CN105424704B - 一种用于模拟矿井防爆墙的测试系统及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于模拟矿井防爆墙的测试系统及其测试方法，涉及煤矿井下热动力灾害防治研究领域。所述测试系统包括巷道密闭模拟装置，其内部安装有防爆墙；配气子系统将瓦斯和空气混合后泵入巷道密闭模拟装置内；同步控制子系统控制点火子系统点燃瓦斯空气混合气体并控制第一高速摄影仪录制巷道密闭模拟装置的影像；瓦斯爆炸结束后，同步控制子系统控制透射式动态焦散试验子系统录制防爆墙的影像；在瓦斯爆炸过程中，数据采集系统获取巷道密闭模拟装置内的火焰信息、压力信息和防爆墙的位移信息，高速摄影子系统存储并对第一高速摄影仪和透射式动态焦散试验子系统录制的影像进行处理和分析。

Description

一种用于模拟矿井防爆墙的测试系统及其测试方法

技术领域

本发明涉及煤矿井下热动力灾害防治研究领域，特别是涉及一种用于模拟矿井防爆墙的测试系统及其测试方法。

背景技术

近年来，随着煤层开采工艺、技术不断进步和深度加大，造成的矿井热动力灾害事故发生极为频繁，其中瓦斯爆炸及煤自燃事故具有隐蔽性强、预测预报不精确、治理难度大、后果严重等显著特点。通常为了防治采空区遗煤自燃及保证邻近工作面的顺利开采，需要在停采线或联络巷处修建密闭墙。然而当前井下密闭墙的材料、技术及工艺难以达标、厚度位置设置不合理更是导致密闭墙难以保持稳定性的首要因素。一旦井下发生瓦斯爆炸等冲击灾害，极易造成密闭墙破损，进而引起漏风，导致煤自燃危险性增加。

因此，研究瓦斯爆炸对保证井下密闭墙的稳定性、可靠性有重要意义；然而目前还没有关于这方面的研究。

发明内容

本发明实施例提供了一种用于模拟矿井防爆墙的测试系统及其测试方法，可以填补瓦斯爆炸对保证井下密闭墙的稳定性、可靠性研究领域的空白。

一种用于模拟矿井防爆墙的测试系统，包括巷道密闭模拟装置、配气子系统、点火子系统、数据采集子系统、同步控制子系统、高速摄影子系统和透射式动态焦散试验子系统；所述巷道密闭模拟装置由玻璃围绕形成，其内部安装有防爆墙，所述防爆墙将所述巷道密闭模拟装置的内部空间分割为第一密闭室和第二密闭室；所述配气子系统将瓦斯和空气混合后泵入所述第一密闭室；所述同步控制子系统控制所述点火子系统工作，以点燃所述第一密闭室中的瓦斯空气混合气体，所述同步控制子系统还同步控制第一高速摄影仪从平行于所述防爆墙的方向录制所述巷道密闭模拟装置的影像；所述数据采集子系统获取瓦斯爆炸过程中所述第一密闭室中的火焰和压力信息以及所述防爆墙的位移信息；所述同步控制子系统在瓦斯爆炸结束后控制透射式动态焦散试验子系统从垂直于所述防爆墙的方向录制所述防爆墙的影像；所述高速摄影子系统存储并对所述第一高速摄影仪和透射式动态焦散试验子系统录制的影像进行处理和分析。

优选地，所述测试系统还包括取排气子系统，用于在所述配气子系统向所述第一密闭室中泵入瓦斯空气混合气体前将所述第一密闭室和第二密闭室抽真空。

优选地，所述巷道密闭模拟装置内部的底面设有第一钢板、第二钢板和第三钢板，所述第三钢板置于所述巷道密闭模拟装置的底面上，所述第一钢板和第二钢板置于所述第三钢板上，且所述第一钢板和第二钢板之间具有空隙，所述防爆墙底端即安装在该空隙中。

优选地，所述防爆墙顶端设有压力板，以向所述防爆墙施加压力，所述巷道密闭模拟装置内部的顶面上固定有陶瓷板和木板，所述陶瓷板和木板位于所述压力板的两侧。

优选地，所述配气子系统包括瓦斯瓶和空气瓶，所述瓦斯瓶和空气瓶通过管道和自动配气仪连接，所述自动配气仪抽取所述瓦斯瓶中的瓦斯和所述空气瓶中的空气，按照瓦斯的爆炸比例配制后泵入所述第一密闭室。

优选地，所述点火子系统包括点火器和设置在所述第一密闭室中且与所述点火器电连接的点火探针，所述点火探针在所述点火器的控制下产生电火花以点燃所述第一密闭室中的瓦斯空气混合气体。

优选地，所述数据采集子系统包括数据采集器、安装在所述第一密闭室内部且与所述数据采集器电连接的多个火焰传感器、多个压力传感器以及安装在所述防爆墙上且与所述数据采集器电连接的位移传感器，所述火焰传感器和压力传感器分别检测瓦斯爆炸过程中的火焰信息和压力信息，所述位移传感器检测所述防爆墙的位移信息，所述数据采集器获取所述火焰信息、压力信息和位移信息，生成并存储记录所述火焰信息、压力信息和位移信息的表格文件。

优选地，所述透射式动态焦散试验子系统包括激光发射器、扩束镜、第一透镜、第二高速摄影仪和第二透镜，瓦斯爆炸结束后，所述同步控制子系统控制所述激光发射器发射激光，同时控制所述第二高速摄影仪录制所述防爆墙的影像；所述激光发射器发出的激光经所述扩束镜扩束后由所述第一透镜折射为平行光垂直射向所述防爆墙，从所述防爆墙裂隙中射出的光经所述第二透镜折射后被所述第二高速摄影仪记录。

本发明实施例的还提供了一种用于模拟矿井防爆墙的测试方法，所述测试方法包括以下步骤：配气子系统将瓦斯和空气混合后泵入巷道密闭模拟装置，所述巷道密闭模拟装置由玻璃围绕形成，其内部安装有防爆墙，所述防爆墙将所述巷道密闭模拟装置的内部空间分割为第一密闭室和第二密闭室，混合后的瓦斯和空气混合气体即泵入所述第一密闭室；同步控制子系统同步控制点火子系统和第一高速摄影仪开始工作，所述点火子系统将所述第一密闭室中的瓦斯空气混合气体点燃后，所述第一高速摄影仪从平行于所述防爆墙的方向录制所述巷道密闭模拟装置的影像；数据采集子系统在瓦斯爆炸过程中获取所述第一密闭室中的火焰和压力信息以及所述防爆墙的位移信息；所述同步控制子系统在瓦斯爆炸结束后控制透射式动态焦散试验子系统从垂直于所述防爆墙的方向录制所述防爆墙的影像；高速摄影子系统存储并对所述第一高速摄影仪和透射式动态焦散试验子系统录制的影像进行处理和分析。

优选地，步骤配气子系统将瓦斯和空气混合后泵入巷道密闭模拟装置前，所述测试方法还包括：取排气子系统将所述第一密闭室和第二密闭室抽真空。

本发明实施例提供的一种用于模拟矿井防爆墙的测试系统及其测试方法，巷道密闭模拟装置由玻璃围绕形成，其内部安装有防爆墙；配气子系统将瓦斯和空气混合后泵入巷道密闭模拟装置内；同步控制子系统控制点火子系统点燃第瓦斯空气混合气体并同步控制第一高速摄影仪录制巷道密闭模拟装置的影像；瓦斯爆炸结束后，同步控制子系统控制透射式动态焦散试验子系统录制防爆墙的影像；在瓦斯爆炸过程中，数据采集系统还获取巷道密闭模拟装置内的火焰信息、压力信息和防爆墙的位移信息，高速摄影子系统存储并对第一高速摄影仪和透射式动态焦散试验子系统录制的影像进行处理和分析，研究分析瓦斯爆炸冲击与防爆墙墙的相互作用，以及多重应力耦合作用下防爆墙的局部破坏、裂纹演化衍生机理等特性，对优化防爆墙力学和形态参数具有重大意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种用于模拟矿井防爆墙的测试系统的结构示意图；

图2为图1中测试系统的测试方法的步骤流程图。

具体实施方式

本发明实施例提供的一种用于模拟矿井防爆墙的测试系统及其测试方法，巷道密闭模拟装置由玻璃围绕形成，其内部安装有防爆墙；配气子系统将瓦斯和空气混合后泵入巷道密闭模拟装置内；同步控制子系统控制点火子系统点燃第瓦斯空气混合气体并同步控制第一高速摄影仪录制巷道密闭模拟装置的影像；瓦斯爆炸结束后，同步控制子系统控制透射式动态焦散试验子系统录制防爆墙的影像；在瓦斯爆炸过程中，数据采集系统还获取巷道密闭模拟装置内的火焰信息、压力信息和防爆墙的位移信息，高速摄影子系统存储并对第一高速摄影仪和透射式动态焦散试验子系统录制的影像进行处理和分析，从而填补了瓦斯爆炸对保证井下密闭墙的稳定性、可靠性研究领域的空白。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示例性的示出了本发明实施例提供的一种用于模拟矿井防爆墙的测试系统10，该测试系统10包括巷道密闭模拟装置100、配气子系统200、取排气子系统300、点火子系统400、数据采集子系统500、同步控制子系统600、高速摄影子系统700和透射式动态焦散试验子系统800。

所述巷道密闭模拟装置100为由石英玻璃围绕形成的矩形空心结构，其内部底面放置有第一钢板101、第二钢板102和第三钢板103，所述第三钢板103放置在最底层，所述第一钢板101和第二钢板102放置在所述第三钢板103上，且在所述第一钢板101和第二钢板102之间具有空隙，防爆墙107底端即安装在该空隙中。所述第一钢板101、第二钢板102和第三钢板103分别通过多个第一螺杆104、第二螺杆105和第三螺杆106固定在所述巷道密闭模拟装置100的侧壁上。在本实施例中，组成所述巷道密闭模拟装置100的石英玻璃之间均通过铰链固定，且所述防爆墙107两侧面相对的两玻璃板均可拆卸。所述防爆墙107为室内设计并构筑，常温下静置40天后装入所述巷道密闭模拟装置100中。

所述防爆墙107将所述巷道密闭模拟装置100的内部空间分割为左侧的第一密闭室114和右侧的第二密闭室115，多个第四螺杆111将陶瓷板109固定在所述第一密闭室114的顶部，多个第五螺杆112将木板110固定在所述第二密闭室115的顶部。所述陶瓷板109和木板110之间固定有加压板108，所述加压板108位于所述防爆墙107顶端，用于向所述防爆墙107施加压力。所述第一密闭室114顶端的玻璃板上开设有多个顶部泄压窗113，侧壁上开设有多个侧壁泄压窗116。所述顶部泄压窗113和侧壁泄压窗116上均设有通过铰链连接的玻璃板(图未示)，所述玻璃板打开以开启所述顶部泄压窗113和侧壁泄压窗116，或通过设置在所述玻璃板上的弹簧锁(图未示)关闭所述玻璃板以封闭所述顶部泄压窗113和侧壁泄压窗116。

所述配气子系统200包括瓦斯瓶201和空气瓶202，所述瓦斯瓶201和空气瓶202均通过管道和自动配气仪210连接。连接所述瓦斯瓶201的管道上依次设有第一减压阀203、第一电磁阀204和第一流量计205。连接所述空气瓶202的管道上依次设有第二减压阀206、第二电磁阀207和第二流量计208。瓦斯和空气通过三通209混合并进入所述自动配气仪210，所述自动配气仪210根据瓦斯爆炸比例控制所述第一电磁阀204和第二电磁阀207开启，以调整进入所述自动配气仪210中瓦斯和空气的比例。配制好的混合气体再经过管道泵入所述第一密闭室114，连接所述第一密闭室114的管道上设有进气阀门211。

所述取排气子系统300包括真空泵301和压力表304，所述真空泵301通过管道分别与所述第一密闭室114和第二密闭室115连通，用以将所述第一密闭室114和第二密闭室115抽真空，连通所述第一密闭室114和第二密闭室115的管道上分别设有第一出气阀门302和第二出气阀门303。所述压力表304通过管道与所述第一密闭室114连通，并固定在所述巷道密闭模拟装置100的顶部。

所述点火子系统400包括点火器401和点火探针402，所述点火器401与所述点火探针402电连接，用以控制所述点火探针402产生电火花，且所述点火探针402固定在所述第一密闭室114内。在本实施例中，所述点火探针402上设有铝矾土烧制的瓷管与镍铬合金的金属丝组成的点火电极。

所述数据采集子系统500包括数据采集器501、多个火焰传感器502、多个压力传感器503以及多个位移传感器504，所述多个火焰传感器502和压力传感器503均与所述数据采集器501电连接，且均固定在所述第一密闭室114内部的侧壁上，所述多个位移传感器504与所述数据采集器501电连接且固定在所述防爆墙107朝向所述第二密闭室115的侧面上。在本实施例中，所述位移传感器504的数量为3个，分别设置在所述防爆墙107侧面相对的角上以及中心位置。

所述同步控制子系统600包括同步控制器601和第一高速摄影仪602，所述同步控制器601与所述点火器401和第一高速摄影仪602电连接，用于控制所述点火器401工作，以使所述点火探针402产生电火花点燃所述第一密闭室114中的瓦斯空气混合气体。同时，控制所述第一高速摄影仪602从平行于所述防爆墙107的方向录制所述巷道密闭模拟装置100的影像。

所述火焰传感器502、压力传感器503和位移传感器504分别在瓦斯空气混合气体爆炸过程中获取所述第一密闭室114中的火焰信息、压力信息以及所述防爆墙107的位移信息。所述数据采集器501获取所述火焰信息、压力信息和位移信息后，生成并存储记录有所述火焰信息、压力信息和位移信息的表格文件。

所述透射式动态焦散试验子系统800包括激光发射器801、扩束镜802、第一透镜803、第二高速摄影仪804和第二透镜805，所述激光发射器801和第二高速摄影仪804均与所述同步控制器601电连接。所述同步控制器601在所述第一密闭室114中的瓦斯空气混合气体爆炸结束后，控制所述激光发射器801发射激光，同时控制所述第二高速摄影仪804从垂直于所述防爆墙107的方向录制所述防爆墙107的影像。所述激光发射器801发出的激光经所述扩束镜802扩束后由所述第一透镜803折射为平行光垂直射向所述防爆墙107，从所述防爆墙107的裂隙中射出的光经所述第二透镜805折射后被所述第二高速摄影仪804记录。

所述高速摄影子系统700包括上位计算机701，所述上位计算机701与所述第一高速摄影仪602和第二高速摄影仪804电连接，用于存储并对所述第一高速摄影仪602和第二高速摄影仪804录制的影像进行处理和分析。

基于同一发明构思，本发明实施例提供了一种用于模拟矿井防爆墙的测试方法，由于该方法解决技术问题的原理与一种用于模拟矿井防爆墙的测试系统相似，因此该方法的实施可以参见测试系统的实施，重复之处不再赘述。

该方法包括以下步骤：

步骤S101，所述取排气子系统300将所述第一密闭室114和第二密闭室115抽真空；

步骤S102，所述配气子系统200将瓦斯和空气按照瓦斯爆炸比例配制后泵入所述第一密闭室114；

步骤S103，所述同步控制子系统600控制所述点火子系统400点燃所述第一密闭室114中的瓦斯空气混合气体，同时控制所述第一高速摄影仪602从平行于所述防爆墙107的方向录制所述巷道密闭模拟装置100的影像；

步骤S104，所述数据采集子系统500在瓦斯爆炸过程中获取所述巷道密闭模拟装置100中的火焰信息、压力信息以及所述防爆墙107的位移信息；

步骤S105，所述同步控制子系统600在瓦斯爆炸结束后控制所述激光发射器801发射激光，并同步控制所述第二高速摄影仪804从垂直于所述防爆墙107的方向录制所述防爆墙107的影像；

步骤S106，所述高速摄影子系统700存储并对所述第一高速摄影仪602和第二高速摄影仪804录制的影像进行处理和分析。

可以理解的是，以上测试方法涉及的子系统仅为根据该设备装置实现的功能进行的逻辑划分，实际应用中，可以进行上述子系统的叠加或拆分。并且该实施例提供的测试方法所实现的功能与上述实施例提供的测试系统一一对应，对于该装置所实现的更为详细的处理流程，在上述方法实施例一中已做详细描述，此处不再详细描述。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种用于模拟矿井防爆墙的测试系统，其特征在于，包括巷道密闭模拟装置、配气子系统、点火子系统、数据采集子系统、同步控制子系统、高速摄影子系统和透射式动态焦散试验子系统；所述巷道密闭模拟装置由玻璃围绕形成，其内部安装有防爆墙，所述防爆墙将所述巷道密闭模拟装置的内部空间分割为第一密闭室和第二密闭室；所述配气子系统将瓦斯和空气混合后泵入所述第一密闭室；所述同步控制子系统控制所述点火子系统工作，以点燃所述第一密闭室中的瓦斯空气混合气体，所述同步控制子系统还同步控制第一高速摄影仪从平行于所述防爆墙的方向录制所述巷道密闭模拟装置的影像；所述数据采集子系统获取瓦斯爆炸过程中所述第一密闭室中的火焰和压力信息以及所述防爆墙的位移信息；所述同步控制子系统在瓦斯爆炸结束后控制透射式动态焦散试验子系统从垂直于所述防爆墙的方向录制所述防爆墙的影像；所述高速摄影子系统存储并对所述第一高速摄影仪和透射式动态焦散试验子系统录制的影像进行处理和分析；

所述巷道密闭模拟装置内部的底面设有第一钢板、第二钢板和第三钢板，所述第三钢板置于所述巷道密闭模拟装置的底面上，所述第一钢板和第二钢板置于所述第三钢板上，且所述第一钢板和第二钢板之间具有空隙，所述防爆墙底端即安装在该空隙中；所述防爆墙顶端设有压力板，以向所述防爆墙施加压力，所述巷道密闭模拟装置内部的顶面上固定有陶瓷板和木板，所述陶瓷板和木板位于所述压力板的两侧。

2.如权利要求1所述的测试系统，其特征在于，所述测试系统还包括取排气子系统，用于在所述配气子系统向所述第一密闭室中泵入瓦斯空气混合气体前将所述第一密闭室和第二密闭室抽真空。

3.如权利要求1所述的测试系统，其特征在于，所述配气子系统包括瓦斯瓶和空气瓶，所述瓦斯瓶和空气瓶通过管道和自动配气仪连接，所述自动配气仪抽取所述瓦斯瓶中的瓦斯和所述空气瓶中的空气，按照瓦斯的爆炸比例配制后泵入所述第一密闭室。

4.如权利要求1所述的测试系统，其特征在于，所述点火子系统包括点火器和设置在所述第一密闭室中且与所述点火器电连接的点火探针，所述点火探针在所述点火器的控制下产生电火花以点燃所述第一密闭室中的瓦斯空气混合气体。

5.如权利要求1所述的测试系统，其特征在于，所述数据采集子系统包括数据采集器、安装在所述第一密闭室内部且与所述数据采集器电连接的多个火焰传感器、多个压力传感器以及安装在所述防爆墙上且与所述数据采集器电连接的位移传感器，所述火焰传感器和压力传感器分别检测瓦斯爆炸过程中的火焰信息和压力信息，所述位移传感器检测所述防爆墙的位移信息，所述数据采集器获取所述火焰信息、压力信息和位移信息，生成并存储记录所述火焰信息、压力信息和位移信息的表格文件。

6.如权利要求1所述的测试系统，其特征在于，所述透射式动态焦散试验子系统包括激光发射器、扩束镜、第一透镜、第二高速摄影仪和第二透镜，瓦斯爆炸结束后，所述同步控制子系统控制所述激光发射器发射激光，同时控制所述第二高速摄影仪录制所述防爆墙的影像；所述激光发射器发出的激光经所述扩束镜扩束后由所述第一透镜折射为平行光垂直射向所述防爆墙，从所述防爆墙裂隙中射出的光经所述第二透镜折射后被所述第二高速摄影仪记录。

7.一种用于模拟矿井防爆墙的测试方法，其特征在于，所述测试方法包括以下步骤：

配气子系统将瓦斯和空气混合后泵入巷道密闭模拟装置，所述巷道密闭模拟装置由玻璃围绕形成，其内部安装有防爆墙，所述防爆墙将所述巷道密闭模拟装置的内部空间分割为第一密闭室和第二密闭室，混合后的瓦斯和空气混合气体即泵入所述第一密闭室；其中，所述巷道密闭模拟装置内部的底面设有第一钢板、第二钢板和第三钢板，所述第三钢板置于所述巷道密闭模拟装置的底面上，所述第一钢板和第二钢板置于所述第三钢板上，且所述第一钢板和第二钢板之间具有空隙，所述防爆墙底端即安装在该空隙中；所述防爆墙顶端设有压力板，以向所述防爆墙施加压力，所述巷道密闭模拟装置内部的顶面上固定有陶瓷板和木板，所述陶瓷板和木板位于所述压力板的两侧；

同步控制子系统同步控制点火子系统和第一高速摄影仪开始工作，所述点火子系统将所述第一密闭室中的瓦斯空气混合气体点燃后，所述第一高速摄影仪从平行于所述防爆墙的方向录制所述巷道密闭模拟装置的影像；

数据采集子系统在瓦斯爆炸过程中获取所述第一密闭室中的火焰和压力信息以及所述防爆墙的位移信息；

所述同步控制子系统在瓦斯爆炸结束后控制透射式动态焦散试验子系统从垂直于所述防爆墙的方向录制所述防爆墙的影像；

高速摄影子系统存储并对所述第一高速摄影仪和透射式动态焦散试验子系统录制的影像进行处理和分析。

8.如权利要求7所述的测试方法，其特征在于，步骤配气子系统将瓦斯和空气混合后泵入巷道密闭模拟装置前，所述测试方法还包括：取排气子系统将所述第一密闭室和第二密闭室抽真空。