一种煤矿瓦斯爆炸冲击波加速机制试验方法与流程

本发明涉及一种煤矿瓦斯爆炸机理研究方法，尤其是涉及一种煤矿瓦斯爆炸冲击波加速机制试验方法。

背景技术：

瓦斯爆炸作为主要煤矿灾害之一，其是在极短时间内大量煤炭开采过程中释放出来的瓦斯气体富集，达到爆炸极限5％～16％，遇到火源形成高温高压冲击波向外传播，并伴有巨大声响，对巷道、支护、设备装置造成严重的破坏，并造成大量的人员伤亡。瓦斯爆炸形成的冲击波和火焰特性是决定瓦斯爆炸事故破坏程度的主要因素。目前，我国的煤矿95％为井工开采，在724处国有重点煤矿中，高瓦斯矿井占有152处，占比21％，据统计，建国以来煤矿死亡人数超过100人的灾害事故统计表，由于瓦斯爆炸导致的死亡人数约占82％。为什么瓦斯爆炸事故一发生就是重特大事故，为什么会造成那么大的井下设施设备损失和人员伤亡。为此，开展瓦斯爆炸在煤矿井下传播加速特性研究具有重要价值，为研究瓦斯爆炸致灾机理和进一步的抑制瓦斯爆炸传播研究具有重要意义。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供一种煤矿瓦斯爆炸冲击波加速机制试验方法，可研究煤矿瓦斯爆炸冲击在传播过程中遇到各种障碍物和多障碍物叠加后的冲击增强加速机制。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种煤矿瓦斯爆炸冲击波加速机制试验方法，其包括

(1)将管道、法兰盘、螺栓螺母、压力传感器、火焰传感器、排气口、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、障碍片、膜片和钢片连接成试验系统；

其中，所述膜片将试验系统分成预混加速段和冲击传播段两部分，且膜片为聚乙烯材料，膜片厚度为0.5～2mm，膜片直径比管道直径大1～3cm；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；所述交流电源为24～48v交流电；

(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，开启真空泵对预混加速段进行抽真空；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，设置压力传感器和火焰传感器的触发参数，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，在电极处发生爆炸，爆炸冲击波经过障碍片产生湍流进一步增强，在冲破膜片后沿冲击传播段传播，期间触发动态数据采集器进行压力信号和火焰信号采集；上位机保存管道内各位置的压力传感器和火焰传感器采集的数据信息；

(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；

(9)通过对上位机内保存的压力数据信息和火焰数据信息进行分析和处理，找到压力信号和火焰信号在经过不同障碍片的增强规律以及压力信号和火焰信号在冲击传播段的变化规律。

进一步，所述障碍片由在圆环铁盘内焊接方形铁片构成，可开展不同障碍物条件下爆炸冲击波加速特性，其中圆环铁盘直径等于管道直径，圆环铁盘上设有与法兰盘上对应的螺栓孔；且障碍片在预混加速段内设置2～5片，每两障碍片之间设置两个压力传感器和两个火焰传感器，且此两个压力传感器之间距离为3～10cm、此两个火焰传感器之间距离为3～10cm，这样通过两个压力传感器之间的距离和冲击波通过此两个压力传感器的时间差之比就可算出冲击波传播速度，同理可算出火焰传播速度。

进一步，所述高纯甲烷气瓶内的甲烷纯度大于等于99.99％，为精确爆炸初始条件提供依据。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种简单高效的瓦斯爆炸试验系统及开展瓦斯爆炸冲击波在传播过程中进一步增强加速的试验方法；通过设置不同障碍物和不同障碍物叠加组合，可研究煤矿瓦斯爆炸冲击在传播过程中遇到各种障碍物和多障碍物叠加后的冲击增强加速机制。

附图说明

图1为本发明的试验系统结构示意图。

图2为障碍片几种形式的示意图。

图3为膜片和钢片示意图。

其中：1-管道；2-法兰盘；3-螺栓螺母；4-压力传感器；5-火焰传感器；6-排气口；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-障碍片；22-膜片；23-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。

作为实施例，一种煤矿瓦斯爆炸冲击波加速机制试验方法，其具体步骤包括：

(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、火焰传感器5、排气口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、障碍片21、膜片22和钢片23连接成试验系统；

其中，膜片22将试验系统分成预混加速段和冲击传播段两部分，且膜片22为聚乙烯材料，膜片22厚度为0.5～2mm，膜片22直径比管道1直径大1～3cm，如图3所示；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；交流电源8为24～48v交流电，为熔丝提供点火能；高纯甲烷气瓶11内的甲烷纯度大于等于99.99％，为精确爆炸初始条件提供依据；障碍片21由在圆环铁盘内焊接方形铁片构成(如图2所示为障碍片21的几种形式，即在不同的位置焊接不同形状大小的方形铁片或其组合，如211、212、213和214)，可开展不同障碍物条件下爆炸冲击波加速特性，其中圆环铁盘直径等于管道1直径，圆环铁盘上设有与法兰盘2上对应的螺栓孔；且障碍片21在预混加速段内设置2～5片，每两障碍片21之间设置两个压力传感器4和两个火焰传感器5，且此两个压力传感器4之间距离为3～10cm、此两个火焰传感器5之间距离为3～10cm，这样通过两个压力传感器4之间的距离和冲击波通过此两个压力传感器4的时间差之比就可算出冲击波传播速度，同理可算出火焰传播速度；

(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对预混加速段进行抽真空；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和火焰传感器5的触发参数，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6的关闭状态，开启交流电源8对电极7进行点火，在电极7处发生爆炸，爆炸冲击波经过障碍片21产生湍流进一步增强，在冲破膜片22后沿冲击传播段传播，期间触发动态数据采集器19进行压力信号和火焰信号采集；上位机20保存管道内各位置的压力传感器4和火焰传感器5采集的数据信息；

(7)开启排气口6，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144和排气口6；

(8)切断所有电源，或更换膜片22和电极7之间的熔丝后按(2)～(7)进行下一次试验；

(9)通过对上位机20内保存的压力数据信息和火焰数据信息进行分析和处理，找到压力信号和火焰信号在经过不同障碍片21的增强规律以及压力信号和火焰信号在冲击传播段的变化规律。

作为上述实施例的补充，钢片23(如图3所示)安装于官道上开展的是闭口试验，钢片23也可以取下，开展开口条件下爆炸冲击波传播试验。

最后应当说明的是，以上所述仅是本发明的技术方案，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变换，仍在本发明技术方案的保护范围内。