CN114109474B - 一种智能化煤矿风井防爆门实验装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能化煤矿风井防爆门实验装置，包括透明实验井筒、风硐、防爆门、电磁锁扣、配气机构、高速摄影机构、配重机构及数据采集机构，透明实验井筒包括竖直井筒、水平充气井筒，水平充气井筒前端面与竖直井筒下端面连接，后端面与配气机构连通，防爆门嵌于竖直井筒内，其上端面与配重机构连接，下端面与电磁锁扣连接，透明实验井筒外表面设若干观测点，每个观测点设一个高速摄影机构，配重机构和数据采集机构均位于透明实验井筒外。其使用方法包括设备组装，爆炸预设及爆炸试验等三个步骤。本发明一方面可有效模拟多种条件下矿井防爆门防爆作业检测试验的需要；另一方面检测作业精度高、检测数据获取全面。

Description

一种智能化煤矿风井防爆门实验装置及使用方法

技术领域

本发明涉及一种智能化煤矿风井防爆门实验装置及使用方法，属煤矿防爆及安全管理技术领域。

背景技术

当前我国煤矿业发展迅速，矿井工作能否实现完全自动化对矿井的安全及开采具有十分重要的意义。防爆门作为矿井发生瓦斯爆炸后的快速泄压减灾技术装备，对减小事故灾害，降低事故扩大化至关重要。防爆门不仅需要在发生爆炸时有良好的泄压效果，而且在矿井反风行时防爆门不能被风机产生的正压顶开，须保持密闭不漏风的状态。目前煤矿风井防爆门在应用方面仍存在安全隐患，防爆门具体性能及规律仍不清晰，因此防爆门的性能测试及智能化、自动化控制是当前亟待解决的问题。

基于对传统防爆门及锁扣技术的研究，发现传统防爆门存在泄压不及时、自动复位困难等等亟待解决的问题；在防爆门锁扣技术方面，目前使用锁扣大多为电控气动锁紧装置，这种锁扣装置最大问题在于气动元件的效果及其质量严重影响其效率，且无法改变锁紧效果，更换比较麻烦、操作繁琐且在操作过程中需大量人力物力。

综上所述，如何揭示灾变通风时期防爆门装备在冲击波作用下的动态力学响应特性，为防爆门智能化、自动化、精细化方向发展提供理论数据及指导，成为现阶段要突破的主要难题之一。

此外，针对上述问题，迫切需要开发一种全新的煤矿防爆门实验验证装置及检测方法，以满足实际使用的需要。

发明内容

为了解决现有技术上的不足，本发明提供一种智能化煤矿风井防爆门实验装置及使用方法。

一种智能化煤矿风井防爆门实验装置，包括透明实验井筒、风硐、防爆门、电磁锁扣、配气机构、压力检测机构、高速摄影机构、点火机构、配重机构、调节风机及数据采集机构，其中透明实验井筒包括竖直井筒、水平充气井筒，其中水平充气井筒轴线与水平面平行分布，其前端面与竖直井筒下端面连接并同轴分布，后端面与配气机构连通，透明实验井筒内设瓦斯爆炸区和传播区，其中瓦斯爆炸区位于水平充气井筒后端面位置，点火机构嵌于水平充气井筒后端面内，位于瓦斯爆炸区内并与配气机构连通，竖直井筒侧壁设一个旁路支口，并通过旁路支口与风硐连通，风硐轴线与竖直井筒轴线相交并呈30°—60°夹角，风硐另与调节风机连通，防爆门嵌于竖直井筒内，与竖直井筒同轴分布并与竖直井筒侧壁滑动连接，防爆门上端面与配重机构连接，下端面与电磁锁扣连接，电磁锁扣嵌于竖直井筒内，与竖直井筒同轴分布，并与防爆门下端面连接，透明实验井筒外表面设若干观测点，且各观测点沿透明实验井筒轴线方向分布，其中水平充气井筒的后前端面及后端面位置均设一个观测点，竖直井筒的旁路支口上方及下方的竖直井筒侧壁位置均设一个观测点，且位于旁路支口上方的观测点位于电磁锁扣下方，高速摄影机构数量与观测点数量一致，每个观测点均设一个高速摄影机构，高速摄影机构轴线与透明实验井筒轴线相交并呈10°—120°夹角，压力检测机构若干，沿透明实验井筒轴线均布在透明实验井筒内侧面，配重机构和数据采集机构均位于透明实验井筒外，数据采集机构分别与电磁锁扣、配气机构、压力检测机构、高速摄影机构、点火机构、配重机构、调节风机电气连接。

进一步的，所述电磁锁扣包括承载基座、定位电磁铁、承载弹簧、衔铁，其中所述承载基座为与竖直井筒同轴分布的闭合环状结构，其上端面设横断面呈“凵”字形并与竖直井筒同轴分布的承载槽，所述定位电磁铁至少三个，嵌于承载槽内并环绕竖直井筒轴线均布，且所述定位电磁铁上端面比承载基座上端面低0—50毫米，所述定位电磁铁上端面于一个承载弹簧连接并同轴分布，且所述承载弹簧上端面与一个衔铁连接，所述衔铁下端面与承载弹簧上端面相抵并与承载弹簧同轴分布，且衔铁嵌于承载槽内并与承载槽底部平行分布，所述衔铁上端面与防爆门下端面连接，并与防爆门下端面平齐分布。

进一步的，所述配重机构包括机架、导向臂、轮架、导向轮、牵引绳、承载托盘、导向柱、配重块、牵引电机、扭矩传感器，所述机架为横断面呈矩形的框架结构，与透明实验井筒外表面连接，所述导向臂与机架上端面间通过棘轮机构铰接，且导向臂轴线与机架轴线相交并呈0°—180°夹角，所述导向臂长度为机架宽度的至少1.5倍，所述导向轮至少三个，通过轮架嵌于导向臂上端面内并沿导向臂轴线方向均布，且所述导向轮中其中一个位于导向臂前端面，另一个位于导向臂后端面位置，所述牵引绳通过导向轮与导向臂连接，且所述牵引绳前端面嵌于透明实验井筒内，与透明实验井筒同轴分布并与防爆门上端面连接，牵引绳后端面位于透明实验井筒外，与导向柱上端面连接并同轴分布，所述导向柱为轴向截面呈矩形的柱状结构，其下端面与承载托盘上端面连接并垂直分布，所述承载托盘为横断面呈“凵”字形槽状结构，所述配重块至少一个，为“C”字形圆弧结构，与承载托盘上端面连接，包覆在导向柱外并于导向柱同轴分布，且各配重块沿导向柱轴线方向从下向上均布，所述牵引电机与导向臂外表面连接，并与透明实验井筒外侧一端位置的导向轮间通过联轴器连接，且该导向轮另与一个扭矩传感器连接，所述牵引电机、扭矩传感器均与数据采集机构电气连接。

进一步的，所述的配气机构包括承载架、空气压缩机、调压泵、甲烷存储钢瓶、流量传感器、气压传感器、主供气管、辅助供气管、导气头，所述承载架为横断面呈矩形的框架结构，所述空气压缩机和至少一个甲烷存储钢瓶均嵌于承载架内，所述空气压缩机、甲烷存储钢瓶均与承载架底部间通过滑槽滑动连接，所述调压泵、流量传感器、气压传感器均与承载架顶部的下端面连接，并分别与主供气管、辅助供气管连接，其中所述主供气管与辅助供气管间并联，主供气管与辅助供气管前端面同时与导气头连通，主供气管后端面通过控制阀与空气压缩机连通，所述辅助供气管后端面通过控制阀与甲烷存储钢瓶连通，所述导气头嵌于水平充气井筒后端面并与水平充气井筒连通，所述导气头包括定位环、主射流喷口、辅助射流喷口及分流管，其中所述定位环为闭合环状结构，其轴线与水平充气井筒轴线呈0°—60°夹角，所述主射流喷口嵌于定位环内，与定位环同轴分布并与定位环内侧面连接，且主射流喷口后端面通过控制阀与主供气管连通，所述辅助射流喷口至少两个，嵌于定位环与主射流喷口之间位置并环绕主射流喷口轴线均布，且所述辅助射流喷口轴线与主射流喷口呈0°—120°夹角，各辅助射流喷口间相互并联，并分别通过控制阀与分流管连通，所述分流管与定位环后端面连接并通过控制阀与辅助供气管连通。

进一步的，所述的压力检测机构包括气压传感器、温度传感器及基座，所述基座与透明实验井筒内表面连接，基座前端面与一个气压传感器、温度传感器连接；所述高速摄影机构包括转台机构、高速摄像机及倾角传感器，所述高速摄像机与转台机构连接，并通过转台机构与透明实验井筒外表面连接，所述高速摄像机外表面设一个倾角传感器。

进一步的，所述的数据采集机构包括数据处理计算机系统、基于工业计算机的执行控制系统、通讯网关、光电转换器，其中所述数据处理计算机系统分别与通讯网关、光电转换器电气连接，所述数据处理计算机系统通过光电转换器另与基于工业计算机的执行控制系统间建立数据连接，同时通过通讯网关与外部数据监控系统建立数据连接。

进一步的，所述的透明实验井筒的竖直井筒内径为水平充气井筒内径的0.3—0.6倍，同时所述透明实验井筒内设隔离薄膜，所述隔离薄膜与透明实验井筒同轴分布，且透明实验井筒的瓦斯爆炸区和传播区之间通过一个隔离薄膜相互隔离。

进一步的，所述的透明实验井筒外另设承载支座、导气阀、尾气收集阀及尾气回收罐，所述承载支座包括减震支座、减震弹簧、弹性铰链、防护侧板及底板，其中所述底板侧表面与一个防护侧板间通过弹性铰链铰接，且防护侧板及底板间板面呈60°—120°夹角，所述防护侧板及底板上端面均设若干沿防护侧板及底板轴线方向均布的至少两个减震支座，所述减震支座下端面与防护侧板及底板间通过滑轨滑动连接，其中底座上端面通过减震支座与透明实验井筒的水平充气井筒外表面连接，防护侧板前端面通过减震支座与透明实验井筒的竖直井筒外侧面连接，且所述减震支座中，相邻两个减震支座间通过1—4条减震弹簧连接，所述减震弹簧两端分别与减震支座侧表面铰接，并呈30°—120°夹角，同时分别与其对应的防护侧板及底板前端面平行分布，所述尾气收集阀、尾气回收罐与底板外侧面连接，其中尾气收集阀通过导流支管与透明实验井筒侧表面连通，且尾气收集阀与透明实验井筒侧表面连通位置不少于2个，所述尾气回收罐通过导气阀与尾气收集阀连通。

一种智能化煤矿风井防爆门实验装置的使用方法，包括如下步骤：

S1，设备组装，首先对以实际矿井结构为依据，然后按照1：10—100比例进行等比例缩小，并构建透明实验井筒、风硐、防爆门、电磁锁扣、配气机构、压力检测机构、高速摄影机构、点火机构、配重机构、调节风机及数据采集机构，并对其组装，得到矿井仿真实验模型；

S2,爆炸预设，在完成S1步骤后，首先驱动配气机构运行，由配气机构首先及透明实验井筒外的尾气收集阀运行，向透明实验井筒内输送压力为2—5倍的高压气体，对透明实验井筒及透明实验井筒内防爆门及隔离薄膜构成的腔体密封性能进行保压检测，且保压时间为1—10小时，在保压测试过程中同时驱动压力检测机构、高速摄影机构运行且均可稳定运行，同时在保压检测合格后将透明实验井筒内气压恢复至常压，然后驱动配气机构向透明实验井筒同时输入空气和甲烷气体的混合气体，其中通时间为15—30分钟，通气量为瓦斯爆炸区体积的3—7倍，并同时驱动压力检测机构、高速摄影机构同步运行，最后在输送过程中根据矿井内实际参数对透明实验井筒内空气、甲烷气体的输送流量、甲烷气体浓度、压力进行调节仿真，并在达到设定参数后进行保压作业，同时工作人员后撤至安全位置；

S3，爆炸试验，完成S2步骤后，首先调节点火机构点火能量及点火时间，然后驱动点火装置按照设定参数对透明实验井筒水平充气井筒的瓦斯爆炸区进行点火引爆，在引爆作业后一方面通过压力检测机构对引爆后透明实验井筒压力变化状态进行检测；另一方通过高速摄影机构对引爆后的气流 、火焰传播方向进行检测，并将检测结果反馈至数据采集机构即可完成试验作业。

进一步的，所述的S2和S3步骤中，一方面通过配重机构实现对防爆门进行辅助开合操作，调节试验状态；另一方面通过电磁锁扣的电磁驱动力，调整防爆门的闭合作用力，调节防爆门防爆作用力。

本发明一方面系统结构简单，使用灵活方便，仿真程度高，运行自动化程度高，有效模拟多种条件下矿井防爆门防爆作业检测试验的需要，通用性及设备运行安全性好；另一方面检测作业精度高、检测数据获取全面，可有效实现对矿井内爆炸发生时防爆门运行状态检测的同时，另可对矿井发生爆炸时的气流、火焰传播速度、方向进行全面检测，从而有效的提高了矿井防爆试验的全面性、可靠性和安全性，且检测作业可有效实现远程操控调节，有效的降低人工操作时的劳动强度及安全隐患。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；

图1为本发明系统运行原理结构示意图；

图2为本发明系统结构示意图；

图3为电磁锁扣结构示意图；

图4为配气机构结构示意图；

图5为压力检测机构结构示意图；

图6为高速摄影机构结构示意图；

图7为数据采集机构原理结构示意图；

图8为本发明方法流程示意图；

图9为测得在瓦斯浓度为8.5%时压力数据。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于施工，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

如图1—7所示，一种智能化煤矿风井防爆门实验装置，包括透明实验井筒1、风硐2、防爆门3、电磁锁扣4、配气机构5、压力检测机构6、高速摄影机构7、点火机构8、配重机构9、调节风机10及数据采集机构11，其中透明实验井筒1包括竖直井筒101、水平充气井筒102，其中水平充气井筒102轴线与水平面平行分布，其前端面与竖直井筒101下端面连接并同轴分布，后端面与配气机构5连通，透明实验井筒1内设瓦斯爆炸区103和传播区104，其中瓦斯爆炸区103位于水平充气井筒102后端面位置，点火机构8嵌于水平充气井筒102后端面内，位于瓦斯爆炸区103内并与配气机构5连通，竖直井筒101侧壁设一个旁路支口105，并通过旁路支口105与风硐2连通，风硐2轴线与竖直井筒101轴线相交并呈30°—60°夹角，风硐2另与调节风机10连通，防爆门3嵌于竖直井筒101内，与竖直井筒101同轴分布并与竖直井筒101侧壁滑动连接，防爆门3上端面与配重机构9连接，下端面与电磁锁扣4连接，电磁锁扣4嵌于竖直井筒101内，与竖直井筒101同轴分布，并与防爆门3下端面连接，透明实验井筒1外表面设若干观测点12，且各观测点12沿透明实验井筒1轴线方向分布，其中水平充气井筒102的后前端面及后端面位置均设一个观测点12，竖直井筒101的旁路支口105上方及下方的竖直井筒101侧壁位置均设一个观测点12，且位于旁路支口105上方的观测点12位于电磁锁扣4下方，高速摄影机构7数量与观测点12数量一致，每个观测点12均设一个高速摄影机构7，高速摄影机构7轴线与透明实验井筒1轴线相交并呈10°—120°夹角，压力检测机构6若干，沿透明实验井筒1轴线均布在透明实验井筒1内侧面，配重机构9和数据采集机构11均位于透明实验井筒1外，数据采集机构11分别与电磁锁扣4、配气机构5、压力检测机构6、高速摄影机构7、点火机构8、配重机构9、调节风机10电气连接。

本实施例中，所述电磁锁扣4包括承载基座41、定位电磁铁42、承载弹簧43、衔铁44，其中所述承载基座41为与竖直井筒同轴分布的闭合环状结构，其上端面设横断面呈“凵”字形并与竖直井筒101同轴分布的承载槽45，所述定位电磁铁42至少三个，嵌于承载槽45内并环绕竖直井筒101轴线均布，且所述定位电磁铁42上端面比承载基座41上端面低0—50毫米，所述定位电磁铁42上端面于一个承载弹簧43连接并同轴分布，且所述承载弹簧43上端面与一个衔铁44连接，所述衔铁44下端面与承载弹簧43上端面相抵并与承载弹簧43同轴分布，且衔铁44嵌于承载槽45内并与承载槽45底部平行分布，所述衔铁44上端面与防爆门3下端面连接，并与防爆门3下端面平齐分布。

重点说明的，所述配重机构9包括机架91、导向臂92、轮架93、导向轮94、牵引绳95、承载托盘96、导向柱97、配重块98、牵引电机99、扭矩传感器90，所述机架91为横断面呈矩形的框架结构，与透明实验井筒1外表面连接，所述导向臂92与机架91上端面间通过棘轮机构91铰接，且导向臂92轴线与机架91轴线相交并呈0°—180°夹角，所述导向臂92长度为机架91宽度的至少1.5倍，所述导向轮94至少三个，通过轮架93嵌于导向臂92上端面内并沿导向臂92轴线方向均布，且所述导向轮94中其中一个位于导向臂92前端面，另一个位于导向臂92后端面位置，所述牵引绳95通过导向轮94与导向臂92连接，且所述牵引绳95前端面嵌于透明实验井筒1内，与透明实验井筒1同轴分布并与防爆门3上端面连接，牵引绳95后端面位于透明实验井筒1外，与导向柱97上端面连接并同轴分布，所述导向柱97为轴向截面呈矩形的柱状结构，其下端面与承载托盘96上端面连接并垂直分布，所述承载托盘96为横断面呈“凵”字形槽状结构，所述配重块98至少一个，为“C”字形圆弧结构，与承载托盘96上端面连接，包覆在导向柱97外并于导向柱97同轴分布，且各配重块沿导向柱97轴线方向从下向上均布，所述牵引电机99与导向臂92外表面连接，并与透明实验井筒1外侧一端位置的导向轮94间通过联轴器连接，且该导向轮94另与一个扭矩传感器90连接，所述牵引电机99、扭矩传感器90均与数据采集机构11电气连接。

同时，所述的配气机构5包括承载架51、空气压缩机52、调压泵53、甲烷存储钢瓶54、流量传感器55、气压传感器56、主供气管57、辅助供气管58、导气头59，所述承载架51为横断面呈矩形的框架结构，所述空气压缩机52和至少一个甲烷存储钢瓶54均嵌于承载架51内，所述空气压缩机52、甲烷存储钢瓶54均与承载架51底部间通过滑槽50滑动连接，所述调压泵53、流量传感器55、气压传感器56均与承载架51顶部的下端面连接，并分别与主供气管57、辅助供气管58连接，其中所述主供气管57与辅助供气管58间并联，主供气管57与辅助供气管58前端面同时与导气头59连通，主供气管57后端面通过控制阀13与空气压缩机50连通，所述辅助供气管58后端面通过控制阀13与甲烷存储钢瓶54连通，所述导气头59嵌于水平充气井筒102后端面并与水平充气井筒102连通，所述导气头59包括定位环591、主射流喷口592、辅助射流喷593口及分流管594，其中所述定位环591为闭合环状结构，其轴线与水平充气井筒102轴线呈0°—60°夹角，所述主射流喷口592嵌于定位环591内，与定位环591同轴分布并与定位环591内侧面连接，且主射流喷口592后端面通过控制阀13与主供气管57连通，所述辅助射流喷58口至少两个，嵌于定位环591与主射流喷口57之间位置并环绕主射流喷口592轴线均布，且所述辅助射流喷口593轴线与主射流喷口592呈0°—120°夹角，各辅助射流喷口592间相互并联，并分别通过控制阀13与分流管594连通，所述分流管594与定位环591后端面连接并通过控制阀13与辅助供气管58连通。

本实施例中，所述的压力检测机构6包括气压传感器61、温度传感器62及基座63，所述基座63与透明实验井筒1内表面连接，基座63前端面与一个气压传感器61、温度传感器62连接；所述高速摄影机构7包括转台机构71、高速摄像机72及倾角传感器73，所述高速摄像机72与转台机构71连接，并通过转台机构71与透明实验井筒1外表面连接，所述高速摄像机72外表面设一个倾角传感器73。

本实施例中，所述的数据采集机构11包括数据处理计算机系统、基于工业计算机的执行控制系统、通讯网关、光电转换器，其中所述数据处理计算机系统分别与通讯网关、光电转换器电气连接，所述数据处理计算机系统通过光电转换器另与基于工业计算机的执行控制系统间建立数据连接，同时通过通讯网关与外部数据监控系统建立数据连接。

进一步优化的，所述的透明实验井筒1的竖直井筒101内径为水平充气井筒102内径的0.3—0.6倍，同时所述透明实验井筒1内设隔离薄膜106，所述隔离薄膜106与透明实验井筒1同轴分布，且透明实验井筒101的瓦斯爆炸区103和传播区104之间通过一个隔离薄膜106相互隔离。

特别说明的，所述的透明实验井筒1外另设承载支座201、导气阀202、尾气收集阀203及尾气回收罐204，所述承载支座201包括减震支座2011、减震弹簧2012、弹性铰链2013、防护侧板2014及底板2015，其中所述底板2015侧表面与一个防护侧板2014间通过弹性铰链2013铰接，且防护侧板2014及底板间板1015面呈60°—120°夹角，所述防护侧板2014及底板2015上端面均设若干沿防护侧板2014及底板2015轴线方向均布的至少两个减震支座2011，所述减震支座2011下端面与防护侧板2014及底板间通过滑轨2016滑动连接，其中底座2015上端面通过减震支座2011与透明实验井筒1的水平充气井筒102外表面连接，防护侧板2014前端面通过减震支座2011与透明实验井筒1的竖直井筒101外侧面连接，且所述减震支座2011中，相邻两个减震支座2011间通过1—4条减震弹簧2012连接，所述减震弹簧2012两端分别与减震支座2011侧表面铰接，并呈30°—120°夹角，同时分别与其对应的防护侧板2014及底板2015前端面平行分布，所述尾气收集阀203、尾气回收罐204与底板2015外侧面连接，其中尾气收集阀203通过导流支管205与透明实验井筒1侧表面连通，且尾气收集阀203与透明实验井筒1侧表面连通位置不少于2个，所述尾气回收罐204通过导气阀202与尾气收集阀20连通。

优选的，透明实验井筒1、防爆门3与煤矿实际设备尺寸比例为1:15；透明实验井筒1采用有机玻璃材质。

优选的，压力检测机构运行时，对甲烷流量的量程为5L/min，对高压气体流量量程为20L/min；同时甲烷浓度为8.5%时甲烷和空气的流量，配气机构向透明实验井筒输送的甲烷气体实际流量为1.54L/min、高压空气流量为16.56 L/min。

优选的，点火机构驱动电压为6 V。

同时，数据采集机构中设数据采集卡，且数据采集卡采用USB-1608Plus，采集频率为15khz，用LABVIEW分析软件整合压力传感器接收到的压力信号并进行滤波处理。

如图8和9所示，一种智能化煤矿风井防爆门实验装置，包括如下步骤：

S1，设备组装，首先对以实际矿井结构为依据，然后按照1：10—100比例进行等比例缩小，并构建透明实验井筒、风硐、防爆门、电磁锁扣、配气机构、压力检测机构、高速摄影机构、点火机构、配重机构、调节风机及数据采集机构，并对其组装，得到矿井仿真实验模型；

S2,爆炸预设，在完成S1步骤后，首先驱动配气机构运行，由配气机构首先及透明实验井筒外的尾气收集阀运行，向透明实验井筒内输送压力为2—5倍的高压气体，对透明实验井筒及透明实验井筒内防爆门及隔离薄膜构成的腔体密封性能进行保压检测，且保压时间为1—10小时，在保压测试过程中同时驱动压力检测机构、高速摄影机构运行且均可稳定运行，同时在保压检测合格后将透明实验井筒内气压恢复至常压，然后驱动配气机构向透明实验井筒同时输入空气和甲烷气体的混合气体，其中通气时间为15—30分钟，通气量为瓦斯爆炸区体积的4.5—7倍，并同时驱动压力检测机构、高速摄影机构同步运行，最后在输送过程中根据矿井内实际参数对透明实验井筒内空气、甲烷气体的输送流量、甲烷气体浓度、压力进行调节仿真，并在达到设定参数后进行保压作业，同时工作人员后撤至安全位置；

S3，爆炸试验，完成S2步骤后，首先调节点火机构点火能量及点火时间，然后驱动点火装置按照设定参数对透明实验井筒水平充气井筒的瓦斯爆炸区进行点火引爆，在引爆作业后一方面通过压力检测机构对引爆后透明实验井筒压力变化状态进行检测；另一方通过高速摄影机构对引爆后的气流 、火焰传播方向进行检测，并将检测结果反馈至数据采集机构即可完成试验作业。

本实施例中，在进行爆炸试验时，瓦斯爆炸区内甲烷浓度为8.5%。

本实施例中，所述的S2和S3步骤中，一方面通过配重机构实现对防爆门进行辅助开合操作，调节试验状态；另一方面通过电磁锁扣的电磁驱动力，调整防爆门的闭合作用力，调节防爆门防爆作用力。

此外，本发明运行时，通过调节风机、配气机构及承载支座、导气阀、尾气收集阀、尾气回收罐间连通，实现对透明实验井筒内气流压力调节的同时，另对气流流动方向、流量进行仿真调节，并实现对尾气介质进行安全排放，提高试验作业的安全性；

与此同时，本发明在运行的过程中，首先由承载支座的减震支座、防护侧板及底板对透明实验井筒进行承载定位，然后进行爆炸作业即可；当透明实验井筒内进行气体爆炸作业时，对爆炸产生的冲击力一方面通过承载支座的减震支座、减震弹簧对爆炸作用力进行弹性吸收减震；另一方面通过弹性铰链实现防护侧板及底板之间进行弹性形变，从而进一步达到通过弹性形变对爆炸作用力进行弹性吸收减震，提高爆炸试验操作的安全性。

本发明一方面系统结构简单，使用灵活方便，仿真程度高，运行自动化程度高，有效模拟多种条件下矿井防爆门防爆作业检测试验的需要，通用性及设备运行安全性好；另一方面检测作业精度高、检测数据获取全面，可有效实现对矿井内爆炸发生时防爆门运行状态检测的同时，另可对矿井发生爆炸时的气流、火焰传播速度、方向进行全面检测，从而有效的提高了矿井防爆试验的全面性、可靠性和安全性，且检测作业可有效实现远程操控调节，有效的降低人工操作时的劳动强度及安全隐患。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种智能化煤矿风井防爆门实验装置，其特征在于：所述的智能化煤矿风井防爆门实验装置包括透明实验井筒、风硐、防爆门、电磁锁扣、配气机构、压力检测机构、高速摄影机构、点火机构、配重机构、调节风机及数据采集机构，其中所述透明实验井筒包括竖直井筒、水平充气井筒，其中所述水平充气井筒轴线与水平面平行分布，其前端面与竖直井筒下端面连接并同轴分布，后端面与配气机构连通，所述透明实验井筒内设瓦斯爆炸区和传播区，其中瓦斯爆炸区位于水平充气井筒后端面位置，所述点火机构嵌于水平充气井筒后端面内，位于瓦斯爆炸区内并与配气机构连通，所述竖直井筒侧壁设一个旁路支口，并通过旁路支口与风硐连通，所述风硐轴线与竖直井筒轴线相交并呈30°—60°夹角，且所述风硐另与调节风机连通，所述防爆门嵌于竖直井筒内，与竖直井筒同轴分布并与竖直井筒侧壁滑动连接，所述防爆门上端面与配重机构连接，下端面与电磁锁扣连接，所述电磁锁扣嵌于竖直井筒内，与竖直井筒同轴分布，并与防爆门下端面连接，所述透明实验井筒外表面设若干观测点，且各观测点沿透明实验井筒轴线方向分布，其中水平充气井筒的后前端面及后端面位置均设一个观测点，竖直井筒的旁路支口上方及下方的竖直井筒侧壁位置均设一个观测点，且位于旁路支口上方的观测点位于电磁锁扣下方，所述高速摄影机构数量与观测点数量一致，每个观测点均设一个高速摄影机构，且所述高速摄影机构轴线与透明实验井筒轴线相交并呈10°—120°夹角，所述压力检测机构若干，沿透明实验井筒轴线均布在透明实验井筒内侧面，所述配重机构和数据采集机构均位于透明实验井筒外，且所述数据采集机构分别与电磁锁扣、配气机构、压力检测机构、高速摄影机构、点火机构、配重机构、调节风机电气连接；所述的透明实验井筒外另设承载支座、导气阀、尾气收集阀及尾气回收罐，所述承载支座包括减震支座、减震弹簧、弹性铰链、防护侧板及底板，其中所述底板侧表面与一个防护侧板间通过弹性铰链铰接，且防护侧板及底板间板面呈60°—120°夹角，所述防护侧板及底板上端面均设若干沿防护侧板及底板轴线方向均布的至少两个减震支座，所述减震支座下端面与防护侧板及底板间通过滑轨滑动连接，其中底座上端面通过减震支座与透明实验井筒的水平充气井筒外表面连接，防护侧板前端面通过减震支座与透明实验井筒的竖直井筒外侧面连接，且所述减震支座中，相邻两个减震支座间通过1—4条减震弹簧连接，所述减震弹簧两端分别与减震支座侧表面铰接，并呈30°—120°夹角，同时分别与其对应的防护侧板及底板前端面平行分布，所述尾气收集阀、尾气回收罐与底板外侧面连接，其中尾气收集阀通过导流支管与透明实验井筒侧表面连通，且尾气收集阀与透明实验井筒侧表面连通位置不少于2个，所述尾气回收罐通过导气阀与尾气收集阀连通。

2.根据权利要求1所述的一种智能化煤矿风井防爆门实验装置，其特征在于：所述电磁锁扣包括承载基座、定位电磁铁、承载弹簧、衔铁，其中所述承载基座为与竖直井筒同轴分布的闭合环状结构，其上端面设横断面呈“凵”字形并与竖直井筒同轴分布的承载槽，所述定位电磁铁至少三个，嵌于承载槽内并环绕竖直井筒轴线均布，且所述定位电磁铁上端面比承载基座上端面低0—50毫米，所述定位电磁铁上端面于一个承载弹簧连接并同轴分布，且所述承载弹簧上端面与一个衔铁连接，所述衔铁下端面与承载弹簧上端面相抵并与承载弹簧同轴分布，且衔铁嵌于承载槽内并与承载槽底部平行分布，所述衔铁上端面与防爆门下端面连接，并与防爆门下端面平齐分布。

3.根据权利要求1所述的一种智能化煤矿风井防爆门实验装置，其特征在于：所述配重机构包括机架、导向臂、轮架、导向轮、牵引绳、承载托盘、导向柱、配重块、牵引电机、扭矩传感器，所述机架为横断面呈矩形的框架结构，与透明实验井筒外表面连接，所述导向臂与机架上端面间通过棘轮机构铰接，且导向臂轴线与机架轴线相交并呈0°—180°夹角，所述导向臂长度为机架宽度的至少1.5倍，所述导向轮至少三个，通过轮架嵌于导向臂上端面内并沿导向臂轴线方向均布，且所述导向轮中其中一个位于导向臂前端面，另一个位于导向臂后端面位置，所述牵引绳通过导向轮与导向臂连接，且所述牵引绳前端面嵌于透明实验井筒内，与透明实验井筒同轴分布并与防爆门上端面连接，牵引绳后端面位于透明实验井筒外，与导向柱上端面连接并同轴分布，所述导向柱为轴向截面呈矩形的柱状结构，其下端面与承载托盘上端面连接并垂直分布，所述承载托盘为横断面呈“凵”字形槽状结构，所述配重块至少一个，为“C”字形圆弧结构，与承载托盘上端面连接，包覆在导向柱外并于导向柱同轴分布，且各配重块沿导向柱轴线方向从下向上均布，所述牵引电机与导向臂外表面连接，并与透明实验井筒外侧一端位置的导向轮间通过联轴器连接，且该导向轮另与一个扭矩传感器连接，所述牵引电机、扭矩传感器均与数据采集机构电气连接。

4.据权利要求1所述的一种智能化煤矿风井防爆门实验装置，其特征在于：所述的配气机构包括承载架、空气压缩机、调压泵、甲烷存储钢瓶、流量传感器、气压传感器、主供气管、辅助供气管、导气头，所述承载架为横断面呈矩形的框架结构，所述空气压缩机和至少一个甲烷存储钢瓶均嵌于承载架内，所述空气压缩机、甲烷存储钢瓶均与承载架底部间通过滑槽滑动连接，所述调压泵、流量传感器、气压传感器均与承载架顶部的下端面连接，并分别与主供气管、辅助供气管连接，其中所述主供气管与辅助供气管间并联，主供气管与辅助供气管前端面同时与导气头连通，主供气管后端面通过控制阀与空气压缩机连通，所述辅助供气管后端面通过控制阀与甲烷存储钢瓶连通，所述导气头嵌于水平充气井筒后端面并与水平充气井筒连通，所述导气头包括定位环、主射流喷口、辅助射流喷口及分流管，其中所述定位环为闭合环状结构，其轴线与水平充气井筒轴线呈0°—60°夹角，所述主射流喷口嵌于定位环内，与定位环同轴分布并与定位环内侧面连接，且主射流喷口后端面通过控制阀与主供气管连通，所述辅助射流喷口至少两个，嵌于定位环与主射流喷口之间位置并环绕主射流喷口轴线均布，且所述辅助射流喷口轴线与主射流喷口呈0°—120°夹角，各辅助射流喷口间相互并联，并分别通过控制阀与分流管连通，所述分流管与定位环后端面连接并通过控制阀与辅助供气管连通。

5.根据权利要求1所述的一种智能化煤矿风井防爆门实验装置，其特征在于：所述的压力检测机构包括气压传感器、温度传感器及基座，所述基座与透明实验井筒内表面连接，基座前端面与一个气压传感器、温度传感器连接；所述高速摄影机构包括转台机构、高速摄像机及倾角传感器，所述高速摄像机与转台机构连接，并通过转台机构与透明实验井筒外表面连接，所述高速摄像机外表面设一个倾角传感器。

6.根据权利要求1所述的一种智能化煤矿风井防爆门实验装置，其特征在于：所述的数据采集机构包括数据处理计算机系统、基于工业计算机的执行控制系统、通讯网关、光电转换器，其中所述数据处理计算机系统分别与通讯网关、光电转换器电气连接，所述数据处理计算机系统通过光电转换器另与基于工业计算机的执行控制系统间建立数据连接，同时通过通讯网关与外部数据监控系统建立数据连接。

7.根据权利要求1所述的一种智能化煤矿风井防爆门实验装置，其特征在于：所述的透明实验井筒的竖直井筒内径为水平充气井筒内径的0.3—0.6倍，同时所述透明实验井筒内设隔离薄膜，所述隔离薄膜与透明实验井筒同轴分布，且透明实验井筒的瓦斯爆炸区和传播区之间通过一个隔离薄膜相互隔离。

8.基于权利要求1所述的一种智能化煤矿风井防爆门实验装置的使用方法，其特征在于，所述的智能化煤矿风井防爆门实验装置的使用方法包括如下步骤：

S1，设备组装，首先对以实际矿井结构为依据，然后按照1：10—100比例进行等比例缩小，并构建透明实验井筒、风硐、防爆门、电磁锁扣、配气机构、压力检测机构、高速摄影机构、点火机构、配重机构、调节风机及数据采集机构，并对其组装，得到矿井仿真实验模型；

S2,爆炸预设，在完成S1步骤后，首先驱动配气机构运行，由配气机构首先及透明实验井筒外的尾气收集阀运行，向透明实验井筒内输送压力为2—5倍的高压气体，对透明实验井筒及透明实验井筒内防爆门及各隔离薄膜构成的腔体密封性能进行保压检测，且保压时间为1—10小时，在保压测试过程中同时驱动压力检测机构、高速摄影机构运行且均可稳定运行，同时在保压检测合格后将透明实验井筒内气压恢复至常压，然后驱动配气机构向透明实验井筒同时输入空气和甲烷气体的混合气体，其中通气时间为15—30分钟，通气量为传瓦斯爆炸区体积的4.5—7倍，并同时驱动压力检测机构、高速摄影机构同步运行，最后在输送过程中根据矿井内实际参数对透明实验井筒内空气、甲烷气体的输送流量、甲烷气体浓度、压力进行调节仿真，并在达到设定参数后进行保压作业，同时工作人员后撤至安全位置；

S3，爆炸试验，完成S2步骤后，首先调节点火机构点火能量及点火时间，然后驱动点火装置按照设定参数对透明实验井筒水平充气井筒的瓦斯爆炸区进行点火引爆，在引爆作业后一方面通过压力检测机构对引爆后透明实验井筒压力变化状态进行检测；另一方通过高速摄影机构对引爆后的气流 、火焰传播方向进行检测，并将检测结果反馈至数据采集机构即可完成试验作业。

9.根据权利要求8所述的一种智能化煤矿风井防爆门实验装置的使用方法，其特征在于，所述的S2和S3步骤中，一方面通过配重机构实现对防爆门进行辅助开合操作，调节试验状态；另一方面通过电磁锁扣的电磁驱动力，调整防爆门的闭合作用力，调节防爆门防爆作用力。

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