CN106840567A - 一种煤仓相似模拟实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤仓相似模拟实验装置及方法，该装置包括用于测试模拟煤仓抗震性能的振动台、用于测试所述模拟煤仓内煤绝热升温的氧化测试机构、用于控制所述模拟煤仓安全的执行机构和用于集中监测所述模拟煤仓的状态的控制中心，所述执行机构包括防火机构、沿所述模拟煤仓中心轴布设的防堵机构和设置在所述模拟煤仓上的防爆结构；该方法包括步骤：一、安装模拟实验装置；二、投放煤炭；三、仓内煤炭绝热升温及灭火测试；四、模拟煤仓的抗震性测试。本发明设计新颖，可实现模拟煤仓自燃并对其进行惰化灭火，同时可对模拟煤仓进行防堵处理，具备防爆泄压的功能，功能完备。

Description

一种煤仓相似模拟实验装置及方法

技术领域

本发明属于煤仓相似模拟技术领域，具体涉及一种煤仓相似模拟实验装置及方法。

背景技术

煤仓是煤矿及发电厂发电常用的储煤设备，近年来，随着煤炭开采工艺技术的不断进步，煤炭产量也急剧上升，使得煤仓在煤炭生产及储存中扮演着很重要地位。煤仓大规模的使用也就伴随着出现很多问题，进而发生如煤仓自燃、爆炸等严重事故。往往具有隐蔽性强，后果严重等特点。

现阶段，国内外对于煤仓的研究取得了一定的进展，通常在防止煤仓发生煤自燃及发生火灾后防火措施方面，用液态二氧化碳或泡沫来防止煤炭自燃，然而用液态二氧化碳只能起到防火灭火的目的，并不能对煤仓结构进行惰化保护，而用泡沫来防火灭火能达到灭火的目的，但容易引起煤仓内的煤炭结块，堵塞煤仓的卸煤口，使得煤仓不能正常使用；在煤仓的堵塞等问题中，现有的防堵清堵装置和方法，通常在卸煤口附近安装振动器来防止煤仓堵塞，然而该方法容易使煤堆积的更紧密，加重拥堵，并且煤仓稳定性受到一定程度的破坏，缩短了煤仓的寿命；而在煤仓抗震性能测试方面的研究缺乏，在煤仓防爆方面国内外的研究也并不多见。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种煤仓相似模拟实验装置，其设计新颖合理，可实现模拟煤仓自燃并对其进行惰化灭火，同时可对模拟煤仓进行防堵性及抗爆性测试处理，且具备防爆泄压的功能，功能完备，便于推广使用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种煤仓相似模拟实验装置，其特征在于：包括用于测试模拟煤仓抗震性能的振动台、用于测试所述模拟煤仓内煤绝热升温的氧化测试机构、用于控制所述模拟煤仓安全的执行机构和用于集中监测所述模拟煤仓的状态的控制中心，所述执行机构包括防火机构、沿所述模拟煤仓中心轴布设的防堵机构和设置在所述模拟煤仓上的防爆结构；所述防火机构包括设置在所述模拟煤仓内的温度传感器、设置在所述模拟煤仓内顶部的CO传感器和惰化喷头、以及设置在所述模拟煤仓外且用于向惰化喷头输送灭火气体的液氮储罐；

所述防堵机构包括设置在所述模拟煤仓外的调频电机、与调频电机传动连接且伸入至所述模拟煤仓内的振动杆和安装在振动杆末端的激振器，调频电机与振动杆连接位置处设置有缓冲联结件；

所述防爆结构包括设置在所述模拟煤仓顶部的泄爆机构和设置在所述模拟煤仓的煤仓壁内部的泄压结构，所述泄爆机构包括上下平行设置的两个挡板、以及设置在两个挡板之间的泄压膜，泄压膜与位于上侧的挡板之间设置有钢圈，两个挡板通过多个螺栓固定连接，所述泄压结构包括从内到外依次布设的杜瓦玻璃层、第一胶质层、第一钢板、缓冲减压结构、第二钢板、第二胶质层和第三钢板；

温度传感器的输出端和CO传感器的输出端均与控制中心的输入端连接，激振器的输入端与控制中心的输出端连接，控制中心通过变频器与调频电机连接。

上述的一种煤仓相似模拟实验装置，其特征在于：所述温度传感器的数量为两个，两个温度传感器分别设置在所述模拟煤仓内侧壁的上部和下部，液氮储罐向惰化喷头输送灭火气体的管路上依次设置有流量监测器、电磁阀、汽化器、调压阀和调压阀保护器，电磁阀由控制中心控制，流量监测器为流量传感器，所述流量传感器的输出端与控制中心的输入端连接。

上述的一种煤仓相似模拟实验装置，其特征在于：所述缓冲减压结构包括固定在第一钢板上的套管、设置在套管内的缓冲弹簧和固定在第二钢板上且与缓冲弹簧配合的插管，套管上设置有挡片安装板，挡片安装板外设置有缓冲球体，缓冲弹簧远离第一钢板的一端设置有挡片，缓冲球体和挡片安装板均为中空结构，插管依次穿过缓冲球体和挡片安装板与挡片接触，挡片的横截面积大于挡片安装板中空部的横截面积。

上述的一种煤仓相似模拟实验装置，其特征在于：所述第一胶质层和第二胶质层内均设有两根相互缠绕的钢丝。

上述的一种煤仓相似模拟实验装置，其特征在于：所述氧化测试机构包括设置在所述模拟煤仓内顶部的红外线发射器、伸入至所述模拟煤仓内用于分析气体成分的气相色谱仪和设置在所述模拟煤仓外的空气瓶，空气瓶通过进气管向所述模拟煤仓的底部输送空气，进气管上依次设置有气体流量控制器和干燥管，气相色谱仪和气体流量控制器均与控制中心连接。

上述的一种煤仓相似模拟实验装置，其特征在于：所述振动台包括滑轨、沿滑轨轨道滑动的振动架和安装在剪力墙上且用于推动振动架移动的工控伺服机，所述振动架由多个支架和安装在多个支架上的振动板组成，支架与滑轨滑动配合，工控伺服机通过联接板与振动板连接，振动板上设置有用于固定所述模拟煤仓的多个支柱，工控伺服机由控制中心控制。

上述的一种煤仓相似模拟实验装置，其特征在于：还包括与控制中心连接的数据采集机构，所述数据采集机构包括设置在煤仓壁上且与煤仓壁壁面平齐的压敏传感器和设置在振动板上用于采集振动板振动加速度的加速度传感器，以及设置在支柱上用于采集支柱受力形变的霍尔式压力传感器和位移传感器。

同时，本发明还公开了一种方法步骤简单，设计合理，可实现模拟煤仓内煤炭绝热升温及灭火测试、模拟煤仓的抗震性测试且能防堵防爆的煤仓相似模拟实验的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、安装模拟实验装置：首先，将模拟煤仓安装在振动台上；然后，将氧化测试机构、防火机构、防堵机构和防爆结构安装在模拟煤仓上；最后，采用控制中心驱动控制测试机构、防火机构和防堵机构；

步骤二、投放煤炭：通过模拟煤仓的装煤端将煤炭投放进模拟煤仓；

步骤三、仓内煤炭绝热升温及灭火测试，过程如下：

步骤301、仓内煤炭绝热升温：采用氧化测试机构向模拟煤仓内通入空气，并对煤炭进行加热，同时采集模拟煤仓内气体成分；

所述氧化测试机构包括设置在所述模拟煤仓内顶部且用于对煤炭进行加热的红外线发射器、伸入至所述模拟煤仓内用于分析气体成分的气相色谱仪和设置在所述模拟煤仓外的空气瓶，空气瓶通过进气管向所述模拟煤仓的底部输送空气；

步骤302、实时获取模拟煤仓内温度和一氧化碳气体浓度：采用温度传感器实时采集模拟煤仓内温度数据，采用CO传感器实时采集模拟煤仓内一氧化碳气体浓度数据，并将温度数据和一氧化碳气体浓度数据传输至控制中心中；

步骤303、判断模拟煤仓内温度值和一氧化碳气体浓度值是否超标：预先在控制中心中存储模拟煤仓内温度阈值和一氧化碳气体浓度阈值，将温度传感器实时采集的数据与所述温度阈值进行比较，将CO传感器实时采集的数据与所述一氧化碳气体浓度阈值进行比较，当温度传感器和CO传感器实时采集的数据中任意一个超过其阈值时，执行步骤304；否则，循环步骤302；

步骤304、模拟煤仓堕化保护并灭火：采用液氮储罐向惰化喷头输送氮气，对仓内煤炭进行降温，实现惰化保护并灭火直至温度传感器和CO传感器实时采集的数据中任意一个均未超过其阈值，其中，液氮储罐向惰化喷头输送灭火气体的管路上依次设置有流量监测器、电磁阀、汽化器、调压阀和调压阀保护器，电磁阀由控制中心控制开合，流量监测器采用用于采集液氮储罐输出气体流量的流量传感器，所述流量传感器采集的数据传输至控制中心；

步骤四、模拟煤仓的抗震性测试，过程如下：

步骤401、启动振动台振动：控制中心控制所述振动台振动；

所述振动台由滑轨、沿滑轨轨道滑动的振动架和安装在剪力墙上且用于推动振动架移动的工控伺服机组成，所述振动架由多个支架和安装在多个支架上的振动板组成，支架与滑轨滑动配合，工控伺服机通过联接板与振动板连接，振动板上设置有用于固定所述模拟煤仓的多个支柱，工控伺服机由控制中心控制；

步骤402、设置振动板振动等级并获取各个不同振动等级下模拟煤仓振动数据：首先，控制工控伺服机输出频率来控制振动板振动等级，所述振动板振动等级分为一级震动、二级震动和三级震动；然后，获取一级震动、二级震动或三级震动下模拟煤仓振动数据，并启动防堵机构；

所述模拟煤仓振动数据包括设置在煤仓壁上且与煤仓壁壁面平齐的压敏传感器采集的煤仓壁所受压力、以及设置在支柱上用于采集支柱受力形变的霍尔式压力传感器和位移传感器分别获取的支柱所受压力和移动位移。

上述的方法，其特征在于：步骤402中工控伺服机输出频率为5Hz～3000Hz，所述一级震动为工控伺服机输出频率为5Hz～200Hz时振动板的振动状态，所述二级震动为工控伺服机输出频率为200Hz～1000Hz时振动板的振动状态，所述三级震动为工控伺服机输出频率为1000Hz～3000Hz时振动板的振动状态。

上述的方法，其特征在于：步骤402中所述压敏传感器采集的煤仓壁所受压力为经所述缓冲减压结构减压后的压力；

所述缓冲减压结构包括固定在第一钢板上的套管、设置在套管内的缓冲弹簧和固定在第二钢板上且与缓冲弹簧配合的插管，套管上设置有挡片安装板，挡片安装板外设置有缓冲球体，缓冲弹簧远离第一钢板的一端设置有挡片，缓冲球体和挡片安装板均为中空结构，插管依次穿过缓冲球体和挡片安装板与挡片接触，挡片的横截面积大于挡片安装板中空部的横截面积。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明采用的模拟实验装置，通过氧化测试机构对模拟煤仓内煤炭进行绝热升温模拟煤炭自燃的效果，通过温度传感器和CO传感器监测煤氧化程度，当满足煤自燃条件时，采用惰化喷头喷射灭火气体，实现模拟煤仓的惰化保护同时灭火，效果好；通过伸入至模拟煤仓内的振动杆实现整理的搅动煤炭，避免煤仓底部煤堆积，加重拥堵的现象，结构简单，便于推广使用。

2、本发明通过对煤仓结构的改造，在模拟煤仓的顶部安装泄爆机构，在模拟煤仓的煤仓壁内设置泄压结构，通过物理泄压的方式达到煤仓防爆的效果，可靠稳定，使用效果好。

3、本发明的模拟煤仓集防火灭火、防堵以及防爆泄压为一体，实现效果好，同时具有模拟煤自燃的功能，实现模拟煤仓的惰化保护，另外，采用控制中心集中控制防火机构、防堵机构、防爆结构和氧化测试机构，实现各个机构之间的配合操作，保护煤仓结构及煤炭的存储，避免事故的发生，便于推广使用。

4、本发明采用的煤仓相似模拟实验的方法，步骤简单，通过仓内煤炭绝热升温及灭火测试，模拟煤自燃并及时察觉煤炭的自燃状态，对模拟煤仓进行惰化保护并达到灭火的目的；通过模拟煤仓的抗震性测试，模拟地震自然灾害对煤仓的危害，并获取模拟煤仓振动数据，方便后期分析，便于推广使用。

综上所述，本发明设计新颖合理，可实现模拟煤仓自燃并对其进行惰化灭火，同时可对模拟煤仓进行防堵处理，具备防爆泄压的功能，功能完备，便于实验室推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明模拟实验装置的结构示意图。

图2为本发明防堵机构的结构示意图。

图3为本发明泄爆机构的结构示意图。

图4为本发明泄压结构的结构示意图。

图5为本发明振动台与模拟煤仓的安装俯视图。

图6为本发明方法的流程框图。

附图标记说明:

1—温度传感器； 2—CO传感器； 3—控制中心；

4—液氮储罐； 5—流量监测器； 6—电磁阀；

7—汽化器； 8—调压阀； 9—调压阀保护器；

10—惰化喷头； 11—变频器； 12—调频电机；

13—缓冲联结件； 14—振动杆； 15—激振器；

16—煤仓壁； 16-1—杜瓦玻璃层； 16-2—第一胶质层；

16-3—第一钢板； 16-4—套管； 16-5—缓冲弹簧；

16-6—挡片； 16-7—挡片安装板； 16-8—插管；

16-9—缓冲球体； 16-10—第二钢板； 16-11—第二胶质层；

16-12—第三钢板； 17—泄爆机构； 17-1—挡板；

17-2—钢圈； 17-3—泄压膜； 17-4—螺栓；

18—剪力墙； 19—工控伺服机； 20—联接板；

21—振动板； 22—支架； 23—滑轨；

24—支柱； 25—空气瓶； 26—气体流量控制器；

27—干燥管； 28—进气管； 29—气相色谱仪；

30—装煤端。

具体实施方式

如图1至图4所示，本发明所述的一种煤仓相似模拟实验装置，包括用于测试模拟煤仓抗震性能的振动台、用于测试所述模拟煤仓内煤绝热升温的氧化测试机构、用于控制所述模拟煤仓安全的执行机构和用于集中监测所述模拟煤仓的状态的控制中心3，所述执行机构包括防火机构、沿所述模拟煤仓中心轴布设的防堵机构和设置在所述模拟煤仓上的防爆结构；所述防火机构包括设置在所述模拟煤仓内的温度传感器1、设置在所述模拟煤仓内顶部的CO传感器2和惰化喷头10、以及设置在所述模拟煤仓外且用于向惰化喷头10输送灭火气体的液氮储罐4；

所述防堵机构包括设置在所述模拟煤仓外的调频电机12、与调频电机12传动连接且伸入至所述模拟煤仓内的振动杆14和安装在振动杆14末端的激振器15，调频电机12与振动杆14连接位置处设置有缓冲联结件13；

所述防爆结构包括设置在所述模拟煤仓顶部的泄爆机构17和设置在所述模拟煤仓的煤仓壁16内部的泄压结构，所述泄爆机构17包括上下平行设置的两个挡板17-1、以及设置在两个挡板17-1之间的泄压膜17-3，泄压膜17-3与位于上侧的挡板17-1之间设置有钢圈17-2，两个挡板17-1通过多个螺栓17-4固定连接，所述泄压结构包括从内到外依次布设的杜瓦玻璃层16-1、第一胶质层16-2、第一钢板16-3、缓冲减压结构、第二钢板16-10、第二胶质层16-11和第三钢板16-12；

温度传感器1的输出端和CO传感器2的输出端均与控制中心3的输入端连接，激振器15的输入端与控制中心3的输出端连接，控制中心3通过变频器11与调频电机12连接。

实际中，煤仓发生火灾前，会有大量的CO气体聚集在煤仓顶部，同时温度也会急剧上升，因此，将CO传感器2设置在模拟煤仓内顶部是为了时刻监测模拟煤仓内部CO气体浓度，采用温度传感器1时刻监测模拟煤仓内部温度变化，二者将信号实时反馈到控制中心3，便于控制中心3控制惰化喷头10工作；惰化喷头10和液氮储罐4的设置是为了在火灾发生时向模拟煤仓内输送灭火气体，便于对模拟煤仓惰化保护，同时灭火，为了满足温度测量的精度要求，优选的温度传感器1选用PT100铂电阻温度传感器。

防堵机构沿所述模拟煤仓中心轴布设是为了在搅拌煤炭时起到搅拌均匀的作用，避免防堵机构设置在一边无法有效工作，实际安装中，调频电机12和缓冲联结件13通过法兰由M16*40的螺栓固定在模拟煤仓顶板上，缓冲联结件13的设置是为了减小模拟煤仓外部的振动，避免给模拟煤仓内部带来干扰；振动杆14伸入至所述模拟煤仓内设置是为了给模拟煤仓提供从上至下的搅动，实现上下均匀搅动，激振器15的设置是为了给振动杆14提供振动源，采用调频电机12带动振动杆14可使振动杆14以不同的频率振动，根据实际煤仓的规模、结构以及储煤量，实现不同模式的煤炭搅动，进而破坏模拟煤仓底部的棚煤结构，达到清堵的目的。

实际使用中，优选的调频电机12选用YB3-250M-4-55KW型防爆变频电动机，通过改变频率而调速，电动机调速范围广，过载能力强，能够承受额定转矩的160％过载；优选的振动杆14采用合金钢4OCr，振动杆14与缓冲联结件13为合金护簧。

煤仓壁16内部的泄压结构的设置是为了使模拟煤仓内产生的压力通过泄压结构分散和削弱，泄爆机构17的设置是为了释放泄压结构传递的压力，保护煤仓结构，达到防爆目的；实际安装使用中，螺栓17-4采用8个，两个挡板17-1通过径向均匀分布的8根螺栓17-4连接在模拟煤仓的顶部，方便更换泄压膜17-3，优选地，泄压膜17-3选用聚乙烯塑料薄膜，同时配备相同结构及大小的杜瓦玻璃，用于进行煤绝热升温氧化实验时来提供绝热密闭环境，杜瓦玻璃层16-1的设置目的是进行煤绝热氧化升温实验时提供绝热空间。

如图1所示，本实施例中，所述温度传感器1的数量为两个，两个温度传感器1分别设置在所述模拟煤仓内侧壁的上部和下部，液氮储罐4向惰化喷头10输送灭火气体的管路上依次设置有流量监测器5、电磁阀6、汽化器7、调压阀8和调压阀保护器9，电磁阀6由控制中心3控制，流量监测器5为流量传感器，所述流量传感器的输出端与控制中心3的输入端连接。

两个温度传感器1分别设置在所述模拟煤仓内侧壁的上部和下部是为了同时采集模拟煤仓内上部与底部的温度，防止底部温度升高而温度数据采集处理不精确，导致上部温度过高而来不及灭火，引发煤自燃，带来无法挽回的损失，在液氮储罐4向惰化喷头10输送灭火气体的管路上依次设置流量监测器5、电磁阀6、汽化器7、调压阀8和调压阀保护器9的目的是将液化氮转换为汽化氮气，并加压输送到惰化喷头10喷出，对煤仓进行惰化保护，并隔绝氧气降温，达到灭火的目的，通过温度传感器1和CO传感器2采集的数据给控制中心3，当满足煤自燃条件是，控制中心3控制电磁阀6导通，其中，氮气的喷放压力和速度通过调压阀8和调压阀保护器9控制，当确认火情得到控制后关闭电磁阀6，停止灭火，优选的电磁阀6设置为两种模式，即自动启动模式和手动启动模式，当系统出现故障时，可将电磁阀6自动启动模式更换为手动启动模式，启动防火机构，该防火机构还可根据模拟煤仓内部的发火情况，随时停止运行来补充液氮灭火剂，达到充分灭火的目的，本实施例中，液氮储罐4中存储的液氮灭火剂的用量为煤仓体积的3倍。

如图4所示，本实施例中，所述缓冲减压结构包括固定在第一钢板16-3上的套管16-4、设置在套管16-4内的缓冲弹簧16-5和固定在第二钢板16-10上且与缓冲弹簧16-5配合的插管16-8，套管16-4上设置有挡片安装板16-7，挡片安装板16-7外设置有缓冲球体16-9，缓冲弹簧16-5远离第一钢板16-3的一端设置有挡片16-6，缓冲球体16-9和挡片安装板16-7均为中空结构，插管16-8依次穿过缓冲球体16-9和挡片安装板16-7与挡片16-6接触，挡片16-6的横截面积大于挡片安装板16-7中空部的横截面积。

实际煤仓内部发生爆炸时，压力急剧上升，压力及冲击波会对煤仓壁产生巨大的损伤，煤仓壁16内部的泄压结构，从内到外依次布设杜瓦玻璃层16-1、第一胶质层16-2、第一钢板16-3、缓冲减压结构、第二钢板16-10、第二胶质层16-11和第三钢板16-12，煤仓壁16内压力首先通过杜瓦玻璃层16-1传递给第一钢板16-3，第一钢板16-3将冲击力作用到第一胶质层16-2上，第一胶质层16-2承受的不均匀的冲击力传递给第一钢板16-3，这样已经对冲击力进行了分散和削弱，进一步地，第一钢板16-3传递的冲击力使第一钢板16-3带动套管16-4移动，设置在套管16-4内的缓冲弹簧16-5收缩，是为了抵消爆炸冲击力；在遇到较大的冲击力时，套管16-4移动带动外设置在挡片安装板16-7上的缓冲球体16-9挤压到第二钢板16-10上，避免硬性冲击对仓内结构的损坏，同时，较大的冲击压力使得泄爆机构17上的泄压膜17-3破裂，释放出爆炸产生的压力，保护模拟煤仓结构，达到防爆目的，优选的缓冲球体16-9采用橡胶球体，实现接触缓冲的作用。

缓冲球体16-9和挡片安装板16-7均为中空结构，插管16-8依次穿过缓冲球体16-9和挡片安装板16-7与挡片16-6接触，挡片16-6连接缓冲弹簧16-5，实现插管16-8挤压缓冲弹簧16-5；挡片16-6的横截面积大于挡片安装板16-7中空部的横截面积，是为了保证缓冲弹簧16-5始终在套管16-4内移动，限定了缓冲弹簧16-5的挤压路径，避免由于挡片安装板16-7中空部孔径较大，导致缓冲弹簧16-5反弹至套管16-4外，对缓冲减压结构造成损坏。

如图4所示，本实施例中，所述第一胶质层16-2和第二胶质层16-11内均设有两根相互缠绕的钢丝。

第一胶质层16-2和第二胶质层16-11内均设有两根相互缠绕的钢丝是为了提高胶质层的韧性，避免煤仓壁16受压变形或损坏。

如图1所示，本实施例中，所述氧化测试机构包括设置在所述模拟煤仓内顶部的红外线发射器、伸入至所述模拟煤仓内用于分析气体成分的气相色谱仪29和设置在所述模拟煤仓外的空气瓶25，空气瓶25通过进气管28向所述模拟煤仓的底部输送空气，进气管28上依次设置有气体流量控制器26和干燥管27，气相色谱仪29和气体流量控制器26均与控制中心3连接。

红外线发射器设置在所述模拟煤仓内顶部，是用来发射红外线使煤炭升温，气相色谱仪29伸入至所述模拟煤仓内，是用来采集模拟煤仓顶部气体，分析气体成分，煤炭的绝热环境通过壁面的杜瓦玻璃层来实现，为了满足煤自燃条件，需要向模拟煤仓内添加氧气，空气瓶25通过进气管28向所述模拟煤仓的底部输送空气，空气中含有氧气，进气管28上依次设置干燥管27对空气进行干燥，滤除空气中水分，增加可燃性，氧化测试结束后的废气通过装煤端30排出，气体流量控制器26实时采集输送进模拟煤仓内的空气量。

如图1和图5所示，本实施例中，所述振动台包括滑轨23、沿滑轨23轨道滑动的振动架和安装在剪力墙18上且用于推动振动架移动的工控伺服机19，所述振动架由多个支架22和安装在多个支架22上的振动板21组成，支架22与滑轨23滑动配合，工控伺服机19通过联接板20与振动板21连接，振动板21上设置有用于固定所述模拟煤仓的多个支柱24，工控伺服机19由控制中心3控制。

剪力墙18的设置是为了固定安装工控伺服机19，以便推动振动架移动，滑轨23的设置是限定了振动架的滑动路径，支柱24以铰接的方式安装在振动板21上，模拟煤仓与支柱24用螺栓连接，是为了平稳安全的承载模拟煤仓，振动板21与支架22均由槽钢焊接而成，控制中心3控制工控伺服机19振动振动架，是为了测定支柱24的支撑参数是否在地震环境下满足煤仓的支撑要求，为煤仓及支撑煤仓的支柱抗震提供依据。

本实施例中，还包括与控制中心3连接的数据采集机构，所述数据采集机构包括设置在煤仓壁16上且与煤仓壁16壁面平齐的压敏传感器和设置在振动板21上用于采集振动板21振动加速度的加速度传感器，以及设置在支柱24上用于采集支柱24受力形变的霍尔式压力传感器和位移传感器。

压敏传感器的设置是为了采集煤仓壁16的实时受压数据，加速度传感器可探测振动板21振动等级，霍尔式压力传感器可分别采集支柱24在受振情况下的受力情况，位移传感器可分别采集支柱24在受振情况下的位移量，测试支柱24形变情况，数据采集机构采集的数据均通过控制中心3处理保存，便于煤仓研究的后期参考使用。

如图1至图6所示一种煤仓相似模拟实验的方法，包括以下步骤：

步骤一、安装模拟实验装置：首先，将模拟煤仓安装在振动台上；然后，将氧化测试机构、防火机构、防堵机构和防爆结构安装在模拟煤仓上；最后，采用控制中心3驱动控制测试机构、防火机构和防堵机构；

步骤二、投放煤炭：通过模拟煤仓的装煤端30将煤炭投放进模拟煤仓；

步骤三、仓内煤炭绝热升温及灭火测试，过程如下：

步骤301、仓内煤炭绝热升温：采用氧化测试机构向模拟煤仓内通入空气，并对煤炭进行加热，同时采集模拟煤仓内气体成分；

所述氧化测试机构包括设置在所述模拟煤仓内顶部且用于对煤炭进行加热的红外线发射器、伸入至所述模拟煤仓内用于分析气体成分的气相色谱仪29和设置在所述模拟煤仓外的空气瓶25，空气瓶25通过进气管28向所述模拟煤仓的底部输送空气；

红外线发射器对煤炭进行加热，空气瓶25通过进气管28向所述模拟煤仓的底部输送空气，进而送入可供煤炭自燃的氧气，持续一定时间的通入空气，满足煤炭自燃条件；

步骤302、实时获取模拟煤仓内温度和一氧化碳气体浓度：采用温度传感器1实时采集模拟煤仓内温度数据，采用CO传感器2实时采集模拟煤仓内一氧化碳气体浓度数据，并将温度数据和一氧化碳气体浓度数据传输至控制中心3中；

煤炭自燃的情况下会产生大量的一氧化碳气体，同时温度急剧上升，根据模拟煤仓内温度值和一氧化碳气体浓度值确定是否对模拟煤仓进行堕化保护并灭火，确保模拟煤仓的安全使用；

步骤303、判断模拟煤仓内温度值和一氧化碳气体浓度值是否超标：预先在控制中心3中存储模拟煤仓内温度阈值和一氧化碳气体浓度阈值，将温度传感器1实时采集的数据与所述温度阈值进行比较，将CO传感器2实时采集的数据与所述一氧化碳气体浓度阈值进行比较，当温度传感器1和CO传感器2实时采集的数据中任意一个超过其阈值时，执行步骤304；否则，循环步骤302；

步骤304、模拟煤仓堕化保护并灭火：采用液氮储罐4向惰化喷头10输送氮气，对仓内煤炭进行降温，实现惰化保护并灭火直至温度传感器1和CO传感器2实时采集的数据中任意一个均未超过其阈值，其中，液氮储罐4向惰化喷头10输送灭火气体的管路上依次设置有流量监测器5、电磁阀6、汽化器7、调压阀8和调压阀保护器9，电磁阀6由控制中心3控制开合，流量监测器5采用用于采集液氮储罐4输出气体流量的流量传感器，所述流量传感器采集的数据传输至控制中心3；

步骤四、模拟煤仓的抗震性测试，过程如下：

步骤401、启动振动台振动：控制中心3控制所述振动台振动；

所述振动台由滑轨23、沿滑轨23轨道滑动的振动架和安装在剪力墙18上且用于推动振动架移动的工控伺服机19组成，所述振动架由多个支架22和安装在多个支架22上的振动板21组成，支架22与滑轨23滑动配合，工控伺服机19通过联接板20与振动板21连接，振动板21上设置有用于固定所述模拟煤仓的多个支柱24，工控伺服机19由控制中心3控制；

步骤402、设置振动板振动等级并获取各个不同振动等级下模拟煤仓振动数据：首先，控制工控伺服机19输出频率来控制振动板振动等级，所述振动板振动等级分为一级震动、二级震动和三级震动；然后，获取一级震动、二级震动或三级震动下模拟煤仓振动数据，并启动防堵机构；

工控伺服机19控制振动板21振动时，启动防堵机构是为了避免模拟煤仓内的煤炭进入卸煤口使煤炭堆积的更紧密，加重拥堵；

所述模拟煤仓振动数据包括设置在煤仓壁16上且与煤仓壁16壁面平齐的压敏传感器采集的煤仓壁16所受压力、以及设置在支柱24上用于采集支柱24受力形变的霍尔式压力传感器和位移传感器分别获取的支柱24所受压力和移动位移。

本实施例中，步骤402中工控伺服机19输出频率为5Hz～3000Hz，所述一级震动为工控伺服机19输出频率为5Hz～200Hz时振动板21的振动状态，所述二级震动为工控伺服机19输出频率为200Hz～1000Hz时振动板21的振动状态，所述三级震动为工控伺服机19输出频率为1000Hz～3000Hz时振动板21的振动状态。

实际使用中，调节工控伺服机19输出频率控制所述振动板振动等级，在振动板21上安装采集振动板21振动加速度的加速度传感器，并将加速度传感器采集的数据传输至控制中心3进出处理分析；

本实施例中，步骤402中所述压敏传感器采集的煤仓壁16所受压力为经所述缓冲减压结构减压后的压力；

所述缓冲减压结构包括固定在第一钢板16-3上的套管16-4、设置在套管16-4内的缓冲弹簧16-5和固定在第二钢板16-10上且与缓冲弹簧16-5配合的插管16-8，套管16-4上设置有挡片安装板16-7，挡片安装板16-7外设置有缓冲球体16-9，缓冲弹簧16-5远离第一钢板16-3的一端设置有挡片16-6，缓冲球体16-9和挡片安装板16-7均为中空结构，插管16-8依次穿过缓冲球体16-9和挡片安装板16-7与挡片16-6接触，挡片16-6的横截面积大于挡片安装板16-7中空部的横截面积。

本实施例中，所述缓冲减压结构将煤炭或者模拟煤仓内的气压进行分散和削弱，煤仓壁16所受的压力已经被大大的减弱，霍尔式压力传感器和位移传感器分别获取支柱24所受压力和移动位移，控制中心3将模拟地震环境时不同等级振动下的支柱24所受压力和移动位移保存处理，模拟煤仓在不同等级振动环境下受到振动激励，采用控制中心3分析模拟煤仓能否达到抗震的目的。

实际操作使用中，仓内煤炭绝热升温及灭火测试与模拟煤仓的抗震性测试可进行独立重复模拟实验，也可以相互同时进行实验，满足不同环境不同条件下煤仓使用的研究测试。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种煤仓相似模拟实验装置，其特征在于：包括用于测试模拟煤仓抗震性能的振动台、用于测试所述模拟煤仓内煤绝热升温的氧化测试机构、用于控制所述模拟煤仓安全的执行机构和用于集中监测所述模拟煤仓的状态的控制中心(3)，所述执行机构包括防火机构、沿所述模拟煤仓中心轴布设的防堵机构和设置在所述模拟煤仓上的防爆结构；所述防火机构包括设置在所述模拟煤仓内的温度传感器(1)、设置在所述模拟煤仓内顶部的CO传感器(2)和惰化喷头(10)、以及设置在所述模拟煤仓外且用于向惰化喷头(10)输送灭火气体的液氮储罐(4)；

所述防堵机构包括设置在所述模拟煤仓外的调频电机(12)、与调频电机(12)传动连接且伸入至所述模拟煤仓内的振动杆(14)和安装在振动杆(14)末端的激振器(15)，调频电机(12)与振动杆(14)连接位置处设置有缓冲联结件(13)；

所述防爆结构包括设置在所述模拟煤仓顶部的泄爆机构(17)和设置在所述模拟煤仓的煤仓壁(16)内部的泄压结构，所述泄爆机构(17)包括上下平行设置的两个挡板(17-1)、以及设置在两个挡板(17-1)之间的泄压膜(17-3)，泄压膜(17-3)与位于上侧的挡板(17-1)之间设置有钢圈(17-2)，两个挡板(17-1)通过多个螺栓(17-4)固定连接，所述泄压结构包括从内到外依次布设的杜瓦玻璃层(16-1)、第一胶质层(16-2)、第一钢板(16-3)、缓冲减压结构、第二钢板(16-10)、第二胶质层(16-11)和第三钢板(16-12)；

温度传感器(1)的输出端和CO传感器(2)的输出端均与控制中心(3)的输入端连接，激振器(15)的输入端与控制中心(3)的输出端连接，控制中心(3)通过变频器(11)与调频电机(12)连接。

2.按照权利要求1所述的一种煤仓相似模拟实验装置，其特征在于：所述温度传感器(1)的数量为两个，两个温度传感器(1)分别设置在所述模拟煤仓内侧壁的上部和下部，液氮储罐(4)向惰化喷头(10)输送灭火气体的管路上依次设置有流量监测器(5)、电磁阀(6)、汽化器(7)、调压阀(8)和调压阀保护器(9)，电磁阀(6)由控制中心(3)控制，流量监测器(5)为流量传感器，所述流量传感器的输出端与控制中心(3)的输入端连接。

3.按照权利要求1所述的一种煤仓相似模拟实验装置，其特征在于：所述缓冲减压结构包括固定在第一钢板(16-3)上的套管(16-4)、设置在套管(16-4)内的缓冲弹簧(16-5)和固定在第二钢板(16-10)上且与缓冲弹簧(16-5)配合的插管(16-8)，套管(16-4)上设置有挡片安装板(16-7)，挡片安装板(16-7)外设置有缓冲球体(16-9)，缓冲弹簧(16-5)远离第一钢板(16-3)的一端设置有挡片(16-6)，缓冲球体(16-9)和挡片安装板(16-7)均为中空结构，插管(16-8)依次穿过缓冲球体(16-9)和挡片安装板(16-7)与挡片(16-6)接触，挡片(16-6)的横截面积大于挡片安装板(16-7)中空部的横截面积。

4.按照权利要求1所述的一种煤仓相似模拟实验装置，其特征在于：所述第一胶质层(16-2)和第二胶质层(16-11)内均设有两根相互缠绕的钢丝。

5.按照权利要求1所述的一种煤仓相似模拟实验装置，其特征在于：所述氧化测试机构包括设置在所述模拟煤仓内顶部的红外线发射器、伸入至所述模拟煤仓内用于分析气体成分的气相色谱仪(29)和设置在所述模拟煤仓外的空气瓶(25)，空气瓶(25)通过进气管(28)向所述模拟煤仓的底部输送空气，进气管(28)上依次设置有气体流量控制器(26)和干燥管(27)，气相色谱仪(29)和气体流量控制器(26)均与控制中心(3)连接。

6.按照权利要求1所述的一种煤仓相似模拟实验装置，其特征在于：所述振动台包括滑轨(23)、沿滑轨(23)轨道滑动的振动架和安装在剪力墙(18)上且用于推动振动架移动的工控伺服机(19)，所述振动架由多个支架(22)和安装在多个支架(22)上的振动板(21)组成，支架(22)与滑轨(23)滑动配合，工控伺服机(19)通过联接板(20)与振动板(21)连接，振动板(21)上设置有用于固定所述模拟煤仓的多个支柱(24)，工控伺服机(19)由控制中心(3)控制。

7.按照权利要求6所述的一种煤仓相似模拟实验装置，其特征在于：还包括与控制中心(3)连接的数据采集机构，所述数据采集机构包括设置在煤仓壁(16)上且与煤仓壁(16)壁面平齐的压敏传感器和设置在振动板(21)上用于采集振动板(21)振动加速度的加速度传感器，以及设置在支柱(24)上用于采集支柱(24)受力形变的霍尔式压力传感器和位移传感器。

8.一种利用如权利要求1所述装置进行煤仓相似模拟实验的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、安装模拟实验装置：首先，将模拟煤仓安装在振动台上；然后，将氧化测试机构、防火机构、防堵机构和防爆结构安装在模拟煤仓上；最后，采用控制中心(3)驱动控制测试机构、防火机构和防堵机构；

步骤二、投放煤炭：通过模拟煤仓的装煤端(30)将煤炭投放进模拟煤仓；

步骤三、仓内煤炭绝热升温及灭火测试，过程如下：

步骤301、仓内煤炭绝热升温：采用氧化测试机构向模拟煤仓内通入空气，并对煤炭进行加热，同时采集模拟煤仓内气体成分；

所述氧化测试机构包括设置在所述模拟煤仓内顶部且用于对煤炭进行加热的红外线发射器、伸入至所述模拟煤仓内用于分析气体成分的气相色谱仪(29)和设置在所述模拟煤仓外的空气瓶(25)，空气瓶(25)通过进气管(28)向所述模拟煤仓的底部输送空气；

步骤302、实时获取模拟煤仓内温度和一氧化碳气体浓度：采用温度传感器(1)实时采集模拟煤仓内温度数据，采用CO传感器(2)实时采集模拟煤仓内一氧化碳气体浓度数据，并将温度数据和一氧化碳气体浓度数据传输至控制中心(3)中；

步骤303、判断模拟煤仓内温度值和一氧化碳气体浓度值是否超标：预先在控制中心(3)中存储模拟煤仓内温度阈值和一氧化碳气体浓度阈值，将温度传感器(1)实时采集的数据与所述温度阈值进行比较，将CO传感器(2)实时采集的数据与所述一氧化碳气体浓度阈值进行比较，当温度传感器(1)和CO传感器(2)实时采集的数据中任意一个超过其阈值时，执行步骤304；否则，循环步骤302；

步骤304、模拟煤仓堕化保护并灭火：采用液氮储罐(4)向惰化喷头(10)输送氮气，对仓内煤炭进行降温，实现惰化保护并灭火直至温度传感器(1)和CO传感器(2)实时采集的数据中任意一个均未超过其阈值，其中，液氮储罐(4)向惰化喷头(10)输送灭火气体的管路上依次设置有流量监测器(5)、电磁阀(6)、汽化器(7)、调压阀(8)和调压阀保护器(9)，电磁阀(6)由控制中心(3)控制开合，流量监测器(5)采用用于采集液氮储罐(4)输出气体流量的流量传感器，所述流量传感器采集的数据传输至控制中心(3)；

步骤四、模拟煤仓的抗震性测试，过程如下：

步骤401、启动振动台振动：控制中心(3)控制所述振动台振动；

所述振动台由滑轨(23)、沿滑轨(23)轨道滑动的振动架和安装在剪力墙(18)上且用于推动振动架移动的工控伺服机(19)组成，所述振动架由多个支架(22)和安装在多个支架(22)上的振动板(21)组成，支架(22)与滑轨(23)滑动配合，工控伺服机(19)通过联接板(20)与振动板(21)连接，振动板(21)上设置有用于固定所述模拟煤仓的多个支柱(24)，工控伺服机(19)由控制中心(3)控制；

步骤402、设置振动板振动等级并获取各个不同振动等级下模拟煤仓振动数据：首先，控制工控伺服机(19)输出频率来控制振动板振动等级，所述振动板振动等级分为一级震动、二级震动和三级震动；然后，获取一级震动、二级震动或三级震动下模拟煤仓振动数据，并启动防堵机构；

所述模拟煤仓振动数据包括设置在煤仓壁(16)上且与煤仓壁(16)壁面平齐的压敏传感器采集的煤仓壁(16)所受压力、以及设置在支柱(24)上用于采集支柱(24)受力形变的霍尔式压力传感器和位移传感器分别获取的支柱(24)所受压力和移动位移。

9.按照权利要求8所述的方法，其特征在于：步骤402中工控伺服机(19)输出频率为5Hz～3000Hz，所述一级震动为工控伺服机(19)输出频率为5Hz～200Hz时振动板(21)的振动状态，所述二级震动为工控伺服机(19)输出频率为200Hz～1000Hz时振动板(21)的振动状态，所述三级震动为工控伺服机(19)输出频率为1000Hz～3000Hz时振动板(21)的振动状态。

10.按照权利要求8所述的方法，其特征在于：步骤402中所述压敏传感器采集的煤仓壁(16)所受压力为经所述缓冲减压结构减压后的压力；

所述缓冲减压结构包括固定在第一钢板(16-3)上的套管(16-4)、设置在套管(16-4)内的缓冲弹簧(16-5)和固定在第二钢板(16-10)上且与缓冲弹簧(16-5)配合的插管(16-8)，套管(16-4)上设置有挡片安装板(16-7)，挡片安装板(16-7)外设置有缓冲球体(16-9)，缓冲弹簧(16-5)远离第一钢板(16-3)的一端设置有挡片(16-6)，缓冲球体(16-9)和挡片安装板(16-7)均为中空结构，插管(16-8)依次穿过缓冲球体(16-9)和挡片安装板(16-7)与挡片(16-6)接触，挡片(16-6)的横截面积大于挡片安装板(16-7)中空部的横截面积。