CN113063921A - 煤与瓦斯突出致灾可视化模拟实验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种煤与瓦斯突出致灾可视化模拟实验系统，属于煤矿技术领域。该系统包括依次连接的突出源及发生装置、可视化模拟巷道和数据监测装置；所述突出源及发生装置包括气源补充罐、突出腔体、腔体加长组件、高压注气管、夹持器、爆破片一、爆破片二和爆破装置；突出腔体及腔体加长组件充装煤粉材料及气体，突出腔体前端与爆破装置连接，后端与气源补充罐连接，气源补充罐通过高压注气管向突出腔体及腔体加长组件进行均匀充气；爆破装置通过夹持器固定住爆破片一和爆破片二，在一定压力下，爆破片一和爆破片二实现爆破。
Description
技术领域
本发明属于煤矿技术领域，涉及煤与瓦斯突出致灾可视化模拟实验系统。
背景技术
随着煤炭生产企业规模化、集约化和现代化水平的逐渐增强，大型煤炭基地内的煤炭资源将逐步进入深部开采阶段。突出过程产生的破碎煤岩及瓦斯流动是一种复杂的动力现象，会造成严重的人员伤亡及设备损失。而如何及时、精准判断突出发生时间和可能的波及范围一直是突出监测、预警的难题。
由于煤与瓦斯突出灾害的突发性及危害性，现场能够获取的可用于分析灾害发生、致灾的数据有限，采用模型实验的方法，获取突出灾害过程中巷道内冲击气流、瓦斯压力、煤粉冲击力、浓度、风速的致灾特征参数的演变规律，是研究突出破碎煤岩及瓦斯致灾效应的有效方法。现有用于煤与瓦斯突出机理研究的模型实验装置多侧重于突出发生条件的分析。而现有的煤与瓦斯突出致灾模拟实验装置(煤与瓦斯突出动力致灾可视化物理模拟试验系统(ZL201710492160.6)、瓦斯风压诱导井巷分支风流紊乱的定量实验装置(ZL201610584202.4)、一种煤与瓦斯突出冲击动力演化实验装置(ZL201611187025.2)、突出煤粉瓦斯两相流动力测定实验装置(ZL201320879190.X))等，在突出箱体设计时未考虑突出过程瓦斯持续解吸过程，且由于其可视化监测设备放置在巷道内部或者巷道模拟装置并非完全透明，使其监测数据或精度有限。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种煤与瓦斯突出致灾可视化模拟实验系统。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
煤与瓦斯突出致灾可视化模拟实验系统，包括依次连接的突出源及发生装置、可视化模拟巷道和数据监测装置；
所述突出源及发生装置包括气源补充罐、突出腔体、腔体加长组件、高压注气管、夹持器、爆破片一、爆破片二和爆破装置；
突出腔体及腔体加长组件充装煤粉材料及气体，突出腔体前端与爆破装置连接，后端与气源补充罐连接，气源补充罐通过高压注气管向突出腔体及腔体加长组件进行均匀充气；
爆破装置通过夹持器固定住爆破片一和爆破片二，在一定压力下，爆破片一和爆破片二实现爆破；
所述数据监测装置包括流量计、气体压力传感器、温度传感器、气体浓度传感器、风速传感器和实验风机。
可选的，所述气源补充罐内腔φ300×640，内腔体积0.09m3，承压2MPa，
突出腔体内腔φ300×450，承压2MPa，端部中心及面进气，材质为304不锈钢；
腔体加长组件φ300×150，承压2MPa，材质为304不锈钢；
高压注气管φ25不锈钢管，承压2MPa；
夹持器的内腔直径150mm、承压≥2MPa，材质为304不锈钢；
爆破装置的内腔直径150mm、承压≥2MPa，材质为304不锈钢。
可选的，所述突出腔体为不锈钢制高压密封容器，设计承压能力2MPa；
突出腔体的主体部分内径为300mm，长为450mm；
突出腔体的突出口延长部分内径为100mm，长为100mm；
突出腔体的尾部设置注气孔，上部设置传感器接口，两侧设置补气口。
可选的，所述突出腔体还通过法兰与两节管道连接，其中一节管道上部设置气压传感器接口，两侧设置补气口。
可选的，所述气源补充罐长640mm，内径为300mm；气源补充罐的前后设置注气口，上部设置气压传感器接口。
可选的，所述法兰的内缘孔与夹持器突出方向法兰连接，外缘孔与可视化模拟巷道连接。
可选的，所述可视化模拟巷道采用有机玻璃管制成，由直管、三通管和除尘系统连接部件组成；
可视化模拟巷道的一端与爆破装置连接，另一端通过除尘系统连接部件与现有除尘系统连接；
可视化模拟巷道上设置有传感器安装接口。
可选的，所述可视化模拟巷道设置45节，每节之间用法兰盘连接；可视化模拟巷道的截面为圆形，内径为150mm，外径为190mm；
所述可视化模拟巷道为三通管，管转角包括90°、120°和150°三套。
可选的，所述系统还包括突出腔体支架、可视化模拟巷道支架、压煤装置和振动装置；
所述突出腔体支架设置在突出腔体下方；
所述可视化模拟巷道支架设置在可视化模拟巷道下方；
所述压煤装置设置在突出腔体及腔体加长组件下方；
所述振动装置用于振动使腔体内的煤粒充分填实；振动装置上固定装有物料的突出腔，启动振动装置让突出腔内的物料达到一定的紧密度；
可选的，所述系统还包括煤仓；
所述煤仓用于存放煤粉，顶部有防尘装置，内部有可置换气体管路，置换出煤粉中的瓦斯气体，防止煤粉自燃。
本发明的有益效果在于：利用煤与瓦斯突出致灾可视化模拟实验系统，开展不同条件下的煤与瓦斯突出致灾实验，进行煤与瓦斯突出灾变过程煤-瓦斯运移规律研究，通风系统风流动态演化规律研究以及突出次生灾害危险区域评估及实例分析。煤与瓦斯突出致灾可视化模拟实验系统1套及附属配件，系统主要由突出源及发生装置、可视化模拟巷道、数据监测装置构成。本发明重点考虑突出过程瓦斯持续解吸过程，即通过设置突出源，实现可视化监测。当系统放置在巷道内部或者巷道模拟装置完全透明，提高了监测精度。
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为本发明系统示意图；
图2为突出腔体示意图；图2(a)为俯视图；图2(b)为左视图；
图3为高压管道示意图；图3(a)为俯视图；图3(b)为左视图；
图4为补气罐示意图；图4(a)为俯视图；图4(b)为左视图；
图5为突出口控制装置示意图；图5(a)为夹持器及爆破片左视图；图5(b)为密封罐体侧视图；图5(c)为密封罐体左视图；
图6为突出口控制装置总体示意图；
图7为法兰盘示意图；
图8为罐体内部示意图；
图9为模拟巷道示意图；图9(a)为俯视图；图9(b)为左视图；
图10为三通管示意图；
图11为三通管与除尘系统连接示意图；图11(a)为右视图；图11(b)为俯视图；图11(c)为左视图；
图12为模拟巷道布置图；
图13为突出腔体支架和可视化模拟巷道支架示意图；图13(a)为正视图；图13(b)为左视图；
图14为煤仓示意图；图14(a)为正视图；图14(b)为右视图；图14(c)为俯视图；
图14(d)为仰视图；
图15为整体安装示意图。附图标记：气源补充罐1、突出腔体2、腔体加长组件3、高压注气管4、夹持器5、爆破片一6、爆破片二7和爆破装置8。
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。
1、突出源及发生装置
突出源及发生装置包括气源补充罐1、突出腔体2、腔体加长组件3、高压注气管4、夹持器5、爆破片一6、爆破片二7和爆破装置8。突出腔体及腔体加长组件可充装煤粉材料及气体，突出腔体前端与爆破装置连接，后端与气源补充罐连接，气源补充罐能通过高压注气管路向突出腔体及腔体加长组件后方及四周进行均匀充气。
①突出源及发生装置能够耐压2MPa；且在一定的压力情况下，具有良好的气密性；
②高压注气管路应该具有一定的柔韧性、耐压性以及气密性；
③爆破装置能够固定住爆破片，且能够承压2MPa；在特定的压力下，爆破片可以实现自动爆破。
该设备主要为了模拟突出过程中动力现象，主要包括冲击波超压(气压)、煤粉-瓦斯两相流运移及瓦斯逆流等。装置整体构架如图1所示。该装置主要包括气源补充罐2个、突出腔体1个、高压注气管及接头1套、突出口控制装置1套，每次可设置两个爆破片，爆破片的规格如表1。
表1突出源及发生装置明细表
1.1突出腔体
突出腔体为不锈钢制高压密封容器，设计承压能力2MPa。突出腔体主体部分内径为300mm，长为450mm；突出口延长部分内径为100mm，长为100mm。突出腔体尾部预留注气孔，上部预留传感器接口，两侧预留补气口。如图2所示，图2为突出腔体示意图；图2(a)为俯视图；图2(b)为左视图。
为了实现不同强度的突出实验要求，另做2节耐高压管道两边用法兰与突出腔体连接，其中一节上部预留气压传感器接口，两侧预留补气口。如图3所示。图3为高压管道示意图；
图3(a)为俯视图；图3(b)为左视图。
1.2气源补充罐
该装置考虑了突出煤体卸压区周围瓦斯补充，因此需要设计2个气源补充罐。罐体长640mm，内径为300mm。前、后预留注气口，上部预留气压传感器接口。如图4所示，图4(a)为俯视图；图4(b)为左视图。
1.3突出口控制装置
突出口控制装置主要包括两套夹持器和爆破片及一个密封罐体，主要目的通过控制爆破片两侧压差来实现特定时间内瞬间泄压。如图5所示；图5为突出口控制装置示意图；图5(a)为夹持器及爆破片左视图；图5(b)为密封罐体侧视图；图5(c)为密封罐体左视图。
由于突出口直径与可视化模拟巷道直径不一致，需要特制一个法兰盘，法兰盘内缘孔与夹持器突出方向法兰连接，外缘孔与可视化模拟巷道连接。突出口控制装置总体结构如图6所示。图7为法兰盘示意图。
由于实验过程中需要保压吸附，在充气过程中罐体内气体局部压力过大可造成爆破片破坏，使得实验无法进行。因此用两侧爆破片，通过控制P1和P2的压差来控制爆破片的开启。图8为罐体内部示意图。
2、可视化模拟巷道
可视化模拟巷道采用有机玻璃管制成，由直管、三通管(铁制)和除尘系统连接部件组成，前端可与爆破装置连接，后端可通过除尘系统连接部件与现有除尘系统连接；可视化模拟巷道上留有传感器安装接口；可视化模拟巷道主要部件具有高透光率，且整体能够承受一定的压力，明细见表2。
表2可视化模拟巷道表
2.1模拟网络管道
设计管道45节，4节三通。可视化模拟巷道主要用亚克力材料制成，透光度高，可监测突出过程中煤粉-瓦斯流运移情况。管道截面为圆形，内径为150mm，外径为190mm。管道间用法兰盘连接。管道设计如图9所示。图9为模拟巷道示意图；图9(a)为俯视图；图9(b)为左视图。
2.2三通管
突出过程中瓦斯逆流作为研究内容的一部分，需要多条管道并联，因此设计三通管，管转角分别为90°、120°、150°三套。每套由如图所示的三个部件构成，其中部件1一个，部件2与3各2个。如图10所示。
2.3与除尘系统连接部分。
各结合面加密封垫，保证密封，泄漏率24小时≤1％。如图11所示。图11为三通管与除尘系统连接示意图；图11(a)为右视图；图11(b)为俯视图；图11(c)为左视图。
2.4网络可视化模拟巷道布置如图12所示。
3、数据监测装置
由流量计、气体压力传感器、温度传感器、气体浓度传感器、风速传感器及实验风机等构成，具体量程及精度应满足实验要求；实验风机采用变频调速风机，能够满足不同风速的任意调节，见表3。
表3数据监测装置明细表
| 序号 | 名称 | 规格型号及技术要求 |
| 1 | 气体压力传感器 | BP93420-D201，量程-0.1MPa～0.5MPa；精度0.25％ |
| 2 | 气体压力传感器 | BP93420-D201，量程-0.1MPa～2MPa；精度0.25％ |
| 3 | 温度传感器 | BT93420-D203，量程0℃～50℃；精度0.1K |
| 4 | 气体浓度传感器 | BQ93420-D204，量程0～100％；适用二氧化碳 |
| 5 | 风速传感器 | BQ93420-D205，量程0～6m/s；精度±2％F.S. |
| 6 | 流量计 | 量程200mL/min；精度1％；适用氮气、二氧化碳 |
| 7 | 变频调速风机 | A150，0～N无极调速，0.25m/s～4m/s |
4、附属设施、配件及安装调试
包括压煤装置、支架以及相关附属零配件。压煤装置利用振动平台改装而成，可以放置装有煤粉的突出腔体及腔体加长组件，通过振动使腔体内的煤粒充分填实；支架可固定突出源及发生装置与可视化模拟巷道。
4.1支架
突出腔体和每节管道需要相应支架支撑，共47个支架。如图13所示，图13为突出腔体支架和可视化模拟巷道支架示意图；图13(a)为正视图；图13(b)为左视图。
4.2振动装置
振动装置上固定装有物料的突出腔，启动振动装置让突出腔内的物料达到一定的紧密度，与试验要求标准一致。
4.3煤仓
煤仓可存放500Kg煤粉，顶部有防尘装置，内部有可置换气体管路，定期置换出煤粉中的瓦斯气体，防止煤粉自燃。如图14所示，图14为煤仓示意图；图14(a)为正视图；图14(b)为右视图；图14(c)为俯视图；图14(d)为仰视图。
4.4装置安装示意图
整套装置按设计方案、结构布置根据图15所示进行安装、调试和实验。
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 (10)
1.煤与瓦斯突出致灾可视化模拟实验系统，其特征在于：包括依次连接的突出源及发生装置、可视化模拟巷道和数据监测装置；
所述突出源及发生装置包括气源补充罐、突出腔体、腔体加长组件、高压注气管、夹持器、爆破片一、爆破片二和爆破装置；
突出腔体及腔体加长组件充装煤粉材料及气体，突出腔体前端与爆破装置连接，后端与气源补充罐连接，气源补充罐通过高压注气管向突出腔体及腔体加长组件进行均匀充气；
爆破装置通过夹持器固定住爆破片一和爆破片二，在一定压力下，爆破片一和爆破片二实现爆破；
所述数据监测装置包括流量计、气体压力传感器、温度传感器、气体浓度传感器、风速传感器和实验风机。
2.根据权利要求1所述的煤与瓦斯突出致灾可视化模拟实验系统，其特征在于：所述气源补充罐内腔φ300×640，内腔体积0.09m3，承压2MPa，
突出腔体内腔φ300×450，承压2MPa，端部中心及面进气，材质为304不锈钢；
腔体加长组件φ300×150，承压2MPa，材质为304不锈钢；
高压注气管φ25不锈钢管，承压2MPa；
夹持器的内腔直径150mm、承压≥2MPa，材质为304不锈钢；
爆破装置的内腔直径150mm、承压≥2MPa，材质为304不锈钢。
3.根据权利要求1所述的煤与瓦斯突出致灾可视化模拟实验系统，其特征在于：所述突出腔体为不锈钢制高压密封容器，设计承压能力2MPa；
突出腔体的主体部分内径为300mm，长为450mm；
突出腔体的突出口延长部分内径为100mm，长为100mm；
突出腔体的尾部设置注气孔，上部设置传感器接口，两侧设置补气口。
4.根据权利要求3所述的煤与瓦斯突出致灾可视化模拟实验系统，其特征在于：所述突出腔体还通过法兰与两节管道连接，其中一节管道上部设置气压传感器接口，两侧设置补气口。
5.根据权利要求3所述的煤与瓦斯突出致灾可视化模拟实验系统，其特征在于：所述气源补充罐长640mm，内径为300mm；气源补充罐的前后设置注气口，上部设置气压传感器接口。
6.根据权利要求3所述的煤与瓦斯突出致灾可视化模拟实验系统，其特征在于：所述法兰的内缘孔与夹持器突出方向法兰连接，外缘孔与可视化模拟巷道连接。
7.根据权利要求6所述的煤与瓦斯突出致灾可视化模拟实验系统，其特征在于：所述可视化模拟巷道采用有机玻璃管制成，由直管、三通管和除尘系统连接部件组成；
可视化模拟巷道的一端与爆破装置连接，另一端通过除尘系统连接部件与现有除尘系统连接；
可视化模拟巷道上设置有传感器安装接口。
8.根据权利要求7所述的煤与瓦斯突出致灾可视化模拟实验系统，其特征在于：所述可视化模拟巷道设置45节，每节之间用法兰盘连接；可视化模拟巷道的截面为圆形，内径为150mm，外径为190mm；
所述可视化模拟巷道为三通管，管转角包括90°、120°和150°三套。
9.根据权利要求1所述的煤与瓦斯突出致灾可视化模拟实验系统，其特征在于：所述系统还包括突出腔体支架、可视化模拟巷道支架、压煤装置和振动装置；
所述突出腔体支架设置在突出腔体下方；
所述可视化模拟巷道支架设置在可视化模拟巷道下方；
所述压煤装置设置在突出腔体及腔体加长组件下方；
所述振动装置用于振动使腔体内的煤粒充分填实；振动装置上固定装有物料的突出腔，启动振动装置让突出腔内的物料达到一定的紧密度。
10.根据权利要求1所述的煤与瓦斯突出致灾可视化模拟实验系统，其特征在于：所述系统还包括煤仓；
所述煤仓用于存放煤粉，顶部有防尘装置，内部有可置换气体管路，置换出煤粉中的瓦斯气体，防止煤粉自燃。
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