CN110261582B - 岩石摩擦引爆瓦斯气体的试验方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及本发明的岩石摩擦引爆瓦斯气体的试验装置及方法，将岩石样品制备为旋转试件与往复运动试件。将制备好的旋转试件固定到主轴箱系统中的三爪卡盘上；将往复运动试件固定在往复运动部件的试件夹具上；将薄膜卷筒上的薄膜覆盖爆炸槽并压紧；将加气阀门与瓦斯气瓶连接，使瓦斯气体进入爆炸槽内，开启搅拌风扇；待瓦斯气体浓度达到阈值后，关闭瓦斯气瓶与加气阀门；开启旋转驱动电机、往复运动驱动电机、联动滑移装置，使旋转试件与往复运动试件摩擦；开启红外测温仪测温。本发明操作简单，可对岩石试件的旋转速度、岩石试件摩擦接触面压力等参数进行高精度调节，可真实的模拟、再现采空区岩石冒落引爆瓦斯事故的全过程。

Description

岩石摩擦引爆瓦斯气体的试验方法及装置

技术领域

本发明属于煤矿安全技术领域，涉及一种岩石摩擦引爆瓦斯气体的试验方法及装置。

背景技术

煤矿瓦斯(主要成分为甲烷)是矿井安全生产的主要威胁之一，煤矿井下一定浓度的瓦斯、高温火源的存在和充足的氧气是瓦斯爆炸事故发生的先决条件。同时，随着当前煤炭工业机械化程度的不断提升，已有越来越多的高瓦斯矿井采用综采放顶煤工艺实施煤炭的开采。该类矿井的煤层厚度较大，在煤炭开采的过程中，其顶板岩石冒落、摩擦生热或产生的火花在一定的环境条件下极易导致采空区瓦斯爆炸事故的发生。此外，急倾斜开采的煤层，由于倾角较大，煤层顶板冒落的岩石极可能在滚动的过程中，因与底板岩石产生旋转摩擦，进而产生发热，旋转滚落的过程使得冒落岩石孕育了较大的动能，在撞击至下顺槽方向的岩石后，其产生的火花亦极易导致瓦斯气体的爆炸。因此，开展相关的研究，对岩石冒落、摩擦生热或产生火花引爆瓦斯气体的可能性进行相关的实验分析，是当前煤矿安全领域亟需解决的关键科学问题之一。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种岩石摩擦引爆瓦斯气体的试验方法及装置，解决岩石摩擦引爆瓦斯气体可行性分析的难题，并真实地模拟、再现工作面采空区顶板岩石冒落、摩擦生热或产生的火花引爆瓦斯气体的全过程。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一方面，本发明提供一种岩石摩擦引爆瓦斯气体的试验装置，包括减震机架，所述减震机架上设有爆炸槽，所述爆炸槽包括侧壁、顶盖、开口和门盖，以形成中空腔体，所述爆炸槽内的减震机架上设有主轴箱系统和往复运动部件，所述主轴箱系统包括设置在减震机架上的第一滑轨、旋转驱动电机、主轴、轴承和三爪卡盘，所述主轴滑动设置在第一滑轨上，所述轴承滑动设置在主轴上，所述驱动电机与轴承连接，所述三爪卡盘设置在轴承上，用于固定旋转试件；所述往复运动部件包括与第一滑轨垂直设置的第二滑轨，以及设置在第二滑轨上的滑块，所述第二滑轨垂直于主轴设置，所述滑块的一端设有偏心凸轮和连杆，还包括与偏心凸轮连接的往复运动驱动电机，用于驱动滑块在第二滑轨上做往复运动，所述滑块上设有直角件，所述直角件上相对于主轴的一面设有试件夹具；还包括加压装置，用于推动主轴在第一滑轨上滑动，以使旋转试件与往复运动试件接触，所述爆炸槽内的顶部设有搅拌风扇，所述爆炸槽侧壁上设有加气阀门，所述加气阀门连接有瓦斯气瓶，所述爆炸槽顶盖上设有用于放置薄膜的薄膜卷筒，所述薄膜用于覆盖爆炸槽开口。

进一步，所述加压装置包括气缸，所述气缸的一端与爆炸槽侧壁固定连接，另一端与主轴连接，所述气缸与主轴连接处设有压力传感器，还包括用于调节气缸活塞杆对旋转试件施加压力的减压阀。

进一步，还包括设置在旋转驱动电机与轴承之间的联动滑移装置，用于在所述加压装置推动主轴滑动时，能够一直保持所述旋转驱动电机施加给轴承的动力，所述联动滑移装置包括第一传动件和花键套，所述第一传动件与花键套连接，还与旋转驱动电机主轴连接，所述花键套平行于主轴箱系统的主轴设置，所述花键套上滑动设置有第二传动件，所述第二传动件一端与主轴箱系统的轴承连接。

进一步，还包括设置在爆炸槽侧壁上的门盖压紧把手，用于将薄膜覆盖爆炸槽开口后，关闭门盖并压紧薄膜，从而封闭爆炸槽。

进一步，还包括设置在爆炸槽上的红外测温仪，用于实时检测旋转试件与往复运动试件接触面的温度，还包括瓦斯浓度传感器，用于实时检测爆炸槽内的瓦斯浓度。

进一步，还包括设置在爆炸槽内的火花塞，用于引爆爆炸槽内的瓦斯气体。

进一步，所述加气阀门为球形阀，包括通过管路与瓦斯气瓶连接的气嘴，所述瓦斯气瓶上设有加压阀门，用于控制气瓶出口的瓦斯气体压力。

进一步，还包括控制模块，所述控制模块与旋转驱动电机、往复运动驱动电机、搅拌风扇、红外测温仪、瓦斯浓度传感器、压力传感器、火花塞连接，用于控制各装置，及接收显示传感器返回的数据。

另一方面，本发明提供一种岩石摩擦引爆瓦斯气体的试验装方法，包括以下步骤：

S1：将岩石制备成所需的形状，按照岩石试样运动的类型可分为旋转试件与往复运动试件；其中旋转试件为直径50mm，高度为100mm的圆柱体，往复运动试件为长度400mm，宽度100mm，厚度80mm的长方体；

S2：将制备好的旋转试件固定到主轴箱系统中的三爪卡盘上；将往复运动试件固定在往复运动部件的试件夹具上；

S3：将薄膜卷筒上的薄膜覆盖爆炸槽，关闭门盖，并利用门盖压紧把手将薄膜与爆炸槽的四边压紧，防止爆炸槽内的气体流出；而后将加气阀门上的气嘴与瓦斯气瓶连接，并打开瓦斯气瓶，使瓦斯气体进入爆炸槽内；并同时开启搅拌风扇使爆炸槽内的瓦斯气体与空气混合均匀；

S4：待爆炸槽内的瓦斯气体浓度达到试验要求的阈值后，关闭瓦斯气瓶与加气阀门；而后，开启旋转驱动电机、往复运动驱动电机，使旋转试件与往复运动试件分别作旋转与往复运动；

S5：开启加压装置，使旋转试件向往复运动试件方向移动，直至旋转试件端面与往复运动试件端面接触，摩擦；

S6：待旋转试件与往复运动试件接触，摩擦后，随即开启红外测温仪，对试件接触面的温度进行测定；旋转试件与往复运动试件相互摩擦、产生火花，并使得接触面温度上升后，若此时爆炸槽内的瓦斯气体不发生爆炸，则说明岩石试件摩擦不会引爆瓦斯；反之则说明岩石试件摩擦会引爆瓦斯。

进一步，步骤S1具体包括以下步骤：

S11：应用专用取芯装置在煤矿井下钻取待测岩层的岩芯，而后将岩芯送至实验室进行打磨，使得圆柱体型的旋转试件的尺寸为直径50mm，高度为100mm；

S12：在煤矿井下将一定块度的岩石运至实验室后，采用水力切割或岩石切片机对岩样进行加工，长方体型的往复运动试件尺寸为长度400mm，宽度100mm，厚度80mm。

进一步，步骤S6中，若未发生爆炸，则主动控制爆炸槽内的火花塞引爆瓦斯气体，结束实验。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明特有的岩石摩擦引爆瓦斯气体的试验装置及方法，通过电气控制系统、PLC模块对旋转驱动电机的转速进行控制，通过气缸驱动联动滑移装置对旋转试件与往复运动试件接触面的压力进行控制，实现岩石旋转试件转速与接触面压力的任意调节，可真实模拟、再现采空区顶板岩石冒落、移动过程的物理运动特性；

(2)本发明提供的岩石摩擦引爆瓦斯气体的试验装置及方法，通过往复运动部件使得岩样做往复式的运动，很好的反映了采空区冒落岩石滚动、接触底板岩石后的摩擦特性，并且爆炸槽内设置的红外测温仪还可实时的监测岩石接触摩擦面的温度，这为厘清岩石摩擦引爆瓦斯气体机理的研究提供了有利的技术支撑；

(3)本发明提供的岩石摩擦引爆瓦斯气体的试验装置及方法，还可通过改变爆炸槽内的可燃性气体的组分与更换往复运动试件，模拟岩石在其他爆炸性气体环境下与某些材料因撞击-摩擦产生的温升或火花导致爆炸事故的物理化学全过程(例如：冒落岩石与采空区遗落金属材料因撞击)。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明所述岩石摩擦引爆瓦斯气体的试验装置结构示意图；

图2为本发明所述岩石摩擦引爆瓦斯气体的试验装置正视图；

图3为本发明所述岩石摩擦引爆瓦斯气体的试验装置俯视透视图；

图4为本发明所述往复运动部件结构示意图；

图5为本发明所述主轴箱系统结构示意图；

图6为本发明所述联动滑移装置结构示意图；

图7为本发明联动滑移装置与主轴箱系统连接装配示意图。

附图标记：减震机架1、爆炸槽2、主轴箱系统3、旋转驱动电机4、往复运动部件5、往复运动驱动电机6、联动滑移装置7、加压装置8、搅拌风扇9、薄膜卷筒10、加气阀门11、滑轨12、门盖压紧把手13、红外测温仪14、第一滑轨31、轴承32、主轴33、三爪卡盘34、第二滑轨51、偏心凸轮52、连杆53、试件夹具54、第一连接件71、第二连接件72、花键套73。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

一方面，如图1-7所示，本发明提供一种岩石摩擦引爆瓦斯气体的试验装置，包括减震机架1，所述减震机架1上设有爆炸槽2，所述爆炸槽2包括侧壁、顶盖、开口和门盖，以形成中空腔体，所述爆炸槽2内的减震机架1上设有主轴箱系统3和往复运动部件5，所述主轴箱系统3包括设置在减震机架1上的第一滑轨31、旋转驱动电机4、主轴33、轴承32和三爪卡盘34，所述主轴33滑动设置在第一滑轨31上，所述轴承32滑动设置在主轴33上，所述驱动电机与轴承32连接，所述三爪卡盘34设置在轴承32上，用于固定旋转试件；所述往复运动部件5包括与第一滑轨31垂直设置的第二滑轨51，以及设置在第二滑轨51上的滑块，所述第二滑轨51垂直于主轴33设置，所述滑块的一端设有偏心凸轮52和连杆53，还包括与偏心凸轮52连接的往复运动驱动电机6，用于驱动滑块在第二滑轨51上做往复运动，所述滑块上设有直角件，所述直角件上相对于主轴33的一面设有试件夹具54；还包括加压装置8，用于推动主轴33在第一滑轨31上滑动，以使旋转试件与往复运动试件接触，所述爆炸槽2内的顶部设有搅拌风扇9，所述爆炸槽2侧壁上设有加气阀门11，所述加气阀门11连接有瓦斯气瓶，所述爆炸槽2顶盖上设有用于放置薄膜的薄膜卷筒10，所述薄膜用于覆盖爆炸槽2开口。

可选地，所述加压装置8包括气缸，所述气缸的一端与爆炸槽2侧壁固定连接，另一端与主轴33连接，所述气缸与主轴33连接处设有压力传感器，还包括用于调节气缸活塞杆对旋转试件施加压力的减压阀。

可选地，还包括设置在旋转驱动电机4与轴承32之间的联动滑移装置7，用于在所述加压装置8推动主轴33滑动时，能够一直保持所述旋转驱动电机4施加给轴承32的动力，所述联动滑移装置7包括第一传动件和花键套73，所述第一传动件与花键套73连接，还与旋转驱动电机4主轴33连接，所述花键套73平行于主轴箱系统3的主轴33设置，所述花键套73上滑动设置有第二传动件，所述第二传动件一端与主轴箱系统3的轴承32连接。

可选地，还包括设置在爆炸槽2侧壁上的门盖压紧把手13，用于将薄膜覆盖爆炸槽2开口后，关闭门盖并压紧薄膜，从而封闭爆炸槽2。

可选地，还包括设置在爆炸槽2上的红外测温仪14，用于实时检测旋转试件与往复运动试件接触面的温度，还包括瓦斯浓度传感器，用于实时检测爆炸槽2内的瓦斯浓度。

可选地，还包括设置在爆炸槽2内的火花塞，用于引爆爆炸槽2内的瓦斯气体。

可选地，所述加气阀门11为球形阀，包括通过管路与瓦斯气瓶连接的气嘴，所述瓦斯气瓶上设有加压阀门，用于控制气瓶出口的瓦斯气体压力。

可选地，还包括控制模块，所述控制模块与旋转驱动电机4、往复运动驱动电机6、搅拌风扇9、红外测温仪14、瓦斯浓度传感器、压力传感器、火花塞连接，用于控制各装置，及接收显示传感器返回的数据。

另一方面，本发明提供一种岩石摩擦引爆瓦斯气体的试验装方法，包括以下步骤：

S1：将岩石制备成所需的形状，按照岩石试样运动的类型可分为旋转试件与往复运动试件；其中旋转试件为直径50mm，高度为100mm的圆柱体，往复运动试件为长度400mm，宽度100mm，厚度80mm的长方体；

S2：将制备好的旋转试件固定到主轴箱系统3中的三爪卡盘34上；将往复运动试件固定在往复运动部件5的试件夹具54上；

S3：将薄膜卷筒10上的薄膜覆盖爆炸槽2，关闭门盖，并利用门盖压紧把手13将薄膜与爆炸槽2的四边压紧，防止爆炸槽2内的气体流出；而后将加气阀门11上的气嘴与瓦斯气瓶连接，并打开瓦斯气瓶，使瓦斯气体进入爆炸槽2内；并同时开启搅拌风扇9使爆炸槽2内的瓦斯气体与空气混合均匀；

S4：待爆炸槽2内的瓦斯气体浓度达到试验要求的阈值后，关闭瓦斯气瓶与加气阀门11；而后，开启旋转驱动电机4、往复运动驱动电机6，使旋转试件与往复运动试件分别作旋转与往复运动；

S5：开启加压装置8，使旋转试件向往复运动试件方向移动，直至旋转试件端面与往复运动试件端面接触，摩擦；

S6：待旋转试件与往复运动试件接触，摩擦后，随即开启红外测温仪14，对试件接触面的温度进行测定；旋转试件与往复运动试件相互摩擦、产生火花，并使得接触面温度上升后，若此时爆炸槽2内的瓦斯气体不发生爆炸，则说明岩石试件摩擦不会引爆瓦斯；反之则说明岩石试件摩擦会引爆瓦斯。

可选地，步骤S1具体包括以下步骤：

S11：应用专用取芯装置在煤矿井下钻取待测岩层的岩芯，而后将岩芯送至实验室进行打磨，使得圆柱体型的旋转试件的尺寸为直径50mm，高度为100mm；

S12：在煤矿井下将一定块度的岩石运至实验室后，采用水力切割或岩石切片机对岩样进行加工，长方体型的往复运动试件尺寸为长度400mm，宽度100mm，厚度80mm。

可选地，步骤S6中，若未发生爆炸，则主动控制爆炸槽2内的火花塞引爆瓦斯气体，结束实验。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种岩石摩擦引爆瓦斯气体的试验装置，其特征在于：包括减震机架，所述减震机架上设有爆炸槽，所述爆炸槽包括侧壁、顶盖、开口和门盖，以形成中空腔体，所述爆炸槽内的减震机架上设有主轴箱系统和往复运动部件，所述主轴箱系统包括设置在减震机架上的第一滑轨、旋转驱动电机、主轴、轴承和三爪卡盘，所述主轴滑动设置在第一滑轨上，所述轴承滑动设置在主轴上，所述旋转驱动电机与轴承连接，所述三爪卡盘设置在轴承上，用于固定旋转试件；所述往复运动部件包括与第一滑轨垂直设置的第二滑轨，以及设置在第二滑轨上的滑块，所述第二滑轨垂直于主轴设置，所述滑块的一端设有偏心凸轮和连杆，还包括与偏心凸轮连接的往复运动驱动电机，用于驱动滑块在第二滑轨上做往复运动，所述滑块上设有直角件，所述直角件上相对于主轴的一面设有试件夹具；还包括加压装置，用于推动主轴在第一滑轨上滑动，以使旋转试件与往复运动试件接触，所述爆炸槽内的顶部设有搅拌风扇，所述爆炸槽侧壁上设有加气阀门，所述加气阀门连接有瓦斯气瓶，所述爆炸槽顶盖上设有用于放置薄膜的薄膜卷筒，所述薄膜用于覆盖爆炸槽开口；

还包括设置在旋转驱动电机与轴承之间的联动滑移装置，用于在所述加压装置推动主轴滑动时，能够一直保持所述旋转驱动电机施加给轴承的动力，所述联动滑移装置包括第一传动件和花键套，所述第一传动件与花键套连接，还与旋转驱动电机主轴连接，所述花键套平行于主轴箱系统的主轴设置，所述花键套上滑动设置有第二传动件，所述第二传动件一端与主轴箱系统的轴承连接。

2.根据权利要求1所述的岩石摩擦引爆瓦斯气体的试验装置，其特征在于：所述加压装置包括气缸，所述气缸的一端与爆炸槽侧壁固定连接，另一端与主轴连接，所述气缸与主轴连接处设有压力传感器，还包括用于调节气缸活塞杆对旋转试件施加压力的减压阀。

3.根据权利要求1所述的岩石摩擦引爆瓦斯气体的试验装置，其特征在于：还包括设置在爆炸槽侧壁上的门盖压紧把手，用于将薄膜覆盖爆炸槽开口后，关闭门盖并压紧薄膜，从而封闭爆炸槽。

4.根据权利要求1所述的岩石摩擦引爆瓦斯气体的试验装置，其特征在于：还包括设置在爆炸槽上的红外测温仪，用于实时检测旋转试件与往复运动试件接触面的温度，还包括瓦斯浓度传感器，用于实时检测爆炸槽内的瓦斯浓度。

5.根据权利要求1所述的岩石摩擦引爆瓦斯气体的试验装置，其特征在于：还包括设置在爆炸槽内的火花塞，用于引爆爆炸槽内的瓦斯气体。

6.根据权利要求1所述的岩石摩擦引爆瓦斯气体的试验装置，其特征在于：所述加气阀门为球形阀，包括通过管路与瓦斯气瓶连接的气嘴，所述瓦斯气瓶上设有加压阀门，用于控制气瓶出口的瓦斯气体压力。

7.根据权利要求1所述的岩石摩擦引爆瓦斯气体的试验装置，其特征在于：还包括控制模块，所述控制模块与旋转驱动电机、往复运动驱动电机、搅拌风扇、红外测温仪、瓦斯浓度传感器、压力传感器、火花塞连接，用于控制各装置，及接收显示传感器返回的数据。

8.一种基于权利要求1-7任一所述岩石摩擦引爆瓦斯气体的试验装置的试验方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：将岩石制备成所需的形状，按照岩石试样运动的类型可分为旋转试件与往复运动试件；其中旋转试件为直径50mm，高度为100mm的圆柱体，往复运动试件为长度400mm，宽度100mm，厚度80mm的长方体；

S2：将制备好的旋转试件固定到主轴箱系统中的三爪卡盘上；将往复运动试件固定在往复运动部件的试件夹具上；

S3：将薄膜卷筒上的薄膜覆盖爆炸槽，关闭门盖，并利用门盖压紧把手将薄膜与爆炸槽的四边压紧，防止爆炸槽内的气体流出；而后将加气阀门上的气嘴与瓦斯气瓶连接，并打开瓦斯气瓶，使瓦斯气体进入爆炸槽内；并同时开启搅拌风扇使爆炸槽内的瓦斯气体与空气混合均匀；

S4：待爆炸槽内的瓦斯气体浓度达到试验要求的阈值后，关闭瓦斯气瓶与加气阀门；而后，开启旋转驱动电机、往复运动驱动电机，使旋转试件与往复运动试件分别作旋转与往复运动；

S5：开启加压装置，使旋转试件向往复运动试件方向移动，直至旋转试件端面与往复运动试件端面接触，摩擦；

S6：待旋转试件与往复运动试件接触，摩擦后，随即开启红外测温仪，对试件接触面的温度进行测定；旋转试件与往复运动试件相互摩擦、产生火花，并使得接触面温度上升后，若此时爆炸槽内的瓦斯气体不发生爆炸，则说明岩石试件摩擦不会引爆瓦斯；反之则说明岩石试件摩擦会引爆瓦斯；若未发生爆炸，则主动控制爆炸槽内的火花塞引爆瓦斯气体，结束实验。

9.根据权利要求8所述的岩石摩擦引爆瓦斯气体的试验方法，其特征在于：步骤S1具体包括以下步骤：

S11：应用专用取芯装置在煤矿井下钻取待测岩层的岩芯，而后将岩芯送至实验室进行打磨，使得圆柱体型的旋转试件的尺寸为直径50mm，高度为100mm；

S12：在煤矿井下将一定块度的岩石运至实验室后，采用水力切割或岩石切片机对岩样进行加工，长方体型的往复运动试件尺寸为长度400mm，宽度100mm，厚度80mm。

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