基于智能板卡控制的綜采工作面瓦斯爆炸仿真試驗裝置系統(tǒng)設(shè)計

武斐斐

(河南鄭州煤業(yè)集團盧溝煤礦，河南 鄭州 452373)

引言

在煤炭開采的過程中，常常伴隨有瓦斯的涌出。瓦斯是無色、無味、無臭的氣體，難溶于水，不助燃也不能維持呼吸，達到一定濃度時，能使人因缺氧而窒息，并能發(fā)生燃燒或爆炸。瓦斯在煤體或圍巖中是以游離狀態(tài)和吸著狀態(tài)存在的，如遇明火，即可燃燒，發(fā)生瓦斯爆炸，直接威脅著礦工的生命安全。礦井生產(chǎn)對瓦斯十分重視，要采取許多必要的安全措施，防止瓦斯爆炸的發(fā)生，而采用一種瓦斯爆炸仿真試驗裝置進行瓦斯爆炸的仿真試驗成為各個礦山培訓(xùn)單位對員工進行安全培訓(xùn)的必要措施。

1．仿真試驗裝置組成及技術(shù)方案

煤礦井下綜采工作面瓦斯爆炸仿真試驗裝置，包括模擬巷道，設(shè)置在模擬巷道的側(cè)壁上的空氣進氣接頭和瓦斯氣體進氣接頭，安裝在瓦斯氣體進氣接頭上的控制閥，通過瓦斯進氣管與瓦斯氣體進氣接頭位于模擬巷道外側(cè)部分連接的瓦斯氣體儲氣罐，通過空氣進氣管與空氣進氣接頭連接的空氣泵，安裝在模擬巷道內(nèi)的炸點部件，設(shè)置在模擬巷道外部的高速攝像機，通過控制信號線與模擬巷道內(nèi)部及外設(shè)的電子器件連接的用于控制各電子器件工作的計算機及通過電纜與各用電部件連接的電源組件。所述模擬巷道的橫向截面為“凹”字形，與其走向垂直的縱向截面為梯形;模擬巷道的一端為模擬巷道下順槽，另一端為模擬巷道上順槽。

模擬巷道內(nèi)部，位于模擬巷道的底面上設(shè)置有工作面刮板輸送機模型、液壓支架模型和工作面采煤機模型。

巷道內(nèi)部炸點部件包括殼體和安裝在殼體上的瓦斯?jié)舛葌鞲衅?、氧氣濃度傳感器、尖端放電裝置及瓦斯氣體進氣噴頭，其中瓦斯氣體進氣噴頭通過瓦斯進氣管與瓦斯氣體進氣接頭位于模擬巷道內(nèi)側(cè)部分連接。

巷道內(nèi)部采煤工作面刮板輸送機模型、液壓支架模型和工作面采煤機模型之間的位置關(guān)系與真實巷道中的工作面刮板輸送機、液壓支架及工作面采煤機之間的位置關(guān)系一致;工作面刮板輸送機模型、液壓支架模型和工作面采煤機模型與真實巷道中的工作面刮板輸送機、液壓支架及工作面采煤機比例一致，如圖一所示。

圖一 煤礦井下綜采工作面瓦斯爆炸仿真試驗裝置俯視結(jié)構(gòu)示意圖

圖二 煤礦井下綜采工作面瓦斯爆炸仿真試驗裝置炸點設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

圖三 煤礦井下綜采工作面瓦斯爆炸仿真試驗裝置模擬巷道封閉門結(jié)構(gòu)示意圖

巷道內(nèi)部設(shè)置炸點為4個，從模擬巷道下順槽至模擬巷道上順槽的方向依次為炸點部件A、炸點部件B、炸點部件C、炸點部件D;瓦斯氣體進氣接頭為4個，分別通過瓦斯進氣管與炸點部件內(nèi)的瓦斯氣體進氣噴頭連接，每個瓦斯氣體進氣接頭上均安裝有一個控制閥，如圖二所示。

模擬巷道下順槽與模擬巷道上順槽的開口外側(cè)設(shè)各置有一個模擬巷道封閉門，如圖三所示。

在計算機主機內(nèi)插槽內(nèi)放置有PCI智能板卡，且空氣泵、控制閥、高速攝像機及位于炸點部件內(nèi)的瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳌⒀鯕鉂舛葌鞲衅?、尖端放電裝置分別通過控制信號線與PCI智能板卡上的相應(yīng)端口連接，如圖四所示。

圖四 煤礦井下綜采工作面瓦斯爆炸仿真試驗裝置控制信號輸入輸出示意圖

3．瓦斯爆炸試驗工作方式

如圖一、圖四所示，為了使瓦斯爆炸試驗裝置更接近實際的瓦斯爆炸，采用以下兩種爆炸試驗方式:

3．1 模擬瓦斯氣體在巷道內(nèi)的一次爆炸現(xiàn)象

按照實際生產(chǎn)工藝，將工作面刮板輸送機模型13、液壓支架模型14和工作面采煤機模型15擺放到合適位置，根據(jù)演示需要在模擬巷道1里調(diào)整1個炸點部件安裝固定的位置，通過計算機10操控打開與該炸點部件內(nèi)瓦斯氣體進氣噴頭20連接的瓦斯氣體進氣接頭3上的控制閥4，此時純度為99．99%的瓦斯氣體通過排氣口進入金屬柵網(wǎng)鋼化玻璃巷道內(nèi)，由該炸點部件內(nèi)的瓦斯?jié)舛葌鞲衅?7、氧氣濃度傳感器18檢測出的濃度值，通過控制信號線9送給PCI數(shù)據(jù)捕獲和信號處理控制器，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換，在計算機10屏幕上顯示出瓦斯氣體濃度值、氧氣濃度值，當(dāng)瓦斯氣體濃度達到瓦斯爆炸臨界濃度時，通過計算機10操控尖端放電裝置19觸點閉合，由升壓變壓器瞬間將電壓升至數(shù)萬伏，導(dǎo)致尖端放電，從而點燃模擬巷道1內(nèi)的瓦斯氣體，同時由高速攝像機8將爆炸時的現(xiàn)象通過控制信號線9傳至計算機10，使觀察人員直觀看到瓦斯爆炸時的現(xiàn)象及工作面刮板輸送機模型13、液壓支架模型14和工作面采煤機模型15因瓦斯爆炸而傾倒的情形，并通過計算機10儲存的視頻信號進行分析。

3．2 瓦斯氣體在巷道內(nèi)的多次連續(xù)爆炸現(xiàn)象

按照實際生產(chǎn)工藝，將工作面刮板輸送機模型13、液壓支架模型14和工作面采煤機模型15擺放到合適位置，根據(jù)演示需要在模擬巷道1里調(diào)整4個炸點部件安裝固定的位置，通過計算機10操控打開與炸點部件A21內(nèi)瓦斯氣體進氣噴頭20連接的瓦斯氣體進氣接頭3上的控制閥4，純度為99．99%的瓦斯氣體通過排氣口進入金屬柵網(wǎng)鋼化玻璃巷道內(nèi)，當(dāng)炸點部件A21的瓦斯?jié)舛葌鞲衅?7、氧氣濃度傳感器18檢測到瓦斯爆炸臨界濃度時，通過計算機10操控炸點部件A21上的尖端放電裝置19觸點閉合，尖端放電裝置19放電，瓦斯爆炸，這時查看炸點部件B22上的氧氣濃度傳感器18檢測到的濃度值，若氧氣濃度下降到瓦斯氣體無法爆炸時，通過計算機10啟動空氣泵7，通過空氣進氣管26向模擬巷道1內(nèi)輸入空氣，當(dāng)炸點部件B22上的氧氣濃度傳感器18檢測所在位置的氧氣達到爆炸時所需的氧氣濃度時，即停止供氧，并打開與炸點部件B22內(nèi)瓦斯氣體進氣噴頭20連接的瓦斯氣體進氣接頭3上的控制閥4，向模擬巷道1內(nèi)輸送瓦斯氣體，當(dāng)炸點部件B22上的瓦斯?jié)舛葌鞲衅?7檢測所在位置的瓦斯氣體濃度達到爆炸所需的瓦斯氣體臨界濃度值時，操控炸點部件B22內(nèi)的尖端放電裝置19放電，炸點部件B22處引發(fā)瓦斯爆炸，如此重復(fù)操作，直至炸點部件A、B、C、D所在位置連續(xù)發(fā)生爆炸，觀察爆炸后模擬巷道1內(nèi)的工作面刮板輸送機模型13、液壓支架模型14和工作面采煤機模型15受爆炸后沖擊波的傾倒情況。同時，高速攝像機8將四次爆炸后的情況，記錄入計算機10，供工程技術(shù)人員、教師、安全培訓(xùn)學(xué)員后續(xù)分析。

4．有益效果分析

4．1 本瓦斯爆炸仿真試驗裝置結(jié)構(gòu)合理，模擬巷道的形狀與真實煤礦井下綜采工作面的巷道形狀一致，使得本裝置仿真度高，具有較好的實驗效果。

4．2 在模擬巷道內(nèi)部，位于模擬巷道的底面上設(shè)置有工作面刮板輸送機模型、液壓支架模型和工作面采煤機模型，且各模型的材質(zhì)、各模型之間的位置關(guān)系均與煤礦井下綜采工作面上真實的大型設(shè)備一致，且各模型與真實設(shè)備之間的縮微比例與模擬巷道與真實巷道之間的縮微比例關(guān)系一致，能保證本裝置具有非常高的仿真度，較好的實驗效果及非常強的直觀性，方便工程技術(shù)人員、教師、安全培訓(xùn)學(xué)員根據(jù)瓦斯爆炸模擬效果對真實的瓦斯爆炸結(jié)構(gòu)得到直觀的認(rèn)識。

4．3 模擬巷道里的炸點部件采用模塊化結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)演示需要在模擬巷道里調(diào)整固定位置，模擬出不同爆炸點對模擬巷道內(nèi)的設(shè)備模型造成的破壞結(jié)果，使得本裝置具有非常高的仿真度，且由于模擬巷道的尺寸限制，采用4個炸點部件即可滿足模擬巷道內(nèi)模擬多點連續(xù)爆炸的要求，每個炸點部件內(nèi)均包括瓦斯?jié)舛葌鞲衅?、氧氣濃度傳感器、尖端放電裝置及瓦斯氣體進氣噴頭，可以在不同點位實現(xiàn)模擬瓦斯爆炸，使得本裝置具有較好的實驗效果。

4．4 計算機內(nèi)部設(shè)置有PCI智能板卡，且空氣泵、控制閥、高速攝像機及位于炸點部件內(nèi)的瓦斯?jié)舛葌鞲衅?、氧氣濃度傳感器、尖端放電裝置分別通過控制信號線與PCI數(shù)據(jù)捕獲和信號處理控制器上的相應(yīng)端口連接，使得本裝置結(jié)構(gòu)合理，可以通過計算機上的組態(tài)監(jiān)控軟件系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集和過程控制，使得數(shù)據(jù)處理更加方便，過程控制更加簡單，也使得由高速攝像機拍攝的影像通過計算機直接進行記錄和處理。

4．5 模擬巷道下順槽與模擬巷道上順槽的開口外側(cè)設(shè)各置有一個模擬巷道封閉門，使得本裝置的模擬巷道內(nèi)設(shè)備模型在每一次模擬爆炸后均可以打開模擬巷道下順槽與模擬巷道上順槽的開口外的模擬巷道封閉門對設(shè)備模型進行整理布置，使得本裝置能夠重復(fù)利用，使用方便，并且在模擬巷道內(nèi)模擬瓦斯爆炸時產(chǎn)生的沖擊波能量可以從模擬巷道封閉門與模擬巷道下順槽與模擬巷道上順槽的開口之間的間隙瀉出，不會對模擬巷道本身產(chǎn)生不良影響。

總之，本煤礦井下綜采工作面瓦斯爆炸仿真試驗裝置具有能適用于科研或教學(xué)，結(jié)構(gòu)簡單，仿真度高，實驗效果好，適應(yīng)性強，穩(wěn)定性高，使用方便，直觀性強的優(yōu)點。