CN108535446A - 管道瓦斯爆炸引起沉积煤尘二次爆炸的实验装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种管道瓦斯爆炸引起沉积煤尘二次爆炸的实验装置与方法，本装置涉及管道，管道分为瓦斯爆炸段、无煤敷设尘段、煤尘敷设段和无煤尘段，瓦斯爆炸段分别与供气装置和清洁装置连通，瓦斯爆炸段设有火焰加速装置和点火装置，瓦斯爆炸段与无煤敷设尘段之间设有隔断件，无煤尘段设有泄压装置，管道上设有测试系统。本方法包括如下步骤：除尘、敷煤、抽真空、冲瓦斯、点火爆炸、再次除尘。本发明在瓦斯爆炸段管道内增设火焰加速环，加快火焰燃烧紊流状态，使爆炸快速转捩为爆轰，形成激波；增加一段无煤尘管道，隔离瓦斯爆炸段与煤尘爆炸段，更易辨识冲击波扬起敷设煤尘被随后到达的火焰点燃并引起二次爆炸的全过程。

Description

管道瓦斯爆炸引起沉积煤尘二次爆炸的实验装置与方法

技术领域

本发明涉及瓦斯爆炸实验，特别是指一种管道瓦斯爆炸引起沉积煤尘二次爆炸的实验装置与方法。

背景技术

近年来，煤矿重、特大瓦斯爆炸事故时有发生，而这些事故中或多或少都有煤尘参与。常见瓦斯爆炸只是初始阶段，随后爆炸波在煤矿巷道内将沉积在底部的煤尘扬起并点燃而引发二次爆炸，爆炸波在传播过程中遇到风门或密闭墙等障碍物产生激波，引起二次爆炸。而煤尘的参与不仅会增大瓦斯爆炸的威力，还会延长爆炸的持续时间，同时产生炙热颗粒物及有毒气体等，造成灾害扩大。与单纯的瓦斯爆炸相比，煤矿井下瓦斯、煤尘复合爆炸产生的爆炸波传播过程更为复杂，研究瓦斯爆炸引起沉积煤尘卷扬的机理及爆炸过程中的热动力特性与传播规律，可为控制瓦斯煤尘爆炸提供理论和技术支持，更对保障煤矿安全生产、减少事故发生具有十分重要的意义。

针对瓦斯诱导煤尘爆炸，国内学者如谭迎新等针对激波诱导下煤尘的爆炸压力进行了试验研究，得出了煤尘粒度及浓度对其爆炸指数的影响规律；胡双启等则利用自制的试验装置，测试不同浓度煤尘在激波点火下的爆炸压力；王新等利用大型试验巷道研究瓦斯爆炸诱导煤尘爆炸；司荣军针对矿井瓦斯煤尘爆炸过程进行了巷道实验和数值模拟研究。

但这些研究利用的实验装置存在如下问题：1.瓦斯爆炸形成的激波不稳定，不能判定瓦斯爆炸初级阶段一定形成激波；2.瓦斯爆炸段与煤尘敷设段相连，不易辨识瓦斯爆炸与煤尘爆炸；3.采用隔爆膜片所测得的爆炸参数误差较大等。

发明内容

本发明提出一种管道瓦斯爆炸引起沉积煤尘二次爆炸的实验装置与方法，解决了现有技术中瓦斯激波不易形成，以及不易辨识瓦斯爆炸诱导煤尘爆炸的变化过程的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种管道瓦斯爆炸引起沉积煤尘二次爆炸的实验装置，包括管道，所述的管道分为瓦斯爆炸段、无煤敷设尘段、煤尘敷设段和无煤尘段，瓦斯爆炸段分别与供气装置和清洁装置连通，瓦斯爆炸段内设有火焰加速装置，瓦斯爆炸段设有点火装置，瓦斯爆炸段与无煤敷设尘段之间设有隔断件，无煤尘段设有泄压装置，管道上设有用于获得实验数据的测试系统。

所述的瓦斯爆炸段的端部分别与供气装置和清洁装置连通，点火装置设在瓦斯爆炸段的端部，无煤尘段的端部与泄压装置连通。

所述的供气装置包括通气管、真空泵、甲烷罐和球阀，通气管与瓦斯爆炸段的端部连通，通气管上设有球阀，通气管分别与真空泵、甲烷罐连通，瓦斯爆炸段设有真空压力表。

所述的清洁装置包括空压机，瓦斯爆炸段的端部与空压机连通。

所述的泄压装置为泄压阀。

所述的点火装置为点火电极针。

所述的隔断件为电磁阀。

所述的火焰加速装置包括固定架和火焰加速器，固定架安装在瓦斯爆炸段内，火焰加速器固定在固定架上，火焰加速器为螺旋状的环板。

所述的测试系统包括若干安装在管道上的压力传感器和火焰传感器，压力传感器与爆炸压力测试系统电连接，火焰传感器与火焰速度测试系统电连接，火焰速度测试系统和压力测试系统均与计算机控制系统电连接。

一种管道瓦斯爆炸引起沉积煤尘二次爆炸的实验方法，包括如下步骤：

a.打开无煤尘段端部的泄压阀，启动瓦斯爆炸段端部的空压机，空压机向管道送风，风依次通过瓦斯爆炸段、无煤敷设尘段、煤尘敷设段和无煤尘段，最终从泄压阀排出，对管道内部残余煤尘进行清洗；

b.打开煤尘敷设段与无煤尘段之间连接用的法兰盘，敷设煤尘敷设段煤尘，煤尘敷设完成后，将煤尘敷设段与无煤尘段安装到位，关闭泄压阀；

c.关闭瓦斯爆炸段与无煤敷设尘段之间的电磁阀，打开通气管上球阀，通气管与瓦斯爆炸段端部连通，启动真空泵，真空泵通过通气管对瓦斯爆炸段进行抽真空，至真空表显示瓦斯爆炸段内部压力小于或等于设定值时，关闭球阀和真空泵；

d.关闭真空表，打开球阀，瓦斯罐内瓦斯通过通气管进入瓦斯爆炸段，关闭球阀；

e.启动计算机控制系统、电磁阀、压力测试系统和火焰测试系统，通过端部的点火电极针对瓦斯爆炸段内瓦斯进行点火，瓦斯爆炸段内设有火焰加速器，火焰在火焰加速器的作用下产生湍流，火焰传播速度急剧增加，形成爆轰波，激波以极高的速度传播并通过无煤敷设尘段进入煤尘敷设段，冲击压力波引起火焰前方空气对流，对流夹带起沉积在巷道底及壁面上的粉尘层并分散之，在火焰传播的通路上形成粉尘云，压力波速度很快，会在后方诱导形成一个移动的气流场，气流场也会对沉积煤尘产生卷扬作用，形成粉尘云，后继的火焰点燃这部分粉尘，其释放的能量加强了前面的压力波，这种持续的相互作用使得火焰加速并增强，爆炸波加速也会受到黏性耗散和热损失的影响，直至爆炸过程中能量的增加与黏性耗散和热损失达到平衡，粉尘发生从爆燃到爆轰的转变，形成稳态波，二次爆炸形成，爆炸过程中，管道上的压力传感器将检测的压力信号传递给压力测试系统，管道上的火焰传感器将检测的火焰信号传递给火焰测试系统，计算机控制系统将火焰测试系统和压力测试系统的信号进行整理记录；

f.打开泄压阀，启动空压机，空压机向管道送风，对管道内部残余煤尘进行清洗，关闭空压机。

本发明的优点：本试验装置在瓦斯爆炸段管道内增加火焰加速环，改变火焰燃烧紊流状态，使爆炸快速转捩为爆轰形成激波；用自动阀代替隔爆膜片易操作，减少误差；在自动阀与煤尘敷设段增加一段无煤尘管道，隔离瓦斯爆炸段与煤尘爆炸段，更易辨识冲击波扬起煤尘被随后到达的火焰点燃的全过程；此外，本试验装置能准确测定不同可燃气体引爆可燃粉尘的殉爆距。

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为本发明结构示意图。

图中：1-真空泵，2-甲烷罐，3-空压机，4-球阀，5-固定架，6-点火电极针，7-压力传感器，8-火焰传感器，9-火焰加速器，10-电磁阀，11-真空压力表，12-泄压阀，13-火焰速度测试系统，14-爆炸压力测试系统，15-计算机控制系统，16-法拉盘，I-瓦斯爆炸段，II-无煤敷设尘段，III-煤尘敷设段，IV-无煤尘段。

具体实施方式

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付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。

如图1所示，一种管道瓦斯爆炸引起沉积煤尘二次爆炸的实验装置，包括管道，所述的管道分为瓦斯爆炸段I、无煤敷设尘段II、煤尘敷设段III和无煤尘段IV，瓦斯爆炸段I分别与供气装置和清洁装置连通，瓦斯爆炸段I设有火焰加速装置，瓦斯爆炸段I设有点火装置，瓦斯爆炸段I与无煤敷设尘段II之间设有隔断件，无煤尘段IV设有泄压装置，管道上设有用于获得实验数据的测试系统。

所述的瓦斯爆炸段I的端部分别与供气装置和清洁装置连通，点火装置设在瓦斯爆炸段I的端部，无煤尘段IV的端部与泄压装置连通。

所述的供气装置包括通气管、真空泵1、甲烷罐2和球阀4，通气管与瓦斯爆炸段I的端部连通，通气管上设有球阀4，通气管分别与真空泵1、甲烷罐2连通，瓦斯爆炸段I设有真空压力表11。

所述的清洁装置包括空压机3，瓦斯爆炸段I的端部与空压机3连通。

所述的泄压装置为泄压阀12。

所述的点火装置为点火电极针6。

所述的隔断件为电磁阀10。

所述的火焰加速装置包括固定架5和火焰加速器9，固定架5安装在瓦斯爆炸段I内，火焰加速器9固定在固定架5上，火焰加速器9为螺旋状的环板。

所述的测试系统包括若干安装在管道上的压力传感器7和火焰传感器8，压力传感器7与爆炸压力测试系统14电连接，火焰传感器8与火焰速度测试系统13电连接，火焰速度测试系统13和压力测试系统14均与计算机控制系统15电连接。

一种管道瓦斯爆炸引起沉积煤尘二次爆炸的实验方法，包括如下步骤：

a.打开无煤尘段IV端部的泄压阀12，启动瓦斯爆炸段I端部的空压机3，空压机3向管道送风，风依次通过瓦斯爆炸段I、无煤敷设尘段II、煤尘敷设段III和无煤尘段IV，最终从泄压阀12排出，对管道内部残余煤尘进行清洗；

b.打开煤尘敷设段Ⅲ与无煤尘段IV之间连接用的法兰盘16，敷设煤尘敷设段Ⅲ煤尘，煤尘敷设完成后，将煤尘敷设段Ⅲ与无煤尘段IV安装到位，关闭泄压阀12；

c.关闭瓦斯爆炸段I与无煤敷设尘段II之间的电磁阀10，打开通气管上球阀4，通气管与瓦斯爆炸段I端部连通，启动真空泵1，真空泵1通过通气管对瓦斯爆炸段I进行抽真空，至真空表11显示瓦斯爆炸段I内部压力小于或等于设定值时，关闭球阀4和真空泵1；

d.关闭真空表11，打开球阀4，瓦斯罐2内瓦斯通过通气管进入瓦斯爆炸段I，关闭球阀4；

e.启动计算机控制系统15、电磁阀10、压力测试系统14和火焰测试系统13，通过端部的点火电极针6对瓦斯爆炸段I内瓦斯进行点火，瓦斯爆炸段I内设有火焰加速器9，火焰在火焰加速器9的作用下产生湍流，火焰传播速度急剧增加，形成爆轰波，激波以极高的速度传播并通过无煤敷设尘段II进入煤尘敷设段III，冲击压力波引起火焰前方空气对流，对流夹带起沉积在巷道底及壁面上的粉尘层并分散之，在火焰传播的通路上形成粉尘云，压力波速度很快，会在后方诱导形成一个移动的气流场，气流场也会对沉积煤尘产生卷扬作用，形成粉尘云，后继的火焰点燃这部分粉尘，其释放的能量加强了前面的压力波，这种持续的相互作用使得火焰加速并增强，爆炸波加速也会受到黏性耗散和热损失的影响，直至爆炸过程中能量的增加与黏性耗散和热损失达到平衡，粉尘发生从爆燃到爆轰的转变，形成稳态波，二次爆炸形成，爆炸过程中，管道上的压力传感器7将检测的压力信号传递给压力测试系统14，管道上的火焰传感器8将检测的火焰信号传递给火焰测试系统13，计算机控制系统15将火焰测试系统13和压力测试系统14的信号进行整理记录；

f.打开泄压阀12，启动空压机3，空压机3向管道送风，对管道内部残余煤尘进行清洗，关闭空压机3。

本发明的实验装置：管道内径350mm，总长19m，管道材料为20号钢的无缝钢管，管壁厚15mm，设计承受的工作压力大于20MPa，真空度小于0.01MPa。水平管道瓦斯爆炸段I长度3m，无煤敷设尘段II长度1m，煤尘敷设段Ⅲ长度6m，无煤尘段IV长度9m。火焰金属螺旋加速环内径300mm，障碍物阻塞比为0.6。实验时采用电磁自动阀以分隔I段和II段。管道之间通过法兰盘连接，管壁上设有传感器安装孔、进气孔、出气孔，并配有高精度压力表和安全阀等附件。压力和火焰传感器均匀安装在各段管道上。

实验通过改变瓦斯浓度、煤尘粒径和煤尘浓度，研究瓦斯爆炸激波诱导沉积煤尘爆炸的爆炸压力和压力上升速率的变化规律。煤尘浓度：100g/m3、200 g/m3、300 g/m3，粒径为55 µm，瓦斯浓度9.5%。

本发明的实验原理：瓦斯气体爆炸在管道第一段湍流对瓦斯爆炸过程中火焰传播有重要影响，当管道内存在螺旋加速环（障碍物）时，会产生湍流，使火焰传播速度急剧增加，形成爆轰波。激波以极高的速度传播并通过无煤尘区进入煤尘敷设区第三段。冲击压力波引起火焰前方空气对流，对流夹带起沉积在巷道底及壁面上的粉尘层并分散之，在火焰传播的通路上形成粉尘云；压力波速度很快，会在后方诱导形成一个移动的气流场，此气流场也会对沉积煤尘产生卷扬作用，形成粉尘云。后继的火焰点燃这部分粉尘，其释放的能量加强了前面的压力波，这种持续的相互作用使得火焰加速并增强。这种爆炸波加速也会受到黏性耗散和热损失的影响，如果爆炸过程中能量的增加与黏性耗散和热损失达到平衡，粉尘可以发生从爆燃到爆轰的转变，而且可以形成稳态波，二次爆炸形成。

本发明的操作过程：

（1）打开泄压阀12，启动空压机3，清洗瓦斯爆炸段I、无煤敷设尘段II、煤尘敷设段Ⅲ、无煤尘段IV管道内残余煤尘，关闭空压机3；

（2）打开煤尘敷设段Ⅲ与无煤尘段IV连接用的法兰盘16，敷设管道煤尘敷设段Ⅲ煤尘并安装到位，关闭泄压阀12；

（3）关闭电磁阀10，打开球阀4，启动真空泵1，真空表11显示真空度小于或等于0.08MPa，关闭球阀4；

（4）关闭真空表11，打开球阀4，甲烷罐2内瓦斯进入管道瓦斯爆炸段I，关闭球阀4；

（5）启动计算机控制系统15、电磁阀10、压力测试系统14和火焰测试系统13，通过点火电极针6点火，动态数据分析仪记录下爆炸压力随时间变化曲线和火焰随时间变化曲线；

（6）打开泄压阀12，启动空压机3，清洗瓦斯爆炸段I、无煤敷设尘段II、煤尘敷设段Ⅲ、无煤尘段IV管道内残余煤尘，关闭空压机3。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种管道瓦斯爆炸引起沉积煤尘二次爆炸的实验装置，包括管道，其特征在于：所述的管道分为瓦斯爆炸段（I）、无煤敷设尘段（II）、煤尘敷设段（III）和无煤尘段（IV），瓦斯爆炸段（I）分别与供气装置和清洁装置连通，瓦斯爆炸段（I）内设有火焰加速装置，瓦斯爆炸段（I）设有点火装置，瓦斯爆炸段（I）与无煤敷设尘段（II）之间设有隔断件，无煤尘段（IV）设有泄压装置，管道上设有用于获得实验数据的测试系统。

2.根据权利要求1所述的管道瓦斯爆炸引起沉积煤尘二次爆炸的实验装置，其特征在于：所述的瓦斯爆炸段（I）的端部分别与供气装置和清洁装置连通，点火装置设在瓦斯爆炸段（I）的端部，无煤尘段（IV）的端部与泄压装置连通。

3.根据权利要求1或2所述的管道瓦斯爆炸引起沉积煤尘二次爆炸的实验装置，其特征在于：所述的供气装置包括通气管、真空泵（1）、甲烷罐（2）和球阀（4），通气管与瓦斯爆炸段（I）的端部连通，通气管上设有球阀（4），通气管分别与真空泵（1）、甲烷罐（2）连通，瓦斯爆炸段（I）设有真空压力表（11）。

4.根据权利要求1或2所述的管道瓦斯爆炸引起沉积煤尘二次爆炸的实验装置，其特征在于：所述的清洁装置包括空压机（3），瓦斯爆炸段（I）的端部与空压机（3）连通。

5.根据权利要求1或2所述的管道瓦斯爆炸引起沉积煤尘二次爆炸的实验装置，其特征在于：所述的泄压装置为泄压阀（12）。

6.根据权利要求1或2所述的管道瓦斯爆炸引起沉积煤尘二次爆炸的实验装置，其特征在于：所述的点火装置为点火电极针（6）。

7.根据权利要求1或2所述的管道瓦斯爆炸引起沉积煤尘二次爆炸的实验装置，其特征在于：所述的隔断件为电磁阀（10）。

8.根据权利要求1或2所述的管道瓦斯爆炸引起沉积煤尘二次爆炸的实验装置，其特征在于：所述的火焰加速装置包括固定架（5）和火焰加速器（9），固定架（5）安装在瓦斯爆炸段（I）内，火焰加速器（9）固定在固定架（5）上，火焰加速器（9）为螺旋状的环板。

9.根据权利要求1或2所述的管道瓦斯爆炸引起沉积煤尘二次爆炸的实验装置，其特征在于：所述的测试系统包括若干安装在管道上的压力传感器（7）和火焰传感器（8），压力传感器（7）与爆炸压力测试系统（14）电连接，火焰传感器（8）与火焰速度测试系统（13）电连接，火焰速度测试系统（13）和压力测试系统（14）均与计算机控制系统（15）电连接。

10.一种管道瓦斯爆炸引起沉积煤尘二次爆炸的实验方法，其特征在于包括如下步骤：

a.打开无煤尘段（IV）端部的泄压阀（12），启动瓦斯爆炸段（I）端部的空压机（3），空压机（3）向管道送风，风依次通过瓦斯爆炸段（I）、无煤敷设尘段（II）、煤尘敷设段（III）和无煤尘段（IV），最终从泄压阀（12）排出，对管道内部残余煤尘进行清洗；

b.打开煤尘敷设段（Ⅲ）与无煤尘段（IV）之间连接用的法兰盘（16），敷设煤尘敷设段（Ⅲ）煤尘，煤尘敷设完成后，将煤尘敷设段（Ⅲ）与无煤尘段（IV）安装到位，关闭泄压阀（12）；

c.关闭瓦斯爆炸段（I）与无煤敷设尘段（II）之间的电磁阀（10），打开通气管上球阀（4），通气管与瓦斯爆炸段（I）端部连通，启动真空泵（1），真空泵（1）通过通气管对瓦斯爆炸段（I）进行抽真空，至真空表（11）显示瓦斯爆炸段（I）内部压力小于或等于设定值时，关闭球阀（4）和真空泵（1）；

d.关闭真空表（11），打开球阀（4），瓦斯罐（2）内瓦斯通过通气管进入瓦斯爆炸段（I），关闭球阀（4）；

e.启动计算机控制系统（15）、电磁阀（10）、压力测试系统（14）和火焰测试系统（13），通过端部的点火电极针（6）对瓦斯爆炸段（I）内瓦斯进行点火，瓦斯爆炸段（I）内设有火焰加速器（9），火焰在火焰加速器（9）的作用下产生湍流，火焰传播速度急剧增加，形成爆轰波，激波以极高的速度传播并通过无煤敷设尘段（II）进入煤尘敷设段（III），冲击压力波引起火焰前方空气对流，对流夹带起沉积在巷道底及壁面上的粉尘层并分散之，在火焰传播的通路上形成粉尘云，压力波速度很快，会在后方诱导形成一个移动的气流场，气流场也会对沉积煤尘产生卷扬作用，形成粉尘云，后继的火焰点燃这部分粉尘，其释放的能量加强了前面的压力波，这种持续的相互作用使得火焰加速并增强，爆炸波加速也会受到黏性耗散和热损失的影响，直至爆炸过程中能量的增加与黏性耗散和热损失达到平衡，粉尘发生从爆燃到爆轰的转变，形成稳态波，二次爆炸形成，爆炸过程中，管道上的压力传感器（7）将检测的压力信号传递给压力测试系统（14），管道上的火焰传感器（8）将检测的火焰信号传递给火焰测试系统（13），计算机控制系统15将火焰测试系统（13）和压力测试系统（14）的信号进行整理记录；

f.打开泄压阀（12），启动空压机（3），空压机（3）向管道送风，对管道内部残余煤尘进行清洗，关闭空压机（3）。