一种突出粉煤-瓦斯气固两相流冲击效应的实验测定装置

技术领域

本发明涉及实验室模拟煤与瓦斯突出，属于突出过程中粉煤-瓦斯气固两相流冲击效应的实验测定装置。

背景技术

煤与瓦斯突出是一种特殊类型的瓦斯特殊涌出的现象，即在压力作用下，破碎的煤与瓦斯由煤体突然向采掘空间大量喷出的现象。突出灾害严重威胁着煤矿的安全生产，具有极大的破坏性，它能在瞬间由煤体向巷道喷出大量瓦斯、碎煤和煤粉，形成的突出两相流具有明显的冲击动力效应，往往会造成严重事故后果。

因此为了更好地研究煤与瓦斯突出冲击动力的测定，对已有的实验装置进行了改进。在巷道末端加了冲击力传感器，用来测定煤与瓦斯气固两相流的冲击力。突出粉煤-瓦斯气固两相流冲击效应实验测定装置操作较为简单快捷，由多通道动态数据采集系统统筹管理全部的压力变送器、冲击力传感器，采集、记录、分析监测的数据，并将数据输出至电脑进行处理，可以测定不同突出口径(30mm、60mm、100mm)条件下煤与瓦斯突出两相流的冲击力的变化，速度和压力变化，实现对突出气固两相流的监测以及突出后冲击力的测定。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提供了一种突出粉煤-瓦斯气固两相流冲击效应的实验测定装置，通过测定不同突出口径下煤与瓦斯两相流的冲击力，监测了煤与瓦斯两相流的运动规律以及巷道内部压力的变化，实现了对突出气固两相流的监测以及突出后冲击力的测定。

本发明采用以下技术方案：

一种突出粉煤-瓦斯气固两相流冲击效应的实验测定装置，包括：突出腔体、快速泄压装置、模拟巷道、数据采集系统和气体控制设备；所述突出腔体可拆卸的设置于快速泄压装置一侧；所述快速泄压装置另一侧连接有模拟巷道，设有可变口径的出口；所述数据采集系统电连接于模拟巷道上，用于对模拟巷道内突出后煤与瓦斯两相流的冲击力、运动规律及模拟巷道内部压力变化进行监测；所述气体控制设备连接于突出腔体上，用于对突出腔体内的气体进行抽取、注入。

作为优选，所述突出腔体包括腔体本体和设置于腔体本体上的压力表、加热带以及两用气口；所述两用气口上设有压球阀。

作为优选，突出腔体、快速泄压装置、模拟巷道依次通过法兰连接并可拆卸的安装于专用支架上。

作为优选，突出腔体上还设有用于对突出腔体内部温度进行控制的螺钉式热电偶与温控仪。

作为优选，所述快速泄压装置包括泄压壳体、转动手柄、盖板；所述泄压壳体上设有出口，出口设有可拆卸的圆形挡板；所述转动手柄转动配合于泄压壳体一侧，包括杆部和设置于杆部上的凸轮机构；所述盖板铰接于出口一侧，用于封闭/打开出口，包括与凸轮机构配合限位机构。

作为优选，所述限位机构设置于盖板内侧，包括两端的安装座、设置于安装部上的安装杆、设置于安装杆上的限位块，所述凸轮机构具有凸轮嵌于限位块与盖板内侧表面之间对盖板进行紧压的第一位置。

作为优选，转动凸轮机构使其从第一位置运动到第二位置，所述盖板在重力和突出腔体内部瓦斯压力的共同作用下快速落下，使得突出腔体内所装煤样快速泄压喷出，从而模拟突出过程中的煤体抛出现象。

作为优选，所述模拟巷道主体部分为高透光亚克力材料，设有六个传感器接头座。

作为优选，所述数据采集系统包括高速摄像系统、高频压力变送器、冲击力传感器和多通道动态数据采集系统。

作为优选，所述冲击力传感器采用MDT冲击传感器，冲击力传感器设置于模拟巷道末尾处。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明公开了一种突出粉煤-瓦斯气固两相流冲击效应的实验测定装置，在巷道末端加了冲击力传感器，用来测定煤与瓦斯气固两相流的冲击力。另外，本发明操作较为简单快捷，由多通道动态数据采集系统统筹管理全部的压力变送器、冲击力传感器，采集、记录、分析监测的数据，并将数据输出至电脑进行处理，可以测定不同突出口径(30mm、60mm、100mm)条件下煤与瓦斯突出两相流的冲击力的变化，速度和压力变化，实现对突出气固两相流的监测以及突出后冲击力的测定。

2、本发明在使用时，转动凸轮机构使其从第一位置运动到第二位置，所述盖板在重力和突出腔体内部瓦斯压力的共同作用下快速落下，使得突出腔体内所装煤样快速泄压喷出，从而模拟突出过程中的煤体抛出现象，模拟的还原程度高。

附图说明

图1为测定装置的结构示意图。

图2为突出腔体的结构示意图。

图3为突出腔体的另一视角结构示意图。

图4为快速泄压装置的结构示意图。

图5为快速泄压装置的一种状态结构示意图。

图6为快速泄压装置的另一状态结构示意图。

图7为凸轮机构与限位机构的装配结构示意图。

图8为模拟巷道的结构示意图。

图9为实施例2的快速泄压装置结构示意图。

图中，突出腔体1、快速泄压装置2、模拟巷道3、高频压力变送器4、冲击力传感器5、高速摄像系统6、专用支架7、压力表8、螺钉式热电偶9、温控仪10、加热带11、两用气口12、压球阀13、法兰14、转动手柄15、密封圈16、盖板17、凸轮机构18、传感器接头座19、温度传感器20、限位机构21。

具体实施方式

为了便于理解本发明技术方案，以下结合附图与具体实施例进行详细说明。

实施例1

如图1-8所示，一种突出粉煤-瓦斯气固两相流冲击效应的实验测定装置，包括：突出腔体1、快速泄压装置2、模拟巷道3、数据采集系统和气体控制设备；

所述突出腔体1可拆卸的设置于快速泄压装置2一侧；

所述快速泄压装置2另一侧连接有模拟巷道3，设有可变口径的出口；

所述数据采集系统电连接于模拟巷道3上，用于对模拟巷道3

内突出后煤与瓦斯两相流的冲击力、运动规律及模拟巷道3内部压力变化进行监测；

所述气体控制设备连接于突出腔体1上，用于对突出腔体1内的气体进行抽取、注入。

本发明通过测定不同突出口径下煤与瓦斯两相流的冲击力，监测了煤与瓦斯两相流的运动规律以及巷道内部压力的变化，实现了对突出气固两相流的监测以及突出后冲击力的测定。

具体的，整个实验装置固定在专用支架7上且专用支架7通过膨胀螺栓固定在试验大厅的底板上，突出腔体1、快速泄压装置2、巷道模型3依次从左到右通过法兰14连接，数据采集系统连接至巷道模型3上数据采集口。

所述突出腔体1包括腔体本体和设置于腔体本体上的压力表8、加热带11以及两用气口12；所述两用气口12上设有压球阀13。所述两用气口12为抽真空、注气两用接口，两用接口连接于气体控制设备上，所述气体控制设备可以进行抽真空和注气；接口采用快速接头设计，压球阀13进行密封，便于抽真空和高压注气管路间的切换；所述突出腔体1耐压强度为5Mpa。

所述加热带11为设置于突出腔体1表面的硅胶电加热带。

所述突出腔体1上还设有用于对突出腔体1内部温度进行控制的螺钉式热电偶9与温控仪10。

所述突出腔体1上设有温度传感器设备安装孔，温度传感器设备安装孔上设有温度传感器20。

所述快速泄压装置2包括泄压壳体、转动手柄15、盖板17；

所述泄压壳体上设有出口，出口设有可拆卸的圆形挡板；通过更换圆形挡板来改变出口的口径；

所述转动手柄15转动配合于泄压壳体一侧，包括杆部和设置于杆部上的凸轮机构18；

所述盖板17铰接于出口一侧，用于封闭/打开出口，包括与凸轮机构18配合限位机构21。

具体的，所述限位机构设置于盖板17内侧，包括两端的安装座、设置于安装部上的安装杆、设置于安装杆上的限位块，所述凸轮机构18具有凸轮嵌于限位块与盖板17内侧表面之间对盖板17进行紧压的第一位置。

本实施例中，所述安装座共有三个，安装杆固定设置与安装座上，限位块固定设置于安装杆上，凸轮机构18上设有两个凸轮，在封闭泄压壳体的出口时，将盖板17盖合于出口上，转动凸轮机构18使得其凸轮嵌于限位块与盖板17内侧表面之间，对盖板17进行紧压。

所述凸轮机构18还具有第二位置。转动凸轮机构18使其从第一位置运动到第二位置，所述盖板17在重力和突出腔体1内部瓦斯压力的共同作用下快速落下，使得突出腔体1内所装煤样快速泄压喷出，从而模拟突出过程中的煤体抛出现象。

具体的，快速泄压装置2设计耐压强度为1.5MPa，实验开始前转动手柄15带动凸轮机构18扣紧盖板17，盖板17紧压于出口处的密封圈16进行突出腔体1的密封，试验时，快速转动手柄15约45°后(本实施例中为向上转动)，凸轮机构18解除与限位机构的限位，盖板17在自身重力和突出腔体1内部瓦斯压力的共同作用下快速落下，使得突出腔体1内所装煤样快速泄压喷出，从而模拟突出过程中的煤体抛出现象。

本实施例中，所述快速泄压装置2还可以通过更换出口位置的圆形挡板的方式，实现不同突出口径(30mm、60mm、100mm)条件下的煤与瓦斯突出相似模拟实验。

所述的模拟巷道3系统采用高透光亚克力材料制作，设有六个传感器接头座19，用于传感器的安装和密封，在模拟巷道末尾设有冲击力传感器5，模拟巷道内径φ100mm，厚度10mm，设计耐压强度1.5Mpa，其左端通过法兰14和快速泄压装置2的右端连接，放置在专用支架7上。

本实施例中，所述冲击力传感器5采用MDT冲击传感器，额定载荷为50kg，综合误差在±0.5％FS，防护等级为IP65，冲击力传感器5放在模拟巷道3里末尾处，导线从上方的采集孔接出连接至计算机系统来进行数据处理。

所述数据采集系统包括高速摄像系统6、高频压力变送器4、冲击力传感器5和多通道动态数据采集系统。

所述高速摄像系统6用于观测和记录泄压壳体的出口打开后，模拟巷道内部粉煤-瓦斯气固两相流的运动状态和移动速度。

高频压力变送器4压力量程为-100kPa～150kPa，供电电压为9～36V宽电压DC供电，响应频率≤2000HZ，精度等级为0.25％FS，防护等级IP65，压力变送器引线设计采用赫斯曼型接线插头，可实现快速插拔，便于试验现场的安装和拆卸。

所述的多通道数据采集系统通过多通道动态数据采集仪统筹管理全部压力变送器，采集、记录、分析毫秒级压力变送器监测的数据，并将数据输出至电脑，多通道采集系统在硬件上采用USB-6008型多功能数据采集装置，该设备内置32位计数器和信号连接装置，支持8路模拟输入，采用总线供电，具有高移动性，配合TX11型毫秒级压力变送器可实现采样要求。

本发明在使用时：

1、从固定支架7上卸下突出腔体1，竖直放置后往腔体内填充实验煤样，并密封，将突出腔体1重新固定到支架7上。

2、从两用气口12往腔体内充入氦气检漏，检漏完成后将氦气从两用气口12缓慢放出，将两用气口12与真空泵连接，对突出腔体1内的煤样进行抽真空，采用不同气体开展突出模拟时，通过温控仪10来控制加热带11的温度。实验时，突出过程中腔体内部的温度、压力变化特征利用压力变送器4和温度传感器采集。

3、抽真空完成后，向腔体充入相应的实验气体待到稳定便立即开始试验。

4、连接突出腔体1和模拟巷道3，调试数据采集的压力变送器4、冲击力传感器5等设备。

5、转动快速泄压装置2的转动手柄15，凸轮机构18解除与限位机构的限位，盖板17在自身重力和突出腔体1内部瓦斯压力的共同作用下快速落下，使得突出腔体1内所装煤样快速泄压喷出，从而模拟突出过程中的煤体抛出现象，启动突出两相流模拟试验。

实施例2

如图9所示，所述快速泄压装置2的泄压壳体朝向模拟巷道3的一侧为封闭结构，该封闭结构上设有安装孔，所述模拟巷道3连接于该安装孔上。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围以权利要求所限定的范围为准，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内做出的若干改进和润饰，也应视为本发明的保护范围。