CN108535320A - 采空区煤自燃诱发瓦斯及煤尘单、多次爆炸的实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采空区煤自燃诱发瓦斯及煤尘单、多次爆炸的实验系统，包括爆炸腔体、数据采集系统、控制系统和远程控制系统；爆炸腔体内部设有高温源点火系统、电火花点火系统，爆炸腔体连接有进气系统、真空系统、自动配气系统、尾气处理系统、气体收集系统和图像采集系统；数据采集系统包括传感器和数据采集装置，传感器设置在爆炸腔体内部并与数据采集装置连接。能够测定采空区煤自燃诱发瓦斯及煤尘单、多次爆炸，该系统用于测量煤自燃高温源诱发瓦斯、煤尘、瓦斯煤尘混合物爆炸的临界温度，爆炸压力，爆炸产物，爆炸内部流场等参数。

Description

采空区煤自燃诱发瓦斯及煤尘单、多次爆炸的实验系统

技术领域

本发明涉及一种瓦斯及煤尘爆炸的实验装置，尤其涉及一种采空区煤自燃诱发瓦斯及煤尘单、多次爆炸的实验系统。

背景技术

采空区自燃诱发的瓦斯煤尘爆炸事故所造成的后果严重，一旦发生，很大几率为重特大事故，据统计，95％以上的煤自燃发生在人员不能直视或到达的采空区内部，在自燃条件下，即使是低瓦斯矿井的采空区，由于浮煤在相对封闭的环境下自燃可以释放出大量的可燃性气体并产生高温，从而使得矿井采空区发生自燃诱发瓦斯爆炸的事故。为保障煤矿自燃事故发生情况下事故处理以及次生灾害救援工作的安全性，判别煤自燃状态下能否引发瓦斯煤尘爆炸对救援人员的人身安全尤为重要，因此采空区自燃诱发瓦斯煤尘爆炸的实验研究对于煤矿安全领域此类事故的防范以及事故救援具有广泛前景和重要意义。

现有瓦斯爆炸、瓦斯煤尘爆炸的实验装置多用于测定标况下的爆炸极限等参数，多用20L球形爆炸系统测定爆炸压力、点火能等参数，利用管道设备开展爆轰、冲击波速度、抑爆等相关研究，上述实验系统的点火形式属于电火花或者整体的高温环境对爆炸性混合物的引爆，与实际采空区自燃产生的局部高温源接触引爆过程不符。此外，现有爆炸试验设备的圆形、柱形的几何形状与采空区实际环境相差较大，无法实现几何相似。

发明内容

本发明的目的是提供一种采空区煤自燃诱发瓦斯及煤尘单、多次爆炸的实验系统。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的采空区煤自燃诱发瓦斯及煤尘单、多次爆炸的实验系统，包括爆炸腔体、数据采集系统、控制系统和远程控制系统；

所述爆炸腔体内部设有高温源点火系统、电火花点火系统，所述爆炸腔体连接有进气系统、真空系统、自动配气系统、尾气处理系统、气体收集系统和图像采集系统；

所述数据采集系统包括传感器和数据采集装置，所述传感器设置在爆炸腔体内部并与数据采集装置连接；

所述控制系统与点火系统、进气系统、数据采集系统、真空系统、尾气处理系统连接；

所述远程控制系统与点火系统、进气系统、数据采集系统、真空系统、尾气处理系统的控制主机连接。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的采空区煤自燃诱发瓦斯及煤尘单、多次爆炸的实验系统，能够测定采空区煤自燃诱发瓦斯及煤尘单、多次爆炸，该系统用于测量煤自燃高温源诱发瓦斯、煤尘、瓦斯煤尘混合物爆炸的临界温度，爆炸压力，爆炸产物，爆炸内部流场等参数。

附图说明

图1为本发明实施例提供的采空区煤自燃诱发瓦斯及煤尘单、多次爆炸的实验系统结构示意图。

图2为本发明实施例中爆炸腔体的剖面图(垂直于光学视窗剖面)。

图中：

1、高压气瓶A；2、电磁阀A；3、高压气瓶B；4、电磁阀B；5、压力传感器A；6、定容储气罐；7、电磁阀C；8、调速孔板；9、阻火器；10、高压脉冲点火器；11、点火电极；12、高温热源；13、加热装置；14、光学视窗；15、爆炸腔体；16、温度传感器A；17、阻火泄压器；18、温度传感器B；19、压力传感器B；20、气体管路；21、电磁阀D；22、集气装置；23、电磁阀E；24、尾气处理装置；25、真空管路；26、真空泵；27、电磁阀F；28、信号接收器；29、控制主机；30、远程控制主机；31、信号发射器；32、控制线路；33、螺栓。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

本发明的采空区煤自燃诱发瓦斯及煤尘单、多次爆炸的实验系统，其较佳的具体实施方式是：

包括爆炸腔体、数据采集系统、控制系统和远程控制系统；

所述爆炸腔体内部设有高温源点火系统、电火花点火系统，所述爆炸腔体连接有进气系统、真空系统、自动配气系统、尾气处理系统、气体收集系统和图像采集系统；

所述数据采集系统包括传感器和数据采集装置，所述传感器设置在爆炸腔体内部并与数据采集装置连接；

所述控制系统与点火系统、进气系统、数据采集系统、真空系统、尾气处理系统连接；

所述远程控制系统与点火系统、进气系统、数据采集系统、真空系统、尾气处理系统的控制主机连接。

所述爆炸腔体内底面为正方形、顶部为拱形结构、内部做倒角处理，顶部为弧形的侧面与进气系统相连通，设置进气系统的侧面设置两条气体管路，一条管路与真空系统连接，另一条管路与尾气处理系统和气体收集系统连接，与进气系统相对的侧面顶面设置阻火器、泄压阀，与进气系统相邻两个侧面的几何中心均设有光学视窗，光学视窗可替换为盲板。

所述高温源点火系统包括温度控制系统、热电偶、加热装置，所述加热装置设置于爆炸腔体内部底面几何中心位置，所述加热装置设有高温合金丝加热，所述温度控制系统通过控制线路与所述热电偶和加热装置连接。

所述电火花点火系统包括点火电极、控制器，所述点火电极安装方向与进气方向平行。

所述进气系统包括定容储气罐、电磁阀、阻火器、调速孔板、压力传感器，所述定容储气罐为不锈钢圆柱形腔体，上下底面为球面，定容储气罐与爆炸腔体之间依次为电磁阀、阻火器、调速孔板。

所述数据采集系统的传感器包括温度传感器和压力传感器，温度传感器位于爆炸腔体内部，压力传感器位于弧形顶面的几何中心；

所述图像采集系统包括高速摄像机、图像储存装置。

所述真空系统包括真空泵和真空管路，真空泵通过真空管路与爆炸腔体连接，真空管路上设置电磁阀。

所述尾气处理系统包括清洗泵和排气管路，清洗泵通过排气管路与爆炸腔体连接，排气管路上设置电磁阀。

所述气体收集装置包括集气装置、集气管路和排气管路，集气装置通过集气管路、排气管路与爆炸腔体连接，集气管路上设置电磁阀。

所述控制系统包括控制主机、控制模块以及控制线路；

所述远程控制系统包括信号发射和信号接收系统，所述信号发射系统包括远程控制主机、信号发射器，所述信号接收系统包括控制主机、信号接收器。

本发明的采空区煤自燃诱发瓦斯及煤尘单、多次爆炸的实验系统，能够测定采空区煤自燃诱发瓦斯及煤尘单、多次爆炸，该系统用于测量煤自燃高温源诱发瓦斯及煤尘爆炸的临界温度，煤自燃诱发瓦斯及煤尘单、多爆炸的临界温度，爆炸压力，爆炸产物，爆炸内部流场等参数。

本发明技术方案，具有如下优点：

包括爆炸腔体、高温源点火系统、电火花点火系统、自动配气系统、进气系统、数据采集系统、图像采集系统、真空系统、尾气处理系统、气体收集系统、远程控制系统等，可进行多种气体成分及点火形式的采空区爆炸小尺寸实验，并可实现温度、压力、图像等关键数据的采集。

爆炸腔体底面为正方形，顶部为拱形，实现与采空区尺寸最大限度的几何相似，避免了由不满足几何相似造成的实验结果与实际采空区情形无法对应的问题。

本发明可实现瓦斯涌出遇到高温源的引爆过程，观测到流动状态下气体的引爆过程，填补了流动气体爆炸点火过程研究的空白，为高温引爆流动态瓦斯的关键温度等参数测定提供实验手段。

本发明不仅可实现瓦斯气体遇高温源的引爆实验，还可进行多种可燃混合气体爆炸参数的测定实验。

本发明的爆炸腔体设置泄压口，泄压口可封闭处理，同时，爆炸腔体与真空系统连接，因此，可实现真空、常压、超压三种压力下的爆炸实验过程。

本发明提供高温源点火、电火花点火两种点火系统，实现高温源点火与电极点火的对照实验。高温源点火系统的高温热源温度可达800℃，可模拟煤自燃所产生的高温，同时实现流动气体与高温火源引爆过程的实验模拟。

本发明的光学视窗可替换为等尺寸盲板，可以实现高速摄像系统与纹影系统的切换，同时也可避免煤尘爆炸产生的胶结物对光学视窗的破坏作用，此外，可以打开光学视窗放入松散介质及煤尘，以实现松散介质覆盖情景下的自燃诱发瓦斯及煤尘爆炸和气相爆炸诱发煤尘二次爆炸的实验目的。

本发明的爆炸腔体设有大口径阻火泄压阀，大口径阻火泄压阀可实现实验过程的高压泄放，保证实验过程安全性。

本发明的远程控制系统可实现实验员对实验过程的远程控制，根本上提高实验过程安全性。

具体实施例，如图1、图2所示：

采空区自燃诱发瓦斯及煤尘单、多次爆炸模拟实验系统，包括爆炸腔体，用于提供爆炸反应场所；爆炸腔体采用厚度为10mm的不锈钢板制成，内腔底面为正方形，边长为400mm，顶部为拱形结构，半径为400mm，内腔做倒角处理；顶部为弧形的侧面与进气系统相连通；与进气系统相对的侧面上部外接四通阀，爆炸腔体与四通阀连接管路设置电磁阀，四通阀与气体收集装置、尾气处理系统、真空系统相连接；与进气系统相对的侧面设置阻火器、泄压阀；

高温源点火系统，用于模拟采空区煤自燃产生的火源，包括温度控制系统、热电偶、加热装置。加热装置设置于爆炸腔体内部底面几何中心位置，与底面距离60mm，采用高温合金丝制作而成，设计使用最高温度为800℃；热电偶位于在进气口所对的爆炸腔体侧面纵向轴向上，距底面75mm，选择钨铼合金快速响应热电偶；温度控制系统通过控制线路与热电偶、加热装置连接。

电火花点火系统，包括点火电极、控制器，点火电极设置于爆炸腔体内部，安装方向与进气方向平行，点火电极与壁面距离为100mm；

自动配气系统，用于为进气系统配置特定浓度气体，应用分压法配气原理，通过电磁阀控制实现自动配气；

进气系统，包括定容储气罐、电磁阀、阻火器、调速孔板、压力传感器。定容储气罐为不锈钢罐体，内部容积为1.2L，设计压力为4.0MPa，实际使用压力为2.0MPa；

数据采集系统，包括传感器与数据采集装置主机，一支温度传感器用于监测爆炸温度，位于在进气口所对的爆炸腔体侧面的纵轴上，距底面75mm，距右侧面100mm，选择钨铼合金快速响应热电偶，另一支温度传感器用于监测高温源温度，位于高温源表面几何中心，选择钨铼合金快速响应热电偶；压力传感器位于爆炸腔体顶面中心位置，选用陶瓷式压力传感器；传感器与数据采集装置连接；

图像采集系统包括光学视窗、高速摄像机、纹影仪、图像储存装置，设有2个直径为130mm的光学视窗，分别安装在与爆炸腔体进气系统相邻的两个侧面的几何中心，光学视窗位置可拆卸并替换为等尺寸不锈钢盲板；

真空系统包括真空泵和真空管路，真空泵通过真空管路与爆炸腔体连接，真空度为200Pa，抽速为8m³/h，真空管路材质为不锈钢，设置电磁阀；

尾气处理系统包括清洗泵和排气管路，通过排气管路与爆炸腔体连通排气管路材质为不锈钢，管路上设置电磁阀；

气体收集装置包括集气装置、集气管路和排气管路，集气装置通过集气管路、排气管路与爆炸腔体连接，集气管路上设置电磁阀；

远程控制系统包括信号发射和信号接收系统，信号发射系统由远程控制主机、信号发射器组成，信号接收系统由控制主机、信号接收器组成。远程控制系统与点火系统、进气系统、数据采集系统、真空系统、尾气处理系统的控制器连接，可对实验过程的远程实时控制。

在进行高温源诱发可燃气体爆炸试验时，通过远程控制主机操作配气系统打开真空泵以及相对应的电磁阀，通过真空泵分别将爆炸腔体和定容储气罐抽成真空状态，然后由储气罐A和储气罐B向定容储气罐内充装混合气体，然后打开加热装置，使得高温热源加热升温，待高温热源温度达到设定温度时，打开高速气动阀及数据采集、图像采集系统，爆炸腔体内完成可燃气体与高温源的接触引爆过程，数据采集系统完成对爆炸过程中的温度及压力数据采集，图像采集系统完成对爆炸过程中的图像采集，待高温热源温度降低至无爆炸危险性后，打开气体收集系统相对应的电磁阀，完成对爆炸产物的收集，关闭与气体收集相对应的电磁阀，打开与清洗泵相对于的电磁阀，打开清洗泵，完成对实验系统的清洗工作。

在进行高温源诱发可燃气体、煤尘二次爆炸试验时，通过可开启光学视窗将粉尘敷设在爆炸腔体底面，通过远程控制主机操作配气系统打开真空泵以及相对应的电磁阀，通过真空泵分别将爆炸腔体和定容储气罐抽成真空状态，然后由储气罐A和储气罐B向定容储气罐内充装混合气体后，然后打开加热装置，使得高温热源加热升温，待高温热源温度达到设定温度时，打开高速气动阀及数据采集、图像采集系统，爆炸腔体内完成可燃气体与高温源的接触引爆以及气相爆炸对粉尘爆炸的影响过程，数据采集系统完成对爆炸过程中的温度及压力数据采集，图像采集系统完成对爆炸过程中的图像采集，待高温热源温度降低至无爆炸危险性后，打开气体收集系统相对应的电磁阀，完成对爆炸产物的收集，关闭与气体收集相对应的电磁阀，打开与清洗泵相对于的电磁阀，打开清洗泵，完成对实验系统的清洗工作。

本发明采用高温源与可燃气体分离的技术，实现高温源引爆可燃气体实验系统的研发，实现了瓦斯涌出遇到高温源的引爆过程，同时保证了高温源的可控实验温度高达800℃，填补了流动气体高温点火爆炸过程研究的空白，为高温引爆流动态瓦斯的关键温度等参数测定提供实验手段。

采用光学视窗，实现高温源引爆可燃气体过程的影像记录，为爆炸机理研究、引爆关键参数测定提供依据；

设置温度传感器、压力传感器、气体收集装置，可测得高温源引爆可燃气体、粉尘的爆炸温度、压力以及产物成分等参数，为高温源点火研究提供依据。

设置自动配气系统等，可以实现实验所需混合气体的自动配制，提高实验安全性。

设置远程控制系统，可实现实验人员和爆炸设备的分离，提高实验安全性。

具体实施中，爆炸腔体、定容储气罐可采用其他材质、外形可调整为其他形状；高温热源可由其他耐高温的金属或合金等制造；高温热源、电火花点火系统、阻火器、光学视窗、压力传感器以及温度传感器选择其他类型并且改变布置位置后，也可完成实验测得；进气系统的进气形式及流量控制形式可由其他快速进气和调节方式替代。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种采空区煤自燃诱发瓦斯及煤尘单、多次爆炸的实验系统，其特征在于，包括爆炸腔体、数据采集系统、控制系统和远程控制系统；

所述爆炸腔体内部设有高温源点火系统、电火花点火系统，所述爆炸腔体连接有进气系统、真空系统、自动配气系统、尾气处理系统、气体收集系统和图像采集系统；

所述数据采集系统包括传感器和数据采集装置，所述传感器设置在爆炸腔体内部并与数据采集装置连接；

所述控制系统与点火系统、进气系统、数据采集系统、真空系统、尾气处理系统连接；

所述远程控制系统与点火系统、进气系统、数据采集系统、真空系统、尾气处理系统的控制主机连接。

2.根据权利要求1所述的采空区煤自燃诱发瓦斯及煤尘单、多次爆炸的实验系统，其特征在于，所述爆炸腔体内底面为正方形、顶部为拱形结构、内部做倒角处理，顶部为弧形的侧面与进气系统相连通，设置进气系统的侧面设置两条气体管路，一条管路与真空系统连接，另一条管路与尾气处理系统和气体收集系统连接，与进气系统相对的侧面顶面设置阻火器、泄压阀，与进气系统相邻两个侧面的几何中心均设有光学视窗，光学视窗设有活动盲板。

3.根据权利要求1所述的采空区煤自燃诱发瓦斯及煤尘单、多次爆炸的实验系统，其特征在于，所述高温源点火系统包括温度控制系统、热电偶、加热装置，所述加热装置设置于爆炸腔体内部底面几何中心位置，所述加热装置设有高温合金丝加热，所述温度控制系统通过控制线路与所述热电偶和加热装置连接。

4.根据权利要求1所述的采空区煤自燃诱发瓦斯及煤尘单、多次爆炸的实验系统，其特征在于，所述电火花点火系统包括点火电极、控制器，所述点火电极安装方向与进气方向平行。

5.根据权利要求1所述的采空区煤自燃诱发瓦斯及煤尘单、多次爆炸的实验系统，其特征在于，所述进气系统包括定容储气罐、电磁阀、阻火器、调速孔板、压力传感器，所述定容储气罐为不锈钢圆柱形腔体，上下底面为球面，定容储气罐与爆炸腔体之间依次为电磁阀、阻火器、调速孔板。

6.根据权利要求1所述的采空区煤自燃诱发瓦斯及煤尘单、多次爆炸的实验系统，其特征在于，所述数据采集系统的传感器包括温度传感器和压力传感器，温度传感器位于爆炸腔体内部，压力传感器位于弧形顶面的几何中心和定容储气罐内；

所述图像采集系统包括高速摄像机、纹影仪、图像储存装置。

7.根据权利要求1所述的采空区煤自燃诱发瓦斯及煤尘单、多次爆炸的实验系统，其特征在于，所述真空系统包括真空泵和真空管路，真空泵通过真空管路与爆炸腔体连接，真空管路上设置电磁阀。

8.根据权利要求1所述的采空区煤自燃诱发瓦斯及煤尘单、多次爆炸的实验系统，其特征在于，所述尾气处理系统包括清洗泵和排气管路，清洗泵通过排气管路与爆炸腔体连接，排气管路上设置电磁阀。

9.根据权利要求1所述的采空区煤自燃诱发瓦斯及煤尘单、多次爆炸的实验系统，其特征在于，所述气体收集装置包括集气装置、集气管路和排气管路，集气装置通过集气管路、排气管路与爆炸腔体连接，集气管路上设置电磁阀。

10.根据权利要求1所述的采空区煤自燃诱发瓦斯及煤尘单、多次爆炸的实验系统，其特征在于，所述控制系统包括控制主机、控制模块以及控制线路；

所述远程控制系统包括信号发射和信号接收系统，所述信号发射系统包括远程控制主机、信号发射器，所述信号接收系统包括控制主机、信号接收器。