为热电偶型，最高可测温度不小于3000℃，它们的个数根据模拟巷道的长度来确定，其中在布置方式上，压力传感器15从模拟巷道7中部向一侧等距离布置，以探测爆炸应力波沿巷道走向的传递变化情况，温度传感器16从模拟巷道中部向一侧沿两边布置，以探测温度沿巷道走向及在巷道断面内的变化情况，其中本发明结构示意图中布置的都是3个(即15a、15b和15c，以及16a、16b和16c)；同时，数据采集仪17经不同的通道接口与压力传感器15和温度传感器16相连，记录并存储传感器采集的压力和温度数据，试验后可通过相关软件对数据进行分析和处理；所述三角支架19为一种可调整各方位角度的三角支撑架，固定于其上的高速摄像仪18是可调焦的，且最短曝光时间为1μs，在降低分辨率情况下最大帧速可达100,000fps，其通过数据线50与计算机20相连，在计算机20中通过软件对高速摄像仪18进行操作及对拍摄图像进行存储、分析和处理。
一种瓦斯爆炸模拟试验方法，其分为以下几步：
1)检查压力传感器15和温度传感器16是否完好、连接线40的连接是否准确，打开数据采集仪17；
2)把高速摄像仪18架设在三角支架19上，用数据线50将高速摄像仪18和计算机20连接、同时用连接线40连接数据采集仪17和高速摄像仪18；打开计算机20和高速摄像仪18，之后打开计算机20中的摄像控制软件；根据软件中所示的实时图像调整三角支架19和高速摄像仪18得到所需拍摄角度和清晰度；
3)保持进气阀门80关闭状态，打开出气阀门90，用真空泵11对模拟巷道7抽真空；
4)关闭出气阀门90，打开进气阀门80，再先后打开甲烷气瓶1和空气瓶5、减压阀2a和2b、电磁阀3a和3b、流量计4a和4b，调节甲烷和空气通过三通6和连接管30通入模拟巷道7的混合量，由道尔顿定律(Dalton’s law)和波义尔-马略特定律(Boyle-Mariotte’s law)得到不同瓦斯浓度条件下的试验预混气，之后关闭进气阀门80；
5)检查点火探针13与点火器14的连接完好性，同时用连接线40连接点火器14和数据采集仪17；
6)点火器14对点火探针13点火，并触发数据采集仪17开始采集压力和温度数据，同时数据采集仪17通过外触发开启高速摄像仪18，同步开始对模拟巷道7中瓦斯爆炸全过程进行摄像；
7)通过对采集的压力和温度数据、瓦斯爆炸影像的综合分析和处理，找到瓦斯爆炸规律，如爆炸应力波传播规律、温度变化规律、烟气和火焰变化规律等。
如图2为本发明实施例2的结构示意图，其试验系统结构以及试验方法步骤与实施例1相同，只是实施例1是高速摄像仪18沿模拟巷道7的走向对瓦斯爆炸的过程进行摄像，而实施例2是沿模拟巷道7断面对瓦斯爆炸的过程进行摄像，即得到在不同传播方向上烟气和火焰传播规律。
最后应当说明的是，以上内容仅用于说明本发明的技术方案，而非对其保护范围进行限制，本领域科研和技术人员对本发明技术方案进行一定的修改、组合或变更，均纳入本发明技术方案的保护范围。
Claims (4)
1.一种瓦斯爆炸模拟试验系统，其特征在于，所述系统包括甲烷气瓶(1)、空气瓶(5)、减压阀(2)、电磁阀(3)、流量计(4)、三通(6)、模拟巷道(7)、试验架(10)、进气口(8)、进气阀门(80)、出气口(9)、出气阀门(90)、真空泵(11)、防爆安全阀(12)、点火探针(13)、点火器(14)、压力传感器(15)、温度传感器(16)、数据采集仪(17)、高速摄像仪(18)、三角支架(19)、计算机(20)、连接管(30)、连接线(40)、数据线(50)；所述甲烷气瓶(1)和空气瓶(5)分别通过连接管(30)与减压阀(2)、电磁阀(3)和流量计(4)连接，并交汇于三通(6)，再通过连接管(30)和进气阀门(80)连接于模拟巷道(7)的进气口(8)；所述模拟巷道(7)由透明高强度钢化玻璃制成的密闭圆柱腔体，并固定在试验架(10)上，其上有进气口(8)、出气口(9)和防爆安全阀(12)；所述真空泵(11)通过连接管(30)和出气阀门(90)连接于模拟巷道(7)的出气口(9)；所述压力传感器(15)和温度传感器(16)安装在模拟巷道(7)内，并通过连接线(40)分别与数据采集仪(17)相连；所述点火探针(13)安装于模拟巷道(7)的中部，其针尖位于巷道断面的中心位置，以保证试验的压力、温度和烟气的对称均匀传播，且点火探针(13)通过连接线(40)与点火器(14)相连；所述点火器(14)、数据采集仪(17)和高速摄像仪(18)通过连接线(40)相连，在点火器(14)触发点火探针(13)时，同时触发数据采集仪(17)开始采集数据，此时数据采集仪(17)又通过外触发开启高速摄像仪(18)开始摄像，实现点火、数据采集和摄像同步进行；所述高速摄像仪(18)置于三角支架(19)上，通过数据线(50)连接于计算机(20)。
2.根据权利要求1所述的一种瓦斯爆炸模拟试验系统，其特征在于，所述压力传感器(15)和温度传感器(16)根据模拟巷道(7)的长度来确定个数，其中压力传感器(15)从模拟巷道(7)中部向一侧等距离布置，温度传感器(16)从模拟巷道(7)中部向一侧沿两边布置。
3.根据权利要求1所述的一种瓦斯爆炸模拟试验系统，其特征在于，所述三角支架(19)为一种可调整各方位角度的三角支撑架。
4.一种瓦斯爆炸模拟试验方法，其特征在于，包括：
1)检查压力传感器(15)和温度传感器(16)是否完好、连接线(40)的连接是否准确，打开数据采集仪(17)；
2)把高速摄像仪(18)架设在三角支架(19)上，用数据线(50)将高速摄像仪(18)和计算机(20)连接、同时用连接线(40)连接数据采集仪(17)和高速摄像仪(18)；打开计算机(20)和高速摄像仪(18)，之后打开计算机(20)中的摄像控制软件；根据软件中所示的实时图像调整三角支架(19)和高速摄像仪(18)得到所需拍摄角度和清晰度；
3)保持进气阀门(80)关闭状态，打开出气阀门(90)，用真空泵(11)对模拟巷道(7)抽真空；
4)关闭出气阀门(90)，打开进气阀门(80)，再先后打开甲烷气瓶(1)和空气瓶(5)、减压阀(2a)和(2b)、电磁阀(3a)和3(b)、流量计(4a)和(4b)，调节甲烷和空气通过三通(6)和连接管(30)通入模拟巷道(7)的混合量，得到不同瓦斯浓度条件下的试验预混气，关闭进气阀门(80)；
5)检查点火探针(13)与点火器(14)的连接完好性，同时用连接线(40)连接点火器(14)和数据采集仪(17)；
6)点火器(14)对点火探针(13)点火，并触发数据采集仪(17)开始采集压力和温度数据，同时数据采集仪(17)通过外触发开启高速摄像仪(18)，同步开始对模拟巷道(7)中瓦斯爆炸全过程进行摄像；
7)通过对采集的压力和温度数据、瓦斯爆炸影像的综合分析和处理，找到瓦斯爆炸规律，如爆炸应力波传播规律、温度变化规律、烟气和火焰变化规律。
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