一种腔体结构抑制煤矿井下瓦斯爆炸的试验方法与流程

本发明涉及煤矿瓦斯灾害治理领域，尤其是涉及一种腔体结构抑制煤矿井下瓦斯爆炸的试验方法。

背景技术：

能源是社会进步和经济发展的基础，我国已探明的煤炭资源位居世界前列，并且在我国一次能源消费中，煤炭约占70％。据预测，到2050年，煤炭占我国能源消费比例仍不低于50％。目前，在724处国有重点煤矿中，高瓦斯矿井占有152处，占比21％，随着开采深度的增加，地质构造和开采条件越来越复杂，地压、瓦斯、地温也相应增加，冲击地压、煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸等灾害事故也时有发生。据统计，建国以来煤矿死亡人数超过100人的灾害事故中，由瓦斯爆炸导致的死亡人数约占比82％。因此，为降低瓦斯爆炸灾害事故后果，有必要开展如何降低瓦斯爆炸后果严重性研究，为煤矿瓦斯灾害治理提供新思路和新对策。

技术实现要素：

针对上述涉及的技术问题，本发明目的在于提供一种腔体结构抑制煤矿井下瓦斯爆炸的试验方法，其可以定量研究不同瓦斯爆炸强度下腔体结构抑制效果，以及不同腔体结构下对瓦斯爆炸冲击波抑制的效果。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种腔体结构抑制煤矿井下瓦斯爆炸的试验方法，其包括：

(1)将管道、法兰盘、螺栓螺母、压力传感器、腔体结构、耗能材料、电极、交流电源、真空泵、数字真空表、高纯甲烷气瓶、空压机、循环泵、压气阀、吸气阀、进气阀、第一循环阀、第二循环阀、动态数据采集器、上位机、加速片、钢片连接成试验系统，加入膜片将试验系统分成预混加速段和冲击传播段两部分；将各组件调试准确，并处于准备工作状态；

(2)按顺序先后开启压气阀和空压机，保持吸气阀、进气阀、第一循环阀和第二循环阀的关闭状态，检查预混加速段的气密性，在确定预混加速段不漏气后，按顺序先后关闭空压机和压气阀；

(3)开启数字真空表和吸气阀，保持压气阀、进气阀、第一循环阀和第二循环阀的关闭状态，开启真空泵进行抽真空；在达到试验需要真空度后关闭真空泵，开启进气阀和高纯甲烷气瓶进行甲烷气体配送，待充入试验所需体积分数甲烷气体后，按顺序先后关闭高纯甲烷气瓶和进气阀；

(4)在开启第一循环阀和第二循环阀后，开启循环泵对预混加速段内甲烷和空气进行预混搅拌，在循环泵工作10～20min后关闭循环泵，后再关闭第一循环阀和第二循环阀；在检查预混加速段内混合气体处于大气压后，关闭吸气阀和数字真空表；

(5)开启动态数据采集器，在上位机中打开数据采集软件，设置压力传感器触发参数，并使动态数据采集器处于采集待触发状态；

(6)保持压气阀、吸气阀、进气阀、第一循环阀、第二循环阀和排气口的关闭状态，开启交流电源对电极进行点火，爆炸冲击波冲破膜片后沿冲击传播段传播，并触发动态数据采集器进行压力信号采集；上位机保存压力传感器采集的数据信息，并对腔体结构前后压力变化进行显示和处理；

(7)开启排气口，保持吸气阀、进气阀、第一循环阀和第二循环阀的关闭状态，按顺序先后开启压气阀和空压机，对成预混加速段和冲击传播段进行正压吹扫，去除内部废气，20～30min后按顺序先后关闭空压机、压气阀和排气口；

(8)切断所有电源，或更换膜片和电极之间的熔丝后按(2)～(7)进行下一次试验。

进一步，所述腔体结构为长方体内空结构，管道为圆形，腔体结构宽度为管道直径的1.5～5倍，腔体结构高度等于管道直径，腔体结构长度为管道直径的1.5～5倍。

进一步，所述耗能材料为金属丝网或泡沫铝材料，位于腔体结构内部，和腔体结构组合进一步消波抑爆。

进一步，所述电极为两根金属棒，一端连接交流电源，另一端连接熔丝，通过熔丝融化的能量起爆预混加速段内甲烷与空气混合气体；所述交流电源为24～48v交流电。

进一步，所述膜片为聚乙烯材料，膜片厚度为0.5～2mm，膜片直径比管道直径大1～3cm。

进一步，所述加速片为圆环结构，内环半径为管道半径的1/3～3/4，通过加速片增加湍流度来增强初始瓦斯爆炸冲击强度。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种更简便高效的瓦斯爆炸起爆方法，同时也为瓦斯爆炸试验提供了一种更安全可靠起爆能源的实现方法；通过本发明开展腔体结构抑爆试验能有效研究腔体结构对瓦斯爆炸在煤矿巷道内传播的衰减特性和腔体结构最佳抑爆参数，可为煤矿井下提供简单有效的降低瓦斯爆炸事故后果严重性的对策措施。

附图说明

图1为本发明的试验系统结构示意图。

图2为加速片、膜片和钢片示意图。

图3为电极实物图。

图4为排气口实物图。

其中：1-管道；2-法兰盘；3-螺栓螺母；4-压力传感器；5-腔体结构；6-耗能材料；7-电极；8-交流电源；9-真空泵；10-数字真空表；11-高纯甲烷气瓶；12-空压机；13-循环泵；14-压气阀；15-吸气阀；16-进气阀；17-第一循环阀；18-第二循环阀；19-动态数据采集器；20-上位机；21-排气口；31-加速片；32-膜片；33-钢片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。

一种腔体结构抑制煤矿井下瓦斯爆炸的试验方法，具体实施时，包括以下几步：

(1)如图1所示，将管道1、法兰盘2、螺栓螺母3、压力传感器4、腔体结构5、耗能材料6、电极7、交流电源8、真空泵9、数字真空表10、高纯甲烷气瓶11、空压机12、循环泵13、压气阀14、吸气阀15、进气阀16、第一循环阀17、第二循环阀18、动态数据采集器19、上位机20、加速片31、钢片33连接成试验系统，加入膜片32将试验系统分成预混加速段和冲击传播段两部分；将各组件调试准确，并处于准备工作状态；

其中，管道1为圆形，腔体结构5为长方体内空结构，腔体结构5宽度为管道1直径的1.5～5倍，腔体结构5高度等于管道1直径，腔体结构5长度为管道1直径的1.5～5倍；耗能材料6位于腔体结构5内部，且耗能材料6为金属丝网或泡沫铝材料，旨在和腔体结构5组合进一步消波抑爆；电极7为两根金属棒，一端连接交流电源8，另一端连接熔丝(如图3所示)，通过熔丝融化的能量起爆预混加速段内甲烷与空气混合气体；所述交流电源8为24～48v交流电；

加速片31、膜片32和钢片33的示意图如图2所示，其中膜片32为聚乙烯材料，膜片32厚度为0.5～2mm，膜片32直径比管道1直径大1～3cm；加速片31为圆环结构，内环半径为管道1半径的1/3～3/4，通过加速片32增加湍流度来增强初始瓦斯爆炸冲击强度；

(2)按顺序先后开启压气阀14和空压机12，保持吸气阀15、进气阀16、第一循环阀17和第二循环阀18的关闭状态，检查预混加速段的气密性，在确定预混加速段不漏气后，按顺序先后关闭空压机12和压气阀14；

(3)开启数字真空表10和吸气阀15，保持压气阀14、进气阀16、第一循环阀17和第二循环阀18的关闭状态，开启真空泵9进行抽真空；在达到试验需要真空度后关闭真空泵9，开启进气阀16和高纯甲烷气瓶11进行甲烷气体配送，待充入试验所需体积分数甲烷气体后，按顺序先后关闭高纯甲烷气瓶11和进气阀16；

(4)在开启第一循环阀17和第二循环阀18后，开启循环泵13对预混加速段内甲烷和空气进行预混搅拌，在循环泵13工作10～20min后关闭循环泵13，后再关闭第一循环阀17和第二循环阀18；在检查预混加速段内混合气体处于大气压后，关闭吸气阀15和数字真空表10；

(5)开启动态数据采集器19，在上位机20中打开数据采集软件，设置压力传感器4触发参数，并使动态数据采集器19处于采集待触发状态；

(6)保持压气阀14、吸气阀15、进气阀16、第一循环阀17、第二循环阀18和排气口21的关闭状态，开启交流电源8对电极7进行点火，爆炸冲击波冲破膜片32后沿冲击传播段传播，并触发动态数据采集器19进行压力信号采集；上位机20保存压力传感器4采集的数据信息，并对腔体结构5前后压力变化进行显示和处理；

(7)如图4所示，开启排气口21，保持吸气阀15、进气阀16、第一循环阀17和第二循环阀18的关闭状态，按顺序先后开启压气阀14和空压机12，对成预混加速段和冲击传播段进行正压吹扫，去除内部废气，20～30min后按顺序先后关闭空压机12、压气阀14和排气口21；

(8)切断所有电源，或更换膜片32和电极7之间的熔丝后按(2)～(7)进行下一次试验。

作为上述实施例的补充，内置耗能材料6的腔体结构5的数量可根据模拟实际煤矿井下的情况进行调整为一个腔体结构5或若干个腔体结构5。

最后应当说明的是，以上所述内容仅用于说明本发明的技术方案，而非对其保护范围作任何限制，凡是根据本发明技术方案进行的相关修改或等同替换，仍属于本发明技术方案的保护范围。