瓦斯風壓誘導井巷分支風流紊亂的定量實驗裝置的制造方法
【專利摘要】本發明公開了瓦斯風壓誘導井巷分支風流紊亂的定量實驗裝置，包括底座，卡環，進風口，并聯管道，注氣口，監測孔，出風口，可調節閥門，高壓混合氣體，風速傳感器，氣體濃度傳感器，數據采集器，海綿雙面膠薄片，減壓閥，風機。本發明通過改變并聯巷道分支傾角和充入氣體的濃度，實現了瓦斯風壓的改變，且通過改變并聯巷道的風阻和風速實現了井巷分支風流紊亂內在條件的改變，并通過氣體濃度傳感器和風速傳感器的監測判斷了井巷分支風流在瓦斯風壓作用下發生紊亂的情況。本發明涉及的實驗裝置設計新穎，實現了定量分析瓦斯風壓對井巷分支風流紊亂的影響程度。
【專利說明】
瓦斯風壓誘導井巷分支風流紊亂的定量實驗裝置
技術領域
[0001]本發明屬于礦井通風與瓦斯防治等技術領域，具體涉及瓦斯風壓誘導井巷分支風流紊亂的定量實驗裝置。
【背景技術】
[0002]在煤礦開采過程中，由于煤與瓦斯突出、瓦斯的異常涌出或礦井局部通風不良，很容易造成高濃度瓦斯積聚。高濃度瓦斯積聚除了會對積聚區域人員造成窒息、形成瓦斯爆炸隱患外，還有可能影響風流的正常流動，甚至導致風流的停滯或逆轉，形成更大的安全隱患。高濃度瓦斯在巷道空間積聚后，瓦斯的密度比空氣小，由于浮力作用，有可能形成額外的瓦斯風壓，產生與風機作用力方向相同或相反的力，造成井下分支風流增大、減小或停滯，擾亂通風系統。瓦斯積聚影響風流正常流動的方式往往是通過瓦斯風壓擾亂風流。研究瓦斯風壓誘導井巷分支風流紊亂對合理設計礦井抗災系統、減小災害波及范圍、以及災后救護和災變時期通風等方面都有重要的理論和實踐意義。張仁松根據現場實踐經驗首次提出瓦斯風壓的概念，并結合實際進行了簡單的分析。在他設定的條件下，下行風工作面平均瓦斯積聚濃度達到5.8%就能導致風流停滯或逆轉。周愛桃運用數學方法，在非穩態條件下推導了瓦斯風壓引起并聯上行通風巷道旁側支路風流逆轉的判別式，與穩態條件下推導的結果相比，得出旁側支路長度和風速的增大也有可能防止逆轉現象發生的結論，該結論從風流慣性方面彌補了穩態法的不足。通過對目前研究現狀的分析，國內外學者定性分析了瓦斯風壓誘導井巷分支風流紊亂，但是沒有建立起瓦斯風壓誘導井巷分支風流紊亂的實驗裝置，定量分析瓦斯風壓對井巷分支風流紊亂的影響。因此，為更好的認識瓦斯風壓對井巷分支風流紊亂的影響，應基于瓦斯風壓誘導井巷分支風流紊亂的機理，設計出一套瓦斯風壓誘導井巷分支風流紊亂的定量分析實驗裝置。

【發明內容】

[0003]本發明為定量分析瓦斯風壓對井巷分支風流紊亂的影響，設計了一套瓦斯風壓誘導井巷分支風流紊亂的定量分析實驗裝置。該定量實驗裝置通過改變并聯巷道分支傾角和充入氣體的濃度，實現了瓦斯風壓的改變。且通過改變并聯巷道的風阻和風速實現了井巷分支風流紊亂內在條件的改變。
[0004]為解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案:瓦斯風壓誘導井巷分支風流紊亂的定量實驗裝置，包括底座，卡環，進風口，并聯管道，注氣口，監測孔，出風口，可調節閥門，高壓混合氣體，風速傳感器，氣體濃度傳感器，數據采集器，海綿雙面膠薄片，減壓閥，風機，其特征在于底座和并聯管道通過卡環連接，進風口設計在進風橫管道下部，出風口設計在出風橫管道上部并與風機相連。
[0005]所述的并聯管道，設計為用鐵皮卷成的螺旋風管，并聯管道由左側長管道，中間長管道，右側長管道，進風橫管道，中間連通管道，出風橫管道組成，所有管道無縫連接，其中左側長管道，中間長管道，進風橫管道，中間連通管道，出風橫管道的直徑均設計為10cm，右側長管道的直徑設計為15cm，且各管道內壁每隔2.5cm貼一條厚3.3mm，寬5mm的海綿雙面膠薄片，以增加管壁的粗糙程度。
[0006]所述的底座和并聯管道通過卡環連接，其中底座的傾角設計為可調節傾角，調節范圍在0°?90°，通過卡環與底座連接的并聯管道即可在0°?90°的傾角范圍內調節。
[0007]所述的注氣口設計在中間長管道下部，高壓混合氣體通過注氣口進入管道，其中高壓混合氣體進入注氣孔通過減壓閥控制。
[0008]所述的監測孔設計在各管道壁上，其中在距離左側長管道中部往下47cm處安裝一個監測孔，在接近左側長管道中部處安裝一個監測孔，在距離左側長管道上端1cm處安裝一個監測孔，在中間連通管道405右側接近中間長管道處安裝一個監測孔，在距離中間長管道上部45cm處安裝一個監測孔，在右側長管道上與左側長管道平行位置分別安裝三個監測孔，在接近出風橫管道和中間長管道的連通口處安裝一個監測孔，在出風橫管道上部距離出風口左側1cm處安裝一個監測孔，共安裝監測孔十個；
[0009]所述的可調節閥門設計為6個檔位的蝶閥，其中I檔相當于完全封閉該閥門所在分支，6檔相當于完全打開該分支，其中左側長管道上部接近出風橫管道處，中間長管道上部接近出風橫管道處，右側長管道上部接近出風橫管道處，中間連通管道中部處，出風口處分別安裝一個可調節閥門，可調節閥門均安裝在各管道內部，與管壁無縫連接。
[0010]所述的風速傳感器安裝在每一個監測孔處并與數據采集器連接，其中風速傳感器選用探頭較小，適合測量管道低風速風流的美國歐米伽公司的FMA900A型風速儀，響應時間為250ms，精確度約為0.04m/s，一共安裝十個風速傳感器。
[0011]所述的氣體濃度傳感器安裝在每一個監測孔處并與數據采集器連接，其中氣體濃度傳感器均選氧氣傳感器，其響應時間小于800ms，量程1%-100%，并在進風口處安裝一個氧氣傳感器，檢測室內空氣中氧含量的變化，一共安裝十個氣體濃度傳感器。
[0012]所述的高壓混合氣體為體積比為1:1的NdPHe，混合氣體在標準狀況下的密度為
0.7143g/L，與甲烷密度非常接近。
[0013]所述的風機安裝在出風口處，本實驗裝置模擬抽出式通風，風機排風量的大小通過出風口處的可調節閥門控制。
【附圖說明】
圖1是本發明整體示意圖圖2是底座和卡環不意圖圖3是為并聯管道構件示意圖圖4是部分管道剖面示意圖圖5是尚壓混合氣體和減壓閥不意圖圖6是風速傳感器示意圖圖7是氣體濃度傳感器示意圖圖8是數據采集器示意圖
【具體實施方式】
[0015]如圖1-圖8所示，本發明的瓦斯風壓誘導井巷分支風流紊亂的定量實驗裝置，包括底座I，卡環2，進風口 3，并聯管道4，注氣口 5，監測孔601-610，出風口 7，可調節閥門801-805，高壓混合氣體9，風速傳感器10，氣體濃度傳感器11，數據采集器12，海綿薄片13，風機14，減壓閥15。底座I的傾角設計為可調節，調節范圍在0°?90°;卡環2用來連接底座I和并聯管道3 ;并聯管道4設計成螺旋風管，包含左側長管道401，中間長管道402，右側長管道403，進風橫管道404，中間連通管道405，出風橫管道406，其中左側長管道401，中間長管道402，右側長管道403，進風橫管道404，中間連通管道405和出風橫管道406無縫連接，且左側長管道401，中間長管道402，進風橫管道404，中間連通管道405，出風橫管道406的直徑均設計為10cm，右側長管道403的直徑設計為15cm;進風口 3設計在進風橫管道404下部，并在進風口處安裝氣體濃度傳感器1106;注氣口 5的孔直徑設計為lcm，安裝在中間長管道402下部;監測孔601設計在距離左側長管道401中部往下47cm處，監測孔602設計在接近左側長管道401中部處，監測孔603設計距離左側長管道401上端1cm處，監測孔604設計在中間連通管道405右側接近中間長管道402處，監測孔605設計在距離中間長管道402上部45cm處，監測孔606設計在右側長管道403下部與監測孔601平行的位置，監測孔607設計在右側長管道403中部與監測孔602平行的位置，監測孔608設計在右側長管道403上部與監測孔603平行的位置，監測孔609設計在接近出風橫管道406和中間長管道402的連通口處，監測孔610設計在出風橫管道406上部距離出風口 7左側1cm處；出風口 7設計在出風橫管道406上部；可調節閥門801設計在左側長管道401上部并處于監測孔603下部，可調節閥門802設計在中間連通管道405中部，可調節閥門803設計在中間連通管道405上部并處于監測孔605上部，可調節閥門804設計在右側長管道403上部并處于監測孔608下部，可調節閥門805設計在出風口 7處;高壓混合氣體9為體積比1:1的N2和He，通過減壓閥15與注氣口 5連接將混合氣體注入中間長管道402中；風速傳感器10和氣體濃度傳感器11通過螺紋擰在每個監測孔處并與數據采集器12相連，共需十個風速傳感器10，十個氣體濃度傳感器11，二十個數據采集器12;海綿薄片13設計成厚3.3mm，寬5mm的海綿雙面膠，沿管道內壁螺旋走向每隔2.5cm貼一個;風機14與出風口 7相連。
[0016]本發明一種瓦斯風壓誘導井巷分支風流紊亂的技術裝置的原理:
一種瓦斯風壓誘導井巷分支風流紊亂的技術裝置核心在于底座的傾角可以調節，從而實現不同井巷高差的模擬;通過充入氣體的量實現井巷不同甲烷氣體濃度的模擬;并聯巷道內部貼海綿薄片，模擬不同井巷分支風阻，右側分支直徑為15cm，用于模擬不同斷面積的分支逆轉情況，通過調節出風口閥門，控制巷道風速大小。井巷分支風流紊亂情況通過監測氧氣濃度、風速來實現。
【主權項】
1.一種瓦斯風壓誘導井巷分支風流紊亂的定量實驗裝置，其特征在于:所述的瓦斯風壓誘導井巷分支風流紊亂的定量實驗裝置包括底座，卡環，進風口，并聯管道，注氣口，監測孔，出風口，可調節閥門，高壓混合氣體，風速傳感器，氣體濃度傳感器，數據采集器，海綿雙面膠薄片，減壓閥，風機，其特征在于底座和并聯管道通過卡環連接，進風口設計在進風橫管道下部，出風口設計在出風橫管道上部并與風機相連，風速傳感器與氧氣濃度傳感器與監測孔相連，高壓混合氣體通過減壓閥與注氣口相連。2.根據權利要求1所述的瓦斯風壓誘導井巷分支風流紊亂的定量實驗裝置，其特征在于:所述的并聯管道，設計為用鐵皮卷成的螺旋風管，并聯管道由左側長管道，中間長管道，右側長管道，進風橫管道，中間連通管道，出風橫管道組成，所有管道無縫連接，其中左側長管道，中間長管道，進風橫管道，中間連通管道，出風橫管道的直徑均設計為10cm，右側長管道的直徑設計為15cm，且各管道內壁每隔2.5cm貼一條厚3.3_，寬5_的海綿雙面膠薄片，以增加管壁的粗糙程度。3.根據權利要求1所述的瓦斯風壓誘導井巷分支風流紊亂的定量實驗裝置，其特征在于:所述的底座和并聯管道通過卡環連接，其中底座的傾角設計為可調節，調節范圍在0°?90°，則并聯管道的傾角范圍在0°?90°。4.根據權利要求1所述的瓦斯風壓誘導井巷分支風流紊亂的定量實驗裝置，其特征在于:所述的注氣口設計在中間長管道下部，高壓混合氣體通過注氣口進入管道，其中高壓混合氣體進入注氣孔通過減壓閥控制。5.根據權利要求1所述的瓦斯風壓誘導井巷分支風流紊亂的定量實驗裝置，其特征在于:所述的監測孔設計在各管道壁上，其中在距離左側長管道中部往下47cm處安裝一個監測孔，在接近左側長管道中部處安裝一個監測孔，在距離左側長管道上端1cm處安裝一個監測孔，在中間連通管道右側接近中間長管道處安裝一個監測孔，在距離中間長管道上部45cm處安裝一個監測孔，在右側長管道上與左側長管道平行位置分別安裝三個監測孔，在接近出風橫管道和中間長管道的連通口處安裝一個監測孔，在出風橫管道上部距離出風口左側1cm處安裝一個監測孔，共安裝監測孔十個。6.根據權利要求1所述的瓦斯風壓誘導井巷分支風流紊亂的定量實驗裝置，其特征在于:所述的可調節閥門設計為6個檔位的蝶閥，其中I檔相當于完全封閉該閥門所在分支，6檔相當于完全打開該分支，其中左側長管道上部接近出風橫管道處，中間長管道上部接近出風橫管道處，右側長管道上部接近出風橫管道處，中間連通管道中部處，出風口處分別安裝一個可調節閥門，可調節閥門均安裝在各管道內部，與管壁無縫連接。7.根據權利要求1所述的瓦斯風壓誘導井巷分支風流紊亂的定量實驗裝置，其特征在于:所述的風速傳感器安裝在每一個監測孔處并與數據采集器連接，其中風速傳感器選用探頭較小，適合測量管道低風速風流的美國歐米伽公司的FMA900A型風速儀，響應時間為250ms，精確度約為0.04m/s，一共安裝十個風速傳感器。8.根據權利要求1所述的瓦斯風壓誘導井巷分支風流紊亂的定量實驗裝置，其特征在于:所述的氣體濃度傳感器安裝在每一個監測孔處并與數據采集器連接，其中氣體濃度傳感器均選氧氣傳感器，其響應時間小于800ms，量程I % -100 %，并在進風口處安裝一個氧氣傳感器，檢測室內空氣中氧含量的變化，一共安裝十個氣體濃度傳感器。9.根據權利要求1所述的瓦斯風壓誘導井巷分支風流紊亂的定量實驗裝置，其特征在于:所述的高壓混合氣體為體積比為1:1的NdPHe，混合氣體在標準狀況下的密度為0.7143g/L，與甲烷密度非常接近。10.根據權利要求1所述的瓦斯風壓誘導井巷分支風流紊亂的定量實驗裝置，其特征在于:所述的風機安裝在出風口處，本實驗裝置模擬抽出式通風，風機排風量的大小通過出風口處的可調節閥門控制。
【文檔編號】E21F1/02GK105971656SQ201610584202
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年7月22日
【發明人】周愛桃, 王凱, 吳則琪, 劉昂, 蔣峰, 蔣一峰
【申請人】中國礦業大學(北京)