本發(fā)明涉及一種CO2與真空腔耦合的瓦斯抽采管路抑爆實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法。適用于易燃易爆的煤礦低濃度瓦斯抽采管道。
背景技術(shù)：
目前國內(nèi)，煤礦開采深度越來越深，機(jī)械化程度逐步提高，開采強(qiáng)度不斷增大，瓦斯涌出量將進(jìn)一步增大，瓦斯災(zāi)害治理仍然是煤礦災(zāi)害防治的重點(diǎn)。我國預(yù)防煤礦瓦斯事故除監(jiān)控、抽放技術(shù)措施之外，抑爆、抑爆技術(shù)也是有效的減弱和控制瓦斯爆炸的重要手段。從國內(nèi)煤礦瓦斯爆炸減災(zāi)技術(shù)應(yīng)用來看，煤礦隔爆抑爆裝置，如隔爆水槽、水袋、巖粉棚等得到廣泛應(yīng)用，在煤礦及其他工業(yè)爆炸防治中發(fā)揮了一定作用。但是，此類被動式隔爆技術(shù)對火焰只起到降溫作用，效果不理想，缺乏對湍流場的抑制作用，在實(shí)際使用中占用空間大、動作的不確定性大，對爆炸產(chǎn)生的沖擊波缺少有效的抑制作用。因此，我們需要研究能夠快速主動響應(yīng)瓦斯爆炸、而且對爆炸產(chǎn)生的火焰和沖擊波都能夠起到有效抑制和阻隔作用的新型瓦斯爆炸抑爆技術(shù)。
專利200710020127.X中提出了通過燃?xì)夤艿酪粋?cè)加真空腔、法蘭盤和弱面材料來抑制管道內(nèi)可燃物爆炸傳播。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
發(fā)明目的：針對上述現(xiàn)有技術(shù)，提出CO2與真空腔耦合的瓦斯抽采管路抑爆實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法，便于研究CO2氣體對瓦斯抽采管路的抑爆效果。
技術(shù)方案：一種CO2與真空腔耦合的瓦斯抽采管路抑爆實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括試驗(yàn)管道、點(diǎn)火裝置、真空腔、弱面層、第一真空泵、第二真空泵、第一真空計(jì)、第二真空計(jì)、火焰速度測試系統(tǒng)、以及壓力測試系統(tǒng)；
所述真空腔設(shè)置在所述試驗(yàn)管道的側(cè)面，并通過法蘭盤與所述試驗(yàn)管道連通，所述弱面層設(shè)置在連通處，所述真空腔通過閥門連接CO2氣體鋼瓶；所述點(diǎn)火裝置設(shè)置在所述試驗(yàn)管道的一端，所述點(diǎn)火裝置的點(diǎn)火端置于所述試驗(yàn)管道內(nèi)，試驗(yàn)管道與點(diǎn)火裝置連接處密封，試驗(yàn)管道的另一端用紙片密封，所述試驗(yàn)管道上設(shè)有充氣接口；所述第一真空泵和第一真空計(jì)連接所述真空腔，所述第二真空泵和第二真空計(jì)連接所述試驗(yàn)管道；所述火焰速度測試系統(tǒng)、以及壓力測試系統(tǒng)均設(shè)置在所述試驗(yàn)管道的側(cè)面，其傳感器布置在所述試驗(yàn)管道的內(nèi)壁上。
進(jìn)一步的，還包括甲烷-空氣預(yù)混氣體配置裝置，所述甲烷-空氣預(yù)混氣體配置裝置包括帶有閥門的球形塑料氣囊，所述球形塑料氣囊通過閥門連接所述試驗(yàn)管道上的充氣接口，所述球形塑料氣囊還通過閥門連接甲烷儲氣罐以及空氣壓縮機(jī)，所述球形塑料氣囊上設(shè)有甲烷濃度檢測計(jì)。
進(jìn)一步的，所述試驗(yàn)管道和真空腔均由厚度為1cm的鋼板形成。
進(jìn)一步的，所述弱面層為聚四氟乙烯薄膜。
一種CO2與真空腔耦合的瓦斯抽采管路抑爆實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法，包括如下步驟：
(1)，首先對試驗(yàn)管道進(jìn)行排氣和除濕，然后檢查試驗(yàn)管道的氣密性；
(2)，首先將甲烷儲氣罐內(nèi)高壓氣體卸壓到所述球形塑料氣囊內(nèi)，再控制所述空氣壓縮機(jī)注入空氣，通過甲烷濃度檢測計(jì)測量球形塑料氣囊內(nèi)的濃度，直至所述球形塑料氣囊內(nèi)甲烷濃度為10％；
(3)，通過所述第一真空泵對真空腔進(jìn)行抽真空，觀察第一真空計(jì)的讀數(shù)，當(dāng)真空腔(3)的負(fù)壓達(dá)到真空度預(yù)設(shè)閾值A(chǔ)時(shí)，關(guān)閉第一真空泵與真空腔的連接閥門；
(4)，打開所述CO2氣體鋼瓶，利用真空腔的負(fù)壓將CO2氣體抽入真空腔內(nèi)，并通過調(diào)節(jié)CO2氣體鋼瓶與真空腔連接閥門的開度來控制充入CO2氣體的量，直至第一真空計(jì)的讀數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)閾值B時(shí)完全關(guān)閉閥門；
(5)，對試驗(yàn)管道抽真空至第二真空計(jì)讀數(shù)為-0.1MPa，然后打開所述球形塑料氣囊與所述試驗(yàn)管道的連接閥門，向試驗(yàn)管道中注入預(yù)先配制好的甲烷-空氣混合氣體，直至所述第二真空計(jì)讀數(shù)回零為止；
(6)，點(diǎn)火爆炸之前，記錄下第一真空計(jì)的讀數(shù)、弱面層的厚度、CO2的通入量，通過點(diǎn)火裝置點(diǎn)燃試驗(yàn)管道內(nèi)的甲烷-空氣混合氣體，完成一次爆炸試驗(yàn)；
(7)，每次爆炸結(jié)束后，讀取火焰速度測試系統(tǒng)和壓力測試系統(tǒng)檢測的數(shù)據(jù)，檢查弱面層是否破裂，并且在更換新的弱面材料之后，重復(fù)步驟(1)至(6)。
進(jìn)一步的，所述步驟中，對真空腔進(jìn)行抽真空時(shí)，預(yù)設(shè)閾值A(chǔ)的取值為-0.1～-0.01MPa。
進(jìn)一步的，所述步驟(4)中，預(yù)設(shè)閾值B的取值為-0.09～0MPa。
進(jìn)一步的，不同次試驗(yàn)過程中，所述步驟(4)中CO2通入量在-0.09～0MPa范圍內(nèi)調(diào)整，調(diào)整間隔值為0.01MPa；不同次試驗(yàn)過程中，弱面材料厚度調(diào)整范圍為0.15～0.3mm，調(diào)整間隔值為0.01mm。
有益效果：為了研究采用CO2與真空腔耦合抑爆的滅火、泄壓效果，本發(fā)明提出了一種CO2與真空腔耦合的瓦斯抽采管路抑爆實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法。CO2是一種對瓦斯氣體爆炸具有很好抑制作用的惰性氣體，能夠有效阻斷瓦斯爆炸的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，當(dāng)混合氣體中CO2的濃度大于22.1％時(shí)，瓦斯的爆炸上限與下限重合，混合氣體將不會發(fā)生瓦斯爆炸。真空腔是一種帶有一定真空度的腔體，在管路內(nèi)瓦斯發(fā)生爆炸的前驅(qū)沖擊波作用下，真空腔的弱面材料能夠迅速自動破裂，將爆炸火焰吸入腔內(nèi)，產(chǎn)生抽吸作用。CO2與真空腔耦合抑爆技術(shù)，有效利用真空腔的抽吸作用，將CO2氣體運(yùn)用到瓦斯抽采管路的抑爆中。本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法能夠便于論證真空腔內(nèi)加入二氧化碳后真空腔的滅火、泄壓性能的提高，并便于實(shí)驗(yàn)分析真空腔CO2注入量、真空度與滅火性能的關(guān)系。
附圖說明
圖1是燃?xì)獗ɑ鹧娌东@抑爆裝置實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做更進(jìn)一步的解釋。
如圖1所示，一種CO2與真空腔耦合的瓦斯抽采管路抑爆實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括試驗(yàn)管道1、點(diǎn)火裝置2、真空腔3、弱面層4、第一真空泵5、第二真空泵6、第一真空計(jì)7、第二真空計(jì)8、火焰速度測試系統(tǒng)9、壓力測試系統(tǒng)10、以及甲烷-空氣預(yù)混氣體配置裝置。
其中，試驗(yàn)管道1和真空腔3均由厚度為1cm的鋼板形成，真空腔3設(shè)置在試驗(yàn)管道1的側(cè)面，并通過法蘭盤與試驗(yàn)管道1連通；弱面層4設(shè)置在連通處，弱面層4為聚四氟乙烯薄膜；真空腔3通過閥門連接CO2氣體鋼瓶。真空腔是一種帶有一定真空度的腔體，其對火焰有一定的熄滅作用，同時(shí)，能較好的降低爆炸所產(chǎn)生的超壓。
點(diǎn)火裝置2設(shè)置在試驗(yàn)管道1的一端，點(diǎn)火裝置2的點(diǎn)火端置于試驗(yàn)管道1內(nèi)，試驗(yàn)管道1與點(diǎn)火裝置2連接處密封，試驗(yàn)管道的另一端用用涂有凡士林的紙片密封，防止爆炸氣體逸散到空氣中。試驗(yàn)管道1上設(shè)有充氣接口。第一真空泵5和第一真空計(jì)7連接真空腔3，第二真空泵6和第二真空計(jì)8連接試驗(yàn)管道1?；鹧嫠俣葴y試系統(tǒng)9、以及壓力測試系統(tǒng)10均設(shè)置在試驗(yàn)管道1的側(cè)面，其傳感器布置在試驗(yàn)管道1的內(nèi)壁上。
甲烷-空氣預(yù)混氣體配置裝置包括帶有閥門的球形塑料氣囊。球形塑料氣囊通過閥門連接試驗(yàn)管道1上的充氣接口，球形塑料氣囊還通過另外的閥門連接甲烷儲氣罐以及空氣壓縮機(jī)，球形塑料氣囊上設(shè)有甲烷濃度檢測計(jì)。
本實(shí)施例中，真空泵型號為ZK70，主要用于將管道及真空腔抽真空；真空計(jì)為真空壓力表，量程是-0.10MPa；火焰速度測試系統(tǒng)9采用型號為A710/IR3的三波段紅外火焰?zhèn)鞲衅鳎粔毫y試系統(tǒng)10采用型號為MPX53的壓力傳感器；點(diǎn)火裝置位于管道首端，用于將管道內(nèi)的瓦斯點(diǎn)燃，從而模擬管道內(nèi)的瓦斯爆炸反應(yīng)。
如上述CO2與真空腔耦合的瓦斯抽采管路抑爆實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法，包括如下步驟：
(1)，試驗(yàn)管道和真空腔的氣密性檢查。在實(shí)驗(yàn)前首先對管道進(jìn)行排氣和除濕，以保證充入甲烷-空氣預(yù)混氣體前試驗(yàn)管道1是干燥的，廢氣是排盡的。然后檢查試驗(yàn)管道1的氣密性，可以選擇向兩端封閉的管道內(nèi)充入空氣，使管路內(nèi)壓力升至0.2MPa，觀察真空壓力表的讀數(shù)，如果真空壓力表讀數(shù)穩(wěn)定在0.2MPa，表明管路內(nèi)氣密性良好，如果壓力表讀數(shù)下降較快，則沿試驗(yàn)管道檢查。
(2)，配氣。首先將甲烷儲氣罐內(nèi)高壓氣體卸壓到球形塑料氣囊內(nèi)，再控制空氣壓縮機(jī)注入空氣，通過甲烷濃度檢測計(jì)測量球形塑料氣囊內(nèi)的濃度，直至球形塑料氣囊內(nèi)甲烷濃度為10％。每次盡量配滿整個(gè)球形塑料氣囊，以便進(jìn)行多次有、無真空腔的管道內(nèi)同濃度瓦斯爆炸實(shí)驗(yàn)的比較。
(3)，真空腔內(nèi)抽真空。在試驗(yàn)管道1側(cè)翼安裝真空腔和嵌有聚四氟乙烯薄膜的法蘭盤，然后通過第一真空泵5對真空腔3進(jìn)行抽真空，觀察第一真空計(jì)7的讀數(shù)，當(dāng)真空腔3的負(fù)壓達(dá)到真空度預(yù)設(shè)閾值A(chǔ)時(shí)，關(guān)閉第一真空泵5與真空腔3的連接閥門。其中，預(yù)設(shè)閾值A(chǔ)的取值為-0.1～-0.01MPa。
(4)，真空腔內(nèi)充入CO2氣體。打開CO2氣體鋼瓶，利用真空腔的負(fù)壓將CO2氣體抽入真空腔,3內(nèi)，并通過調(diào)節(jié)CO2氣體鋼瓶與真空腔3連接閥門的開度來控制充入CO2氣體的量，直至第一真空計(jì)7的讀數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)閾值B時(shí)完全關(guān)閉閥門。其中，預(yù)設(shè)閾值B的取值為-0.09～0MPa。不同次試驗(yàn)過程中，CO2依次調(diào)整間隔值為0.01MPa。
(5)，試驗(yàn)管道1內(nèi)充入爆炸氣體。對試驗(yàn)管道1抽真空至第二真空計(jì)8讀數(shù)為-0.1MPa，然后打開球形塑料氣囊與所述試驗(yàn)管道的連接閥門，向試驗(yàn)管道中注入預(yù)先配制好的甲烷-空氣混合氣體，直至第二真空計(jì)8讀數(shù)回零為止。此時(shí)試驗(yàn)管道1內(nèi)是一定濃度的甲烷-空氣混合氣體，真空腔內(nèi)介質(zhì)處于一定的真空度。
(6)，點(diǎn)火爆炸之前，記錄下第一真空計(jì),7的讀數(shù)、弱面層4的厚度、CO2的通入量，通過點(diǎn)火裝置2點(diǎn)燃試驗(yàn)管道1內(nèi)的甲烷-空氣混合氣體，完成一次爆炸試驗(yàn)。CO2的通入量以真空壓力的形式衡量，例如，步驟(3)中將真空腔抽真空-0.09MPa，然后通CO2至真空腔內(nèi)壓力為-0.06MPa時(shí)，通入的CO2量為-0.03MPa。
(7)，每次爆炸結(jié)束后，通過單片機(jī)或PLC系統(tǒng)讀取火焰速度測試系統(tǒng),9和壓力測試系統(tǒng)10檢測的數(shù)據(jù)，然后檢查弱面層是否破裂以及分析抑爆滅火效果，并且在更換新的弱面材料之后，重復(fù)步驟(1)至(6)。其中，不同次試驗(yàn)過程中，弱面材料厚度調(diào)整范圍為0.15～0.3mm，調(diào)整間隔值為0.01mm。
本發(fā)明采用真空腔與CO2耦合抑爆，同時(shí)兼并了真空腔的抽吸作用滅火和CO2窒息作用滅火的兩種優(yōu)點(diǎn)，并且經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，表明腔內(nèi)加入二氧化碳后，能提高真空腔的滅火性能。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。