CN106200607A - 基于热动力灾害多参数时空演化分析实验台的实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于热动力灾害多参数时空演化分析实验台的实验方法，包括步骤：一、确定矿井模拟对象并搭建实验台装置；二、检验实验台装置的气密性；三、初始化实验控制终端；四、控制巷道模拟模块内通风量变化、冒顶位置与冒顶程度以及烟气瓦斯涌出位置与涌出速度并获取矿井热动力灾害多参数时空演化过程；五、判断巷道模拟模块内瓦斯浓度与氧气浓度是否达到引发瓦斯爆炸的临界阈值；六、引发巷道模拟模块内继发性瓦斯爆炸并分析热动力灾害多参数时空变化。本发明步骤简单，可模拟矿井巷道通风量、冒顶现象以及不同位置处烟气瓦斯产生速率的变化，获取巷道模拟模块内易于发生继发性瓦斯爆炸的位置，分析热动力灾害多参数时空变化。
Description
技术领域
本发明属于矿井热动力灾害模拟技术领域，具体涉及一种基于热动力灾害多参数时空演化分析实验台的实验方法。
背景技术
煤矿热动力灾害的发生演化机理极其复杂，具有突发性强、灾情发展迅速、人员伤亡和财产损失巨大、救灾困难、容易引起二次伤害等特点。在救援过程中，煤矿井下可能会发生多种继发灾害，例如灾害产生的高温明火随时可能会阻断救灾人员出入灾区的路线，并且造成灾区通风紊乱，使得灾区环境极不稳定，随时可能会发生瓦斯爆炸。与此同时，也极大地增加了灾情的模糊性和难预测性，使得救援决策非常关键，但难度又极大。因此，通过研究矿井热动力灾害救援过程中，井下灾区及相连区域巷道内温度、气体组份等物理量随时间变化的过程，掌握全矿井范围内温度场、气体组份场的时空演化规律，判定高温热害、明火、继发性瓦斯爆炸可能会存在或波及的位置和时间，对指挥决策者及时制定科学、合理的救援方案具有重要的理论指导意义。
然而，由于热动力灾害的特殊性，现有研究对煤矿热动力灾害多参数的时空演化规律多采用数值模拟的手段来开展的。而目前尚无法采用实验手段配合矿井热动力灾害多参数时空演化的实验方法解决全矿井范围内的热动力灾害多参数时空演化规律方面的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于热动力灾害多参数时空演化分析实验台的实验方法，其设计新颖合理，步骤简单，可模拟矿井巷道通风量、冒顶现象以及不同位置处烟气瓦斯产生速率的变化，获取巷道模拟模块内易于发生继发性瓦斯爆炸的位置，分析热动力灾害多参数时空变化，具有参考和指导功能，便于推广使用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：基于热动力灾害多参数时空演化分析实验台的实验方法，所述实验台包括用于模拟矿井热动力灾害的实验台装置和对所述实验台装置产生的多参数进行时空演化分析的实验控制终端，所述实验台装置包括实验台骨架、设置在实验台骨架内的桩承台和安装在所述桩承台上的巷道模拟模块，所述巷道模拟模块上设置有用于模拟矿井坍塌程度同时模拟矿井巷道风门的开关阀、用于模拟矿井通风设施的风机和用于模拟矿井热动力灾害发生的执行机构，所述巷道模拟模块内设置有用于采集矿井热动力灾害参数的灾害检测机构，所述灾害检测机构包括外壳和设置在所述外壳上的传感器组件，所述外壳上安装有电极针组，电极针组包括两个相对安装的电极针，灾害检测机构和开关阀的数量均为多个；
所述巷道模拟模块包括模拟主井巷道、与模拟主井巷道相平行的模拟副井巷道、用于模拟采矿区域的模拟采区巷道、与所述模拟采区巷道连接的主回风巷道和与所述模拟采区巷道共面且相交的运输大巷道，模拟主井巷道、模拟副井巷道、主回风巷道、所述模拟采区巷道和运输大巷道通过联络巷道相互连通；所述模拟采区巷道包括工作面巷道、工作面回风巷道和工作面进风巷道，运输大巷道与工作面巷道相平行设置且与工作面回风巷道和所述工作面回风巷道均相交，运输大巷道的数量为多个，风机安装在主回风巷道上；执行机构包括具有两个输入管和一个输出管的输送管、安装在输送管一个输入管上的烟气发生器、安装在输送管另一个输入管上且用于模拟瓦斯源的高压气瓶和安装在输送管输出管上的加热器；
所述桩承台包括多个支桩，支桩包括伸缩支架、安装在伸缩支架上的云台和安装在云台上用于锁紧巷道模拟模块的卡扣环；
所述实验控制终端包括操作主机和与操作主机相接用于处理所述传感器组件采集数据的数据采集器，操作主机的输出端接有用于控制电极针组通电产生电弧放热的继电器和用于云台转动调节方位的云台驱动模块，云台驱动模块的数量为多个且与多个云台一一对应，风机、开关阀、烟气发生器和高压气瓶均与操作主机的输出端相接且由操作主机控制；
其特征在于，该实验方法包括以下步骤：
步骤一、确定矿井模拟对象并搭建实验台装置：首先，确定实际模拟的矿井并确定该矿井与实验台装置的比例；然后，确定巷道的位置以及参数，安装并调节多个支桩的高度以及对应云台的角度；最后，确定矿井通风系统路径，在多个支桩上安装所述巷道模拟模块，完成实验台装置的搭建；
所述巷道参数包括采区的长度、断面大小和倾角；
步骤二、检验实验台装置的气密性，确认实验台装置的气密性良好；
步骤三、初始化实验控制终端：通过上电复位操作主机，操作主机判断与安装在所述巷道模拟模块内的灾害检测机构通信信号是否正常，操作主机判断与继电器的控制信号是否正常，确认风机、开关阀、烟气发生器和高压气瓶完好，操作主机判断与风机、开关阀、烟气发生器和高压气瓶的控制信号是否正常，各信号均正常时，实验控制终端初始化成功；
步骤四、控制巷道模拟模块内通风量变化、冒顶位置与冒顶程度以及烟气瓦斯涌出位置与涌出速度并获取矿井热动力灾害多参数时空演化过程：通过操作主机控制风机的风量变化模拟巷道模拟模块内通风量变化，通过操作主机分别控制多个开关阀的开度模拟巷道模拟模块内冒顶位置与冒顶程度，通过改变执行机构的安装位置并采用操作主机控制烟气发生器的烟气产生速率以及控制高压气瓶的瓦斯产生速率模拟巷道模拟模块内烟气瓦斯涌出位置与涌出速度，当固定巷道模拟模块内冒顶位置与冒顶程度以及烟气瓦斯涌出位置与涌出速度，调节巷道模拟模块内通风量时，执行步骤401；当固定巷道模拟模块内通风量和烟气瓦斯涌出位置与涌出速度，调节巷道模拟模块内冒顶位置与冒顶程度时，执行步骤402；当固定巷道模拟模块内通风量以及冒顶位置与冒顶程度，调节巷道模拟模块内烟气瓦斯涌出位置与涌出速度时，执行步骤403；
步骤401、确定烟气发生器安装位置并通过烟气发生器为所述巷道模拟模块内提供热动力灾害烟气，确定多个开关阀的安装位置和开度，调节风机的转速或叶片倾角来调节风机的风量，通过灾害检测机构获取不同风量情况下所述巷道模拟模块内热动力灾害参数；
步骤402、确定风机的风量，确定执行机构安装位置并通过执行机构为所述巷道模拟模块内提供热动力灾害烟气及瓦斯，通过分别调节多个开关阀的安装位置和开度改变巷道断面面积，模拟巷道模拟模块内冒顶程度，通过灾害检测机构获取不同冒顶位置与冒顶程度情况下所述巷道模拟模块内热动力灾害参数；
步骤403、确定风机的风量，确定多个开关阀的安装位置和开度，调节执行机构安装位置并改变烟气发生器的烟气产生速率和高压气瓶的烟气产生速率，通过灾害检测机构获取不同执行机构的安装位置情况下所述巷道模拟模块内热动力灾害参数；
所述传感器组件包括感知所述巷道模拟模块内气压的压力传感器、检测所述巷道模拟模块内气体成分的气体传感器、检测所述巷道模拟模块内风速的风速传感器和感知所述巷道模拟模块内温度参数的温度传感器，所述气体传感器包括瓦斯传感器、氧气传感器、一氧化碳传感器和二氧化碳传感器；
步骤五、判断巷道模拟模块内瓦斯浓度与氧气浓度是否达到引发瓦斯爆炸的临界阈值：通过巷道模拟模块内多个灾害检测机构采集步骤四中各条件下的瓦斯浓度与氧气浓度数据，当巷道模拟模块内有灾害检测机构采集的瓦斯浓度与氧气浓度均达到引发瓦斯爆炸的临界阈值时，执行步骤六；否则，执行步骤四；
步骤六、引发巷道模拟模块内继发性瓦斯爆炸并分析热动力灾害多参数时空变化：通过操作主机控制继电器动作接通电源模块为步骤五中对应的灾害检测机构上安装的电极针组的供电，引发巷道模拟模块内继发性瓦斯爆炸；同时获取巷道模拟模块内热动力灾害多参数时空变化，分析巷道模拟模块内热动力灾害多参数时空变化规律。
上述的基于热动力灾害多参数时空演化分析实验台的实验方法，其特征在于：步骤401中取风机的五个风量离散值，所述五个风量离散值包括Q、0.75Q、0.5Q、0.25Q和0，其中，Q为风机的全风量；步骤402中取开关阀的五个开度离散值，所述五个开度离散值包括S、0.75S、0.5S、0.25S和0，其中，S为开关阀的全开度；步骤402中安装在所述巷道模拟模块上的不同位置的多个开关阀的开度值为所述五个开度离散值的任意组合。
上述的基于热动力灾害多参数时空演化分析实验台的实验方法，其特征在于：步骤401至步骤403中烟气发生器和高压气瓶均通过加热器加热。
上述的基于热动力灾害多参数时空演化分析实验台的实验方法，其特征在于：步骤五中瓦斯浓度为5％～16％，氧气浓度不小于12％。
上述的基于热动力灾害多参数时空演化分析实验台的实验方法，其特征在于：所述模拟主井巷道、模拟副井巷道、主回风巷道、所述模拟采区巷道、运输大巷道和联络巷道均由多个节管拼接而成，多个节管之间均通过快速接头连接，所述节管为耐高温抗爆钢管。
上述的基于热动力灾害多参数时空演化分析实验台的实验方法，其特征在于：所述操作主机通过通信模块与数据采集器相接，所述通信模块包括与数据采集器相接的第一通信模块和与操作主机相接的第二通信模块，第一通信模块和第二通信模块均为有线通信模块或无线通信模块。
上述的基于热动力灾害多参数时空演化分析实验台的实验方法，其特征在于：所述输送管的一个输入管上且位于烟气发生器的输出端安装有烟气流量计和烟气开关，所述输送管的另一个输入管上且位于高压气瓶的输出端安装有瓦斯流量计和瓦斯减压阀，所述输送管的输出管上且位于加热器的输出端安装有总流量计。
上述的基于热动力灾害多参数时空演化分析实验台的实验方法，其特征在于：所述桩承台还包括多个供伸缩支架安装的桩基，所述桩基的数量大于伸缩支架的数量。
上述的基于热动力灾害多参数时空演化分析实验台的实验方法，其特征在于：所述伸缩支架的侧壁上沿伸缩支架的长度方向上依次设置有多个用于固定云台的安装孔。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明采用的实验方法进行热动力灾害影响实验时，采用多个支桩组成桩承台，其中，桩承台中的每个支桩均采用伸缩支架安装云台的形式，可自由旋转调节巷道模拟模块的倾角和位置，模拟真实的矿井巷道环境，每个支桩均采用卡扣环将巷道模拟模块固定好，为实验的进行提供可靠基础，便于推广使用。
2、本发明采用的实验方法设计合理，通过控制风机运行调整风扇转速来调节风量，通过控制烟气发生器运行调整烟气输出量及输出温度，通过控制高压气瓶运行调整瓦斯输出量及输出温度，烟气和瓦斯均采用电加热的方式，可快速提高模拟烟气和模拟瓦斯的温度，采用传感器组件检测巷道模拟模块多个关键参数的实时变化，同时，通过瓦斯浓度和氧气浓度判断巷道模拟模块内是否达到引发瓦斯爆炸的气体浓度条件，采用电极针组放电产生电弧的方式引起继发性瓦斯爆炸，实现模拟热动力灾害发生后多种可能情况下的全矿井热动力灾害多参数时空变化过程。
3、本发明采用的实验方法设计新颖，模拟全尺寸实验矿井和采用物理相似原理，针对完矿井内灾害的传播过程做实时监测，获取可靠数据，并可借助操作主机进行数据分析，更加科学准确地掌握多种情况下全矿井范围内热动力灾害多参数的时空演化规律，分析结果对矿井热动力灾害的预防、应急预案的编制和救援工作的开展具有很好的参考和指导意义，便于推广使用。
4、本发明采用的实验方法步骤简单，设计实现方便，功能完备，投入成本低。
综上所述，本发明设计新颖合理，步骤简单，可模拟矿井巷道通风量、冒顶现象以及不同位置处烟气瓦斯产生速率的变化，获取巷道模拟模块内易于发生继发性瓦斯爆炸的位置，分析热动力灾害多参数时空变化，具有参考和指导功能，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明所采用的实验台的结构示意图。
图2为本发明所采用的实验台中支桩的结构示意图。
图3为本发明所采用的实验台中执行机构的结构示意图。
图4为本发明所采用的实验台中实验控制终端、灾害检测机构、电极针组、风机、开关阀、烟气发生器和高压气瓶的电路连接关系示意图。
图5为本发明基于所采用实验台的实验方法的流程图。
附图标记说明:
1—实验台骨架； 2—支桩； 2-1—伸缩支架；
2-2—安装孔； 2-3—云台； 2-4—卡扣环；
2-5—云台驱动模块； 3-1—工作面巷道； 3-2—工作面回风巷道；
3-3—模拟副井巷道； 3-4—模拟主井巷道； 3-5—运输大巷道；
3-6—快速接头； 3-7—联络巷道； 3-8—主回风巷道；
4—灾害检测机构； 4-1—压力传感器； 4-2—气体传感器；
4-3—风速传感器； 4-4—温度传感器； 5—风机；
6—开关阀； 7—执行机构； 7-1—输送管；
7-2—烟气发生器； 7-3—烟气流量计； 7-4—烟气开关；
7-5—加热器； 7-6—总流量计； 7-7—高压气瓶；
7-8—瓦斯流量计； 7-9—瓦斯减压阀； 8—数据采集器；
9—第一通信模块； 10—第二通信模块； 11—操作主机；
12—电源模块； 13—继电器； 14—电极针组。
具体实施方式
如图1至图5所示，本发明的基于热动力灾害多参数时空演化分析实验台的实验方法，所述实验台包括用于模拟矿井热动力灾害的实验台装置和对所述实验台装置产生的多参数进行时空演化分析的实验控制终端，所述实验台装置包括实验台骨架1、设置在实验台骨架1内的桩承台和安装在所述桩承台上的巷道模拟模块，所述巷道模拟模块上设置有用于模拟矿井坍塌程度同时模拟矿井巷道风门的开关阀6、用于模拟矿井通风设施的风机5和用于模拟矿井热动力灾害发生的执行机构7，所述巷道模拟模块内设置有用于采集矿井热动力灾害参数的灾害检测机构4，所述灾害检测机构4包括外壳和设置在所述外壳上的传感器组件，所述外壳上安装有电极针组14，电极针组14包括两个相对安装的电极针，灾害检测机构4和开关阀6的数量均为多个；
本实施例中，所述实验台骨架1为立方体钢架。
所述巷道模拟模块包括模拟主井巷道3-4、与模拟主井巷道3-4相平行的模拟副井巷道3-3、用于模拟采矿区域的模拟采区巷道、与所述模拟采区巷道连接的主回风巷道3-8和与所述模拟采区巷道共面且相交的运输大巷道3-5，模拟主井巷道3-4、模拟副井巷道3-3、主回风巷道3-8、所述模拟采区巷道和运输大巷道3-5通过联络巷道3-7相互连通；所述模拟采区巷道包括工作面巷道3-1、工作面回风巷道3-2和工作面进风巷道，运输大巷道3-5与工作面巷道3-1相平行设置且与工作面回风巷道3-2和所述工作面回风巷道均相交，运输大巷道3-5的数量为多个，风机5安装在主回风巷道3-8上；执行机构7包括具有两个输入管和一个输出管的输送管7-1、安装在输送管7-1一个输入管上的烟气发生器7-2、安装在输送管7-1另一个输入管上且用于模拟瓦斯源的高压气瓶7-7和安装在输送管7-1输出管上的加热器7-5；
本实施例中，根据实际矿井确定采区长度，选择合适的工作面巷道3-1长度、工作面回风巷道3-2长度和工作面进风巷道长度，若采区长度过长可在采区上设置多个运输大巷道3-5，模拟主井巷道3-4、模拟副井巷道3-3、主回风巷道3-8、所述模拟采区巷道、运输大巷道3-5和联络巷道3-7均通过多个支桩2支撑固定；在主回风巷道3-8上安装风机5，风机5采用轴流式通风机，用于模拟真实矿井的主要通风机，该风机安装有变速器，可调整风扇转速来调节风量；该风机的扇叶的角度可调，也可实现风机的负压供风量；通过变速器和扇叶的双重调节，可以有效地增大风机运行的稳定性和负压风量调节的范围，实际使用中，通过改变风机风量可以模拟风机不同程度损坏情况下的通风情况对矿井热动力灾害发生后带来的影响。
本实施例中，通过在主回风巷道3-8、所述模拟采区巷道、运输大巷道3-5和联络巷道3-7上均安装开关阀6，同时开关阀6的位置可改变，可以模拟不同位置处巷道因不同程度的坍塌而造成的通风量变化的情况以及对矿井热动力灾害发生后带来的影响。
所述桩承台包括多个支桩2，支桩2包括伸缩支架2-1、安装在伸缩支架2-1上的云台2-3和安装在云台2-3上用于锁紧巷道模拟模块的卡扣环2-4；
如图1所示，本实施例中，所述桩承台还包括多个供伸缩支架2-1安装的桩基，所述桩基的数量大于伸缩支架2-1的数量。
如图2所示，本实施例中，所述伸缩支架2-1的侧壁上沿伸缩支架2-1的长度方向上依次设置有多个用于固定云台2-3的安装孔2-2。
本实施例中，在立方体钢架内底部设置阵列式桩基，用于固定伸缩支架2-1，实际使用根据某一矿井的实际环境，考察其煤层、方位、倾斜角和规模，选择合适的桩基位置安装伸缩支架2-1，安装方便，拆卸便捷，可重复使用，根据实际矿井的情况调节每个伸缩支架2-1的高度并通过实验控制终端调整安装在伸缩支架2-1上的云台旋转角度，实现模拟煤层巷道的倾斜的调整，其中，安装孔2-2便于云台2-3固定，卡扣环2-4锁紧巷道模拟模块。
所述实验控制终端包括操作主机11和与操作主机11相接用于处理所述传感器组件采集数据的数据采集器8，操作主机11的输出端接有用于控制电极针组14通电产生电弧放热的继电器13和用于云台2-3转动调节方位的云台驱动模块2-5，云台驱动模块2-5的数量为多个且与多个云台2-3一一对应，风机5、开关阀6、烟气发生器7-2和高压气瓶7-7均与操作主机11的输出端相接且由操作主机11控制；
其特征在于，该实验方法包括以下步骤：
步骤一、确定矿井模拟对象并搭建实验台装置：首先，确定实际模拟的矿井并确定该矿井与实验台装置的比例；然后，确定巷道的位置以及参数，安装并调节多个支桩2的高度以及对应云台2-3的角度；最后，确定矿井通风系统路径，在多个支桩2上安装所述巷道模拟模块，完成实验台装置的搭建；
所述巷道参数包括采区的长度、断面大小和倾角；
步骤二、检验实验台装置的气密性，确认实验台装置的气密性良好；
本实施例中，所述模拟主井巷道3-4、模拟副井巷道3-3、主回风巷道3-8、所述模拟采区巷道、运输大巷道3-5和联络巷道3-7均由多个节管拼接而成，多个节管之间均通过快速接头3-6连接，所述节管为耐高温抗爆钢管。
本实施例中，多个节管之间均通过快速接头3-6连接，保证所述巷道模拟模块的气密性良好。
步骤三、初始化实验控制终端：通过上电复位操作主机11，操作主机11判断与安装在所述巷道模拟模块内的灾害检测机构4通信信号是否正常，操作主机11判断与继电器13的控制信号是否正常，确认风机5、开关阀6、烟气发生器7-2和高压气瓶7-7完好，操作主机11判断与风机5、开关阀6、烟气发生器7-2和高压气瓶7-7的控制信号是否正常，各信号均正常时，实验控制终端初始化成功；
步骤四、控制巷道模拟模块内通风量变化、冒顶位置与冒顶程度以及烟气瓦斯涌出位置与涌出速度并获取矿井热动力灾害多参数时空演化过程：通过操作主机11控制风机5的风量变化模拟巷道模拟模块内通风量变化，通过操作主机11分别控制多个开关阀6的开度模拟巷道模拟模块内冒顶位置与冒顶程度，通过改变执行机构7的安装位置并采用操作主机11控制烟气发生器7-2的烟气产生速率以及控制高压气瓶7-7的瓦斯产生速率模拟巷道模拟模块内烟气瓦斯涌出位置与涌出速度，当固定巷道模拟模块内冒顶位置与冒顶程度以及烟气瓦斯涌出位置与涌出速度，调节巷道模拟模块内通风量时，执行步骤401；当固定巷道模拟模块内通风量和烟气瓦斯涌出位置与涌出速度，调节巷道模拟模块内冒顶位置与冒顶程度时，执行步骤402；当固定巷道模拟模块内通风量以及冒顶位置与冒顶程度，调节巷道模拟模块内烟气瓦斯涌出位置与涌出速度时，执行步骤403；
步骤401、确定烟气发生器7-2安装位置并通过烟气发生器7-2为所述巷道模拟模块内提供热动力灾害烟气，确定多个开关阀6的安装位置和开度，调节风机5的转速或叶片倾角来调节风机5的风量，通过灾害检测机构4获取不同风量情况下所述巷道模拟模块内热动力灾害参数；
本实施例中，步骤401中取风机5的五个风量离散值，所述五个风量离散值包括Q、0.75Q、0.5Q、0.25Q和0，其中，Q为风机5的全风量；实际使用中，0.75Q表示风机5只输出全风量的75％，0.5Q表示风机5只输出全风量的50％，0.25Q表示风机5只输出全风量的25％，0表示关闭风机5，模拟风机5损坏；
步骤402、确定风机5的风量，确定执行机构7安装位置并通过执行机构7为所述巷道模拟模块内提供热动力灾害烟气及瓦斯，通过分别调节多个开关阀6的安装位置和开度改变巷道断面面积，模拟巷道模拟模块内冒顶程度，通过灾害检测机构4获取不同冒顶位置与冒顶程度情况下所述巷道模拟模块内热动力灾害参数；
本实施例中，步骤402中取开关阀6的五个开度离散值，所述五个开度离散值包括S、0.75S、0.5S、0.25S和0，其中，S为开关阀6的全开度；步骤402中安装在所述巷道模拟模块上的不同位置的多个开关阀6的开度值为所述五个开度离散值的任意组合；实际使用中，0.75S表示开关阀6只开全开度的75％，0.5S表示开关阀6只开全开度的50％，0.25S表示开关阀6只开全开度的25％，0表示关闭开关阀6，保证耐高温透明钢化玻璃节管的外径不变，但内部断面积不同程度减小的巷道模块，多个开关阀6以不同的开度安装在主回风巷道3-8、运输大巷道3-5、联络巷道3-7、工作面巷道3-1、工作面巷道3-1中部、工作面回风巷道3-2和工作面进风巷道，可模拟此类位置发生不同程度冒顶时多参数时空演化过程。
步骤403、确定风机5的风量，确定多个开关阀6的安装位置和开度，调节执行机构7安装位置并改变烟气发生器7-2的烟气产生速率和高压气瓶7-7的烟气产生速率，通过灾害检测机构4获取不同执行机构7的安装位置情况下所述巷道模拟模块内热动力灾害参数；
如图3所示，本实施例中，步骤401至步骤403中烟气发生器7-2和高压气瓶7-7均通过加热器7-5加热。
本实施例中，所述输送管7-1的一个输入管上且位于烟气发生器7-2的输出端安装有烟气流量计7-3和烟气开关7-4，所述输送管7-1的另一个输入管上且位于高压气瓶7-7的输出端安装有瓦斯流量计7-8和瓦斯减压阀7-9，所述输送管7-1的输出管上且位于加热器7-5的输出端安装有总流量计7-6。
本实施例中，执行机构7的位置可选，通过确定执行机构7的位置向所述巷道模拟模块涌入瓦斯或烟气，其中，可通过烟气开关7-4和瓦斯减压阀7-9选择性的选择上涌入烟气或瓦斯或是同时涌入烟气和瓦斯，当单一的涌入烟气时，打开烟气开关7-4，关闭瓦斯减压阀7-9，通过烟气流量计7-3记录烟气发生器7-2输出的烟气量，可通过操作主机11控制烟气发生器7-2不同速度涌出烟气的情况，通过是否使用加热器7-5对烟气加热，可以模拟有源火灾和无源火灾情况下的热动力灾害多参数的时空变化过程，有源火灾为灾变后有持续火源存在，持续产生热效应和烟气的情况，使用加热器7-5持续对烟气加热时模拟有源火灾发生的情况，无源火灾为灾变后不存在持续火源，没有热效应和持续烟气的情况；
当单一的涌入瓦斯时，打开瓦斯减压阀7-9，关闭烟气开关7-4，通过瓦斯流量计7-8记录烟气流量计7-3输出的瓦斯量，可通过操作主机11控制烟气流量计7-3不同速度涌出瓦斯的情况，通过是否使用加热器7-5对瓦斯加热，可以模拟有源火灾和无源火灾情况下的热动力灾害多参数的时空变化过程；
当同时涌入烟气和瓦斯时，打开瓦斯减压阀7-9和烟气开关7-4，通过总流量计7-6和是否使用加热器7-5，可以模拟有源火灾和无源火灾情况下的热动力灾害多参数的时空变化过程。
本实施例中，通过灾害检测机构4获取不同执行机构7的安装位置情况下所述巷道模拟模块内热动力灾害参数，模拟不同位置发生热动力灾害，实际使用中，井下多发生热动力灾害的位置包括用于模拟工作面中部的工作面巷道3-1中部、用于模拟工作面进风巷的工作面回风巷道3-2回风隅角位置处和用于模拟工作面进风巷道位置处等多处位置，将执行机构7安装在模拟井下易发生热动力灾害的位置，同时，可以通过调整烟气发生器7-7的功率，来调整烟气的产生速率，可以通过调整瓦斯流量计7-8的功率，来调整瓦斯的产生速率，来模拟不同规模的热动力灾害，实际的瓦斯气体流量需要根据矿井相应位置的瓦斯实际涌出量进行计算。
所述传感器组件包括感知所述巷道模拟模块内气压的压力传感器4-1、检测所述巷道模拟模块内气体成分的气体传感器4-2、检测所述巷道模拟模块内风速的风速传感器4-3和感知所述巷道模拟模块内温度参数的温度传感器4-4，所述气体传感器4-2包括瓦斯传感器、氧气传感器、一氧化碳传感器和二氧化碳传感器；
本实施例中，在所述巷道模拟模块多处安装灾害检测机构4用于检测所述巷道模拟模块内不同位置的瓦斯、氧气、一氧化碳和二氧化碳的实时浓度，以及所述巷道模拟模块内不同位置的通风量、温度和气体压力，可以完成对不同关键位置的热动力灾害多个物理量的实时监测，对于实际矿井巷道而言，煤矿救护规程规定，巷道空气温度超过65℃时在非救人情况下严禁救护队员进入灾区；实时检测巷道空气内瓦斯和氧气浓度是否达到爆炸极限范围的情况。
步骤五、判断巷道模拟模块内瓦斯浓度与氧气浓度是否达到引发瓦斯爆炸的临界阈值：通过巷道模拟模块内多个灾害检测机构4采集步骤四中各条件下的瓦斯浓度与氧气浓度数据，当巷道模拟模块内有灾害检测机构4采集的瓦斯浓度与氧气浓度均达到引发瓦斯爆炸的临界阈值时，执行步骤六；否则，执行步骤四；
本实施例中，步骤五中瓦斯浓度为5％～16％，氧气浓度不小于12％时，就会达到瓦斯爆炸临界阈值，若此类混合气体与火源相遇，就会发生瓦斯爆炸，采用物理相似实验和数值模拟得到的结果，根据瓦斯爆炸的条件，来判定井下何时、何地可能会发生瓦斯爆炸，概率可能有多大。
步骤六、引发巷道模拟模块内继发性瓦斯爆炸并分析热动力灾害多参数时空变化：通过操作主机11控制继电器13动作接通电源模块12为步骤五中对应的灾害检测机构4上安装的电极针组14的供电，引发巷道模拟模块内继发性瓦斯爆炸；同时获取巷道模拟模块内热动力灾害多参数时空变化，分析巷道模拟模块内热动力灾害多参数时空变化规律。
需要说明的是，基于实验获得的数据，采用CFD数值计算软件，数值计算全矿井范围内巷道温度场和气体浓度场的多参数时空演化规律，以获得更准确和全面的时空演化规律；
本实施例中，当所述传感器组件检测到巷道空气内瓦斯和氧气浓度达到爆炸极限时，操作主机11可控制继电器13跳闸，接通电源模块12为电极针组14供电，电极针组14为两个相对安装的电极针，两个相对安装的电极针采用尖端放电的原理，产生电弧，造成继发性瓦斯爆炸矿井热动力灾害，确定继发性瓦斯爆炸矿井热动力灾害发生的位置，通过多个所述传感器组件采集所述巷道模拟模块多处参数，获取各气体浓度参数，根据采样时间判断继发性瓦斯爆炸带来的热动力灾害多参数时空变化规律。
需要说明的是，本实施例中的风机5还可通过操作主机11的控制进行反转，反转风机5的通风扇叶的旋转方向，可实现正压压入式通风，模拟此类矿井的通风情况，功能完备。
实际操作中，开关阀6可用于模拟矿井坍塌程度同时模拟矿井巷道风门，根据实际矿井的通风路线情况调整实验台的通风系统，开关阀6还可采用手动控制，当不需要实现自动控制开关阀6工作时，可断开操作主机11对开关阀6的控制，采用人工手动控制各个开关阀6的开度，模拟矿井坍塌程度，调整实验台的通风系统。
本实施例中，所述操作主机11通过通信模块与数据采集器8相接，所述通信模块包括与数据采集器8相接的第一通信模块9和与操作主机11相接的第二通信模块10，第一通信模块9和第二通信模块10均为有线通信模块或无线通信模块。
本发明使用时，当第一通信模块9和第二通信模块10均采用有线通信模块时，数据传输稳定，操作主机11记录热动力灾害多参数的时空随时间的变化过程，实现多参数时空演变分析；当第一通信模块9和第二通信模块10均采用无线通信模块时，布线简单，数据传输方便，同时操作主机11记录热动力灾害多参数的时空随时间的变化过程，实现多参数时空演变分析，分析结果对矿井热动力灾害的预防、应急预案的编制和救援工作的开展具有很好的参考和指导意义。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (9)
1.基于热动力灾害多参数时空演化分析实验台的实验方法，所述实验台包括用于模拟矿井热动力灾害的实验台装置和对所述实验台装置产生的多参数进行时空演化分析的实验控制终端，所述实验台装置包括实验台骨架(1)、设置在实验台骨架(1)内的桩承台和安装在所述桩承台上的巷道模拟模块，所述巷道模拟模块上设置有用于模拟矿井坍塌程度同时模拟矿井巷道风门的开关阀(6)、用于模拟矿井通风设施的风机(5)和用于模拟矿井热动力灾害发生的执行机构(7)，所述巷道模拟模块内设置有用于采集矿井热动力灾害参数的灾害检测机构(4)，所述灾害检测机构(4)包括外壳和设置在所述外壳上的传感器组件，所述外壳上安装有电极针组(14)，电极针组(14)包括两个相对安装的电极针，灾害检测机构(4)和开关阀(6)的数量均为多个；
所述巷道模拟模块包括模拟主井巷道(3-4)、与模拟主井巷道(3-4)相平行的模拟副井巷道(3-3)、用于模拟采矿区域的模拟采区巷道、与所述模拟采区巷道连接的主回风巷道(3-8)和与所述模拟采区巷道共面且相交的运输大巷道(3-5)，模拟主井巷道(3-4)、模拟副井巷道(3-3)、主回风巷道(3-8)、所述模拟采区巷道和运输大巷道(3-5)通过联络巷道(3-7)相互连通；所述模拟采区巷道包括工作面巷道(3-1)、工作面回风巷道(3-2)和工作面进风巷道，运输大巷道(3-5)与工作面巷道(3-1)相平行设置且与工作面回风巷道(3-2)和所述工作面回风巷道均相交，运输大巷道(3-5)的数量为多个，风机(5)安装在主回风巷道(3-8)上；执行机构(7)包括具有两个输入管和一个输出管的输送管(7-1)、安装在输送管(7-1)一个输入管上的烟气发生器(7-2)、安装在输送管(7-1)另一个输入管上且用于模拟瓦斯源的高压气瓶(7-7)和安装在输送管(7-1)输出管上的加热器(7-5)；
所述桩承台包括多个支桩(2)，支桩(2)包括伸缩支架(2-1)、安装在伸缩支架(2-1)上的云台(2-3)和安装在云台(2-3)上用于锁紧巷道模拟模块的卡扣环(2-4)；
所述实验控制终端包括操作主机(11)和与操作主机(11)相接用于处理所述传感器组件采集数据的数据采集器(8)，操作主机(11)的输出端接有用于控制电极针组(14)通电产生电弧放热的继电器(13)和用于云台(2-3)转动调节方位的云台驱动模块(2-5)，云台驱动模块(2-5)的数量为多个且与多个云台(2-3)一一对应，风机(5)、开关阀(6)、烟气发生器(7-2)和高压气瓶(7-7)均与操作主机(11)的输出端相接且由操作主机(11)控制；
其特征在于，该实验方法包括以下步骤：
步骤一、确定矿井模拟对象并搭建实验台装置：首先，确定实际模拟的矿井并确定该矿井与实验台装置的比例；然后，确定巷道的位置以及参数，安装并调节多个支桩(2)的高度以及对应云台(2-3)的角度；最后，确定矿井通风系统路径，在多个支桩(2)上安装所述巷道模拟模块，完成实验台装置的搭建；
所述巷道参数包括采区的长度、断面大小和倾角；
步骤二、检验实验台装置的气密性，确认实验台装置的气密性良好；
步骤三、初始化实验控制终端：通过上电复位操作主机(11)，操作主机(11)判断与安装在所述巷道模拟模块内的灾害检测机构(4)通信信号是否正常，操作主机(11)判断与继电器(13)的控制信号是否正常，确认风机(5)、开关阀(6)、烟气发生器(7-2)和高压气瓶(7-7)完好，操作主机(11)判断与风机(5)、开关阀(6)、烟气发生器(7-2)和高压气瓶(7-7)的控制信号是否正常，各信号均正常时，实验控制终端初始化成功；
步骤四、控制巷道模拟模块内通风量变化、冒顶位置与冒顶程度以及烟气瓦斯涌出位置与涌出速度并获取矿井热动力灾害多参数时空演化过程：通过操作主机(11)控制风机(5)的风量变化模拟巷道模拟模块内通风量变化，通过操作主机(11)分别控制多个开关阀(6)的开度模拟巷道模拟模块内冒顶位置与冒顶程度，通过改变执行机构(7)的安装位置并采用操作主机(11)控制烟气发生器(7-2)的烟气产生速率以及控制高压气瓶(7-7)的瓦斯产生速率模拟巷道模拟模块内烟气瓦斯涌出位置与涌出速度，当固定巷道模拟模块内冒顶位置与冒顶程度以及烟气瓦斯涌出位置与涌出速度，调节巷道模拟模块内通风量时，执行步骤401；当固定巷道模拟模块内通风量和烟气瓦斯涌出位置与涌出速度，调节巷道模拟模块内冒顶位置与冒顶程度时，执行步骤402；当固定巷道模拟模块内通风量以及冒顶位置与冒顶程度，调节巷道模拟模块内烟气瓦斯涌出位置与涌出速度时，执行步骤403；
步骤401、确定烟气发生器(7-2)安装位置并通过烟气发生器(7-2)为所述巷道模拟模块内提供热动力灾害烟气，确定多个开关阀(6)的安装位置和开度，调节风机(5)的转速或叶片倾角来调节风机(5)的风量，通过灾害检测机构(4)获取不同风量情况下所述巷道模拟模块内热动力灾害参数；
步骤402、确定风机(5)的风量，确定执行机构(7)安装位置并通过执行机构(7)为所述巷道模拟模块内提供热动力灾害烟气及瓦斯，通过分别调节多个开关阀(6)的安装位置和开度改变巷道断面面积，模拟巷道模拟模块内冒顶程度，通过灾害检测机构(4)获取不同冒顶位置与冒顶程度情况下所述巷道模拟模块内热动力灾害参数；
步骤403、确定风机(5)的风量，确定多个开关阀(6)的安装位置和开度，调节执行机构(7)安装位置并改变烟气发生器(7-2)的烟气产生速率和高压气瓶(7-7)的烟气产生速率，通过灾害检测机构(4)获取不同执行机构(7)的安装位置情况下所述巷道模拟模块内热动力灾害参数；
所述传感器组件包括感知所述巷道模拟模块内气压的压力传感器(4-1)、检测所述巷道模拟模块内气体成分的气体传感器(4-2)、检测所述巷道模拟模块内风速的风速传感器(4-3)和感知所述巷道模拟模块内温度参数的温度传感器(4-4)，所述气体传感器(4-2)包括瓦斯传感器、氧气传感器、一氧化碳传感器和二氧化碳传感器；
步骤五、判断巷道模拟模块内瓦斯浓度与氧气浓度是否达到引发瓦斯爆炸的临界阈值：通过巷道模拟模块内多个灾害检测机构(4)采集步骤四中各条件下的瓦斯浓度与氧气浓度数据，当巷道模拟模块内有灾害检测机构(4)采集的瓦斯浓度与氧气浓度均达到引发瓦斯爆炸的临界阈值时，执行步骤六；否则，执行步骤四；
步骤六、引发巷道模拟模块内继发性瓦斯爆炸并分析热动力灾害多参数时空变化：通过操作主机(11)控制继电器(13)动作接通电源模块(12)为步骤五中对应的灾害检测机构(4)上安装的电极针组(14)的供电，引发巷道模拟模块内继发性瓦斯爆炸；同时获取巷道模拟模块内热动力灾害多参数时空变化，分析巷道模拟模块内热动力灾害多参数时空变化规律。
2.按照权利要求1所述的基于热动力灾害多参数时空演化分析实验台的实验方法，其特征在于：步骤401中取风机(5)的五个风量离散值，所述五个风量离散值包括Q、0.75Q、0.5Q、0.25Q和0，其中，Q为风机(5)的全风量；步骤402中取开关阀(6)的五个开度离散值，所述五个开度离散值包括S、0.75S、0.5S、0.25S和0，其中，S为开关阀(6)的全开度；步骤402中安装在所述巷道模拟模块上的不同位置的多个开关阀(6)的开度值为所述五个开度离散值的任意组合。
3.按照权利要求1或2所述的基于热动力灾害多参数时空演化分析实验台的实验方法，其特征在于：步骤401至步骤403中烟气发生器(7-2)和高压气瓶(7-7)均通过加热器(7-5)加热。
4.按照权利要求3所述的基于热动力灾害多参数时空演化分析实验台的实验方法，其特征在于：步骤五中瓦斯浓度为5％～16％，氧气浓度不小于12％。
5.按照权利要求4所述的基于热动力灾害多参数时空演化分析实验台的实验方法，其特征在于：所述模拟主井巷道(3-4)、模拟副井巷道(3-3)、主回风巷道(3-8)、所述模拟采区巷道、运输大巷道(3-5)和联络巷道(3-7)均由多个节管拼接而成，多个节管之间均通过快速接头(3-6)连接，所述节管为耐高温抗爆钢管。
6.按照权利要求4所述的基于热动力灾害多参数时空演化分析实验台的实验方法，其特征在于：所述操作主机(11)通过通信模块与数据采集器(8)相接，所述通信模块包括与数据采集器(8)相接的第一通信模块(9)和与操作主机(11)相接的第二通信模块(10)，第一通信模块(9)和第二通信模块(10)均为有线通信模块或无线通信模块。
7.按照权利要求4所述的基于热动力灾害多参数时空演化分析实验台的实验方法，其特征在于：所述输送管(7-1)的一个输入管上且位于烟气发生器(7-2)的输出端安装有烟气流量计(7-3)和烟气开关(7-4)，所述输送管(7-1)的另一个输入管上且位于高压气瓶(7-7)的输出端安装有瓦斯流量计(7-8)和瓦斯减压阀(7-9)，所述输送管(7-1)的输出管上且位于加热器(7-5)的输出端安装有总流量计(7-6)。
8.按照权利要求3所述的基于热动力灾害多参数时空演化分析实验台的实验方法，其特征在于：所述桩承台还包括多个供伸缩支架(2-1)安装的桩基，所述桩基的数量大于伸缩支架(2-1)的数量。
9.按照权利要求8所述的基于热动力灾害多参数时空演化分析实验台的实验方法，其特征在于：所述伸缩支架(2-1)的侧壁上沿伸缩支架(2-1)的长度方向上依次设置有多个用于固定云台(2-3)的安装孔(2-2)。
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