CN107727827B - 一种用于突出煤粒爆破坏的实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于突出煤粒爆破坏的实验装置，属于煤矿开采技术领域。该装置包括粒爆主体系统、数据采集系统和连锁控制系统，粒爆主体系统包括粒爆室、泄压系统、充气系统、抽气系统、安全防护系统，数据采集系统包括高速摄像机、记录仪、导线、传感器、端子板，连锁控制系统包括泄压球阀、电磁控制阀、继电器。该装置能够在进行实验的同时利用记录仪、导线、传感器等装置，采集粒爆室内的气体压力和温度变化，以及煤体在吸附瓦斯和粒爆过程中的温度、变形量和电阻率等参数，记录煤体各个参数随时间的变化曲线。对矿井瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出等事故的防治以及煤层气高效开发与利用具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿开采技术领域，特别是指一种用于突出煤粒爆破坏的实验装置。
背景技术
煤与瓦斯突出是一种复杂的矿井瓦斯动力现象，也是一种非常严重而又比较普遍的威胁煤矿安全生产的自然灾害。煤与瓦斯突出在一瞬间向采掘工作面空间喷出巨量煤与瓦斯流，不仅严重地摧毁巷道设施，毁坏通风系统，而且使附近区域的井全部充满瓦斯与煤粉，造成瓦斯窒息或煤流埋人，甚至会造成煤尘和瓦斯爆炸等严重后果。对瓦斯含量和瓦斯压力大的突出煤层，开采时极易发生煤与瓦斯突出事故。
粒爆破坏是煤与瓦斯突出过程中的一个重要阶段。在以瓦斯压力为主导的煤与瓦斯突出的过程中，由于外部的突然泄压，煤体在瓦斯压力作用下，由内到外发生撕裂破坏，类似连锁式的物理爆炸现象，即“粒爆”连锁效应。“粒爆”效应的发生，使原始煤体孔隙结构、孔表面性能和形状等发生改变，进而影响了瓦斯的放散能力及规律，改变了煤的瓦斯放散初速度。
袁亮院士、姜海纳博士经过研究提出大量的煤粉是促使大型煤与瓦斯突出的主要影响因素。煤粒爆过程中会产生大量不同粒径的煤粒，其中包括极小粒径的煤粒。在粒爆破坏后，所产生极小粒径的煤粒，使煤孔隙裂隙中的瓦斯能够瞬间解吸，产生大量的瓦斯气体，增大了煤与瓦斯突出的外部动力，提高了瓦斯放散初速度，极易诱导煤与瓦斯突出。瓦斯放散能力越强，瓦斯涌出量和瓦斯放散初度越大。而瓦斯放散初速度是衡量煤与瓦斯突出危险性的一个重要参考指标。
因此，弄清煤的粒爆破坏，对于煤与瓦斯突出机理研究具有推动作用，对预测煤与瓦斯突出具有重要意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于突出煤粒爆破坏的实验装置，研究突出煤体在饱和吸附条件下，外部突然泄压时，煤的粒爆破坏及其对瓦斯放散规律的影响。
该装置包括粒爆主体系统、数据采集系统和连锁控制系统，粒爆主体系统包括粒爆室、泄压系统、充气系统、抽气系统、安全防护系统，数据采集系统包括高速摄像机、记录仪、导线、传感器、端子板，连锁控制系统包括泄压球阀、电磁控制阀、继电器；安全防护系统位于该装置底部，粒爆室位于安全防护系统上部，粒爆室分别和泄压系统、充气系统、抽气系统、端子板相连，粒爆室外部设有法兰盘，法兰盘通过螺栓固定；充气系统和抽气系统位于泄压系统上方，端子板设在法兰盘上方；泄压球阀、电磁控制阀、继电器均与高速摄像机、记录仪、导线相连，导线与记录仪相连，继电器控制电磁控制阀，泄压球阀位于该装置上部；传感器位于粒爆室内部上方。
其中，安全防护系统与泄压系统相连；安全防护系统包括底座固定系统和安全防护罩两部分，在固定装置上打眼，利用螺丝和压板将底座固定系统固定，安全防护罩设置于泄压系统处，防止突然泄压时气流的携带煤粒等飞出。
粒爆室由有机玻璃制成，内径为80-120mm，能够承受10MPa的气体压力，同时具有可视化功能。
泄压系统采用电磁放气阀，其体积小，操作简单，开启快，泄压速度极快，可在毫秒数量级内完成泄压，可以和高速摄像机进行连锁控制。
充气系统配备CO2气体高压气瓶和高压输气管路，通过高压球阀与粒爆室相连，向粒爆室中充气；抽气系统和充气系统集成设计在一起。
数据采集存储系统主要包括数据采集和图像采集两部分。数据采集系统主要采集粒爆室内的气体压力和温度变化，以及煤体在吸附瓦斯和粒爆过程中的温度、变形量和电阻率等参数，记录煤体电流随时间的变化曲线；图像采集系统主要是利用高速摄像机，在打开泄压球阀的一瞬间，拍摄煤体粒爆的过程。
连锁控制系统实现粒爆实验中泄压系统与高速摄像机图像采集连锁控制功能，电磁阀驱动球阀打开，达到快速泄压的目的，同时通过控制系统在泄压的瞬间启动摄像机，进行图像采集。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
该装置能够在进行实验的同时利用记录仪、导线、传感器等装置，采集粒爆室内的气体压力和温度变化，以及煤体在吸附瓦斯和粒爆过程中的温度、变形量和电阻率等参数，记录煤体各个参数随时间的变化曲线。对矿井瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出等事故的防治以及煤层气高效开发与利用具有重要意义。
附图说明
图1为本发明的用于突出煤粒爆破坏的实验装置剖面图；
图2为本发明的用于突出煤粒爆破坏的实验装置俯视图。
其中：1-安全防护系统；2-粒爆室；3-法兰盘；4-螺栓；5-泄压系统；6-充气系统；7-抽气系统；8-高速摄像机；9-传感器；10-记录仪；11-导线；12-端子板；13-泄压球阀；14-电磁控制阀；15-继电器。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种用于突出煤粒爆破坏的实验装置，该装置包括粒爆主体系统、数据采集系统和连锁控制系统。
如图1和图2所示，该装置中安全防护系统1位于该装置底部，粒爆室2位于安全防护系统1上部，粒爆室2分别和泄压系统5、充气系统6、抽气系统7、端子板12相连，粒爆室2外部设有法兰盘3，法兰盘3通过螺栓4固定；充气系统6和抽气系统7位于泄压系统5上方，端子板12设在法兰盘3上方；泄压球阀13、电磁控制阀14、继电器15均与高速摄像机8、记录仪10、导线11相连，导线11与记录仪10相连，继电器15控制电磁控制阀14，泄压球阀13位于该装置上部；传感器9位于粒爆室2内部上方。
具体的：
安全防护系统1包括底座固定系统和安全防护罩两部分，在地面或其他固定装置上打眼，利用螺丝和压板将底座固定。安全防护罩设置于泄压系统的泄压口处，防止突然泄压时气流的携带煤粒等飞出。
粒爆室2采用有机玻璃，有机玻璃是由甲基丙烯酸酯聚合成的高分子化合物，具有透明度高、强度大、易于加工和尺寸稳定的特点。有机玻璃是目前最优良的高分子透明材料，透光率达到92％，能够承受10Mpa的压力，同时又能用吹塑、注射和挤出等塑料成型的方法进行加工。
为保证可视化的效果，本实验粒爆室内径为100mm，总体长度为410mm，透明部分长度200mm。粒爆室主要包括下部的透明有机玻璃和上部不透明的钢管两部分。下部透明部分一端装有60mm厚的钢板底座，底座开槽30mm深，将有机玻璃部分通过丝扣嵌入底座中，达到抗压和封闭的作用；另一端装有40mm厚钢制法兰盘。上部不透明部分一端装有钢制法兰盘与下部的透明有机玻璃相连，此部分主要布置有充气孔、充气孔和压力、温度、接线端子等数据采集孔，同时布置有电磁控制阀，上部装有法兰盘与放气球阀相连。
泄压系统5采用电磁放气阀，其体积小，操作简单，开启快，泄压速度极快，可在毫秒数量级内达到泄压的目的，同时可以和高速摄像机进行连锁控制。
充气系统6配备CO2气体高压气瓶、GREATWALL BRAND 10-2-40MPa高压输气管路，经过YJZQ-J15N型高压球阀与粒爆室2相连，向粒爆室2中充气。
抽气系统7采用上海花胜2XZ-2型旋片式真空泵，抽气速率为2L/s，极限真空为6.7×10-2Pa，抽气管路经过YJZQ-J15N型高压球阀与粒爆室2相连接，实现抽真空的功能。
数据采集存储系统包括：数据采集存储系统主要包括数据采集和图像采集两部分。数据采集系统包括21系列多通道无纸记录仪10、CHI660E型电化学工作站、压力传感器0～10MPa，温度传感器0～100℃，350Ω应变片、pt100和电阻率测试导线11，主要采集粒爆室2内的气体压力和温度变化，以及煤体在吸附瓦斯和粒爆过程中的温度、变形量和电阻率等参数，记录煤体电流随时间的变化曲线；图像采集系统主要是利用JVC GC-P100BAC高速摄像机8，在打开泄压球阀13的一瞬间，拍摄煤体粒爆的过程。
连锁控制系统包括泄压球阀13、电磁控制阀14、继电器15，实现粒爆实验中泄压系统5与高速摄像机图像采集连锁控制功能，电磁控制阀14驱动泄压球阀13打开，达到快速泄压的目的，同时通过控制系统在泄压的瞬间启动高速摄像机8，进行图像采集。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种用于突出煤粒爆破坏的实验装置，其特征在于：包括粒爆主体系统、数据采集系统和连锁控制系统，粒爆主体系统包括安全防护系统(1)、粒爆室(2)、泄压系统(5)、充气系统(6)、抽气系统(7)，数据采集系统包括高速摄像机(8)、记录仪(10)、导线(11)、传感器(9)、端子板(12)，连锁控制系统包括泄压球阀(13)、电磁控制阀(14)、继电器(15)；安全防护系统(1)位于该装置底部，粒爆室(2)位于安全防护系统(1)上部，粒爆室(2)分别和泄压系统(5)、充气系统(6)、抽气系统(7)、端子板(12)相连，粒爆室(2)外部设有法兰盘(3)，法兰盘(3)通过螺栓(4)固定；充气系统(6)和抽气系统(7)位于泄压系统(5)上方，端子板(12)设在法兰盘(3)上方；泄压球阀(13)、电磁控制阀(14)、继电器(15)均与高速摄像机(8)、记录仪(10)、导线(11)相连，导线(11)与记录仪(10)相连，继电器(15)控制电磁控制阀(14)，泄压球阀(13)位于该装置上部；传感器(9)位于粒爆室(2)内部上方；
所述安全防护系统(1)与泄压系统(5)相连；安全防护系统(1)包括底座固定系统和安全防护罩两部分，在固定装置上打眼，利用螺丝和压板将底座固定系统固定，安全防护罩设置于泄压系统处；
所述充气系统(6)配备CO2气体高压气瓶和高压输气管路，通过高压球阀与粒爆室(2)相连，向粒爆室(2)中充气；抽气系统(7)和充气系统(6)集成设计在一起。
2.根据权利要求1所述的用于突出煤粒爆破坏的实验装置，其特征在于：所述粒爆室(2)由有机玻璃制成，内径为80-120mm，能够承受10MPa的气体压力，同时具有可视化功能。
3.根据权利要求1所述的用于突出煤粒爆破坏的实验装置，其特征在于：所述泄压系统(5)能够在毫秒数量级内完成泄压。
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