CN107870075A - 一种空腔结构降低瓦斯爆炸冲击伤害的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空腔结构降低瓦斯爆炸冲击伤害的测试方法。其通过在试验系统中开展试验，并从取样口取出10～100ml爆炸气体进行成分分析、对已死亡和未死亡的试验大鼠进行观察分析，综合对上位机内保存的压力和图像信息以及采集的氧浓度信息的分析和处理，找到设置不同空腔结构以及不同空腔结构组合条件下瓦斯爆炸后气体成分变化规律、压力变化规律，以及导致动物伤害变化规律，从而找到空腔结构降低瓦斯爆炸冲击伤害的规律，以此找到一种最佳空腔结构或其组合形式用以最大程度消减瓦斯爆炸冲击伤害，为瓦斯爆炸灾害事故防治提供支持。

Description

一种空腔结构降低瓦斯爆炸冲击伤害的测试方法

技术领域

本发明涉及煤矿瓦斯灾害防治领域，尤其是涉及一种空腔结构降低瓦斯爆炸冲击伤害的测试方法。

背景技术

煤炭是目前世界上存储量最大且分布最广的一次能源，在我国煤炭约占一次能源消费的70％。而且我国一次能源存在“富煤、贫油、少气”的特点，据预测，到2050年，煤炭占我国能源消费比例仍不小于50％，也就是说，在未来一定时间内，煤炭仍是我国起着支配和主导地位的核心能源。但是，我国95％的煤矿为井工开采，在国有724处重点煤矿中，其中高瓦斯矿井就有152处，占比21％，此外有的煤矿开采深度已经达到-800m，且开采深度超过-1000m矿井也已经达到20多对。随着我国开采水平的发展以及开采深度的不断增加，地质构造和开采条件也随之越来越复杂，采动地压、瓦斯压力、环境温度也相应增加，煤矿灾害事故如冲击地压、煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸等也时有发生。瓦斯爆炸是在煤炭开采过程中在极短时间内大量释放出来的瓦斯气体富集，达到爆炸极限范围5％～16％，在氧浓度达到12％以上时，遇到火源形成的高温高压冲击波，并沿着采掘空间向外传播，并伴有巨大声响，对巷道、支护、设备装置造成严重的破坏，同时造成大量的作业人员伤亡。据统计，在2004年～2009年我国煤矿死亡人数超过50人的灾害事故统计中，其中由于瓦斯爆炸导致的死亡人数为1332人，占比78.8％。可见，瓦斯爆炸是发生煤矿特大事故的主要原因，其严重制约着我国煤炭工业发展进程。所以，有必要开展降低瓦斯爆炸冲击伤害后果的研究，为瓦斯爆炸灾害事故防治、煤矿安全高效开采提供支持。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种空腔结构降低瓦斯爆炸冲击伤害的测试方法，其技术方案如下：

一种空腔结构降低瓦斯爆炸冲击伤害的测试方法，其包括：

(1)将管道、法兰盘、螺栓螺母、压力传感器、空腔结构、试验大鼠、电极、交流电源、真空泵、数字真空表、甲烷气瓶、空压机、循环泵、压气阀、吸气阀、进气阀、第一循环阀、第二循环阀、氧浓度检测仪、加速片、膜片、密封片、取样口、动态数据采集器、高速摄像仪和上位机连接成试验系统；其中，所述膜片为聚乙烯材料、厚度为0.5～2mm、直径比管道直径大1～3cm，膜片将试验系统分成预混加速段和冲击传播段两部分；所述空腔结构为长方体内空结构，空腔结构宽度为管道直径的1.5～5倍，空腔结构高度等于管道直径，空腔结构长度为管道直径的1.5～5倍；所述试验大鼠的数量为4～8只；所述电极为两根金属棒，一端连接交流电源，另一端连接熔丝；所述交流电源为24～48V交流电；所述加速片为圆环结构，内环直径为管道直径的1/3～3/4，外环直径等于管道直径；

(2)按顺序先后开启压气阀和空压机，保持吸气阀、进气阀、第一循环阀和第二循环阀的关闭状态，检查预混加速段的气密性，在确定预混加速段不漏气后，按顺序先后关闭空压机和压气阀；

(3)开启数字真空表和吸气阀，保持压气阀、进气阀、第一循环阀和第二循环阀的关闭状态，开启真空泵对预混加速段进行抽真空；在达到试验需要真空度后关闭真空泵，开启进气阀和甲烷气瓶进行甲烷气体配送，待充入试验所需体积分数甲烷气体后，按顺序先后关闭甲烷气瓶和进气阀；

(4)在开启第一循环阀和第二循环阀后，开启循环泵对预混加速段内甲烷和空气进行预混搅拌，在循环泵工作10～20min后关闭循环泵，后再关闭第一循环阀和第二循环阀；在检查预混加速段内混合气体处于大气压后，关闭吸气阀和数字真空表；

(5)分别开启动态数据采集器和高速摄像仪，在上位机中分别打开数据采集软件和高速摄像软件，设置压力传感器的触发参数，同时将高速摄像仪设置为内触发，并使动态数据采集器和高速摄像仪处于采集待触发状态；

(6)保持压气阀、吸气阀、进气阀、第一循环阀和第二循环阀的关闭状态，开启交流电源对电极进行点火，在电极处发生爆炸，在沿冲击传播段进行传播的过程中触发动态数据采集器进行压力信号采集以及高速摄像仪进行图像信息采集；上位机保存管道内各位置的压力传感器和高速摄像仪采集的信息；同时从氧浓度检测仪中读取氧浓度数值；

(7)从取样口取出10～100ml爆炸气体进行成分分析；

(8)取出死亡的试验大鼠进行内耳和肺的显微观察，记录损伤情况；同时将未死亡的试验大鼠分成等数量的两部分，第一部分仍处于管道内，进行30分钟至3小时缺氧状态下试验大鼠活动和身体情况观察，第二部分取出并放入低氧舱内，进行30分钟至3小时低氧状态下试验大鼠活动和身体情况观察；其中，低氧舱与低氧瓶连接，低氧瓶为氧浓度8％～15％的空气瓶；

(9)取出管道内试验大鼠，保持吸气阀、进气阀、第一循环阀和第二循环阀的关闭状态，按顺序先后开启压气阀和空压机，对成预混加速段和冲击传播段进行正压吹扫，去除内部废气，20～30min后按顺序先后关闭空压机和压气阀；

(10)更换膜片和电极之间的熔丝、放入新一批试验大鼠按(2)～(9)，分别开展没有设置空腔结构、设置1个空腔结构、设置2个空腔结构组合条件下瓦斯爆炸冲击伤试验；其中，2个空腔结构组合时，要保证两个空腔结构之间的间距为管道直径的1.5～5倍；

(11)通过对上位机内保存的压力和图像信息，以及采集的氧浓度信息和试验大鼠观察信息进行分析和处理，找到设置不同空腔结构以及不同空腔结构组合条件下瓦斯爆炸后气体成分变化规律、压力变化规律，以及导致动物伤害变化规律，从而找到空腔结构降低瓦斯爆炸冲击伤害的规律。

进一步，放置试验大鼠位置处的管道为高强度有机玻璃管，其他位置管道为钢管。

本发明的有益效果是：通过本发明可开展不同空腔结构以及不同空腔结构组合条件下瓦斯爆炸冲击伤害试验，并找到该条件下瓦斯爆炸后气体成分变化规律、不同位置处压力变化规律；结合不同空腔结构或组合条件下瓦斯爆炸冲击伤害的演化规律，找到一种最佳空腔结构或其组合形式用以最大程度消减瓦斯爆炸冲击伤害。

附图说明

图1为本发明实施例1的试验系统结构示意图。

图2为本发明实施例2的试验系统结构示意图。

图3为加速片、膜片和密封片示意图。

图4为低氧瓶与低氧舱连接示意图。

其中：1-管道；2-法兰盘；3-螺栓螺母；4-压力传感器；5-空腔结构；6-试验大鼠；7-电极；8-交流电源；9-真空泵；10-数字真空表；11-甲烷气瓶；12-空压机；13-循环泵；14-压气阀；15-吸气阀；16-进气阀；17-第一循环阀；18-第二循环阀；19-氧浓度检测仪；20-加速片；21-膜片；22-密封片；23-动态数据采集器；24-高速摄像仪；25-上位机；26-取样口；31-低氧瓶；32-低氧舱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。

如图1和图2所示为本发明的实施例1和实施例2所开展试验的试验系统结构示意图，其中图1为单一空腔结构条件下的试验系统示意图、图2为空腔结构组合条件下的试验系统示意图。在各实施例开展试验时：

(1)将管道1、法兰盘2、螺栓螺母3、压力传感器4、空腔结构5、试验大鼠6、电极7、交流电源8、真空泵9、数字真空表10、甲烷气瓶11、空压机12、循环泵13、压气阀14、吸气阀15、进气阀16、第一循环阀17、第二循环阀18、氧浓度检测仪19、加速片20、膜片21、密封片22(加速片、膜片和密封片示意图如图3所示)、取样口26、动态数据采集器23、高速摄像仪24和上位机25连接成试验系统；其中，膜片21为聚乙烯材料、厚度为0.5～2mm、直径比管道1直径大1～3cm，膜片21将试验系统分成预混加速段和冲击传播段两部分；空腔结构5为长方体内空结构，空腔结构5宽度为管道1直径的1.5～5倍，空腔结构5高度等于管道1直径，空腔结构5长度为管道1直径的1.5～5倍；试验大鼠6的数量为4～8只，用以模拟作业人员在瓦斯爆炸条件下的冲击致伤情况；放置试验大鼠6位置处的管道1为高强度有机玻璃管，其他位置管道1为钢管；电极7为两根金属棒，一端连接交流电源8，另一端连接熔丝；所述交流电源8为24～48V交流电；所述加速片20为圆环结构，内环直径为管道1直径的1/3～3/4，外环直径等于管道1直径；

(2)按顺序先后开启压气阀14和空压机12，保持吸气阀15、进气阀16、第一循环阀17和第二循环阀18的关闭状态，检查预混加速段的气密性，在确定预混加速段不漏气后，按顺序先后关闭空压机12和压气阀14；

(3)开启数字真空表10和吸气阀15，保持压气阀14、进气阀16、第一循环阀17和第二循环阀18的关闭状态，开启真空泵9对预混加速段进行抽真空；在达到试验需要真空度后关闭真空泵9，开启进气阀16和甲烷气瓶11进行甲烷气体配送，待充入试验所需体积分数甲烷气体后，按顺序先后关闭甲烷气瓶11和进气阀16；

(4)在开启第一循环阀17和第二循环阀18后，开启循环泵13对预混加速段内甲烷和空气进行预混搅拌，在循环泵工作10～20min后关闭循环泵13，后再关闭第一循环阀17和第二循环阀18；在检查预混加速段内混合气体处于大气压后，关闭吸气阀15和数字真空表10；

(5)分别开启动态数据采集器23和高速摄像仪24，在上位机25中分别打开数据采集软件和高速摄像软件，设置压力传感器5的触发参数，同时将高速摄像仪24设置为内触发，并使动态数据采集器23和高速摄像仪24处于采集待触发状态；

(6)保持压气阀14、吸气阀15、进气阀16、第一循环阀17和第二循环阀18的关闭状态，开启交流电源8对电极7进行点火，在电极处发生爆炸，在沿冲击传播段进行传播的过程中触发动态数据采集器23进行压力信号采集以及高速摄像仪24进行图像信息采集；上位机25保存管道内各位置的压力传感器4和高速摄像仪24采集的信息；同时从氧浓度检测仪19中读取氧浓度数值；

(7)从取样口26取出10～100ml爆炸气体进行成分分析；

(8)取出死亡的试验大鼠6进行内耳和肺的显微观察，记录损伤情况；同时将未死亡的试验大鼠6分成等数量的两部分，第一部分仍处于管道1内，进行30分钟至3小时缺氧状态下试验大鼠6活动和身体情况观察，第二部分取出并放入低氧舱32内，进行30分钟至3小时低氧状态下试验大鼠6活动和身体情况观察；其中，如图4所示，低氧舱32与低氧瓶31连接，低氧瓶31为氧浓度8％～15％的空气瓶；

(9)取出管道内试验大鼠6，保持吸气阀15、进气阀16、第一循环阀17和第二循环阀18的关闭状态，按顺序先后开启压气阀14和空压机12，对成预混加速段和冲击传播段进行正压吹扫，去除内部废气，20～30min后按顺序先后关闭空压机12和压气阀14；

(10)更换膜片21和电极之间的熔丝、放入新一批试验大鼠6按(2)～(9)，分别开展没有设置空腔结构5、设置1个空腔结构5、设置2个空腔结构5组合条件下瓦斯爆炸冲击伤试验；其中，2个空腔结构5组合时，要保证两个空腔结构5之间的间距为管道1直径的1.5～5倍；(11)通过对上位机25内保存的压力和图像信息，以及采集的氧浓度信息和试验大鼠6观察信息进行分析和处理，找到设置不同空腔结构5以及不同空腔结构5组合条件下瓦斯爆炸后气体成分变化规律、压力变化规律，以及导致动物伤害变化规律，从而找到空腔结构5降低瓦斯爆炸冲击伤害的规律。

通过开展试验，一方面可以研究各种试验条件下空腔结构5降低瓦斯爆炸冲击伤害的规律，还可以找到一种最大幅度消减瓦斯爆炸冲击作用的最佳空腔结构5组合方式。

最后应当说明的是，以上所述仅是本发明的技术方案，而非对其保护范围作任何限制，凡是根据本发明技术方案进行的相关修改或等同替换，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (2)

1.一种空腔结构降低瓦斯爆炸冲击伤害的测试方法，其特征在于，该方法包括

(1)将管道、法兰盘、螺栓螺母、压力传感器、空腔结构、试验大鼠、电极、交流电源、真空泵、数字真空表、甲烷气瓶、空压机、循环泵、压气阀、吸气阀、进气阀、第一循环阀、第二循环阀、氧浓度检测仪、加速片、膜片、密封片、取样口、动态数据采集器、高速摄像仪和上位机连接成试验系统；其中，所述膜片为聚乙烯材料、厚度为0.5～2mm、直径比管道直径大1～3cm，膜片将试验系统分成预混加速段和冲击传播段两部分；所述空腔结构为长方体内空结构，空腔结构宽度为管道直径的1.5～5倍，空腔结构高度等于管道直径，空腔结构长度为管道直径的1.5～5倍；所述试验大鼠的数量为4～8只；所述电极为两根金属棒，一端连接交流电源，另一端连接熔丝；所述交流电源为24～48V交流电；所述加速片为圆环结构，内环直径为管道直径的1/3～3/4，外环直径等于管道直径；

(2)按顺序先后开启压气阀和空压机，保持吸气阀、进气阀、第一循环阀和第二循环阀的关闭状态，检查预混加速段的气密性，在确定预混加速段不漏气后，按顺序先后关闭空压机和压气阀；

(3)开启数字真空表和吸气阀，保持压气阀、进气阀、第一循环阀和第二循环阀的关闭状态，开启真空泵对预混加速段进行抽真空；在达到试验需要真空度后关闭真空泵，开启进气阀和甲烷气瓶进行甲烷气体配送，待充入试验所需体积分数甲烷气体后，按顺序先后关闭甲烷气瓶和进气阀；

(4)在开启第一循环阀和第二循环阀后，开启循环泵对预混加速段内甲烷和空气进行预混搅拌，在循环泵工作10～20min后关闭循环泵，后再关闭第一循环阀和第二循环阀；在检查预混加速段内混合气体处于大气压后，关闭吸气阀和数字真空表；

(5)分别开启动态数据采集器和高速摄像仪，在上位机中分别打开数据采集软件和高速摄像软件，设置压力传感器的触发参数，同时将高速摄像仪设置为内触发，并使动态数据采集器和高速摄像仪处于采集待触发状态；

(6)保持压气阀、吸气阀、进气阀、第一循环阀和第二循环阀的关闭状态，开启交流电源对电极进行点火，在电极处发生爆炸，在沿冲击传播段进行传播的过程中触发动态数据采集器进行压力信号采集以及高速摄像仪进行图像信息采集；上位机保存管道内各位置的压力传感器和高速摄像仪采集的信息；同时从氧浓度检测仪中读取氧浓度数值；

(7)从取样口取出10～100ml爆炸气体进行成分分析；

(8)取出死亡的试验大鼠进行内耳和肺的显微观察，记录损伤情况；同时将未死亡的试验大鼠分成等数量的两部分，第一部分仍处于管道内，进行30分钟至3小时缺氧状态下试验大鼠活动和身体情况观察，第二部分取出并放入低氧舱内，进行30分钟至3小时低氧状态下试验大鼠活动和身体情况观察；其中，低氧舱与低氧瓶连接，低氧瓶为氧浓度8％～15％的空气瓶；

(9)取出管道内试验大鼠，保持吸气阀、进气阀、第一循环阀和第二循环阀的关闭状态，按顺序先后开启压气阀和空压机，对成预混加速段和冲击传播段进行正压吹扫，去除内部废气，20～30min后按顺序先后关闭空压机和压气阀；

(10)更换膜片和电极之间的熔丝、放入新一批试验大鼠按(2)～(9)，分别开展没有设置空腔结构、设置1个空腔结构、设置2个空腔结构组合条件下瓦斯爆炸冲击伤试验；其中，2个空腔结构组合时，要保证两个空腔结构之间的间距为管道直径的1.5～5倍；

(11)通过对上位机内保存的压力和图像信息，以及采集的氧浓度信息和试验大鼠观察信息进行分析和处理，找到设置不同空腔结构以及不同空腔结构组合条件下瓦斯爆炸后气体成分变化规律、压力变化规律，以及导致动物伤害变化规律，从而找到空腔结构降低瓦斯爆炸冲击伤害的规律。

2.根据权利要求1所述的一种空腔结构降低瓦斯爆炸冲击伤害的测试方法，其特征在于，放置试验大鼠位置处的管道为高强度有机玻璃管，其他位置管道为钢管。