基于智能板卡控制的综采工作面瓦斯爆炸仿真试验装置系统设计

武斐斐

(河南郑州煤业集团卢沟煤矿，河南 郑州 452373)

引言

在煤炭开采的过程中，常常伴随有瓦斯的涌出。瓦斯是无色、无味、无臭的气体，难溶于水，不助燃也不能维持呼吸，达到一定浓度时，能使人因缺氧而窒息，并能发生燃烧或爆炸。瓦斯在煤体或围岩中是以游离状态和吸着状态存在的，如遇明火，即可燃烧，发生瓦斯爆炸，直接威胁着矿工的生命安全。矿井生产对瓦斯十分重视，要采取许多必要的安全措施，防止瓦斯爆炸的发生，而采用一种瓦斯爆炸仿真试验装置进行瓦斯爆炸的仿真试验成为各个矿山培训单位对员工进行安全培训的必要措施。

1．仿真试验装置组成及技术方案

煤矿井下综采工作面瓦斯爆炸仿真试验装置，包括模拟巷道，设置在模拟巷道的侧壁上的空气进气接头和瓦斯气体进气接头，安装在瓦斯气体进气接头上的控制阀，通过瓦斯进气管与瓦斯气体进气接头位于模拟巷道外侧部分连接的瓦斯气体储气罐，通过空气进气管与空气进气接头连接的空气泵，安装在模拟巷道内的炸点部件，设置在模拟巷道外部的高速摄像机，通过控制信号线与模拟巷道内部及外设的电子器件连接的用于控制各电子器件工作的计算机及通过电缆与各用电部件连接的电源组件。所述模拟巷道的横向截面为“凹”字形，与其走向垂直的纵向截面为梯形;模拟巷道的一端为模拟巷道下顺槽，另一端为模拟巷道上顺槽。

模拟巷道内部，位于模拟巷道的底面上设置有工作面刮板输送机模型、液压支架模型和工作面采煤机模型。

巷道内部炸点部件包括壳体和安装在壳体上的瓦斯浓度传感器、氧气浓度传感器、尖端放电装置及瓦斯气体进气喷头，其中瓦斯气体进气喷头通过瓦斯进气管与瓦斯气体进气接头位于模拟巷道内侧部分连接。

巷道内部采煤工作面刮板输送机模型、液压支架模型和工作面采煤机模型之间的位置关系与真实巷道中的工作面刮板输送机、液压支架及工作面采煤机之间的位置关系一致;工作面刮板输送机模型、液压支架模型和工作面采煤机模型与真实巷道中的工作面刮板输送机、液压支架及工作面采煤机比例一致，如图一所示。

图一 煤矿井下综采工作面瓦斯爆炸仿真试验装置俯视结构示意图

图二 煤矿井下综采工作面瓦斯爆炸仿真试验装置炸点设备结构示意图

图三 煤矿井下综采工作面瓦斯爆炸仿真试验装置模拟巷道封闭门结构示意图

巷道内部设置炸点为4个，从模拟巷道下顺槽至模拟巷道上顺槽的方向依次为炸点部件A、炸点部件B、炸点部件C、炸点部件D;瓦斯气体进气接头为4个，分别通过瓦斯进气管与炸点部件内的瓦斯气体进气喷头连接，每个瓦斯气体进气接头上均安装有一个控制阀，如图二所示。

模拟巷道下顺槽与模拟巷道上顺槽的开口外侧设各置有一个模拟巷道封闭门，如图三所示。

在计算机主机内插槽内放置有PCI智能板卡，且空气泵、控制阀、高速摄像机及位于炸点部件内的瓦斯浓度传感器、氧气浓度传感器、尖端放电装置分别通过控制信号线与PCI智能板卡上的相应端口连接，如图四所示。

图四 煤矿井下综采工作面瓦斯爆炸仿真试验装置控制信号输入输出示意图

3．瓦斯爆炸试验工作方式

如图一、图四所示，为了使瓦斯爆炸试验装置更接近实际的瓦斯爆炸，采用以下两种爆炸试验方式:

3．1 模拟瓦斯气体在巷道内的一次爆炸现象

按照实际生产工艺，将工作面刮板输送机模型13、液压支架模型14和工作面采煤机模型15摆放到合适位置，根据演示需要在模拟巷道1里调整1个炸点部件安装固定的位置，通过计算机10操控打开与该炸点部件内瓦斯气体进气喷头20连接的瓦斯气体进气接头3上的控制阀4，此时纯度为99．99%的瓦斯气体通过排气口进入金属栅网钢化玻璃巷道内，由该炸点部件内的瓦斯浓度传感器17、氧气浓度传感器18检测出的浓度值，通过控制信号线9送给PCI数据捕获和信号处理控制器，经过AD转换，在计算机10屏幕上显示出瓦斯气体浓度值、氧气浓度值，当瓦斯气体浓度达到瓦斯爆炸临界浓度时，通过计算机10操控尖端放电装置19触点闭合，由升压变压器瞬间将电压升至数万伏，导致尖端放电，从而点燃模拟巷道1内的瓦斯气体，同时由高速摄像机8将爆炸时的现象通过控制信号线9传至计算机10，使观察人员直观看到瓦斯爆炸时的现象及工作面刮板输送机模型13、液压支架模型14和工作面采煤机模型15因瓦斯爆炸而倾倒的情形，并通过计算机10储存的视频信号进行分析。

3．2 瓦斯气体在巷道内的多次连续爆炸现象

按照实际生产工艺，将工作面刮板输送机模型13、液压支架模型14和工作面采煤机模型15摆放到合适位置，根据演示需要在模拟巷道1里调整4个炸点部件安装固定的位置，通过计算机10操控打开与炸点部件A21内瓦斯气体进气喷头20连接的瓦斯气体进气接头3上的控制阀4，纯度为99．99%的瓦斯气体通过排气口进入金属栅网钢化玻璃巷道内，当炸点部件A21的瓦斯浓度传感器17、氧气浓度传感器18检测到瓦斯爆炸临界浓度时，通过计算机10操控炸点部件A21上的尖端放电装置19触点闭合，尖端放电装置19放电，瓦斯爆炸，这时查看炸点部件B22上的氧气浓度传感器18检测到的浓度值，若氧气浓度下降到瓦斯气体无法爆炸时，通过计算机10启动空气泵7，通过空气进气管26向模拟巷道1内输入空气，当炸点部件B22上的氧气浓度传感器18检测所在位置的氧气达到爆炸时所需的氧气浓度时，即停止供氧，并打开与炸点部件B22内瓦斯气体进气喷头20连接的瓦斯气体进气接头3上的控制阀4，向模拟巷道1内输送瓦斯气体，当炸点部件B22上的瓦斯浓度传感器17检测所在位置的瓦斯气体浓度达到爆炸所需的瓦斯气体临界浓度值时，操控炸点部件B22内的尖端放电装置19放电，炸点部件B22处引发瓦斯爆炸，如此重复操作，直至炸点部件A、B、C、D所在位置连续发生爆炸，观察爆炸后模拟巷道1内的工作面刮板输送机模型13、液压支架模型14和工作面采煤机模型15受爆炸后冲击波的倾倒情况。同时，高速摄像机8将四次爆炸后的情况，记录入计算机10，供工程技术人员、教师、安全培训学员后续分析。

4．有益效果分析

4．1 本瓦斯爆炸仿真试验装置结构合理，模拟巷道的形状与真实煤矿井下综采工作面的巷道形状一致，使得本装置仿真度高，具有较好的实验效果。

4．2 在模拟巷道内部，位于模拟巷道的底面上设置有工作面刮板输送机模型、液压支架模型和工作面采煤机模型，且各模型的材质、各模型之间的位置关系均与煤矿井下综采工作面上真实的大型设备一致，且各模型与真实设备之间的缩微比例与模拟巷道与真实巷道之间的缩微比例关系一致，能保证本装置具有非常高的仿真度，较好的实验效果及非常强的直观性，方便工程技术人员、教师、安全培训学员根据瓦斯爆炸模拟效果对真实的瓦斯爆炸结构得到直观的认识。

4．3 模拟巷道里的炸点部件采用模块化结构，可以根据演示需要在模拟巷道里调整固定位置，模拟出不同爆炸点对模拟巷道内的设备模型造成的破坏结果，使得本装置具有非常高的仿真度，且由于模拟巷道的尺寸限制，采用4个炸点部件即可满足模拟巷道内模拟多点连续爆炸的要求，每个炸点部件内均包括瓦斯浓度传感器、氧气浓度传感器、尖端放电装置及瓦斯气体进气喷头，可以在不同点位实现模拟瓦斯爆炸，使得本装置具有较好的实验效果。

4．4 计算机内部设置有PCI智能板卡，且空气泵、控制阀、高速摄像机及位于炸点部件内的瓦斯浓度传感器、氧气浓度传感器、尖端放电装置分别通过控制信号线与PCI数据捕获和信号处理控制器上的相应端口连接，使得本装置结构合理，可以通过计算机上的组态监控软件系统进行数据采集和过程控制，使得数据处理更加方便，过程控制更加简单，也使得由高速摄像机拍摄的影像通过计算机直接进行记录和处理。

4．5 模拟巷道下顺槽与模拟巷道上顺槽的开口外侧设各置有一个模拟巷道封闭门，使得本装置的模拟巷道内设备模型在每一次模拟爆炸后均可以打开模拟巷道下顺槽与模拟巷道上顺槽的开口外的模拟巷道封闭门对设备模型进行整理布置，使得本装置能够重复利用，使用方便，并且在模拟巷道内模拟瓦斯爆炸时产生的冲击波能量可以从模拟巷道封闭门与模拟巷道下顺槽与模拟巷道上顺槽的开口之间的间隙泻出，不会对模拟巷道本身产生不良影响。

总之，本煤矿井下综采工作面瓦斯爆炸仿真试验装置具有能适用于科研或教学，结构简单，仿真度高，实验效果好，适应性强，稳定性高，使用方便，直观性强的优点。