本发明涉及一种CO2与真空腔耦合的瓦斯抽采管路抑爆实验系统及方法。适用于易燃易爆的煤矿低浓度瓦斯抽采管道。
背景技术：
目前国内，煤矿开采深度越来越深，机械化程度逐步提高，开采强度不断增大，瓦斯涌出量将进一步增大，瓦斯灾害治理仍然是煤矿灾害防治的重点。我国预防煤矿瓦斯事故除监控、抽放技术措施之外，抑爆、抑爆技术也是有效的减弱和控制瓦斯爆炸的重要手段。从国内煤矿瓦斯爆炸减灾技术应用来看，煤矿隔爆抑爆装置，如隔爆水槽、水袋、岩粉棚等得到广泛应用，在煤矿及其他工业爆炸防治中发挥了一定作用。但是，此类被动式隔爆技术对火焰只起到降温作用，效果不理想，缺乏对湍流场的抑制作用，在实际使用中占用空间大、动作的不确定性大，对爆炸产生的冲击波缺少有效的抑制作用。因此，我们需要研究能够快速主动响应瓦斯爆炸、而且对爆炸产生的火焰和冲击波都能够起到有效抑制和阻隔作用的新型瓦斯爆炸抑爆技术。
专利200710020127.X中提出了通过燃气管道一侧加真空腔、法兰盘和弱面材料来抑制管道内可燃物爆炸传播。
技术实现要素：
发明目的：针对上述现有技术，提出CO2与真空腔耦合的瓦斯抽采管路抑爆实验系统及方法，便于研究CO2气体对瓦斯抽采管路的抑爆效果。
技术方案：一种CO2与真空腔耦合的瓦斯抽采管路抑爆实验系统，包括试验管道、点火装置、真空腔、弱面层、第一真空泵、第二真空泵、第一真空计、第二真空计、火焰速度测试系统、以及压力测试系统；
所述真空腔设置在所述试验管道的侧面，并通过法兰盘与所述试验管道连通，所述弱面层设置在连通处，所述真空腔通过阀门连接CO2气体钢瓶；所述点火装置设置在所述试验管道的一端，所述点火装置的点火端置于所述试验管道内，试验管道与点火装置连接处密封，试验管道的另一端用纸片密封，所述试验管道上设有充气接口；所述第一真空泵和第一真空计连接所述真空腔，所述第二真空泵和第二真空计连接所述试验管道；所述火焰速度测试系统、以及压力测试系统均设置在所述试验管道的侧面，其传感器布置在所述试验管道的内壁上。
进一步的，还包括甲烷-空气预混气体配置装置，所述甲烷-空气预混气体配置装置包括带有阀门的球形塑料气囊，所述球形塑料气囊通过阀门连接所述试验管道上的充气接口，所述球形塑料气囊还通过阀门连接甲烷储气罐以及空气压缩机，所述球形塑料气囊上设有甲烷浓度检测计。
进一步的，所述试验管道和真空腔均由厚度为1cm的钢板形成。
进一步的，所述弱面层为聚四氟乙烯薄膜。
一种CO2与真空腔耦合的瓦斯抽采管路抑爆实验系统的实验方法，包括如下步骤：
(1)，首先对试验管道进行排气和除湿，然后检查试验管道的气密性；
(2)，首先将甲烷储气罐内高压气体卸压到所述球形塑料气囊内，再控制所述空气压缩机注入空气，通过甲烷浓度检测计测量球形塑料气囊内的浓度，直至所述球形塑料气囊内甲烷浓度为10％；
(3)，通过所述第一真空泵对真空腔进行抽真空，观察第一真空计的读数，当真空腔(3)的负压达到真空度预设阈值A时，关闭第一真空泵与真空腔的连接阀门；
(4)，打开所述CO2气体钢瓶，利用真空腔的负压将CO2气体抽入真空腔内，并通过调节CO2气体钢瓶与真空腔连接阀门的开度来控制充入CO2气体的量，直至第一真空计的读数达到预设阈值B时完全关闭阀门；
(5)，对试验管道抽真空至第二真空计读数为-0.1MPa，然后打开所述球形塑料气囊与所述试验管道的连接阀门，向试验管道中注入预先配制好的甲烷-空气混合气体，直至所述第二真空计读数回零为止；
(6)，点火爆炸之前，记录下第一真空计的读数、弱面层的厚度、CO2的通入量，通过点火装置点燃试验管道内的甲烷-空气混合气体，完成一次爆炸试验；
(7)，每次爆炸结束后，读取火焰速度测试系统和压力测试系统检测的数据，检查弱面层是否破裂，并且在更换新的弱面材料之后，重复步骤(1)至(6)。
进一步的，所述步骤中，对真空腔进行抽真空时，预设阈值A的取值为-0.1～-0.01MPa。
进一步的，所述步骤(4)中，预设阈值B的取值为-0.09～0MPa。
进一步的，不同次试验过程中，所述步骤(4)中CO2通入量在-0.09～0MPa范围内调整，调整间隔值为0.01MPa；不同次试验过程中，弱面材料厚度调整范围为0.15～0.3mm，调整间隔值为0.01mm。
有益效果：为了研究采用CO2与真空腔耦合抑爆的灭火、泄压效果，本发明提出了一种CO2与真空腔耦合的瓦斯抽采管路抑爆实验系统及方法。CO2是一种对瓦斯气体爆炸具有很好抑制作用的惰性气体，能够有效阻断瓦斯爆炸的链式反应，当混合气体中CO2的浓度大于22.1％时，瓦斯的爆炸上限与下限重合，混合气体将不会发生瓦斯爆炸。真空腔是一种带有一定真空度的腔体，在管路内瓦斯发生爆炸的前驱冲击波作用下，真空腔的弱面材料能够迅速自动破裂，将爆炸火焰吸入腔内，产生抽吸作用。CO2与真空腔耦合抑爆技术，有效利用真空腔的抽吸作用，将CO2气体运用到瓦斯抽采管路的抑爆中。本发明的实验系统及方法能够便于论证真空腔内加入二氧化碳后真空腔的灭火、泄压性能的提高，并便于实验分析真空腔CO2注入量、真空度与灭火性能的关系。
附图说明
图1是燃气爆炸火焰捕获抑爆装置实验系统图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所示，一种CO2与真空腔耦合的瓦斯抽采管路抑爆实验系统，包括试验管道1、点火装置2、真空腔3、弱面层4、第一真空泵5、第二真空泵6、第一真空计7、第二真空计8、火焰速度测试系统9、压力测试系统10、以及甲烷-空气预混气体配置装置。
其中，试验管道1和真空腔3均由厚度为1cm的钢板形成，真空腔3设置在试验管道1的侧面，并通过法兰盘与试验管道1连通；弱面层4设置在连通处，弱面层4为聚四氟乙烯薄膜；真空腔3通过阀门连接CO2气体钢瓶。真空腔是一种带有一定真空度的腔体，其对火焰有一定的熄灭作用，同时，能较好的降低爆炸所产生的超压。
点火装置2设置在试验管道1的一端，点火装置2的点火端置于试验管道1内，试验管道1与点火装置2连接处密封，试验管道的另一端用用涂有凡士林的纸片密封，防止爆炸气体逸散到空气中。试验管道1上设有充气接口。第一真空泵5和第一真空计7连接真空腔3，第二真空泵6和第二真空计8连接试验管道1。火焰速度测试系统9、以及压力测试系统10均设置在试验管道1的侧面，其传感器布置在试验管道1的内壁上。
甲烷-空气预混气体配置装置包括带有阀门的球形塑料气囊。球形塑料气囊通过阀门连接试验管道1上的充气接口，球形塑料气囊还通过另外的阀门连接甲烷储气罐以及空气压缩机，球形塑料气囊上设有甲烷浓度检测计。
本实施例中，真空泵型号为ZK70，主要用于将管道及真空腔抽真空；真空计为真空压力表，量程是-0.10MPa；火焰速度测试系统9采用型号为A710/IR3的三波段红外火焰传感器；压力测试系统10采用型号为MPX53的压力传感器；点火装置位于管道首端，用于将管道内的瓦斯点燃，从而模拟管道内的瓦斯爆炸反应。
如上述CO2与真空腔耦合的瓦斯抽采管路抑爆实验系统的实验方法，包括如下步骤：
(1)，试验管道和真空腔的气密性检查。在实验前首先对管道进行排气和除湿，以保证充入甲烷-空气预混气体前试验管道1是干燥的，废气是排尽的。然后检查试验管道1的气密性，可以选择向两端封闭的管道内充入空气，使管路内压力升至0.2MPa，观察真空压力表的读数，如果真空压力表读数稳定在0.2MPa，表明管路内气密性良好，如果压力表读数下降较快，则沿试验管道检查。
(2)，配气。首先将甲烷储气罐内高压气体卸压到球形塑料气囊内，再控制空气压缩机注入空气，通过甲烷浓度检测计测量球形塑料气囊内的浓度，直至球形塑料气囊内甲烷浓度为10％。每次尽量配满整个球形塑料气囊，以便进行多次有、无真空腔的管道内同浓度瓦斯爆炸实验的比较。
(3)，真空腔内抽真空。在试验管道1侧翼安装真空腔和嵌有聚四氟乙烯薄膜的法兰盘，然后通过第一真空泵5对真空腔3进行抽真空，观察第一真空计7的读数，当真空腔3的负压达到真空度预设阈值A时，关闭第一真空泵5与真空腔3的连接阀门。其中，预设阈值A的取值为-0.1～-0.01MPa。
(4)，真空腔内充入CO2气体。打开CO2气体钢瓶，利用真空腔的负压将CO2气体抽入真空腔,3内，并通过调节CO2气体钢瓶与真空腔3连接阀门的开度来控制充入CO2气体的量，直至第一真空计7的读数达到预设阈值B时完全关闭阀门。其中，预设阈值B的取值为-0.09～0MPa。不同次试验过程中，CO2依次调整间隔值为0.01MPa。
(5)，试验管道1内充入爆炸气体。对试验管道1抽真空至第二真空计8读数为-0.1MPa，然后打开球形塑料气囊与所述试验管道的连接阀门，向试验管道中注入预先配制好的甲烷-空气混合气体，直至第二真空计8读数回零为止。此时试验管道1内是一定浓度的甲烷-空气混合气体，真空腔内介质处于一定的真空度。
(6)，点火爆炸之前，记录下第一真空计,7的读数、弱面层4的厚度、CO2的通入量，通过点火装置2点燃试验管道1内的甲烷-空气混合气体，完成一次爆炸试验。CO2的通入量以真空压力的形式衡量，例如，步骤(3)中将真空腔抽真空-0.09MPa，然后通CO2至真空腔内压力为-0.06MPa时，通入的CO2量为-0.03MPa。
(7)，每次爆炸结束后，通过单片机或PLC系统读取火焰速度测试系统,9和压力测试系统10检测的数据，然后检查弱面层是否破裂以及分析抑爆灭火效果，并且在更换新的弱面材料之后，重复步骤(1)至(6)。其中，不同次试验过程中，弱面材料厚度调整范围为0.15～0.3mm，调整间隔值为0.01mm。
本发明采用真空腔与CO2耦合抑爆，同时兼并了真空腔的抽吸作用灭火和CO2窒息作用灭火的两种优点，并且经过实验验证，表明腔内加入二氧化碳后，能提高真空腔的灭火性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。