CN113325034A - 一种煤矿瓦斯煤尘爆炸的试验系统及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤矿瓦斯煤尘爆炸的试验系统及试验方法，该试验系统包括爆炸管网系统、配气系统、点火系统、抑爆系统、数据采集系统和监测系统；本发明可以定量研究不同瓦斯爆炸浓度下组合伪随机多面体网壳结构对瓦斯爆炸及瓦斯爆炸引起沉积煤尘二次爆炸的抑制效果，以及组合伪随机多面体网壳结构的不同摆放位置和不同物理空间几何参数对瓦斯煤尘爆炸的抑制效果，且对于瓦斯爆炸是否引起煤尘二次爆炸更加容易辨识，结果更加直观；测试方法简单实用，易于操作且可重复性强，稳定可靠。通过有限次试验可研究组合伪随机多面体网壳结构的最佳抑爆几何参数，为煤矿井下瓦斯爆炸包括其引起沉积煤尘二次爆炸的灾害治理提供新方法和新手段。

Description

一种煤矿瓦斯煤尘爆炸的试验系统及试验方法

技术领域

本发明涉及瓦斯灾害防治技术领域，主要适用于瓦斯爆炸发生后抑制其产生的爆炸波强度及预防引起煤尘二次爆炸事件发生的试验系统及试验方法，更具体的说是涉及一种组合伪随机多面体网壳结构抑制煤矿瓦斯煤尘爆炸的试验系统及试验方法。

背景技术

能源是经济发展和社会进步的基础，随着原油燃料的消耗和减少燃料对环境污染意识的增强，人们开始更多的关注替代燃料特性的研究。瓦斯作为煤层气的主要成分，被认为是最好的替代燃料之一。在煤炭开采过程中，以游离态或者吸附态赋存于煤层中的瓦斯开始释放到采掘空间中。当瓦斯气体的体积分数达到爆炸浓度时遭遇点火源便会发生瓦斯爆炸事故，并且爆炸产生的冲击波会不断卷吸巷道周围沉积煤尘，形成可燃性煤尘云带，当后续的火焰波到达该区域时会引发二次爆炸事故，导致其破坏性更强。瓦斯煤尘爆炸事故会对周围环境造成高压冲击波、高温火焰灼烧和高浓度有毒有害气体三重伤害，严重制约工业安全生产，因此推动瓦斯煤尘爆炸事故灾害防治技术的发展对保障煤矿安全生产和促进清洁能源安全利用具有重要的现实意义。

煤矿井下瓦斯爆炸的抑爆技术按抑爆装置的触发方式不同可分为主动式抑爆和被动式抑爆，主动式抑爆效果较好，但生产制造成本及维护费用高，因此被动式抑爆仍是不可或缺的辅助性手段。现阶段最常见的被动式抑爆手段是在巷道中搭设岩粉棚或水棚，但岩粉棚若防护不当会出现受潮凝结现象，导致其在瓦斯爆炸发生时不能形成有效惰性粉尘抑爆带，故需对岩粉进行定期更换；水棚在实际使用过程中也存在着应用范围窄、抑爆效果不佳问题。此外上述抑爆装置对瓦斯二次爆炸均无防护效果，因此，有必要探索一种新型被动式抑爆装置，开展如何降低瓦斯爆炸强度和避免瓦斯爆炸引起沉积煤尘二次爆炸的相关研究，为煤矿井下瓦斯煤尘爆炸的灾害治理提供新思路和新手段。抑制瓦斯爆炸的原理不仅可以从抑爆材料的材料消波机制入手，还可以从抑爆结构的物理空间消波机制入手，现阶段关于抑爆结构的研制较少。此外现阶段的试验系统中瓦斯爆炸段与煤尘铺设段连接，不易辨别瓦斯爆炸是否引起了煤尘二次爆炸。

因此，对于如何量化研究抑制瓦斯爆炸及其引起沉积煤尘二次爆炸缺乏高效适用的试验装置，同时，现有试验方法更多的只是单方面的关注瓦斯爆炸后冲击波或火焰的传播规律，且对爆炸后有毒气体的成分及含量测试基本忽略。再者，现目前试验研究仅关注其采取的方法是否能抑制瓦斯爆炸，而对抑制瓦斯爆炸后是否还能引起沉积煤尘爆炸并无相关试验方法。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种煤矿瓦斯煤尘爆炸的试验系统及试验方法，旨在解决上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种煤矿瓦斯煤尘爆炸的试验系统，包括：爆炸管网系统、配气系统、点火系统、抑爆系统、数据采集系统和监测系统；

所述爆炸管网系统包括管道以及间隔安装在所述管道内的多个第二法兰盘；多个所述第二法兰盘将所述管道依次分隔为预混加速段、稳定传播段、第一冲击传播段、煤尘铺设段和第二冲击波传播段；所述预混加速段和所述稳定传播段之间的所述第二法兰盘内安装有隔爆薄膜；

所述配气系统包括通过进气阀连接在所述预混加速段首端的高纯瓦斯气瓶和空气压缩机、和通过吸气阀连接的真空泵、以及与所述预混加速段并联的由第一循环阀、循环泵和第二循环阀形成的管路；所述配气系统还包括安装在所述第二冲击波传播段尾端的排气阀；

所述点火系统包括安装在所述预混加速段端头的电极，以及与所述电极电性连接的交流电源；

所述抑爆系统包括串联在所述第一冲击传播段的多个第一伪随机多面体网壳结构，和串联在所述第二冲击波传播段的多个第二伪随机多面体网壳结构；所述第一伪随机多面体网壳结构和所述第二伪随机多面体网壳结构内部连接有抑爆干粉喷射组件；

所述数据采集系统包括安装在所述管道各段的多个压力传感器和火焰传感器；多个所述压力传感器和所述火焰传感器依次电性连接有电荷放大器、动态数据采集仪和上位机；所述上位机与所述真空泵和所述交流电源电性连接；所述上位机电性连接有布置在所述管道外侧的第一热成像仪和第二热成像仪；所述排气阀依次连接有抽气机、集气瓶和气体成分分析仪；

所述监测系统包括布置在所述管道外侧，且与所述上位机电性连接的第一高速摄像机和第二高速摄像机。

通过上述技术方案，本发明可以定量研究不同瓦斯爆炸浓度下组合伪随机多面体网壳结构对瓦斯爆炸及瓦斯爆炸引起沉积煤尘二次爆炸的抑制效果，以及组合伪随机多面体网壳结构的不同摆放位置和不同物理空间几何参数对瓦斯煤尘爆炸的抑制效果，且对于瓦斯爆炸是否引起煤尘二次爆炸更加容易辨识，结果更加直观，系统操作简单高效，便于推广。

优选的，在上述一种煤矿瓦斯煤尘爆炸的试验系统中，所述管道的各段通过第一法兰盘和第二法兰盘连接，所述第一法兰盘和所述第二法兰盘均通过螺栓螺母与所述管道各段连接。

所述管道为直径200～300mm，壁厚15～25mm的圆形管道，管道材质为高强抗爆透明有机玻璃，且管道上间隔10～50cm布置一预留圆孔，预留圆孔内圈带有螺纹，用于安装传感器和阀门。在无需使用传感器和阀门的预留圆孔处拧上螺栓。预留圆孔直径为1.5～3cm，管道侧面标注有刻度线，且精确度为5cm，每节管道长度为50～250cm，各管道之间通过第一法兰盘或第二法兰盘和螺栓螺母进行连接；所述隔爆薄膜材质为聚乙烯，厚度为0.1～1mm，直径略大于圆管直径2～4cm。

优选的，在上述一种煤矿瓦斯煤尘爆炸的试验系统中，所述预混加速段内间隔布置有1-3个加速环。加速环相邻间隔为1～2.5m，用于对瓦斯爆炸波进行加速使其快速达到爆轰状态。

优选的，在上述一种煤矿瓦斯煤尘爆炸的试验系统中，所述第一伪随机多面体网壳结构和所述第二伪随机多面体网壳结构为矩形体内空结构，内部壁面为伪随机生成的多面体网壳结构，近似球直径为管道直径的2～6倍，多面体的面数为20～80面。

优选的，在上述一种煤矿瓦斯煤尘爆炸的试验系统中，所述抑爆干粉喷射组件包括安装在所述第一伪随机多面体网壳结构和所述第二伪随机多面体网壳结构内的抑爆干粉喷头；所述抑爆干粉喷头依次与压力探测器、储粉罐、第一电机和第一控制器连接。所述储粉罐内填充抑爆材料为超细ABC干粉或超细尿素改性干水粉体。

优选的，在上述一种煤矿瓦斯煤尘爆炸的试验系统中，所述第一冲击传播段为直管，所述第一伪随机多面体网壳结构的数量为两个，且沿所述第一冲击传播段的方向两侧开口；所述第二冲击波传播段为Z型管；所述第二伪随机多面体网壳结构的数量为两个，且分别布置在所述第二冲击波传播段的拐角处，两个所述第二伪随机多面体网壳结构为直角型侧开口。

优选的，在上述一种煤矿瓦斯煤尘爆炸的试验系统中，所述第一伪随机多面体网壳结构和所述第二伪随机多面体网壳结构的出口处安装有多层金丝网卷帘门；所述多层金丝网卷帘门的控制端依次电性连接有第二电机、第二控制器和压力探测器；所述压力探测器安装在所述预混加速段的首端。所述多层金丝网卷帘门材料为不锈钢丝，钢丝丝径为0.05～0.5mm，钢丝网孔径为0.1～10mm，钢丝网层数为20～80层。

优选的，在上述一种煤矿瓦斯煤尘爆炸的试验系统中，所述煤尘铺设段形成有煤尘腔；所述煤尘腔用于铺设不同质量、不同含水率的煤粉。

优选的，在上述一种煤矿瓦斯煤尘爆炸的试验系统中，所述预混加速段上安装有数字真空表。

优选的，在上述一种煤矿瓦斯煤尘爆炸的试验系统中，所述电极由两根导电棒和连接两根导电棒之间的点火丝组成，所述电极通过导线与所述交流电源相连。

本发明还提供了一种煤矿瓦斯煤尘爆炸的试验方法，包括以下步骤：

S1、关闭所述吸气阀、所述进气阀、所述第一循环阀、所述第二循环阀和所述排气阀，使得所述预混加速段处于封闭状态；打开所述空气压缩机的进气阀，利用所述空气压缩机正压送风检查预混加速段气密性，在确保管道密封性良好后打开所述吸气阀，再利用所述真空泵对所述预混加速段管道进行抽真空处理；当达到预定真空度后关闭所述吸气阀，随后打开所述进气阀和所述高纯瓦斯气瓶，采用道尔顿分压体积法完成甲烷/空气预混气体的配制；

S2、打开所述第一循环阀和所述第二循环阀，利用所述循环泵对预混气体进行充分循环混合，随后打开所述进气阀确保预混加速段内混合气体处于大气压平衡状态，关闭所述进气阀，再次打开所述第一循环阀、所述第二循环阀和所述循环泵，对预混气体再次充分混合；所述循环泵的工作时间不小于20分钟；

S3、设定好所述压力传感器、所述火焰传感器、所述第一高速摄像机、所述第二高速摄像机、所述第一热成像仪和所述第二热成像仪的触发参数，并将所述动态数据采集仪、所有的高速摄像机和热成像仪设定为待触发状态，其中高速摄像机设置为后触发模式；

S4、关闭所述第一循环阀、所述第二循环阀和所述循环泵，保持所述吸气阀、所述进气阀和所述排气阀的关闭状态，启动所述交流电源对所述电极进行通电点火，此时甲烷空气预混气体将发生爆炸，监测到爆炸压力后将压力信号转换为电信号，启动抑爆干粉喷射组件工作，开始喷射超细抑爆粉体，与此同时，启动多层金丝网卷帘门下垂，以封闭网壳结构出口；

S5、预混气体爆炸发生后，所述压力传感器采集到压力信号后转化为电信号，所述火焰传感器采集到光信号转化为电信号，所述压力传感器和所述火焰传感器转换后的电信号均通过电荷放大器将信号放大并传输至动态数据采集仪处理；与此同时，所述第一高速摄像机和所述第二高速摄像机对经过所述第一伪随机多面体网壳结构和所述第二伪随机多面体网壳结构前后的火焰波以及是否能引燃沉积煤尘产生二次爆炸的整个传播过程进行监测；所述第一热成像仪和所述第二热成像仪对所述管道中爆炸火焰的传播温度进行监测；随后所述动态数据采集仪、所有的高速摄像机和所有的热成像仪采集到的数据信息将传送至所述上位机进行显示和处理；

S6、爆炸结束确保安全的情况下，打开所述排气阀，启动所述抽气机抽取部分爆炸后气体至所述集气瓶，随后将所述集气瓶中收集到的气体输送至所述气体成分分析仪，对爆炸后的有毒有害气体进行成分和含量分析。

通过上述技术方案，本发明提供了一种探索瓦斯爆轰经过组合伪随机多面体网壳结构前后冲击波、火焰衰减规律和有毒有害气体成分及含量变化情况的测试方法，可量化研究组合伪随机多面体网壳结构对瓦斯爆炸和瓦斯爆炸引起煤尘二次爆炸的抑制效果。该测试方法简单实用，易于操作且可重复性强，稳定可靠。通过有限次试验可研究组合伪随机多面体网壳结构的最佳抑爆几何参数，为煤矿井下瓦斯爆炸包括其引起沉积煤尘二次爆炸的灾害治理提供新方法和新手段。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种煤矿瓦斯煤尘爆炸的试验系统及试验方法，具有以下有益效果：

1、本发明提供一种组合伪随机多面体网壳结构抑制煤矿瓦斯煤尘爆炸的试验系统，可定量研究不同瓦斯爆炸浓度下组合伪随机多面体网壳结构对瓦斯爆炸及瓦斯爆炸引起沉积煤尘二次爆炸爆炸波传播特性的影响，可对爆炸后有毒有害气体成分及含量进行分析。

2、爆炸波通过组合伪随机多面体网壳结构后瓦斯爆炸强度会得到一定程度的抑制，此时对于是否还能引起沉积煤尘二次爆炸这一现象，通过该试验系统能够轻易识别。

3、本发明的数据采集系统用于对爆炸试验过程中冲击波、爆炸火焰和爆炸气体的各特征参数进行采集和分析，包括冲击波压力峰值、压力冲量、冲击波传播速度、火焰传播速度、火焰信号峰值、火焰温度、火焰峰前形态、爆炸气体各成分组成及其占比；监测系统用于对爆炸管网系统内的实际情况进行监控跟踪，所拍摄画面传输到上位机后可监控爆炸管网内的整个响应情况。

4、本发明提供一种组合伪随机多面体网壳结构抑制煤矿井下瓦斯煤尘爆炸的试验方法，其可以定量研究不同瓦斯爆炸浓度下组合伪随机多面体网壳结构对瓦斯/煤尘爆炸的抑制效果，以及伪随机多面体网壳结构的不同摆放位置和不同物理空间几何参数对瓦斯煤尘爆炸的抑制效果。

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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的煤矿瓦斯煤尘爆炸的试验系统的结构示意图；

图2附图为本发明提供的第一伪随机多面体网壳结构的结构示意图；

图3附图为本发明提供的第二伪随机多面体网壳结构的结构示意图；

图4附图为本发明提供的多层金丝网卷帘门结构示意图。

其中：

1-管道；2-高纯瓦斯气瓶；3-电极；4-螺栓螺母；5-第一法兰盘；6-加速环；7-隔爆薄膜；8-第一伪随机多面体网壳结构；9-抑爆干粉喷头；10-多层金丝网卷帘门；11-煤尘腔；12-储粉罐；13-第一电机；14-第二电机；15-第一控制器；16-第二控制器；17-压力探测器；18-真空泵；19-吸气阀；20-进气阀；21-交流电源；22-上位机；23-动态数据采集仪；24-电荷放大器；25-第一高速摄像机；26-第二高速摄像机；27-第一循环阀；28-第二循环阀；29-循环泵；30-排气阀；31-抽气机；32-集气瓶；33-第一热成像仪；34-第二热成像仪；35-压力传感器；36-火焰传感器；37-空气压缩机；38-数字真空表；39-第二伪随机多面体网壳结构；40—第二法兰盘；41-气体成分分析仪。

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做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。

参见附图1至附图4，本发明实施例公开了一种煤矿瓦斯煤尘爆炸的试验系统，包括：爆炸管网系统、配气系统、点火系统、抑爆系统、数据采集系统和监测系统；

爆炸管网系统包括管道1以及间隔安装在管道1内的多个第二法兰盘40；多个第二法兰盘40将管道1依次分隔为预混加速段、稳定传播段、第一冲击传播段、煤尘铺设段和第二冲击波传播段；预混加速段和稳定传播段之间的第二法兰盘40内安装有隔爆薄膜7；

配气系统包括通过进气阀20连接在预混加速段首端的高纯瓦斯气瓶2和空气压缩机37、和通过吸气阀19连接的真空泵18、以及与预混加速段并联的由第一循环阀27、循环泵29和第二循环阀28形成的管路；配气系统还包括安装在第二冲击波传播段尾端的排气阀30；

点火系统包括安装在预混加速段端头的电极3，以及与电极3电性连接的交流电源21；

抑爆系统包括串联在第一冲击传播段的多个第一伪随机多面体网壳结构8，和串联在第二冲击波传播段的多个第二伪随机多面体网壳结构39；第一伪随机多面体网壳结构8和第二伪随机多面体网壳结构39内部连接有抑爆干粉喷射组件；

数据采集系统包括安装在管道1各段的多个压力传感器35和火焰传感器36；多个压力传感器35和火焰传感器36依次电性连接有电荷放大器24、动态数据采集仪23和上位机22；上位机22与真空泵18和交流电源21电性连接；上位机22电性连接有布置在管道1外侧的第一热成像仪33和第二热成像仪34；排气阀30依次连接有抽气机31、集气瓶32和气体成分分析仪41；

监测系统包括布置在管道1外侧，且与上位机22电性连接的第一高速摄像机25和第二高速摄像机26。

为了进一步优化上述技术方案，管道1的各段通过第一法兰盘5和第二法兰盘40连接，第一法兰盘5和第二法兰盘40均通过螺栓螺母4与管道1各段连接。

为了进一步优化上述技术方案，预混加速段内间隔布置有1-3个加速环6。

为了进一步优化上述技术方案，第一伪随机多面体网壳结构8和第二伪随机多面体网壳结构39为矩形体内空结构，内部壁面为伪随机生成的多面体网壳结构，近似球直径为管道直径的2～6倍，多面体的面数为20～80面。

为了进一步优化上述技术方案，抑爆干粉喷射组件包括安装在第一伪随机多面体网壳结构8和第二伪随机多面体网壳结构39内的抑爆干粉喷头9；抑爆干粉喷头9依次与压力探测器17、储粉罐12、第一电机13和第一控制器15连接。

为了进一步优化上述技术方案，第一冲击传播段为直管，第一伪随机多面体网壳结构8的数量为两个，且沿第一冲击传播段的方向两侧开口；第二冲击波传播段为Z型管；第二伪随机多面体网壳结构39的数量为两个，且分别布置在第二冲击波传播段的拐角处，两个第二伪随机多面体网壳结构39为直角型侧开口。

为了进一步优化上述技术方案，第一伪随机多面体网壳结构8和第二伪随机多面体网壳结构39的出口处安装有多层金丝网卷帘门10；多层金丝网卷帘门10的控制端依次电性连接有第二电机14、第二控制器16和压力探测器17；压力探测器17安装在预混加速段的首端。

为了进一步优化上述技术方案，煤尘铺设段形成有煤尘腔11；煤尘腔11用于铺设不同质量、不同含水率的煤粉。

为了进一步优化上述技术方案，预混加速段上安装有数字真空表38。

本发明提供的煤矿瓦斯煤尘爆炸的试验方法，包括以下步骤：

(1)管道1为直径200～300mm，壁厚15～25mm的圆形管道，管道材质为高强抗爆透明钢化玻璃，且管道上部或下部间隔20cm布置一预留圆孔，预留圆孔直径为1.5～3cm，管道侧面标注有刻度线，且精确度为5cm，每节管道长度为50～250cm，各管道之间通过第一法兰盘5或第二法兰盘40和螺栓螺母4进行连接；隔爆薄膜7材质为聚乙烯，厚度为0.1～1mm，直径略大于圆管直径2～4cm；煤尘腔11通过第二法兰盘40与管道1连接，用于根据试验需要铺设不同质量、不同粒径和不同含水率的煤粉；第一、第二伪随机多面体网壳结构如图2和图3所示，为矩形体内空结构，内部壁面为伪随机生成的多面体网壳结构，近似球直径为管道直径的2～6倍，多面体的面数为20～80面，其均通过第一法兰5和第二法兰盘40与管道1连接，第一伪随机多面体网壳结构8进出口为左右两侧对称分布，铺设在直管道中；第二伪随机多面体网壳结构39进出口为左下和右上非对称分布，铺设在管道直角拐弯处；

(2)在煤尘铺设段平铺不同质量、不同粒径和不同含水率的煤尘，连接好各管道，使各实验仪器处于准备工作状态；

(3)关闭吸气阀19、进气阀20、第一循环阀27、第二循环阀28和排气阀30，由于在预混加速段末端安装好了隔爆薄膜7，此时预混加速段处于封闭状态，随后打开连接空气压缩机37的进气阀20，利用空气压缩机37正压送风检查预混加速段气密性，在确保管道密封性良好后打开吸气阀19，再利用真空泵18对预混加速段管道进行抽真空处理，结合数字真空表38和上位机22的显示，当达到预定真空度后关闭吸气阀19，随后打开进气阀20和高纯瓦斯气瓶2，结合数字真空表38，采用道尔顿分压体积法完成甲烷/空气预混气体的配制；

其中，真空18一端经过吸气阀19与预混加速段管道连接，另一端与上位机22连接以监测管道1内真空度；数字真空表安38装到预混加速段管道上实时监测管道内气压；

(4)打开第一循环阀27和第二循环阀28，利用循环泵29对预混气体进行充分循环混合，随后打开进气阀20确保预混加速段内混合气体处于大气压平衡状态，关闭进气阀20，再次打开第一循环阀27、第二循环阀28和循环泵29对预混气体再次充分混合；

其中，循环泵的工作时间不小于20分钟；

(5)设置好压力探测器17、压力传感器35、火焰传感器36、第一高速摄像机25、第二高速摄像机26、第一热成像仪33和第二热成像仪34的触发参数，并将动态数据采集仪23、所有高速摄像机和所有热成像仪设定为待触发状态，其中高速摄像机设置为后触发模式；

(6)关闭数字真空表38、第一循环阀27、第二循环阀28和循环泵29，保持吸气阀19、进气阀20和排气阀30的关闭状态，启动交流电源21对电极3进行通电点火，此时甲烷空气预混气体将发生爆炸，压力探测器17监测到爆炸压力后将压力信号转换为电信号，通过阻燃导线同时传送至第一控制器15和第一控制器16，第一、第二控制器开始判别信号源，确认是爆炸事件后发出指令，第一控制器控制储粉罐12、第一电机13和抑爆干粉喷头9工作，开始喷射超细抑爆粉体，与此同时，第二控制器16控制第二电机14驱动多层金丝网卷帘门10下垂封闭网壳结构出口；

其中，多层金丝网卷帘门，如图4所示，材料为不锈钢丝，钢丝丝径为0.05～0.5mm，钢丝网孔径为0.1～10mm，钢丝网层数为20～80层，多层金丝网卷帘门悬挂于第一、第二伪随机多面体网壳结构出口处；抑爆干粉喷头9位于第一、第二伪随机多面体网壳结构内部；储粉罐内填充抑爆材料为超细ABC干粉或超细尿素改性干水粉体；压力传感器35和火焰传感器36沿管道轴线对称布置，各压力传感器35之间相距10～50cm，各火焰传感器36之间相距10～50cm；

(7)预混气体爆炸发生后，压力传感器35采集到压力信号后转化为电信号，火焰传感器36采集到光信号转化为电信号，压力传感器35和火焰传感器36转换后的电信号均通过电荷放大器24将信号放大并传输至动态数据采集仪23处理；与此同时第一高速摄像机25和第二高速摄像机26对经过第一、第二伪随机多面体网壳结构前后的火焰波以及是否能引燃沉积煤尘产生二次爆炸的整个传播过程进行监测；同样，与此同时第一热成像仪33和第二热成像仪34对管道1中爆炸火焰的传播温度进行监测；随后动态数据采集仪23、所有高速摄像机和所有热成像仪采集到的数据信息将传送至上位机22进行显示和处理；

其中，第一高速摄像机25观察直管道中爆炸火焰传播结构形态；第二高速摄像机26观察直角拐弯后管道中火焰传播结构形态；第一热成像仪33观察直管道中爆炸火焰传播温度；第二热成像仪34观察直角拐弯后管道中火焰传播温度；

(8)爆炸结束确保安全的情况下，打开排气阀30，启动抽气机31抽取部分爆炸后气体至集气瓶32，随后将集气瓶32中收集到的气体输送至气体成分分析仪41，对爆炸后的有毒有害气体进行成分和含量分析；

其中，排气阀30位于第二冲击波传播段管道尾部；集气瓶32收集到的爆炸后气体体积为100～1000ml；

(9)每次试验结束后，打开管道1尾部第二法兰盘40，利用空气压缩机37正压送风排出管道内废气和残余煤尘，清理结束后根据试验要求更改第一、第二伪随机多面体网壳结构的相关物理参数，如不同摆放位置、不同个数和不同体积等，然后在煤尘铺设段铺设好不同质量、不同粒径和不同含水率的沉积煤尘，随后更换电极3之间的点火丝和隔爆薄膜7，准备进行下次试验。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种煤矿瓦斯煤尘爆炸的试验系统，其特征在于，包括：爆炸管网系统、配气系统、点火系统、抑爆系统、数据采集系统和监测系统；

所述爆炸管网系统包括管道(1)以及间隔安装在所述管道(1)内的多个第二法兰盘(40)；多个所述第二法兰盘(40)将所述管道(1)依次分隔为预混加速段、稳定传播段、第一冲击传播段、煤尘铺设段和第二冲击波传播段；所述预混加速段和所述稳定传播段之间的所述第二法兰盘(40)内安装有隔爆薄膜(7)；

所述配气系统包括通过进气阀(20)连接在所述预混加速段首端的高纯瓦斯气瓶(2)和空气压缩机(37)、和通过吸气阀(19)连接的真空泵(18)、以及与所述预混加速段并联的由第一循环阀(27)、循环泵(29)和第二循环阀(28)形成的管路；所述配气系统还包括安装在所述第二冲击波传播段尾端的排气阀(30)；

所述点火系统包括安装在所述预混加速段端头的电极(3)，以及与所述电极(3)电性连接的交流电源(21)；

所述抑爆系统包括串联在所述第一冲击传播段的多个第一伪随机多面体网壳结构(8)，和串联在所述第二冲击波传播段的多个第二伪随机多面体网壳结构(39)；所述第一伪随机多面体网壳结构(8)和所述第二伪随机多面体网壳结构(39)内部连接有抑爆干粉喷射组件；

所述数据采集系统包括安装在所述管道(1)各段的多个压力传感器(35)和火焰传感器(36)；多个所述压力传感器(35)和所述火焰传感器(36)依次电性连接有电荷放大器(24)、动态数据采集仪(23)和上位机(22)；所述上位机(22)与所述真空泵(18)和所述交流电源(21)电性连接；所述上位机(22)电性连接有布置在所述管道(1)外侧的第一热成像仪(33)和第二热成像仪(34)；所述排气阀(30)依次连接有抽气机(31)、集气瓶(32)和气体成分分析仪(41)；

所述监测系统包括布置在所述管道(1)外侧，且与所述上位机(22)电性连接的第一高速摄像机(25)和第二高速摄像机(26)。

2.根据权利要求1所述的一种煤矿瓦斯煤尘爆炸的试验系统，其特征在于，所述管道(1)的各段通过第一法兰盘(5)和第二法兰盘(40)连接，所述第一法兰盘(5)和所述第二法兰盘(40)均通过螺栓螺母(4)与所述管道(1)各段连接。

3.根据权利要求1所述的一种煤矿瓦斯煤尘爆炸的试验系统，其特征在于，所述预混加速段内间隔布置有1-3个加速环(6)。

4.根据权利要求1所述的一种煤矿瓦斯煤尘爆炸的试验系统，其特征在于，所述第一伪随机多面体网壳结构(8)和所述第二伪随机多面体网壳结构(39)为矩形体内空结构，内部壁面为伪随机生成的多面体网壳结构，近似球直径为管道直径的2～6倍，多面体的面数为20～80面。

5.根据权利要求1所述的一种煤矿瓦斯煤尘爆炸的试验系统，其特征在于，所述抑爆干粉喷射组件包括安装在所述第一伪随机多面体网壳结构(8)和所述第二伪随机多面体网壳结构(39)内的抑爆干粉喷头(9)；所述抑爆干粉喷头(9)依次与压力探测器(17)、储粉罐(12)、第一电机(13)和第一控制器(15)连接。

6.根据权利要求1所述的一种煤矿瓦斯煤尘爆炸的试验系统，其特征在于，所述第一冲击传播段为直管，所述第一伪随机多面体网壳结构(8)的数量为两个，且沿所述第一冲击传播段的方向两侧开口；所述第二冲击波传播段为Z型管；所述第二伪随机多面体网壳结构(39)的数量为两个，且分别布置在所述第二冲击波传播段的拐角处，两个所述第二伪随机多面体网壳结构(39)为直角型侧开口。

7.根据权利要求1所述的一种煤矿瓦斯煤尘爆炸的试验系统，其特征在于，所述第一伪随机多面体网壳结构(8)和所述第二伪随机多面体网壳结构(39)的出口处安装有多层金丝网卷帘门(10)；所述多层金丝网卷帘门(10)的控制端依次电性连接有第二电机(14)、第二控制器(16)和压力探测器(17)；所述压力探测器(17)安装在所述预混加速段的首端。

8.根据权利要求1所述的一种煤矿瓦斯煤尘爆炸的试验系统，其特征在于，所述煤尘铺设段形成有煤尘腔(11)；所述煤尘腔(11)用于铺设不同质量、不同含水率的煤粉。

9.根据权利要求1所述的一种煤矿瓦斯煤尘爆炸的试验系统，其特征在于，所述预混加速段上安装有数字真空表(38)。

10.一种采用权利要求1-9任一项所述的煤矿瓦斯煤尘爆炸的试验系统的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、关闭所述吸气阀(19)、所述进气阀(20)、所述第一循环阀(27)、所述第二循环阀(28)和所述排气阀(30)，使得所述预混加速段处于封闭状态；打开所述空气压缩机(37)的进气阀(20)，利用所述空气压缩机(37)正压送风检查预混加速段气密性，在确保管道密封性良好后打开所述吸气阀(19)，再利用所述真空泵(18)对所述预混加速段管道进行抽真空处理；当达到预定真空度后关闭所述吸气阀(19)，随后打开所述进气阀(20)和所述高纯瓦斯气瓶(2)，采用道尔顿分压体积法完成甲烷/空气预混气体的配制；

S2、打开所述第一循环阀(27)和所述第二循环阀(28)，利用所述循环泵(29)对预混气体进行充分循环混合，随后打开所述进气阀(20)确保预混加速段内混合气体处于大气压平衡状态，关闭所述进气阀(20)，再次打开所述第一循环阀(27)、所述第二循环阀(28)和所述循环泵(29)，对预混气体再次充分混合；所述循环泵(29)的工作时间不小于20分钟；

S3、设定好所述压力传感器(35)、所述火焰传感器(36)、所述第一高速摄像机(25)、所述第二高速摄像机(26)、所述第一热成像仪(33)和所述第二热成像仪(34)的触发参数，并将所述动态数据采集仪、所有的高速摄像机和热成像仪设定为待触发状态，其中高速摄像机设置为后触发模式；

S4、关闭所述第一循环阀(27)、所述第二循环阀(28)和所述循环泵(29)，保持所述吸气阀(19)、所述进气阀(20)和所述排气阀(30)的关闭状态，启动所述交流电源(21)对所述电极(3)进行通电点火，此时甲烷空气预混气体将发生爆炸，监测到爆炸压力后将压力信号转换为电信号，启动抑爆干粉喷射组件工作，开始喷射超细抑爆粉体，同时瞬时封闭网壳结构的出口；

S5、预混气体爆炸发生后，所述压力传感器(35)采集到压力信号后转化为电信号，所述火焰传感器(36)采集到光信号转化为电信号，所述压力传感器(35)和所述火焰传感器(36)转换后的电信号均通过电荷放大器(24)将信号放大并传输至动态数据采集仪(23)处理；与此同时，所述第一高速摄像机(25)和所述第二高速摄像机(26)对经过所述第一伪随机多面体网壳结构(8)和所述第二伪随机多面体网壳结构(39)前后的火焰波以及是否能引燃沉积煤尘产生二次爆炸的整个传播过程进行监测；所述第一热成像仪(33)和所述第二热成像仪(34)对所述管道(1)中爆炸火焰的传播温度进行监测；随后所述动态数据采集仪(23)、所有的高速摄像机和所有的热成像仪采集到的数据信息将传送至所述上位机(22)进行显示和处理；

S6、爆炸结束确保安全的情况下，打开所述排气阀(30)，启动所述抽气机(31)抽取部分爆炸后气体至所述集气瓶(32)，随后将所述集气瓶(32)中收集到的气体输送至所述气体成分分析仪(41)，对爆炸后的有毒有害气体进行成分和含量分析。

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