CN111524438B

CN111524438B - 巷道瓦斯涌出的多维浓度场构建实验装置及方法

Info

Publication number: CN111524438B
Application number: CN202010440170.7A
Authority: CN
Inventors: 王金贵; 罗飞云; 张苏; 郭进
Original assignee: Fuzhou University
Current assignee: Fuzhou University
Priority date: 2020-05-22
Filing date: 2020-05-22
Publication date: 2022-03-22
Anticipated expiration: 2040-05-22
Also published as: CN111524438A

Abstract

本发明提出一种巷道瓦斯涌出的多维浓度场构建实验装置及方法，包括：封闭管道、供气装置和采集装置；所述封闭管道的两端由带有球阀的盲板封堵，截面为矩形；所述供气装置包括多个进气喷嘴、多个流量控制阀多通阀、电磁阀、减压阀和储气罐；多个所述进气喷嘴布设在封闭管道的顶部并分为若干组，每组进气喷嘴连接同一流量控制阀，多个所述流量控制阀经本支路的减压阀连接多通阀，再经总电磁阀和总减压阀连接储气罐；所述采集装置包括多个等距设置在封闭管道内的氧气传感器矩阵。其克服了当前仅能探索一维或二维浓度梯度特征测试的不足，为现场复杂的巷道涌出瓦斯多维浓度场的监测布局及多维浓度梯度下的瓦斯燃爆特征分析提供有力帮助。

Description

巷道瓦斯涌出的多维浓度场构建实验装置及方法

技术领域

本发明属于巷道瓦斯涌出的多维浓度场构建实验领域，尤其涉及一种巷道瓦斯涌出的多维浓度场构建实验装置及方法。

背景技术

矿井瓦斯（成分以甲烷为主）在巷道空间中涌出集聚后（特别是巷道停风情况下）具有爆炸危险，当巷道瓦斯涌出时，通常先在巷道顶部局部聚集，然后逐渐扩散到整个巷道空间，且在扩散期间甲烷-空气并非均匀分布，而是存在多维浓度梯度，此时若出现点火源亦可能会发生爆炸。掌握巷道瓦斯涌出过程中甲烷多维浓度梯度特征及其演变规律，对于巷道瓦斯涌出监测传感器的布局优化具有重要现实意义，同时也对分析和理解巷道瓦斯非均匀燃爆火焰及超压特征具有指导意义。已有的巷道瓦斯涌出模拟实验方法及装置多是沿着巷道轴向（走向）上的一维浓度场或是利用红外检测手段测试构建二维的浓度场，这种一维或二维甲烷浓度场与现场巷道瓦斯涌出后的复杂浓度梯度存在一定差异，模拟结果仍无法反馈出实际巷道瓦斯涌出后存在的多维浓度场特征。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种甲烷泄漏多维浓度场模拟实验装置及方法，即在封闭矩形管道顶部布置大量具有横向进气微孔的喷嘴，将若干喷嘴与流量控制阀、减压阀连接，实现管道内进气喷嘴的差异化注气流量及动力，实现具有多维浓度梯度的甲烷气体泄漏模拟；通过前置电磁阀实现配气开关自动化控制；利用管道内多截面布置的大量氧气传感器及氧气传感器检测系统可确定甲烷气体的扩散规律及多维浓度场演变特征。

通过该装置，可实现巷道瓦斯涌出后的甲烷气体多维浓度梯度分布场景的实验模拟及监测构建，实验结果能模拟现场巷道瓦斯涌出过程中的甲烷多维浓度梯度分布特征及演变规律，克服了当前只有一维或二维的巷道瓦斯涌出浓度梯度构建的不足，为符合现场巷道瓦斯涌出特征的甲烷气体多维浓度梯度的实验模拟及监测构建提供有力帮助。

本发明涉及模拟巷道瓦斯涌出的多维浓度场构建实验装置及方法。测试装置包括一巷道瓦斯涌出模拟系统、一套甲烷多维浓度场构建系统。实验系统主体为一封闭矩形管道，两端均用盲板封堵，两侧盲板上各布置有一球阀。所述巷道瓦斯涌出模拟系统包括管道顶部的大量进气喷嘴、流量控制阀、减压阀和电磁阀等，通过将若干不同类型的进气喷嘴分组后由流量控制阀和减压阀设置差异化的巷道瓦斯涌出量及动力，并通过前置电磁阀实现自动化控制。所述甲烷多维浓度场构建系统主要由管道内布置的大量氧气传感器组成，在每节管道中等间距选择四个截面（含盲板）布置悬挂氧气传感器，实时记录并推算管道内的甲烷多维浓度场分布及其演变规律。通过本装置及方法，可模拟巷道顶板瓦斯涌出过程及扩散行为，实现巷道瓦斯涌出的多维浓度场构建及演变规律。

本发明具体采用以下技术方案：

一种巷道瓦斯涌出的多维浓度场构建实验装置，其特征在于,包括：封闭管道、供气装置和采集装置；所述封闭管道的两端由带有球阀的盲板封堵，截面为矩形；所述供气装置包括多个进气喷嘴、多个流量控制阀多通阀、电磁阀、减压阀和储气罐；多个所述进气喷嘴布设在封闭管道的顶部并分为若干组，每组进气喷嘴连接同一流量控制阀，多个所述流量控制阀经本支路的减压阀连接多通阀，再经总电磁阀和总减压阀连接储气罐；所述采集装置包括多个等距设置在封闭管道内的氧气传感器矩阵。

优选地，多根所述封闭管道采用法兰连接成长封闭管道；所述长封闭管道的两端由带有球阀的盲板封堵。

优选地，每根所述封闭管道的顶部安装有压力表，底部安装有球阀。

优选地，多个所述进气喷嘴采用以下四种结构的一种或多种：带有多个横向微孔的横向进气喷嘴、带有多个微孔的球形喷嘴、带有多个微孔的竖向进气喷嘴、以及带有1个大孔的竖向进气喷嘴。

以及根据以上实验装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：关闭所有所述球阀，关闭电磁阀；将真空泵与其中一个球阀连接，开启真空泵将封闭管道内负压抽至-100kPa以下后，关闭球阀和真空泵；

步骤S2：开启两个球阀，向封闭管道内注入干燥空气至常压；

步骤S3：按实验需求调整各支路流量控制阀和减压阀，以控制各进气喷嘴的瓦斯涌出流量及动力；

步骤S4：利用真空泵将储气罐抽成真空，然后填充瓦斯至所需压力，并通过总减压阀调整进气压力；

步骤S5：开启全部氧气传感器矩阵后，再开启电磁阀；在注气过程中，两个所述球阀保持开启状态；

步骤S6：注气完成后，同时关闭所述电磁阀和球阀，并关闭流量控制阀和减压阀；

步骤S7：持续监测封闭管道内的氧气浓度，直至瓦斯气体扩散均匀。

优选地，根据步骤S7采集的数据，采用道尔顿分压定律按下式确定瓦斯浓度的空间分布：C_CH4=(1-C_O2/20.9%)×100%，其中C_CH4和C_O2分别是甲烷和氧气的体积浓度，20.9%是干燥空气中氧气的体积分数。

优选地，还包括步骤S8：实验完成后，打开球阀和流量控制阀，开启真空泵，将封闭管道内负压抽至-100kPa，开启球阀，注入空气清洗管道。

与现有技术相比，本发明及其优选方案有如下有益效果：

其一，可在管道内模拟巷道顶板瓦斯涌出过程中的甲烷多维浓度场，模拟结果能反应巷道顶板瓦斯涌出过程中的甲烷多维浓度场特征及其演变规律，克服了当前仅能探索一维或二维浓度梯度特征测试的不足，为现场复杂的巷道涌出瓦斯多维浓度场的监测布局及多维浓度梯度下的瓦斯燃爆特征分析提供有力帮助。

因本装置较好的巷道顶板瓦斯涌出模拟效果及甲烷多维浓度场的监测能力，因此可用于模拟巷道瓦斯涌出过程、扩散行为及多维浓度梯度演变特征的教学、科研性探究。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

图1为本发明实施例的系统整体结构主视示意图；

图2为本发明实施例的封闭管道俯视（顶部）示意图；

图3为本发明实施例的氧气传感器矩阵结构示意图；

图4为本发明实施例的进气喷嘴结构示意图1；

图5为本发明实施例的进气喷嘴结构示意图2；

图6为本发明实施例的进气喷嘴结构示意图3；

图7为本发明实施例的进气喷嘴结构示意图4；

图中：1-压力表；2-减压阀；3-电磁阀；4-多通阀；5-输气管；6-流量控制阀；7-进气喷嘴；8-氧气传感器；9-球阀；10-盲板；11-封闭管道；12-总减压阀；13-总压力表。

具体实施方式

为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：

如图1-图3所示，本实施例提供的实验装置采用截面为矩形的封闭管道11，总长度2m（由两节各1m组成，通过法兰进行连接），横截面积为0.3×0.3 m²；两端均用盲板10封堵，两侧盲板10上各布置有一球阀9；管道顶部预留大量进气喷嘴7安装孔、压力表1安装孔，底部也对称布置有两球阀9。

通过安装孔，管道顶部的安装有供气装置，包括多个直径20mm的进气喷嘴7、多个流量控制阀6多通阀4、电磁阀3、减压阀2和储气罐；多个进气喷嘴7布设在封闭管道11的顶部并分为若干组，每组进气喷嘴7连接同一流量控制阀6，多个流量控制阀6经本支路的减压阀2连接多通阀4，再经总电磁阀3和总减压阀12连接储气罐.

通过将若干进气喷嘴7分组后由流量控制阀6和减压阀2设置差异化的巷道瓦斯涌出量及动力，并通过前置电磁阀3实现自动化控制。甲烷多维浓度场的信息由管道内布置的大量氧气传感器8构成的矩阵组成，在每节管道中等间距选择四个截面（含盲板10）布置悬挂氧气传感器8矩阵，实时记录并推算管道内的甲烷多维浓度场分布及其演变规律。如图3所示，每个截面等间距悬挂15个氧气传感器8，在管道内安装距离管道底部分别为25、87.5、150、212.5和275 mm，以构建巷道瓦斯涌出后的扩散规律。

如图4-图7所示，封闭管道11顶部预留的进气孔直径为20mm，每个进气孔安装一个喷嘴。为了模拟巷道瓦斯的不同涌出形式，设计以下四类喷嘴：（a）带有12个横向微孔（孔径0.8mm）的横向进气喷嘴7（如图4所示）；（b）带有36个微孔（孔径0.8mm）的球形喷嘴（如图5所示）；（c）带有16个微孔（孔径0.8mm）的竖向进气喷嘴7（如图6所示）；（d）带有1个大孔（孔径14mm）的竖向进气喷嘴7（如图7所示）。

在封闭管道11顶部按模拟需要安装大量不同类型的喷嘴，通过将若干进气喷嘴7分组后由流量控制阀6和减压阀2设置差异化进气流量及动力，并通过前置电磁阀3实现自动化控制，实现巷道顶板瓦斯涌出的模拟，利用封闭管道11内多截面布置的大量氧气传感器8可确定涌出瓦斯的扩散规律及多维浓度场演变特征。

以停风情况下的巷道顶板瓦斯涌出过程的甲烷多维浓度场模拟实验为例，本实施例提供一个具体的实验案例。

一、使用前的准备

利用干燥的空气彻底清洁封闭管道11、储气罐、输气管5线等，安装并校准氧气传感器8，根据需求安装进气喷嘴7并将其组网与相应流量控制阀6、减压阀2连接；连接并调试信号采集系统等。

二、具体操作

1.利用盲板10封堵封闭管道11两端，关闭所有球阀9，关闭电磁阀3。将真空泵与任一球阀9连接，并开启该球阀9，开启真空泵将封闭管道11内负压抽至-100kPa以下后，关闭球阀9和真空泵。

2.开启封闭管道11两侧盲板10的全部球阀9，向封闭管道11内注入干燥空气至常压。

3.按实验需求调整各流量控制阀6和减压阀2以控制各进气喷嘴7的瓦斯涌出流量及动力。

4.利用真空泵将90L的储气罐抽成真空，然后将甲烷填充至所需压力，通过总减压阀12调整进气压力，可以通过总压力表13读取储气罐压力的数据。

5.开启氧气传感器8监测后，再开启电磁阀3，储气罐内甲烷气体将通过喷嘴注入封闭管道11中，在上端注气过程中，封闭管道11两侧盲板10的排气球阀9一直处于开启状态，封闭管道11内原有的部分空气将从两侧被上方甲烷挤替出。

6.在注气完成后，同时关闭电磁阀3和两侧盲板10上的球阀9，并关闭流量控制阀6和减压阀2。

7.持续监测封闭管道11各空间位置的氧气浓度，直至甲烷气体扩散均匀。根据道尔顿分压定律可根据氧气浓度按下式确定可燃气体（以甲烷为例）浓度的空间分布：C_CH4=(1-C_O2/20.9%)×100%，其中C_CH4和C_O2分别是甲烷和氧气的体积浓度，20.9%是干燥空气中氧气的体积分数。

8.使用干燥空气彻底清洁封闭管道11，重复以上步骤，开始下一组实验。

本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的巷道瓦斯涌出的多维浓度场构建实验装置及方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

Claims

1.一种巷道瓦斯涌出的多维浓度场构建实验装置，其特征在于,包括：封闭管道、供气装置和采集装置；所述封闭管道的两端由带有球阀的盲板封堵，截面为矩形；所述供气装置包括多个进气喷嘴、多个流量控制阀多通阀、电磁阀、减压阀和储气罐；多个所述进气喷嘴布设在封闭管道的顶部并分为若干组，每组进气喷嘴连接同一流量控制阀，多个所述流量控制阀经本支路的减压阀连接多通阀，再经总电磁阀和总减压阀连接储气罐；所述采集装置包括多个等距设置在封闭管道内的氧气传感器矩阵；

多根所述封闭管道采用法兰连接成长封闭管道；所述长封闭管道的两端由带有球阀的盲板封堵；

每根所述封闭管道的顶部安装有压力表，底部安装有球阀；

多个所述进气喷嘴采用以下四种结构的一种或多种：带有多个横向微孔的横向进气喷嘴、带有多个微孔的球形喷嘴、带有多个微孔的竖向进气喷嘴、以及带有1个大孔的竖向进气喷嘴；

其实验方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的巷道瓦斯涌出的多维浓度场构建实验装置，其特征在于：根据步骤S7采集的数据，采用道尔顿分压定律按下式确定瓦斯浓度的空间分布：C_CH4=(1-C_O2/20.9%)×100%，其中C_CH4和C_O2分别是甲烷和氧气的体积浓度，20.9%是干燥空气中氧气的体积分数。

3.根据权利要求1所述的巷道瓦斯涌出的多维浓度场构建实验装置，其特征在于：还包括步骤S8：实验完成后，打开球阀和流量控制阀，开启真空泵，将封闭管道内负压抽至-100kPa，开启球阀，注入空气清洗管道。