CN107796645B - 一种腔体结构对瓦斯爆轰消波效应的测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种腔体结构对瓦斯爆轰消波效应的测试方法。其将管道、法兰盘、螺栓螺母、腔体、压力传感器、火焰传感器、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、加速片、膜片、钢片、动态数据采集器、高速摄像仪、上位机连接成试验***开展试验；其中，腔体的材料为高强度透明有机玻璃，腔体一端为夹角120°～160°的锥角构造，加速片在预混加速段内设置3～6片，高速摄像仪每秒至少105帧。本发明可研究瓦斯爆轰在经过腔体结构前后冲击波传播速度、火焰传播速度和冲击强度衰减规律，探索腔体结构对瓦斯爆轰的消波效应。

Description

一种腔体结构对瓦斯爆轰消波效应的测试方法
技术领域
本发明涉及煤矿瓦斯灾害防治领域，尤其是涉及一种腔体结构对瓦斯爆轰消波效应的测试方法。
背景技术
据预测，到2050年，煤炭为我国能源消费的比重仍不低于50％，然而，随着煤炭开采深度的不断增加，煤炭开采过程中出现了一系列的问题，其中比较典型的就是瓦斯压力不断增加。在我国历年来的重特大煤矿事故中，瓦斯***事故占比一直居高不下，例如最近一次的百人以上重特大事故就在2009年11月21日发生在黑龙江省鹤岗市新兴煤矿，其造成了108名矿工遇难，给国家和社会带来了重大损失和严重影响。煤矿瓦斯***是煤矿井下瓦斯富集至瓦斯***浓度范围内，在遇火后能引起的***式链式氧化反应；后在其传播过程中，若局部遇到如煤矿井下的液压支架等支护设施、巷道分叉与转角、电气设备、矿车、风门等障碍物时，就会导致湍流度增加，火焰产生褶皱和卷吸促进燃烧表面积增大，火焰传播速度进一步增加，若障碍物等促进燃烧因素足够时，湍流度持续增加、火焰传播速度也不断增加，致使火焰阵面追至前驱压力波，火焰阵面和前驱压力波阵面重合形成爆轰波，最终产生巨大的破坏作用。所以，有必要开展对瓦斯***形成爆轰后传播的抑制研究，这对降低煤矿瓦斯***带来的巨大人员伤亡和财产损失具有重要意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种腔体结构对瓦斯爆轰消波效应的测试方法，可研究腔体结构对瓦斯爆轰的消波性能。
本发明的技术方案如下：
一种腔体结构对瓦斯爆轰消波效应的测试方法，其包括以下步骤：
(1)将管道、法兰盘、螺栓螺母、腔体、压力传感器、火焰传感器、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、加速片、钢片、动态数据采集器、高速摄像仪、上位机连接成试验***，加入膜片将试验***分成预混加速段和冲击传播段两部分；
其中，所述腔体的材料为高强度透明有机玻璃，腔体一端为夹角120°～160°的锥角构造以促进反射波吸收，腔体高度等于管道直径，腔体长度为管道直径的1.5～5倍，腔体与膜片之间的距离至少为2m；所述管道直径为200mm；所述加速片为圆环结构，内环直径为管道直径1/3～1/2，且加速片在预混加速段内设置3～6片以实现稳定的爆轰，每两个加速片之间的距离至少为50cm；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；所述压力传感器和火焰传感器在腔体的前、后各设置两个，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；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；所述高速摄像仪位于腔体一侧，高速摄像仪与腔体的距离至少为1m，高速摄像仪每秒至少105帧以便捕捉冲击演化和消减细节；
(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和高速摄像仪，在上位机中打开数据采集软件和高速摄像软件，设置压力传感器和火焰传感器触发参数，并使动态数据采集器处于采集待触发状态，设置高速摄像仪触发模式为内触发；
(6)保持压气阀、吸气阀、进气阀、第一循环阀和第二循环阀的关闭状态，开启交流电源对电极进行点火，***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数据和火焰数据采集，同时触发高速摄像仪对冲击波通过腔体情况进行摄像；上位机保存压力传感器和火焰传感器采集的数据信息以及高速摄像仪摄像数据信息；
(7)取下钢片，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和压气阀；
(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、火焰数据信息和摄像数据信息进行分析和处理，找到腔体对瓦斯爆轰的消波作用规律。
进一步，所述步骤(6)、步骤(7)和步骤(8)可变换为：
(6)取下钢片，保持压气阀、吸气阀、进气阀、第一循环阀和第二循环阀的关闭状态，开启交流电源对电极进行点火，***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数据和火焰数据采集，同时触发高速摄像仪对冲击波通过腔体情况进行摄像；上位机保存压力传感器和火焰传感器采集的数据信息以及高速摄像仪摄像数据信息；
(7)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和压气阀，并装上钢片；
(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。
本发明的有益效果是：本发明可研究瓦斯***形成爆轰波的传播规律、瓦斯***火焰演化规律，以及爆轰波经过腔体结构前后冲击波传播速度、火焰传播速度衰减规律，且本发明既可研究闭口条件下(保持钢片封闭状态)、又可研究开口条件下(取下钢片)腔体结构的消波效应，为探索煤矿瓦斯***减灾措施提供了技术支持。
附图说明
图1为本发明的试验***结构示意图。
图2为加速片、膜片和钢片示意图。
图3为加速片实物图。
其中：1-管道；2-法兰盘；3-螺栓螺母；4-腔体；5-压力传感器；6-火焰传感器；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-加速片；20-膜片；21-钢片；22-动态数据采集器；23-高速摄像仪；24-上位机。
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，一种腔体结构对瓦斯爆轰消波效应的测试方法，其包括以下步骤：
(1)如图1所示，将管道1、法兰盘2、螺栓螺母3、腔体4、压力传感器5、火焰传感器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、加速片19、钢片21、动态数据采集器22、高速摄像仪23、上位机24连接成试验***，加入膜片20将试验***分成预混加速段和冲击传播段两部分；其中，腔体4的材料为高强度透明有机玻璃，腔体4一端为夹角120°～160°的锥角构造以促进反射波吸收，腔体4高度等于管道1直径，腔体4长度为管道1直径的1.5～5倍，腔体4与膜片20之间的距离至少为2m；管道1直径为200mm；加速片19为圆环结构，内环直径为管道1直径1/3～1/2，且加速片19在预混加速段内设置3～6片以实现稳定的爆轰，每两个加速片19之间的距离至少为50cm；膜片20为聚乙烯材料，膜片20厚度为0.5～2mm，膜片20直径比管道直径大1～3cm；压力传感器5和火焰传感器6在腔体的前、后各设置两个，且此两个压力传感器5之间距离为3～10cm、此两个火焰传感器6之间距离为3～10cm；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交流电以保证点火电源的安全可靠；高速摄像仪23位于腔体4一侧，高速摄像仪23与腔体4的距离至少为1m，高速摄像仪23每秒至少105帧以便捕捉冲击演化和消减细节；
(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22和高速摄像仪23，在上位机24中打开数据采集软件和高速摄像软件，设置压力传感器5和火焰传感器6触发参数，并使动态数据采集器22处于采集待触发状态，设置高速摄像仪23触发模式为内触发；
(6)保持压气阀14、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，开启交流电源8对电极7进行点火，***冲击波冲破膜片20后沿冲击传播段传播，并触发动态数据采集器22进行压力数据和火焰数据采集，同时触发高速摄像仪23对冲击波通过腔体情况进行摄像；上位机24保存压力传感器5和火焰传感器6采集的数据信息以及高速摄像仪23摄像数据信息；
(7)取下钢片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和压气阀14；
(8)切断所有电源，或更换膜片20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24内保存的压力数据信息、火焰数据信息和摄像数据信息进行分析和处理，找到腔体4对瓦斯爆轰的消波作用规律。
根据上述步骤可开展闭口试验条件下腔体结构对瓦斯爆轰消波效应研究，此外，为了开展开口条件下的研究，可将上述步骤(6)、步骤(7)和步骤(8)变换为：
(6)取下钢片21，保持压气阀14、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，开启交流电源8对电极7进行点火，***冲击波冲破膜片20后沿冲击传播段传播，并触发动态数据采集器22进行压力数据和火焰数据采集，同时触发高速摄像仪23对冲击波通过腔体情况进行摄像；上位机24保存压力传感器5和火焰传感器6采集的数据信息以及高速摄像仪23摄像数据信息；
(7)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和压气阀14，并装上钢片21；
(8)切断所有电源，或更换膜片20和电极7之间的熔丝后按(2)～(7)进行下一次试验。
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，相关技术人员根据本发明技术方案进行的修改或等同替换，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (2)

1.一种腔体结构对瓦斯爆轰消波效应的测试方法，其特征在于，该方法包括步骤：将管道、法兰盘、螺栓螺母、腔体、压力传感器、火焰传感器、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、加速片、钢片、动态数据采集器、高速摄像仪、上位机连接成试验***，加入膜片将试验***分成预混加速段和冲击传播段两部分；其中，所述腔体的材料为高强度透明有机玻璃，腔体一端为夹角120°～160°的锥角构造，腔体高度等于管道直径，腔体长度为管道直径的1.5～5倍，腔体与膜片之间的距离至少为2m；所述管道直径为200mm；所述加速片为圆环结构，内环直径为管道直径1/3～1/2，且加速片在预混加速段内设置3～6片，每两个加速片之间的距离至少为50cm；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；所述压力传感器和火焰传感器在腔体的前、后各设置两个，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；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；所述高速摄像仪位于腔体一侧，高速摄像仪与腔体的距离至少为1m，高速摄像仪每秒至少105帧；其特征在于，该方法还包括以下步骤：
(1)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；
(2)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；
(3)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；
(4)开启动态数据采集器和高速摄像仪，在上位机中打开数据采集软件和高速摄像软件，设置压力传感器和火焰传感器触发参数，并使动态数据采集器处于采集待触发状态，设置高速摄像仪触发模式为内触发；
(5)保持压气阀、吸气阀、进气阀、第一循环阀和第二循环阀的关闭状态，开启交流电源对电极进行点火，***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数据和火焰数据采集，同时触发高速摄像仪对冲击波通过腔体情况进行摄像；上位机保存压力传感器和火焰传感器采集的数据信息以及高速摄像仪摄像数据信息；
(6)取下钢片，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和压气阀；
(7)切断所有电源，或更换膜片和电极之间的熔丝后按(1)～(6)进行下一次试验；
(8)通过对上位机内保存的压力数据信息、火焰数据信息和摄像数据信息进行分析和处理，找到腔体对瓦斯爆轰的消波作用规律。
2.根据权利要求1所述的一种腔体结构对瓦斯爆轰消波效应的测试方法，其特征在于，所述步骤(5)、步骤(6)和步骤(7)可变换为：
(5)取下钢片，保持压气阀、吸气阀、进气阀、第一循环阀和第二循环阀的关闭状态，开启交流电源对电极进行点火，***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数据和火焰数据采集，同时触发高速摄像仪对冲击波通过腔体情况进行摄像；上位机保存压力传感器和火焰传感器采集的数据信息以及高速摄像仪摄像数据信息；
(6)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和压气阀，并装上钢片；
(7)切断所有电源，或更换膜片和电极之间的熔丝后按(1)～(6)进行下一次试验。
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