CN104655817B - 一种模拟原地二次爆炸的实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种为模拟“原地二次爆炸”而设计的实验装置及方法，适用于可燃气体、液体蒸气的“原地二次爆炸”研究。本装置的主体部分是爆炸管道，它由左右两段组成，中间安装阻火器。当对管道内混合气体点火时，第一管道内的气体发生初次爆炸，由于阻火器的阻火作用，第二管道内的气体不会发生爆炸。第一管道内初次爆炸后会产生较大负压，将第二管道内的部分气体吸入第一管道而形成二次爆炸。利用安装在管道上不同部位的压力传感器和火焰传感器，测试管道内压力和火焰信号的变化情况，再结合数据采集仪和计算机得到压力和火焰曲线对其信号进行分析，可以深入研究“原地二次爆炸”的发展过程，据此进一步探索“原地二次爆炸”的机理。

Description

一种模拟原地二次爆炸的实验装置及方法

技术领域

本发明涉及可燃气体、液体蒸气的爆炸实验研究领域，具体涉及一种模拟原地二次爆炸的实验装置及实验方法。

背景技术

在我国煤矿井中，瓦斯爆炸危险普遍存在，而“二次爆炸”是瓦斯爆炸事故的主要表现形式，且危害严重，往往会导致群死群伤，摧毁巷道，毁坏设备，甚至毁掉整个矿井，给国家和人民生命财产造成巨大损失。

从各种文献和报道中得知，国内外专家对“二次爆炸”的研究较少，其中“原地二次爆炸(即俗称的“返回风式二次爆炸”)”更是近几年才提出的理论，目前尚缺乏实验研究，其形成机制及影响因素也并不十分清楚。只有真正彻底、全面地搞清其机理，才能有的放矢，对症下药，从而有效地预防和控制瓦斯爆炸事故的发生。

现有技术中，申请号为CN201210386681.0公开了一种激波管式可燃气体爆炸实验装置，包括管状爆炸测试筒，爆炸测试筒的前端开口且设有将开口密封的防爆膜。实验时，向测试筒内充入可燃气体，开启点火器，测试筒内的气体爆炸，火焰冲破前端的防爆膜而喷出火焰，产生二次爆炸。该技术方案，初次爆炸和二次爆炸发生在不同的位置，无法研究原地二次爆炸。另外，该实验装置二次爆炸时，火焰冲破防爆膜从测试筒内冲出，虽有防冲击挡板的阻挡，但是仍对操作环境要求很高，有一定的危险。

发明内容

为了解决上述问题，针对目前国内外对“原地二次爆炸”尚缺乏实验研究，以及对“原地二次爆炸”形成机制及影响因素并不十分清楚的现状，本发明提供一种可进行原地二次爆炸的实验装置及方法，通过本装置及方法进行实验研究，可形象、科学地再现“原地二次爆炸”的发展过程，并进一步探索“原地二次爆炸”的机理，据此提出科学合理的防治措施，为工业安全生产特别是煤矿安全生产做出贡献。

本发明为了实现上述目的，采用的技术解决方案是：

一种模拟原地二次爆炸的实验装置，包括爆炸管道，及与爆炸管道连接的进气装置、点火装置、数据采集装置。与现有技术的区别之处在于：所述爆炸管道的中间设有阻火器，所述阻火器将爆炸管道分成两部分，分别为第一管道和第二管道；所述点火装置与第一管道连接。

如上所述的技术方案，当点火器对管道内混合气体点火时，第一管道内的气体发生初次爆炸，由于阻火器的阻火作用，第二管道内的气体不会发生爆炸。第一管道内初次爆炸后会产生较大负压，第一管道由于负压将部分第二管道内的气体吸入，形成新的爆炸条件，同时在初次爆炸产生的能量点燃作用下在“原地”发生二次爆炸，通过数据采集装置采集各项信息进行分析，可以用于研究“原地二次爆炸”的形成机制及影响因素。一次爆炸与二次爆炸均在爆炸管道内进行，火焰不会从爆炸管道内泻出，安全系数高，对实验环境的要求较低。

分别位于阻火器两端的所述第二管道比第一管道体积大，容纳的气体多，可保证第一管道因初次爆炸产生的负压所吸入的第二管道气体浓度达到爆炸极限，为二次爆炸的发生提供必要条件。同时，为了使第一管道更容易吸入第二管道中的新鲜气体，所述第二管道的横向截面直径大于等于第一管道的横向截面直径。

优选的，所述第二管道的横向截面直径至少为第一管道的横向截面直径的两倍，此时二次爆炸成功率更高。

所述进气装置包括进气口、贮气囊、真空泵，所述进气口、真空泵分别与爆炸管道连接，贮气囊通过进气口与爆炸管道相连。其中贮气囊内的气体是可燃气体(或可燃液体蒸气)与空气的混合气体。真空泵主要用于管道内的混合气体配置：先用真空泵将整个管道抽成真空状态，然后借助真空吸力将贮气囊内的混合气体吸入到爆炸管道。

为了对管道内已吸入的气体进行机械循环，从而使其浓度均一化，所述爆炸管道还与循环泵连接。

所述点火装置包括设于第一管道的点火头和点火器。

所述数据采集装置包括分别用于检测管道内压力和火焰信号变化的压力传感器、火焰传感器，用于采集和分析处理各传感器信号的数据采集仪，用于记录和保存数据的计算机。管道上不同部位分别设有压力传感器和火焰传感器，分别用于测试管道内压力和火焰信号的变化情况，各传感器的信号传输到数据采集仪，数据采集仪对各传感器的信号进行分析处理，然后传输到计算机记录并保存。压力传感器、火焰传感器与数据采集仪之间，及数据采集仪与计算机之间均采用数据传输线传输；所述压力传感器、火焰传感器与数据采集仪之间的数据传输线采用集线板进行收纳整理。

一种利用上述的装置模拟原地二次爆炸的实验方法，包括以下步骤：

A.将一定浓度的可燃气体与空气的混合气体或可燃液体蒸气与空气的混合气体通入爆炸管道内；

B.启动点火装置，对第一管道内的混合气体点火，则第一管道内的气体发生初次爆炸；

C.由于阻火器的阻火作用，第二管道内的气体不会发生爆炸，第一管道内初次爆炸后会产生较大负压，将第二管道内的部分混合气体吸入第一管道内而形成二次爆炸；

D.当爆炸压力或火焰信号传至传感器时，传感器将信号转换成电信号，然后通过模数转换器进一步转化为数字信号，再经过数据采集装置进行分析处理，最后传输到计算机进行记录和保存。

其中，所述步骤A和步骤B之间还包括通过机械循环使整个管道内气体的浓度均一化的步骤。

优选的，所述步骤A中，利用负压方法将混合气体送入爆炸管道。具体为，先将整个爆炸管道内抽成真空状态，再将一定浓度的可燃气体与空气的混合气体或可燃液体蒸气与空气的混合气体吸入爆炸管道内。

本发明的有益效果在于：通过本装置及方法进行实验研究，可形象地再现“原地二次爆炸”的发展过程，从而科学、准确地探索出“原地二次爆炸”的机理；两次爆炸均在爆炸管道内进行，火焰不会从爆炸管道内泻出，安全系数高，对实验环境的要求较低；第二管道比第一管道体积大，可保证第一管道因初次爆炸产生的负压所吸入的第二管道气体浓度达到爆炸极限，为二次爆炸的发生提供必要条件。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是模拟“原地二次爆炸”实验装置的示意图。

图中：1-点火器，2-点火头，3-进气口，4-贮气囊，5-真空泵，6-循环泵，7-火焰传感器，8-压力传感器，9-阻火器，10-爆炸管道，11-集线板，12-数据采集仪，13-计算机，14-排气口；Ⅰ-第一管道；Ⅱ-第二管道。

具体实施方式

下面结合附图1对本发明具体实施方式作进一步的描述。

如图1所示模拟“原地二次爆炸”的实验装置，包括点火器1、点火头2、进气口3、贮气囊4、真空泵5、循环泵6、火焰传感器7、压力传感器8、阻火器9、爆炸管道10、集线板11、数据采集仪12、计算机13、排气口14。本装置的主体部分是爆炸管道10，爆炸管道10的中间设有阻火器9，阻火器9将爆炸管道分成两部分，分别为第一管道Ⅰ和第二管道Ⅱ，当点火器1对管道内混合气体点火时，第一管道Ⅰ内的气体发生初次爆炸，由于阻火器9的阻火作用，第二管道Ⅱ内的气体不会发生爆炸。第一管道Ⅰ内初次爆炸后会产生较大负压，将第二管道Ⅱ内的部分混合气体吸入第一管道Ⅰ内而形成二次爆炸。爆炸管道10的两端分别采用盲板密封，第一管道侧的盲板上安装点火头2并通过导线连接点火器1，第一管道Ⅰ上设有进气口3并与贮气囊4相连，其中贮气囊4内的气体是可燃气体(或可燃液体蒸气)与空气的混合气体。真空泵5主要用于爆炸管道10内的混合气体配置：先用真空泵5将整个爆炸管道10抽成真空状态，然后借助真空吸力将贮气囊4内的混合气体吸入到爆炸管道10，循环泵6用于对管道内已吸入的气体进行机械循环，从而使其浓度均一化。爆炸管道10上不同部位分别设有压力传感器8和火焰传感器7，分别用于测试爆炸管道10内压力和火焰信号的变化情况，各传感器的信号通过集线板11内的数据传输线传输到数据采集仪12，数据采集仪12对各传感器的信号进行分析处理，然后通过数据传输线传输到计算机13记录并保存。

初次爆炸后，第一管道Ⅰ中发生二次爆炸的成功率也与第一管道Ⅰ、第二管道Ⅱ的体积V₁、V₂及横截面直径D₁、D₂有关。

通过大量实验发现，当V₂≥V₁时，容易形成二次爆炸。这是因为第二管道Ⅱ较第一管道Ⅰ容积大，能从总量上保证第二管道Ⅱ有足够多的气体吸到第一管道Ⅰ，从而容易产生二次爆炸的缘故。

实验证明，当D₂＝D₁时，可以形成二次爆炸，但几率较低。在做二次爆炸实验时，为了取得好的实验效果，通常取当量浓度附近的气体，以甲烷为例，当D₁取80mm时，通过大量实验发现，只有30％的几率发生二次爆炸。当D₂＜D₁时，发生二次爆炸的几率更小，很难形成二次爆炸，这是因为初次爆炸形成的真空较难吸入未燃的第二管道Ⅱ的气体，且再次形成的混合气体较难达到爆炸极限的缘故。因为做二次爆炸实验时，为了取得好的实验效果，通常取当量浓度的气体(如甲烷取9.5％～10％的浓度)，以甲烷为例，初次爆炸形成的真空吸回的气体较难达到爆炸下限而形成爆炸。

当D₂＝1.5D₁时，形成二次爆炸的几率明显增大，但仍有些实验未发生爆炸，发现有80％的几率发生二次爆炸。这是因为第二管道Ⅱ较第一管道Ⅰ直径大，初次爆炸形成的真空较易吸入未燃的第二管道气体的缘故。

当D₂≥2D₁时，容易形成二次爆炸。发现每次实验都能发生二次爆炸。这是因为第二管道Ⅱ较第一管道Ⅰ直径大很多，初次爆炸形成的真空非常容易吸入未燃的第二管道气体的缘故。且相比较其他情况，初次爆炸形成的真空吸回的气体浓度也会较大，爆炸强度也较好，爆炸效果较好。

综上所述，为提高二次爆炸的几率，第二管道Ⅱ的体积V₂大于等于第一管道Ⅰ的体积V₁，第二管道Ⅱ的横向截面直径大于等于第一管道Ⅰ的横向截面直径，即V₂≥V₁且D₂≥D₁。更加优选的，第二管道Ⅱ的体积V₂应大于等于第一管道Ⅰ的体积V₁，第二管道Ⅱ的横向截面直径大于等于第一管道Ⅰ的横向截面直径的两倍，即V₂≥V₁且D₂≥2D₁。

本实施例还公开了一种模拟原地二次爆炸的实验方法，包括以下步骤：

启动真空泵，将整个爆炸管道内抽成真空状态，将一定浓度的可燃气体与空气的混合气体或可燃液体蒸气与空气的混合气体吸入爆炸管道内；

开启循环泵，通过机械循环使整个管道内气体的浓度均一化；

启动点火器开关，对第一管道内的混合气体点火，则第一管道内的气体发生初次爆炸；

由于阻火器的阻火作用，第二管道内的气体不会发生爆炸，第一管道内初次爆炸后会产生较大负压，将第二管道内的部分混合气体吸入第一管道内而形成二次爆炸；

当爆炸压力或火焰信号传至传感器时，传感器将信号转换成电信号，然后通过模数转换器进一步转化为数字信号，再经过数据采集仪进行分析处理，最后传输到计算机进行记录和保存。

通过对计算机所记录的压力和火焰曲线及其信号进行分析，可以深入研究“原地二次爆炸”的发展过程，据此进一步探索“原地二次爆炸”的机理。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种模拟原地二次爆炸的实验装置，包括爆炸管道，及与爆炸管道连接的进气装置、点火装置、数据采集装置，其特征在于：所述爆炸管道的中间设有阻火器，所述阻火器将爆炸管道分成两部分，分别为第一管道和第二管道；所述点火装置与第一管道连接；所述第二管道的体积大于等于第一管道的体积，所述第二管道的横向截面直径大于第一管道的横向截面直径。

2.根据权利要求1所述的一种模拟原地二次爆炸的实验装置，其特征在于：所述第二管道的横向截面直径至少为第一管道的横向截面直径的两倍。

3.根据权利要求1所述的一种模拟原地二次爆炸的实验装置，其特征在于：所述进气装置包括进气口、贮气囊、真空泵，所述进气口、真空泵分别与爆炸管道连接，贮气囊通过进气口与爆炸管道相连。

4.根据权利要求1或3所述的一种模拟原地二次爆炸的实验装置，其特征在于：所述爆炸管道还与循环泵连接。

5.根据权利要求1所述的一种模拟原地二次爆炸的实验装置，其特征在于：所述点火装置包括设于第一管道的点火头和点火器。

6.根据权利要求1所述的一种模拟原地二次爆炸的实验装置，其特征在于：所述数据采集装置包括分别用于检测管道内压力和火焰信号变化的压力传感器、火焰传感器，用于采集和分析处理各传感器信号的数据采集仪，用于记录和保存数据的计算机。

7.一种利用权利要求1～6任一所述的装置模拟原地二次爆炸的实验方法，其特征在于：包括以下步骤：

A.将一定浓度的可燃气体与空气的混合气体或可燃液体蒸气与空气的混合气体通入爆炸管道内；

B.启动点火装置，对第一管道内的混合气体点火，则第一管道内的气体发生初次爆炸；

C.由于阻火器的阻火作用，第二管道内的气体不会发生爆炸，第一管道内初次爆炸后会产生较大负压，将第二管道内的部分混合气体吸入第一管道内而形成二次爆炸；

D.当爆炸压力或火焰信号传至传感器时，传感器将信号转换成电信号，然后通过模数转换器进一步转化为数字信号，再经过数据采集装置进行分析处理，最后传输到计算机进行记录和保存。

8.根据权利要求7所述的一种模拟原地二次爆炸的实验方法，其特征在于：所述步骤A和步骤B之间还包括通过机械循环使整个管道内气体的浓度均一化的步骤。

9.根据权利要求7所述的一种模拟原地二次爆炸的实验方法，其特征在于：所述步骤A中，先将整个爆炸管道内抽成真空状态，再将一定浓度的可燃气体与空气的混合气体或可燃液体蒸气与空气的混合气体吸入爆炸管道内。