煤与瓦斯突出灾变过程中人‑机‑环受损模拟试验方法与流程

本发明涉及一种煤与瓦斯突出灾变过程中“人-机-环”受损模拟试验方法。

背景技术：

煤与瓦斯突出发生时在短暂时间内向井巷喷射大量具有风暴性质的瓦斯-煤粉流，毁坏矿井设施，造成人员伤亡，或引起瓦斯爆炸，严重威胁矿井安全。煤与瓦斯突出是井下开挖引发的最复杂的动力灾害现象。国内外学者从理论到试验，对煤与瓦斯突出发生的一般性条件、煤与瓦斯突出机理和突出预测技术和防突措施进行了大量研究，在各个方面都取得了很大进展。

由于对现场煤与瓦斯突出过程进行全方位实时跟踪研究的危险性太大，研究者大多通过研制相应的试验装置，依靠实验室模拟手段进行煤与瓦斯突出机制的探索。我国学者结合现场煤与瓦斯突出资料进行了系列研究并取得良好的效果，如蒋承林用一维试验模拟了理想条件下石门揭开煤层时的煤与瓦斯突出过程；孟祥跃等利用自行研制的试验装置，进行了煤与瓦斯突出的二维模拟试验研究，发现煤样的破坏存在开裂和突出两类典型的破坏形式；蔡成功设计了三维煤与瓦斯突出模拟试验装置，得出了突出强度与瓦斯压力、煤体强度、三向应力、瓦斯压力等关系的数学模型。

但是，现有模拟试验装置设计均较为单一，无法较真实地模拟矿井巷道网络，特别是关于煤与瓦斯突出过程中“人-机-环”受损模拟试验系统及方法鲜有报道；传感器布设方式简单，对两相流的传播规律进行研究时，现有装置均安装传感器于巷道壁面，无法获得煤-瓦斯两相流运移断面中部的参数，也就不能对其真实的运移特性进行深入研究；数据采集较为单一，无法利用采集的数据对煤与瓦斯突出致灾机理开展深入研究；可视化程度不足，在进行相关模拟试验后，对煤-瓦斯两相流的真实运移形态仍不清楚。

技术实现要素：

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种煤与瓦斯突出灾变过程中“人-机-环”受损模拟试验方法。

本发明技术方案如下：

1)组装巷道

1a)以左右并排的方式设置两列十字管接头，左边一列十字管接头的数目为六个，右边一列十字管接头的数目为五个，同列中两相邻十字管接头之间通过纵向方形直管连接，右边一列最前面一个十字管接头通过横向方形直管与左边一列第二个十字管接头连接，右边一列第三个十字管接头通过另一个横向方形直管与左边一列第四个十字管接头连接，左边一列最前面一个十字管接头的前端口连接前小后大的扩口接管，横向方形直管和纵向方形直管上均设有观察窗，在两列最后面一个十字管接头的后端口连接防尘布袋，各十字管接头未使用的端口由挡板密封；

1b)连接巷道与煤与瓦斯突出模拟试验台：在煤与瓦斯突出模拟试验台的试验箱体位置安装爆破片法兰盘，再连接法兰盘与爆破片夹持器，并同时装入试验方案预定规格的爆破片两片以及爆破信号传感器，以完成分级泄爆装置的安装，使用气管将爆破片夹持器与甲烷气瓶相连接；将爆破片夹持器通过引导圆管与巷道前端的扩口接管连接；

2)安装传感器及“人-机”模型

2a)压力与温度传感器：纵向方形直管和横向方形直管上设置传感器的方式相同，即，各方形直管的两端均设有轴向测量断面，方形直管的中部设置侧压测量断面，所述轴向测量断面上设有三个压力传感器、三个温度传感器和两个浓度传感器，其中，第一压力传感器位于对应方形直管的中心线上，第二压力传感器和第三压力传感器位于第一压力传感器不同的同心圆上，且第二压力传感器和第三压力传感器在第一压力传感器的同一侧，第二压力传感器位于第一压力传感器的斜上方，第三压力传感器位于第一压力传感器的斜下方，第一、第二、第三压力传感器的旁边均设有温度传感器；侧压测量断面上设有三个按等腰三角形分布的侧压传感器，其中两个侧压传感器位于方形直管两边侧壁的腰线上，第三个侧压传感器位于方形直管的底壁，所述侧压传感器为压力传感器或温度传感器；上述压力传感器和温度传感器安装后以后与高速数据采集仪连接；

2b)浓度传感器：各方形直管侧壁的上部和下部均装有浓度传感器，浓度传感器和第二压力传感器分居于第一压力传感器的两侧，浓度传感器的出线端与高速数据采集系统连接；

2c)流量计：在引导圆管上安装流量计，连接流量计与高速数据采集系统；

2d)将人体模型和机器模型放置在巷道内的设定位置；

2e)使用堵板或堵头密封未安装传感器位置的巷道预留孔；

2f)传感器安装完成后，打开数据记录软件，检查所有在用传感器是否工作正常；

3)安装摄像头及高速摄像机

3a)摄像头：在每个十字管接头的顶部安装摄像头，使摄像头位于十字管接头内，调整摄像头的拍摄方向，使其对准煤-瓦斯两相流的来向；

3b)高速摄像机：连接爆破信号传感器与高速摄像机，使用摄像机支架将高速摄像机架设于扩口接管的旁边，使高速摄像机正对扩口接管上开设的透视窗，并连接高速摄像机与可视化电脑主机；

3c)打开摄像头、高速摄像机以及巷道顶部两侧设置的灯带的电源开关，检查高速摄像机以及在用的摄像头及灯带是否正常工作；

3d)将预定的第一、第二、第三压力传感器，温度传感器和侧压传感器与dewesoft硬件模块相连接，并将其与可视化电脑主机连接；

4)型煤制作及试验箱体密封

4a)型煤分4层成型，即先在试验箱体底部相应位置铺一层煤样，同时在煤样内埋入传感器，然后加压成型；然后依次进行第二层、第三层、第四层型煤成型；

4b)安装试件箱盖板并检查密封效果；

4c)连接试验箱体传感器和电脑；连接进气管和真空泵及甲烷气瓶；

5)突出孕育

5a)应力加载阶段，开启应力加载及高速数据采集系统，对试验箱体三个方向施加预定水平应力；

5b)瓦斯吸附阶段，首先启动真空泵对煤样进行抽真空，以排出空气杂质，然后关闭真空泵，并打开甲烷气瓶进行充气，按照预定吸附平衡气压进行吸附；

6)突出启动

6a)当试验箱体内煤体吸附至预定状态后，打开数据采集设备、摄像头信号采集设备、dewesoft硬件及它们的相应软件；

6b)对分级泄爆装置进行充气，爆破片泄爆瞬间即关闭气瓶，此时爆破信号传感器将爆破信号传输至高速摄像机，并启动高速摄像机进行录像；同时各传感器采集的信号传输至电脑储存，dewesoft硬件接收传感器信号并利用高速摄像机采集的图像进行处理，对巷道中两相流各参数云图的演化规律进行显示；

6c)两相流喷射停止后，保存相关数据，并继续对数据进行监测，至瓦斯浓度以及粉尘浓度降低至预定安全值后，再次储存相关数据，并关闭所有数据采集系统；

7)结束试验

7a)突出结束后，通过观察窗对巷道中煤粉的堆积状态进行观测，并拍照记录人体模型和机器模型的相应位置；拆卸观察窗，收集巷道以及防尘袋中煤样，对所得煤样筛分整理；

7b)清理完成巷道中煤样后，拆卸巷道中堵板、传感器、高速摄像机等装置，分类整理后放回原处，以备下次试验使用。

本发明主要包括了“多场耦合大型煤与瓦斯突出模拟试验台”与“煤与瓦斯突出动力致灾可视化试验巷道系统”。前者为提供煤-瓦斯两相流的动力装置，后者主要提供煤-瓦斯两相流在井下运移的巷道网络。夹持器上设有充气孔以满足巷道泄爆需求，两个爆破片之间留有一定空间，用于试验台上的试验箱体内气压与巷道气压的过渡。

传感器的布设应该使用尽量少的传感器来测量尽量多的数据信息。每一直线段内布置两个轴向测量断面，一个侧压测量断面。轴向测量断面主要用于巷道内煤-瓦斯两相流断面分布的测量，侧压断面主要用于煤-瓦斯两相流对巷道壁面作用的压力分析。

轴向测量断面，试验过程中，突出口中心与巷道中心位于同一水平线上，突出口为圆形，故可推测煤-瓦斯两相流的压力、温度等参数分布规律具有一定的中心对称性，因此，轴向测量断面的压力、温度传感器布设位置均在以巷道中心为圆心、半径不同的同心圆上；以巷道中线的其中一侧为主要传感器布置范围，并拟据此对右侧的各参数进行分析。同时，由于突出停止后，气体浓度在巷道断面的分布不会有突变，即巷道壁面与巷道中心位置浓度数据差异不大，考虑加工设计及浓度传感器安装方式，在巷道另一侧壁面上下各安置一个浓度传感器。

侧压测量断面，腰线上两边各一个，中线上巷道的下表面一个，可安装压力传感器或温度传感器。由于轴压传感器位于巷道内部，传感器感应面与煤-瓦斯两相流运动方向垂直，所得数据为固气混合物综合作用的结果。侧压传感器则安装于巷道壁面，所得数据主要为气体压力膨胀作用的结果。

相对于其它传感器，高清摄像头尺寸较大，且为了方便转向使其能全方位观测巷道中煤-瓦斯两相流的流动规律，在巷道十字管接头的顶部设置高清摄像头。

采用高速摄像机为photron高速摄像机，其最高拍摄速度为800000fps，可对煤-瓦斯两相流中煤粉颗粒的运动轨迹进行抓拍，利于实现煤-瓦斯两相流瞬时速度等参数的计算，其与dewesoft软硬件及相应传感器相配合使用，可实现煤-瓦斯两相流各参数三维云图的绘制。

本发明将假人、设备模型放置在巷道内不同位置，同时对比突出前后模型的破坏情况、运移情况并结合不同位置打击力、瓦斯浓度、温度等时空演化规律综合分析瓦斯突出对“人-机-环”的破坏情况及致灾机理。

为了简化结构，方便高清摄像头安装，使高清摄像头转向不受影响，并有利于在外面观察高清摄像头的工作位姿，在所述十字管接头顶壁的中部开有矩形窗口，该矩形窗口上覆盖玻璃，所述玻璃的边缘由方框形的第一压条压紧，第一压条通过螺钉与十字管接头固定，在玻璃的底部悬吊安装高清摄像头。

为了便于连接，使拆装操作更便捷，所述十字管接头的四个端口均设置有方法兰。

为了便于与十字管接头，使拆装操作更简便，并有利于在外面观察煤-瓦斯两相流的状况，各方形直管两端的端口均设置有方法兰，方形直管的顶部沿其长度方向设置两个观察窗口，各观察窗口上覆盖透明板，该透明板由方框形的第二压条压紧。

为了便于传感器安装，确保传感器安装牢靠，第一压力传感器、第二压力传感器和第三压力传感器均安装在对应设置的支架的悬空端，各压力传感器旁边的温度传感器也安装于同一支架上，该支架从方形直管的侧壁伸入，支架根部的安装座与对应方形直管的侧壁相固定。

作为优选，所述第二压力传感器与第一压力传感器之间的距离大于第三压力传感器与第一压力传感器之间的距离，且第二压力传感器与第一压力传感器的中心连线垂直于第三压力传感器与第一压力传感器的中心连线。

为了便于浓度传感器拆装，在方形直管的侧壁上开设第一安装口，浓度传感器伸入该第一安装口中，该浓度传感器安装于第一定位块上，所述第一定位块与方形直管的外壁紧贴，并通过螺钉固定。

为了便于侧压传感器拆装，在方形直管对应侧压传感器的壁上开设第二安装口，侧压传感器伸入该第二安装口中，所述侧压传感器安装于第二定位块上，第二定位块与方形直管的外壁紧贴，并通过螺钉固定。

有益效果：本发明采用模拟巷道的形式，通过高清摄像头和高速摄像机可直接观察煤与瓦斯突出发生后煤粉在巷道内的运移情况及对“人-机-环”的破坏情况，并且可通过安装在巷道内不同位置的传感器采集不同信号并同步处理，实现煤与瓦斯突出的可视化，该试验方法能最大程度还原现场工况并且具有巷道形式多变、采集信号丰富(打击力信号、视频信号、气压信号、温度信号、浓度信号、流量信号等)、操作安全等优点，为研究煤与瓦斯突出对“人-机-环”致灾机理提供新的试验手段及方法。

附图说明

图1是本发明巷道的结构示意图。

图2是十字管接头的结构示意图。

图3是图2的俯视图。

图4是轴向测量断面和侧压测量断面的布置示意图。

图5是轴向测量断面各传感器的布置示意图。

图6是方形直管的剖面示意图。

图7是侧压测量断面各传感器的布置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1至图7所示，煤与瓦斯突出灾变过程中“人-机-环”受损模拟试验方法，具有以下步骤：

1)组装巷道

1a)以左右并排的方式设置两列相互平行的十字管接头1，十字管接头1的四个端口均设置有方法兰，在十字管接头1顶壁的中部开有矩形窗口，该矩形窗口上覆盖玻璃14，玻璃14的边缘由方框形的第一压条15压紧，第一压条15通过螺钉与十字管接头1连接。左边一列十字管接头1的数目为六个，右边一列十字管接头1的数目为五个，同列中两相邻十字管接头1之间通过纵向方形直管2连接，右边一列最前面一个十字管接头1通过横向方形直管4与左边一列第二个十字管接头1连接，右边一列第三个十字管接头1通过另一个横向方形直管4与左边一列第四个十字管接头1连接。横向方形直管4垂直于纵向方形直管2，两者均优选为400mmx400mm的方管，各方形直管的两端均设有防法兰。左边一列最前面一个十字管接头1的前端口连接前小后大的扩口接管3，横向方形直管4和纵向方形直管2上均设有观察窗，在两列最后面一个十字管接头1的后端口连接防尘布袋，各十字管接头1未使用的端口由挡板密封。在每个方形直管的顶部沿其长度方向设置两个观察窗口，各观察窗口上覆盖透明板16，该透明板16由方框形的第二压条17压紧，第二压条17通过螺钉与对应的方形直管相固定。

1b)连接巷道与煤与瓦斯突出模拟试验台：在煤与瓦斯突出模拟试验台的试验箱体位置安装爆破片法兰盘，再连接法兰盘与爆破片夹持器，并同时装入试验方案预定规格的爆破片两片以及爆破信号传感器，以完成分级泄爆装置的安装，使用气管将爆破片夹持器与甲烷气瓶相连接；将爆破片夹持器通过引导圆管11与巷道前端的扩口接管3连接。

2)安装传感器及“人-机”模型

2a)压力与温度传感器：纵向方形直管2和横向方形直管4上设置传感器的方式相同，即，各方形直管的两端均设有轴向测量断面a，方形直管的中部设置侧压测量断面b，轴向测量断面a上设有三个压力传感器，分别为第一压力传感器5、第二压力传感器6、第三压力传感器7，这三个压力传感器均位于对应的方形直管内。其中，第一压力传感器5位于对应方形直管的中心线上，第二压力传感器6和第三压力传感器7位于第一压力传感器5不同的同心圆上，且第二压力传感器6和第三压力传感器7在第一压力传感器5的同一侧，第二压力传感器6位于第一压力传感器5的斜上方，第三压力传感器7位于第一压力传感器5的斜下方。第一压力传感器5、第二压力传感器6和第三压力传感器7均安装在对应设置的支架18的悬空端，该支架18从方形直管的侧壁伸入，支架18根部的安装座与横向方形直管6的侧壁相固定。作为优选，第二压力传感器6与第一压力传感器5之间的距离大于第三压力传感器7与第一压力传感器5之间的距离，且第二压力传感器6与第一压力传感器5的中心连线垂直于第三压力传感器7与第一压力传感器5的中心连线。

各方形直管的轴向测量断面a上还设有三个温度传感器8和两个浓度传感器10，其中，三个温度传感器8与第一压力传感器5、第二压力传感器6和第三压力传感器7一一对应，各温度传感器8位于对应压力传感器的旁边，两者相接近，且温度传感器8和对应的压力传感器安装于同一支架18上。

方形直管的侧压测量断面b上设有三个按等腰三角形分布的侧压传感器10，其中两个侧压传感器10位于方形直管两边侧壁的腰线上，第三个侧压传感器10位于方形直管的底壁，侧压传感器10为压力传感器或温度传感器。侧压传感器10的安装方式为：在方形直管对应侧压传感器10的壁上开设第二安装口，侧压传感器10伸入该第二安装口中，侧压传感器10安装于第二定位块20上，第二定位块20与方形直管的外壁紧贴，并通过螺钉固定。

上述压力传感器和温度传感器安装好以后与高速数据采集仪连接。

2b)浓度传感器：在方形直管侧壁的上部和下部均装有浓度传感器9，浓度传感器9和第二压力传感器6分居于第一压力传感器5的两侧。浓度传感器9的安装方式为：在方形直管的侧壁上开设第一安装口，浓度传感器9伸入该第一安装口中，该浓度传感器9安装于第一定位块19上，第一定位块19与方形直管的外壁紧贴，并通过螺钉固定。浓度传感器9的出线端与高速数据采集系统连接。

2c)流量计：在引导圆管11上安装流量计12，连接流量计12与高速数据采集系统。

2d)将人体模型21和机器模型22放置在巷道内设定的试验位置。

2e)使用堵板或堵头密封未安装传感器位置的巷道预留孔。

2f)传感器安装完成后，打开数据记录软件，检查所有在用传感器是否工作正常。

3)安装摄像头及高速摄像机

3a)摄像头：在玻璃14的底部悬吊安装摄像头，摄像头位于十字管接头1内，调整摄像头的拍摄方向，使其对准煤-瓦斯两相流的来向。

3b)高速摄像机：连接爆破信号传感器与高速摄像机13，使用摄像机支架将高速摄像机13架设于扩口接管3的旁边，使高速摄像机13正对扩口接管3上开设的透视窗，并连接高速摄像机13与可视化电脑主机。

3c)打开摄像头、高速摄像机以及巷道顶部两侧设置的灯带的电源开关，检查高速摄像机以及在用的摄像头及灯带是否正常工作。

3d)将预定的第一、第二、第三压力传感器5、6、7，温度传感器8和侧压传感器10与dewesoft硬件模块相连接，并将其与可视化电脑主机连接。

4)型煤制作及试验箱体密封

4a)型煤分4层成型，即先在试验箱体底部相应位置铺一层煤样，同时在煤样内埋入传感器，然后加压成型；然后依次进行第二层、第三层、第四层型煤成型。

4b)安装试件箱盖板并检查密封效果。

4c)连接试验箱体传感器和电脑；连接进气管和真空泵及甲烷气瓶。

5)突出孕育

5a)应力加载阶段，开启应力加载及高速数据采集系统，对试验箱体三个方向施加预定水平应力。

5b)瓦斯吸附阶段，首先启动真空泵对煤样进行抽真空，以排出空气杂质，4小时后关闭真空泵，并打开甲烷气瓶进行充气，按照预定吸附平衡气压进行吸附，吸附时间48小时。

6)突出启动

6a)当试验箱体内煤体吸附至预定状态后，打开数据采集设备、摄像头信号采集设备、dewesoft硬件及它们的相应软件。

6b)对分级泄爆装置进行充气，爆破片泄爆瞬间即关闭气瓶，此时爆破信号传感器将爆破信号传输至高速摄像机，并启动高速摄像机进行录像；同时各传感器采集的信号传输至电脑储存，dewesoft硬件接收传感器信号并利用高速摄像机采集的图像进行处理，对巷道中煤-瓦斯两相流各参数云图的演化规律进行显示。

6c)煤-瓦斯两相流喷射停止后，保存相关数据，并继续对数据进行监测，至瓦斯浓度以及粉尘浓度降低至预定安全值后，再次储存相关数据，并关闭所有数据采集系统。

7)结束试验

7a)突出结束后，通过观察窗对巷道中煤粉的堆积状态进行观测，并拍照记录人体模型21和机器模型22的相应位置；拆卸观察窗，收集巷道以及防尘袋中煤样，对所得煤样筛分整理。

7b)清理完成巷道中煤样后，拆卸巷道中堵板、传感器、高速摄像机等装置，分类整理后放回原处，以备下次试验使用。

以上方案中，煤与瓦斯突出模拟试验台为现有技术，其结构及工作原理在此不作赘述。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。