一种角联结构矿井煤尘爆炸传播特性测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及安全技术及工程领域，尤其涉及一种角联结构矿井煤尘爆炸传播特性测试装置及测试方法。

背景技术

目前在已检索到的国内外相关成果中，关于矿井煤尘爆炸装置，主要包括国际通用的20L球形煤尘爆炸装置、圆柱体哈特曼管、大管状煤尘爆炸性测试装置，以及国内外相关科研院校自主研发的直线型管道测试装置、拐弯管道测试装置、分叉管道测试装置等。

上述装置均用于测试煤尘爆炸传播特性，但存在的技术问题有：目前现有的煤尘爆炸测试装置均是密闭或半密闭独立空间，没有形成通路结构，而在矿井开采过程中，井下巷道之间的连接方式并不是简单的独立空间，而是相互贯通的角联结构，从本质上说，矿井巷道之间的连接方式属于角联。之所以对角联结构煤尘爆炸装置的研发很少见，一方面是因为对直线型管道空间、20L球形空间内煤尘爆炸传播特性的研究是角联结构管道空间内煤尘爆炸传播特性研究的基础，另一方面，还因为角联结构相对更加复杂，对煤尘爆炸传播特性在角联空间内的机理研究更加困难，因此，对角联结构煤尘爆炸装置的研发并不多见。

发明内容

针对现有煤尘爆炸装置研发技术的缺陷，本发明设计一种角联结构矿井煤尘爆炸传播特性测试装置及测试方法，可用于测试角联空间内煤尘爆炸传播特性。

一种角联结构矿井煤尘爆炸传播特性测试装置，包括煤尘喷射装置、点火装置、管体吹扫装置、弯管接头及分叉管接头，所述煤尘喷射装置通过管体与分叉管接头Ⅰ的第一接头连接，分叉管接头Ⅰ与煤尘喷射装置之间的管体上安装有点火装置，分叉管接头Ⅰ的第二接头和第三接头分别通过管体与弯管接头Ⅰ和弯管接头Ⅱ一端连接，另一端通过中间管体分别与弯管接头Ⅲ和弯管接头Ⅳ一端连接，弯管接头Ⅲ和弯管接头Ⅳ另一端分叉管接头Ⅱ的第二接头和第三接头连接，分叉管接头Ⅱ第一接头通过管体与管体吹扫装置连接，点火装置至管体吹扫装置之间的管体及中间管体上设置有传感器组。

两个所述中间管体之间设置有角联分支管，角联分支管通过支架导轨固定，以减小因爆炸产生的管体震动。角联分支管内可用于铺设沉积煤尘，爆炸传播到角联分支后还可能形成二次爆炸，沉积煤尘质量、厚度、粒径大小、铺撒位置都可以根据测试条件需要进行更改。

所述煤尘喷射装置包括煤尘扩散叶片、罩体、煤尘进料箱、煤尘进料控制阀、固定支架、电机、螺旋输送器、驱动轴及驱动轴支撑架，所述驱动轴支撑架底端设置有固定支架，驱动轴支撑架一端固定安装有电机，电机驱动轴贯穿驱动轴支撑架与螺旋输送器一端连接，驱动轴支撑架另一端与罩体连接，罩体内设置有煤尘扩散叶片，煤尘扩散叶片的旋转轴穿过驱动轴支撑架与螺旋输送器另一端连接，驱动轴支撑架空心圆柱段顶端设置有与其贯通连接的煤尘进料箱，煤尘进料箱外侧壁底端设置有煤尘进量控制阀，煤尘喷射装置的罩体另一端与管体连接，煤尘喷射装置用于向管道内以一定压力喷射煤尘，从而在点火装置作用下形成一次爆炸。

所述点火装置包括不锈钢套和点火电极，所述不锈钢套对称设置于管体顶端和管体底端，且在不锈钢套内孔安装有点火电极，点火电极的端部位于管体内，且两个点火电极正对设置；点火装置采用的是高能点火装置，可提供最大10KJ的点火能量，点火能量、点火延迟时间和喷粉压力都可以根据测试条件需要进行更改。

所述管体吹扫装置包括第一隔膜阀、压力表、第二隔膜阀、煤尘收集罐、第三隔膜阀、分支管路及真空泵，所述分支管路分别与第一隔膜阀、第二隔膜阀及第三隔膜阀一端连接连接，且在分支管路上设置有压力表，第二隔膜阀另一端与煤尘收集罐连接，第三隔膜阀另一端与真空泵，第一隔膜阀另一端通过管体与分叉管接头Ⅱ第一接头连接，管体吹扫装置通过负压吸尘原理可收集角联管道内的残余煤尘，此外也可通过拆解管体进行清理。

所述传感器组包括压力传感器、火焰温度传感器及CO浓度传感器，所述压力传感器位于管体内壁顶部设置，CO浓度传感器位于管体内壁底部设置，且压力传感器与CO浓度传感器正对设置，压力传感器与CO浓度传感器之间设置有火焰温度传感器，火焰温度传感器、CO浓度传感器及压力传感器位于同一平面内，可实时监测并记录爆炸强度传播数据。

一种角联结构矿井煤尘爆炸传播特性测试装置的测试方法，包括以下步骤：

步骤1，在煤尘喷射装置的煤尘进料箱内加入试验需要的煤尘；启动煤尘喷射装置后，电机带动驱动轴、螺旋输送器、煤尘扩散叶片开始工作，打开煤尘进料箱的煤尘进量控制阀，煤尘从煤尘进料箱底部出口呈线状流到螺旋输送器上，并随着螺旋输送器被送入罩体，煤尘扩散叶片给罩体内的煤尘提供额外的动力并从罩体出口飞出，可在一定空间内形成具有一定浓度的悬浮煤尘云，通过点火装置提供足够的点火能，将形成的悬浮煤尘云点爆，从而让爆炸沿角联管道或并联管道传播下去；对于角联管道中分叉管接头Ⅰ分叉管接头Ⅱ、弯管接头Ⅰ、弯管接头Ⅱ、弯管接头Ⅲ和弯管接头Ⅳ的设计可实现煤尘爆炸沿分叉管接头Ⅰ分叉管接头Ⅱ、弯管接头Ⅰ、弯管接头Ⅱ、弯管接头Ⅲ和弯管接头Ⅳ传播；角联分支管是角联结构爆炸装置的标志性管道，将上下两条并联中间管体连通，由于角联分支管内气流的流动方向具有不确定性，因此可以在使用装置测试煤尘爆炸传播特性过程中，在角联分支管中铺设沉积煤尘，以此实现角联空间煤尘二次爆炸传播特性研究；对于并联管道中分叉管接头Ⅰ分叉管接头Ⅱ、弯管接头Ⅰ、弯管接头Ⅱ、弯管接头Ⅲ和弯管接头Ⅳ的设计可实现粉尘爆炸沿分叉管接头Ⅰ分叉管接头Ⅱ、弯管接头Ⅰ、弯管接头Ⅱ、弯管接头Ⅲ和弯管接头Ⅳ传播；并联分支管是上下两条互相连通的管道，因此可以在使用装置测试粉尘爆炸传播特性过程中，在并联中间管体中铺设沉积粉尘，以此实现并联空间粉尘二次爆炸传播特性研究；

步骤2，测试过程结束后，通过管体吹扫装置对管道内的残余煤尘进行清理；先关闭第一隔膜阀，打开第二隔膜阀和第三隔膜阀，然后启动真空泵；观察压力表的压力值，当压力表的压力值稳定时，先关闭第三隔膜阀，后打开第一隔膜阀，使残余煤尘充入煤尘收集罐。

本发明的有益效果在于：

1、本发明提供的并联结构煤尘爆炸测试装置可用于开展并联空间煤尘一次爆炸、二次爆炸产生的压力、火焰以及生成的CO毒气浓度测试。

2、本发明提供的角联结构煤尘爆炸测试装置可用于开展角联空间煤尘一次爆炸、二次爆炸产生的压力、火焰以及生成的CO毒气浓度测试。

3、本发明提供的管体吹扫装置，包括负压真空模组，负压真空模组用于在实验结束后对管体进行抽真空操作，直到压力表上的压力值至稳定，抽真空完成，这样经过抽真空，可以将管体中残余的煤尘全部排出，防止不易拆卸的复杂管体难以清理的情况发生。

4、本发明提供的管体吹扫装置结构简单，清扫时间短，效果好，生产成本大大降低。

5、煤尘喷射装置发尘时间长、发尘速度均匀，可操作性强，对各种作业均具有较好的模拟产尘效果。

6、压力传感器、火焰温度传感器、CO浓度传感器，三个传感器为一组可实时感知煤尘爆炸在整个传播过程中整体的变化，数据反馈精准明确，与原有配备单个传感器设备相比成本增加有限，效果却很明显。

7、本发明提供的煤尘爆炸测试装置的管体，是由每小段管体拼接而成，因此测试装置中的管体可根据所做试验要求自行更改长度，适用性强。

附图说明

图1为本发明实施例1矿井煤尘爆炸传播特性测试装置俯视图；

图2为本发明实施例1矿井煤尘爆炸传播特性测试装置的煤尘喷射装置轴测图；

图3为本发明实施例1矿井煤尘爆炸传播特性测试装置的煤尘喷射装置剖视图；

图4为本发明实施例1矿井煤尘爆炸传播特性测试装置的点火装置示意图；

图5为本发明实施例1矿井煤尘爆炸传播特性测试装置的管体吹扫装置示意图；

图6为本发明实施例2矿井煤尘爆炸传播特性测试装置俯视图；

1-煤尘喷射装置，101-煤尘扩散叶片，102-罩体，103-煤尘进料箱，104-煤尘进量控制阀，105-固定支架，106-电机，107-螺旋输送器，108-驱动轴，109-驱动轴支撑架，2-点火装置，201-不锈钢套，202-点火电极，3-角联分支管，4-管体吹扫装置，401-第一隔膜阀，402-压力表，403-第二隔膜阀，404-煤尘收集罐，405-第三隔膜阀，406-分支管路，407-真空泵，501-弯管接头Ⅰ，502-弯管接头Ⅱ，503-弯管接头Ⅲ，504-弯管接头Ⅳ，601-分叉管接头Ⅰ,602-分叉管接头Ⅱ。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

如图1至图5所示，一种角联结构矿井煤尘爆炸传播特性测试装置，包括煤尘喷射装置1、点火装置2、管体吹扫装置4、弯管接头及分叉管接头，所述煤尘喷射装置1通过法兰盘与管体一端相连，管体另一端通过法兰盘与分叉管接头Ⅰ601的第一接头连接，分叉管接头Ⅰ601与煤尘喷射装置1之间的管体上安装有点火装置2，分叉管接头Ⅰ601的第二接头和第三接头分别通过管体及法兰盘与弯管接头Ⅰ501和弯管接头Ⅱ502一端连接，另一端通过中间管体及法兰盘分别与弯管接头Ⅲ503和弯管接头Ⅳ504一端连接，弯管接头Ⅲ503和弯管接头Ⅳ504另一端分别通过法兰盘与分叉管接头Ⅱ602的第二接头和第三接头连接，分叉管接头Ⅱ602第一接头通过管体及法兰盘与管体吹扫装置4连接，点火装置2至管体吹扫装置4之间的管体及中间管体上设置有传感器组。

所述煤尘喷射装置1包括煤尘扩散叶片101、罩体102、煤尘进料箱103、煤尘进料控制阀、固定支架105、电机106、螺旋输送器107、驱动轴108及驱动轴支撑架109，所述驱动轴支撑架109底端设置有固定支架105，驱动轴支撑架109一端固定安装有电机106，电机106的驱动轴108贯穿驱动轴支撑架109与螺旋输送器107一端连接，驱动轴支撑架109另一端与罩体102一端连接，罩体102内设置有煤尘扩散叶片101，煤尘扩散叶片101的旋转轴穿过驱动轴支撑架109与螺旋输送器107另一端连接，驱动轴支撑架109空心圆柱段顶端设置有与其贯通连接的煤尘进料箱103，煤尘进料箱103外侧壁底端设置有煤尘进量控制阀104，煤尘喷射装置1的罩体102另一端与管体连接，煤尘喷射装置1用于向管道内以一定压力喷射煤尘，从而在点火装置2作用下形成一次爆炸。

所述点火装置2包括不锈钢套201和点火电极202，所述不锈钢套201对称设置于管体顶端和管体底端，且在不锈钢套201内孔安装有点火电极202，点火电极202的端部位于管体内，且两个点火电极202正对设置；点火装置2采用的是高能点火装置2，可提供最大10KJ的点火能量，点火能量、点火延迟时间和喷粉压力都可以根据测试条件需要进行更改。

所述管体吹扫装置4包括第一隔膜阀401、压力表402、第二隔膜阀403、煤尘收集罐404、第三隔膜阀405、分支管路406及真空泵407，所述分支管路406分别与第一隔膜阀401、第二隔膜阀403及第三隔膜阀405一端连接，第二隔膜阀403另一端与煤尘收集罐404连接，且在分支管路406上设置有压力表402，第三隔膜阀405另一端与真空泵407，第一隔膜阀401另一端通过管体与分叉管接头Ⅱ602第一接头连接，管体吹扫装置4通过负压吸尘原理可收集角联管道内的残余煤尘，或者通过拆解管体进行清理。

相邻两个传感器组之间的间距为0.2m，传感器组包括压力传感器、火焰温度传感器及CO浓度传感器，所述压力传感器位于管体内壁顶部设置，CO浓度传感器位于管体内壁底部设置，且压力传感器与CO浓度传感器正对设置，压力传感器与CO浓度传感器之间设置有火焰温度传感器，火焰温度传感器、CO浓度传感器及压力传感器位于同一平面内，可实时监测并记录爆炸强度传播数据。

一种角联结构矿井煤尘爆炸传播特性测试装置的测试方法，包括以下步骤：

步骤1，在煤尘喷射装置1的煤尘进料箱103内加入试验需要的煤尘；启动煤尘喷射装置1后，电机106带动驱动轴108、螺旋输送器107、煤尘扩散叶片101开始工作，打开煤尘进料箱103的煤尘进量控制阀104，煤尘从煤尘进料箱103底部出口呈线状流到螺旋输送器107上，并随着螺旋输送器107被送入罩体102，煤尘扩散叶片101给罩体102内的煤尘提供额外的动力并从罩体102出口飞出，可在一定空间内形成具有一定浓度的悬浮煤尘云，通过点火装置2提供足够的点火能，将形成的悬浮煤尘云点爆，从而让爆炸沿角联管道或并联管道传播下去；对于并联管道中分叉管接头Ⅰ601分叉管接头Ⅱ602、弯管接头Ⅰ501、弯管接头Ⅱ502、弯管接头Ⅲ503和弯管接头Ⅳ504的设计可实现粉尘爆炸沿分叉管接头Ⅰ601分叉管接头Ⅱ602、弯管接头Ⅰ501、弯管接头Ⅱ502、弯管接头Ⅲ503和弯管接头Ⅳ504传播；并联分支管是上下两条互相连通的管道，因此可以在使用装置测试粉尘爆炸传播特性过程中，在并联中间管体中铺设沉积粉尘，以此实现并联空间粉尘二次爆炸传播特性研究，同时通过压力传感器、CO浓度传感器及火焰温度传感器对管体内的压力、CO浓度及火焰温度实时监测；

步骤2，测试过程结束后，通过管体吹扫装置4对管道内的残余煤尘进行清理；先关闭第一隔膜阀401，打开第二隔膜阀403和第三隔膜阀405，然后启动真空泵407；观察压力表402的压力值，当压力表402的压力值稳定在-14.7psi时，先关闭第三隔膜阀405，后打开第一隔膜阀401，使残余煤尘充入煤尘收集罐404。

实施例2

如图6所示，实施例2与实施例1的区别在于，实施例2两个所述中间管体之间设置有角联分支管3，角联分支管3通过支架导轨固定，以减小因爆炸产生的管体震动。角联分支管3内可用于铺设沉积煤尘，爆炸传播到角联分支后还可能形成二次爆炸，沉积煤尘质量、厚度、粒径大小、铺撒位置都可以根据测试条件需要进行更改。

一种角联结构矿井煤尘爆炸传播特性测试装置的测试方法，包括以下步骤：

步骤1，在煤尘喷射装置1的煤尘进料箱103内加入试验需要的煤尘；启动煤尘喷射装置1后，电机106带动驱动轴108、螺旋输送器107、煤尘扩散叶片101开始工作，打开煤尘进料箱103的煤尘进量控制阀104，煤尘从煤尘进料箱103底部出口呈线状流到螺旋输送器107上，并随着螺旋输送器107被送入罩体102，煤尘扩散叶片101给罩体102内的煤尘提供额外的动力并从罩体102出口飞出，可在一定空间内形成具有一定浓度的悬浮煤尘云，通过点火装置2提供足够的点火能，将形成的悬浮煤尘云点爆，从而让爆炸沿角联管道或并联管道传播下去；对于角联管道中分叉管接头Ⅰ601分叉管接头Ⅱ602、弯管接头Ⅰ501、弯管接头Ⅱ502、弯管接头Ⅲ503和弯管接头Ⅳ504的设计可实现煤尘爆炸沿分叉管接头Ⅰ601分叉管接头Ⅱ602、弯管接头Ⅰ501、弯管接头Ⅱ502、弯管接头Ⅲ503和弯管接头Ⅳ504传播；角联分支管3是角联结构爆炸装置的标志性管道，将上下两条并联管道连通，由于角联分支管3内气流的流动方向具有不确定性，因此可以在使用装置测试煤尘爆炸传播特性过程中，在角联分支管3中铺设沉积煤尘，以此实现角联空间煤尘二次爆炸传播特性研究，同时通过压力传感器、CO浓度传感器及火焰温度传感器对管体内的压力、CO浓度及火焰温度实时监测；

步骤2，测试过程结束后，通过管体吹扫装置4对管道内的残余煤尘进行清理；先关闭第一隔膜阀401，打开第二隔膜阀403和第三隔膜阀405，然后启动真空泵407；观察压力表402的压力值，当压力表402的压力值稳定时，先关闭第三隔膜阀405，后打开第一隔膜阀401，使残余煤尘充入煤尘收集罐404。