CN109696364A - 一种防爆密闭墙的爆炸测试模拟实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种防爆密闭墙的爆炸测试模拟实验装置，涉及防爆密闭墙模拟技术领域，包括煤矿巷道模拟管道和中央控制器，所述中央控制器电连接计算机，所述煤矿巷道模拟管道内部侧壁为相似材料壁面，所述煤矿巷道模拟管道内部安装有动态应力应变测试仪一、压力传感器一和温度传感器一。本发明解决了防爆密闭墙在动态载荷情况下的力学性能的测试问题。除了力学性能测试，本发明可依据现场巷道的环境增加连接支路管道及防爆密闭墙位置，来模拟现场繁复的巷道爆炸情况，可设计合适的防爆密闭墙构筑位置，同时可对现有防爆密闭墙的安全性能进行评估，从而满足现场需要。
Description
技术领域
本发明涉及防爆密闭墙模拟技术领域，特别涉及一种防爆密闭墙的爆炸测试模拟实验装置。
背景技术
我国煤矿井下生产条件复杂，地质条件多变，随着开采强度和深度的增大，煤矿瓦斯涌出量越来越大，煤层自燃及其引起的瓦斯爆炸事故越来越多。瓦斯爆炸事故是危害煤矿安全生产的重要灾害之一，一旦爆炸发生其破坏程度巨大，同时也会导致巷道内部聚积的煤尘扬起而发生二次爆炸，造成更加的瓦斯爆炸灾害事故。为了防止瓦斯爆炸、煤层自燃或者有害气体的扩散而影响煤矿井下安全生产，常常建立密闭墙将瓦斯聚集，将易自燃区、有害气体区进行隔离。
现有的大多防爆密闭墙在设计构筑工艺时，通常采用静载荷单轴压裂测试或者数值模拟的方法来测试其抗压强度，但是这种方法无法真实体现瓦斯爆炸过程中防爆密闭墙的力学性能及破坏机制，从而在以往发生了很多防爆密闭墙失效的重大瓦斯爆炸事故。为了更加真实的去测定这些性能，最好是以瓦斯爆炸方式对密闭墙施加冲击动载荷作用进行测试，但是现场条件下是不允许做这样的实验测试的，所以，需要一种防爆密闭墙的爆炸测试模拟实验装置。
发明内容
本发明实施例提供了一种防爆密闭墙的爆炸测试模拟实验装置，用以解决现有技术中存在的问题。
一种防爆密闭墙的爆炸测试模拟实验装置，包括煤矿巷道模拟管道和中央控制器，所述中央控制器电连接计算机，所述煤矿巷道模拟管道内部侧壁为相似材料壁面，所述煤矿巷道模拟管道内部安装有动态应力应变测试仪一、压力传感器一和温度传感器一；
所述煤矿巷道模拟管道内部竖直设有相似材料墙体，所述相似材料墙体内部安装有爆破振动测试仪、声发射传感器、动态应力应变测试仪二、压力传感器二和温度传感器二，所述中央控制器与所述动态应力应变测试仪一、所述压力传感器一、所述温度传感器一、所述爆破振动测试仪、所述声发射传感器、所述动态应力应变测试仪二、所述压力传感器二和所述温度传感器二均为电连接；
所述煤矿巷道模拟管道内部设有点火电极，所述点火电极电连接所述煤矿巷道模拟管道外部的点火控制器，所述点火控制器电连接中央控制器；
所述煤矿巷道模拟管道内部通过管道连通真空泵，所述真空泵通过管道和气压控制阀连接气瓶，所述气压控制阀电连接中央控制器。
较佳地，所述煤矿巷道模拟管道为钢制材料，两侧开有玻璃视窗。
较佳地，所述中央控制器为STC89C52单片机。
较佳地，所述动态应力应变测试仪一和所述动态应力应变测试仪二均为KYOWA应力应变测试仪PCD-400A。
较佳地，所述压力传感器一和所述压力传感器二均为GF100F(A)型风流压力传感器。
较佳地，所述温度传感器一和所述温度传感器二均为威卡pt100温度传感器。
较佳地，所述爆破振动测试仪为希玛AR63B振动测振仪。
较佳地，所述声发射传感器德宇泛美SR150A声发射传感器。
较佳地，所述点火控制器为超冠220V双头炉点火控制器。
本发明有益效果：本发明能对瓦斯爆炸过程中的温度压力火焰等重要爆炸特性参数进行采集，通过热电偶温度传感器、压电式动态压力传感器、多通道数据采集器记录并存储实验过程中管道内的温度、压力参数变化，利用两侧玻璃视窗结合高速摄影仪或纹影仪依据光束通过火焰传播区域时发生的折射和偏折以记录火焰传播过程中火焰锋面形状、传播速度变化；并且能够利用动态应力应变测试技术，记录其爆炸过程中对壁面岩石及防爆密闭墙的应力应变情况，结合爆炸测试得到的压力温度及火焰变化情况，分析其受压后的力学性能，解决了防爆密闭墙在动态载荷情况下的力学性能的测试问题。除了力学性能测试，本发明可依据现场巷道的环境增加连接支路管道及防爆密闭墙位置，来模拟现场繁复的巷道爆炸情况，可设计合适的防爆密闭墙构筑位置，同时可对现有防爆密闭墙的安全性能进行评估，从而满足现场需要。
本发明提供一种相对真实情况下的瓦斯爆炸及抑爆实验测试，可在上述更加真实的条件中做煤尘扬尘的二次爆炸实验及抑爆材料的抑爆性能测试。本发明对于壁面岩石及防爆密闭墙在受瓦斯爆炸后进行全方位、多水平的实验仪器的联合测定，加入红外测温仪测试实验前后整个系统的温度变化，动态应力应变测试仪、声发射监测系统、爆破振动仪器、高速摄像机等可以获得现场巷道的壁面岩石力学性质，可以获得防爆密闭墙强度不足时产生裂纹、裂隙和裂缝甚至破损、破坏或者摧毁时的壁面岩石及防爆密闭墙的破裂程度分析，以及墙体破坏机制的研究。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种防爆密闭墙的爆炸测试模拟实验装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种防爆密闭墙的爆炸测试模拟实验装置的实验流程图。
附图标记说明：
1-煤矿巷道模拟管道，2-中央控制器，3-相似材料壁面，4-动态应力应变测试仪一，5-压力传感器一，6-温度传感器一，7-相似材料墙体，8-爆破振动测试仪，9-声发射传感器，10-动态应力应变测试仪二，11-压力传感器二，12-温度传感器二，13-真空泵，14-计算机，15-点火电极，16-点火控制器，17高速摄像机，18-气瓶，19-气压控制阀。
具体实施方式
下面结合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、完整的描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
本发明设置一个相似管道，在管道中加入瓦斯气体后进行爆炸实验来模拟巷道中的瓦斯爆炸实验，其上下表面设置壁面岩石相似材料、在管道中设置相似材料密闭墙试件，在它们表面布置动态应力应变测试感应片，压力及温度传感器来检测瓦斯爆炸后产生冲击波、爆炸波和火焰波作用下的管道壁面及密闭墙试件的应力应变及压力温度变化，并在墙体及壁面布置声发射传感器，监测其是否遭到破坏产生裂隙。在墙体上布置爆破振动测试仪，监测墙体破坏后的破坏现象与能量场。同时使用高速摄像机或高速纹影仪拍摄管道侧面，观察其爆炸过程中火焰传播情况，及墙体破坏情况。
所述相似材料包括：骨料和胶结物两部分，骨料：砂、铁粉、重晶石粉、铝粉、云母粉等，胶结物：水泥、石膏、石灰、碳酸钙(白垩土、可赛银)、高岭土、石蜡、水玻璃等。
本发明旨在提供一种更加真实贴近现场的防爆密闭墙的爆炸测试模拟实验装置，用于检测现场巷道的壁面岩石力学性质和现有工艺筑造的防爆密闭墙的性能，用于防爆密闭墙设计，用于抑爆材料的抑爆效果性能测试，用气固两相的瓦斯煤尘爆炸实验及瓦斯爆炸扬尘二次爆炸实验。
1、整体管道使用钢制管道来满足实验条件的强度要求。上下壁面岩石与墙体可采用相似材料或真实构筑工艺模拟试件，上下壁面卡入管道内部，尽量减少挠度带来的影响，密闭墙试件也是卡入管道，这是基于其构筑方式，避免受力后滑移，上下壁面及墙体呈刚性连接。在爆炸实验过程中，可检测上下壁面及密闭墙体的应力应变及压力温度变化情况。能够更加真实的体现爆炸发生后的巷道内部岩层及煤体的受冲击情况，同也可做为密闭墙设计及抗爆效能测定。
2、可以依据现场实际巷道图，通过加设法兰连接的支路管道，实现多支路、多层次的复杂巷道模拟实验，对煤自燃区域及瓦斯聚积区域的模拟及爆炸测试，可设计合适的防爆密闭墙构筑位置，同时可对现有防爆密闭墙的安全性能进行评估。墙体固定位置的改变会带来长径比的变化，长径比是影响爆炸压力变化的一个重要参数，在爆炸过程中对其爆炸的传播与发展有决定性的作用。
3、进行多道防爆密闭墙部分墙体失效实验，来获得部分墙失效后受损墙体的受压分析及破坏机制、瓦斯的爆炸特性及未失效密闭墙的力学性能。
4、模拟现场煤尘积聚的巷道情况，煤尘的加入很大程度会改变瓦斯爆炸的危险程度，而在管道底部加入适量煤粉实现爆炸扬尘的二次爆炸研究，通过以上实验装置，同时测定其对防爆密闭墙的冲击作用。
5、多组分配气，实现多组分可燃性气体爆炸测定，也加入惰性气体实现惰性气体惰化抑爆实验。
6、对于壁面岩石及防爆密闭墙在受瓦斯爆炸后进行全方位、多水平的实验仪器的联合测定，加入红外测温仪，声发射监测系统，爆破振动仪器，高速摄像机。红外测温仪测试爆炸前后壁面岩石及防爆密闭墙的温度变化；布置声发射监测传感器，实时监测其是否产生裂隙，若产生裂隙其安全性能是不够的。布置爆破振动监测传感器，应对墙体炸裂后产生的破坏现象及能量场的变化情况，在墙体侧面布置高速摄像机观测其破坏过程。高速摄像机可以获得整个火焰传播情况及墙体破损过程。
7、管道侧面连续式视窗；加装多种光学设备，光谱仪，高速摄像机，纹影系统，PIV，PLIF等，光谱仪和PLIF分析其爆炸过程中反应自由基的变化情况，高速摄像机及纹影系统获得瓦斯爆炸过程中火焰传播特性，PIV获得爆炸反应过程中的流场信息。
巷道防爆密闭墙相似管道爆炸及抑爆测试装置，其特征主要包括爆炸管道，配气系统，主控系统，点火系统，模拟上下壁面岩石与密闭墙体，应力应变测试系统，声发射监控系统和爆破振动监测系统：
爆炸管道为仪器主体，管道截面可以根据实验需求，通过调整岩石厚度来实现。整个管道上下底面和骨架均为钢制，左右两侧开玻璃视窗，采用高耐压高透光的玻璃来满足实验要求，管道侧面预留法兰连接口，可以依据需要外接支管道，进行复杂管道的实验测试。钢制骨架顶面均匀布置点火电极接口、温度传感器接口、压力传感器接口、声发射传感器接口、爆破振动监测仪接口、动态应力应变传感器接口、气路接口、泄爆片接口，点火电极、温度传感器、压力传感器、声发射监测仪、爆破振动监测仪、动态应力应变测试仪、气路、泄爆片等通过各自接口与管道相连。管道内上下边缘布置卡槽方便安装壁面岩石和模拟墙体。
上下壁面岩石与防爆密闭墙体，壁面岩石可采用现场壁面岩石或相似材料，防爆密闭墙可依据现场工艺筑造或同强度的相似材料。通过管道内切尺寸的模具或切割正好将上下壁面岩石及防爆密闭墙嵌入管道上下卡槽内，尽量减少挠度带来的影响，避免受力后滑移，上下壁面及墙体呈刚性连接；在上下岩体及墙体上均匀布置动态应力应变传感器、声发射传感器、爆破振动测试仪，最后做密闭处理保证其密闭性。
主控系统包括主控电脑，主控软件及主控集成电路，主控电脑通过主控软件可以控制集成电路完成一系列实验动作，集成电路集成了点火控制器，温度传感器、压力传感器、时间同步控制器、系统外触发接口、数据采集单元。实验时，点火触发、数据采集以及外部测试设备触发(真空泵、高速摄像机/纹影仪、应力应变测试仪、声发射监测仪和爆破振动监测仪)进行同步控制，爆炸/抑爆过程中的温度、压力变化信息进而存储到控制主机。其他测试仪器一并同步至主控系统达到一体化自动控制。
配气系统主要包括：气瓶、耐压封闭气体循环泵、多路配气单元、真空度表，真空泵。耐压封闭气体循环泵与管道相连形成密闭循环连接；每一路配气单元均包括流量控制阀和进气控制阀，流量控制阀控制进入配气管路的气体流量，进气控制阀负责管路的开启与关闭，真空泵用于将密闭管道抽至真空状态，以便进行实验气体配制；配气单元和爆炸管道之间设置有单向封闭主控电磁阀；
点火系统包括能量可调式脉冲发生器与点火电极，脉冲发生器与点火电极设置在管道一侧端头。
应力应变测试系统、声发射监控系统和爆破振动监测系统为单独的实验测试部分，应力应变传感器、声发射传感器及爆破振动测试仪监测的信号，分别传入应力应变测试仪、声发射监测仪和爆破振动监测仪
参照图1，本发明提供了一种防爆密闭墙的爆炸测试模拟实验装置，包括煤矿巷道模拟管道1和中央控制器2，所述中央控制器2为STC89C52单片机，所述煤矿巷道模拟管道1为钢制材料，两侧开有玻璃视窗。所述中央控制器2电连接计算机14，所述煤矿巷道模拟管道1内部侧壁为相似材料壁面3，所述煤矿巷道模拟管道1内部安装有动态应力应变测试仪一4、压力传感器一5和温度传感器一6；
所述煤矿巷道模拟管道1内部竖直设有相似材料墙体7，所述相似材料墙体7内部安装有爆破振动测试仪8、声发射传感器9、动态应力应变测试仪二10、压力传感器二11和温度传感器二12，所述中央控制器2与所述动态应力应变测试仪一4、所述压力传感器一5、所述温度传感器一6、所述爆破振动测试仪8、所述声发射传感器9、所述动态应力应变测试仪二10、所述压力传感器二11和所述温度传感器二12均为电连接；所述动态应力应变测试仪一4和所述动态应力应变测试仪二10均为KYOWA应力应变测试仪PCD-400A。所述压力传感器一5和所述压力传感器二11均为GF100F(A)型风流压力传感器，所述温度传感器一6和所述温度传感器二12均为威卡pt100温度传感器。所述爆破振动测试仪8为希玛AR63B振动测振仪。所述声发射传感器9德宇泛美SR150A声发射传感器。
所述煤矿巷道模拟管道1内部设有点火电极15，所述点火电极15电连接所述煤矿巷道模拟管道1外部的点火控制器16，所述点火控制器16电连接中央控制器2；所述点火控制器16为超冠220V双头炉点火控制器。
所述煤矿巷道模拟管道1内部通过管道连通真空泵13，所述真空泵13通过管道和气压控制阀19连接气瓶18，所述气压控制阀19电连接中央控制器2。
具体实施方式：参照图2，本发明提供的一种防爆密闭墙的爆炸测试模拟实验装置，考虑到最复杂的情况进行实验步骤分析，其他情况依据其实际情况均包含其中，即复杂管道内两相抑爆材料抑制复杂组分瓦斯爆炸导致的扬煤尘二次爆炸的多道部分可失效的防爆密闭墙的破坏机制和力学性能实验。
具体包括如下步骤：
1.依据实验需求，设定管道布置及支路连接，管道之间使用法兰连接。
2.依据管道截面需求，通过调节壁面岩石厚度来设定管道截面比例，根据需要设定多道防爆密闭墙的安装位置。
3.根据计算得到的壁面厚度和管道尺寸，使用模具或直接切割的方法制作壁面岩石及防爆密闭墙体后，将其嵌入安装至管道预设卡槽内.
4.在壁面岩石及防爆密闭墙体表面均匀布置动态应力应变传感器、声发射传感器，在防爆密闭墙下方布置爆破振动测试仪，爆破振动测试仪必须处于水平状态。
5.管道地面铺设定量煤尘及抑爆粉体。
6.密闭处理，不仅要使得管道密闭区域气密性良好，还要确保壁面岩石和防爆密闭墙体及爆破振动测试仪和防爆密闭墙体之间均为刚性连接状态。
7.调试系统各个子单元，确保系统各个单元工作良好。
8.开始实验，用真空泵将管道密闭部分抽至真空状态
9.设定实验气体成分，通过多路配气系统向管道中按照预设定的实验气体组分配比完成混合气体的配制，即加入实验设定比例的瓦斯气体与抑爆气体。开启循环泵3分钟，确保气体混合均匀
10.将高压脉冲点火器调至所需点火能量，开启数据采集单元，在同步控制器中设定点火、数据采集单元、声发射传感器、动态应力应变测试仪、爆破振动监测系统等的开启时序，点火后在实验过程中记录爆炸过程中的爆炸温度、爆炸温度压力、应力应变量实时连续声发射参数通过率和声发射参数分析显示及振动频率等参数。高速摄像机也在点火时同步开启并记录火焰传播情况及防爆密闭墙破坏过程，得到火焰传播特性参数及防爆墙破坏机制。依据实验需要加入的气体光学测试系统也一同步开启，记录对应的结果参数。
11.实验完成后将采集到的数据进行存储和分析，清理爆炸管道，进入下次实验流程。
综上所述，本发明能对瓦斯爆炸过程中的温度压力火焰等重要爆炸特性参数进行采集，通过热电偶温度传感器、压电式动态压力传感器、多通道数据采集器记录并存储实验过程中管道内的温度、压力参数变化，利用两侧玻璃视窗结合高速摄影仪、纹影仪依据光束通过火焰传播区域时发生的折射和偏折以记录火焰传播过程中火焰锋面形状、传播速度变化。且能够利用动态应力应变测试技术，记录其爆炸过程中对壁面岩石及防爆密闭墙的应力应变情况，结合爆炸测试得到的压力温度及火焰变化情况，分析其受压后的力学性能，解决了防爆密闭墙在动态载荷情况下的力学性能的测试问题。除了力学性能测试，本发明可依据现场巷道的环境增加连接支路管道及防爆密闭墙位置，来模拟现场繁复的巷道爆炸情况，可设计合适的防爆密闭墙构筑位置，同时可对现有防爆密闭墙的安全性能进行评估，从而满足现场需要。
本发明提供一种相对真实情况下的瓦斯爆炸及抑爆实验测试，可在上述更加真实的条件中做煤尘扬尘的二次爆炸实验及抑爆材料的抑爆性能测试。本发明对于壁面岩石及防爆密闭墙在受瓦斯爆炸后进行全方位、多水平的实验仪器的联合测定，加入红外测温仪，声发射传感器测试，爆破振动仪器，高速摄像机，可以获得现场巷道的壁面岩石力学性质，可以获得防爆密闭墙强度不足时产生裂纹、裂隙和裂缝甚至破损、破坏或者摧毁时的壁面岩石及防爆密闭墙的破裂程度分析，及墙体破坏机制的研究。本发明提供一种部分可失效防爆密闭墙本质安全型多道防爆密闭墙测试，可以测定在部分密闭墙失效的情况下，对密闭墙破坏程度和破坏机制进行分析，以及对剩余完好密闭墙的力学性能进行分析。
以上公开的仅为本发明的一个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种防爆密闭墙的爆炸测试模拟实验装置，其特征在于，包括煤矿巷道模拟管道(1)和中央控制器(2)，所述中央控制器(2)电连接计算机(14)，所述煤矿巷道模拟管道(1)内部侧壁为相似材料壁面(3)，所述煤矿巷道模拟管道(1)内部安装有动态应力应变测试仪一(4)、压力传感器一(5)和温度传感器一(6)；
所述煤矿巷道模拟管道(1)内部竖直设有相似材料墙体(7)，所述相似材料墙体(7)内部安装有爆破振动测试仪(8)、声发射传感器(9)、动态应力应变测试仪二(10)、压力传感器二(11)和温度传感器二(12)，所述中央控制器(2)与所述动态应力应变测试仪一(4)、所述压力传感器一(5)、所述温度传感器一(6)、所述爆破振动测试仪(8)、所述声发射传感器(9)、所述动态应力应变测试仪二(10)、所述压力传感器二(11)和所述温度传感器二(12)均为电连接；
所述煤矿巷道模拟管道(1)内部设有点火电极(15)，所述点火电极(15)电连接所述煤矿巷道模拟管道(1)外部的点火控制器(16)，所述点火控制器(16)电连接中央控制器(2)；
所述煤矿巷道模拟管道(1)内部通过管道连通真空泵(13)，所述真空泵(13)通过管道和气压控制阀(19)连接气瓶(18)，所述气压控制阀(19)电连接中央控制器(2)。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述煤矿巷道模拟管道(1)为钢制材料，两侧开有玻璃视窗。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述中央控制器(2)为STC89C52单片机。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述动态应力应变测试仪一(4)和所述动态应力应变测试仪二(10)均为KYOWA应力应变测试仪PCD-400A。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述压力传感器一(5)和所述压力传感器二(11)均为GF100F(A)型风流压力传感器。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述温度传感器一(6)和所述温度传感器二(12)均为威卡pt100温度传感器。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述爆破振动测试仪(8)为希玛AR63B振动测振仪。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述声发射传感器(9)德宇泛美SR150A声发射传感器。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述点火控制器(16)为超冠220V双头炉点火控制器。
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