CN106251766B - 可视化矿井热动力灾害烟气蔓延模拟实验台及实验方法 - Google Patents

可视化矿井热动力灾害烟气蔓延模拟实验台及实验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可视化矿井热动力灾害烟气蔓延模拟实验台及实验方法，该实验台包括实验台装置和控制终端，实验台装置包括实验台骨架、多个高速摄像机、桩承台和巷道模拟模块，巷道模拟模块上设置有开关阀、风机和执行机构，巷道模拟模块内设置有传感器组件，实验操作便捷；该实验方法包括步骤：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热动力灾害位置与并观测矿井热动力灾害烟气蔓延过程；五、烟气蔓延数据的显示及确定烟气蔓延的影响因素。本发明可模拟矿井巷道通风量、冒顶现象和烟气产生速率的变化对热动力灾害烟气蔓延的影响。

Description

可视化矿井热动力灾害烟气蔓延模拟实验台及实验方法
技术领域
本发明属于矿井热动力灾害模拟技术领域，具体涉及一种可视化矿井热动力灾害烟气蔓延模拟实验台及实验方法。
背景技术
近年来，我国煤矿事故数量呈下降趋势，小型事故得到了有效控制。但重特大事故仍然较多，尤其是矿井热动力灾害（火灾或瓦斯爆炸）事故较为严重，其发生数量及致死人数占到特重大事故的50%以上。而且，单次事故的致死人数大，事故后果严重。热动力灾害往往会产生大量高温有害气体，造成井下巷道通风系统紊乱，致使高浓度烟气在井下灾区及相连巷道蔓延传播，极大地降低井下某些区域巷道可见度，严重影响遇险矿工的逃生以及救援人员的搜救工作。然而，由于热动力灾害的特殊性，目前我国对煤矿热动力灾害有害烟气蔓延扩散的研究，主要通过数值模拟来实现，尚未建立专门的全尺寸实验台，无法采用实验手段来研究井下某一位置发生热动力灾害后，有害烟气蔓延扩散的规律和特点。因此，现如今缺少一种可视化矿井热动力灾害烟气蔓延模拟实验台及利用该实验台进行的实验方法，利用物理相似原理根据任意矿井的实际巷道情况进行搭建，模拟矿井巷道通风量、冒顶程度和烟气产生速率的变化对热动力灾害烟气蔓延规律的影响，为具体矿井热动力灾害应急预案的制定、热动力灾害的应急演练，以及矿井热动力灾害救援的指挥决策，提供可靠的理论和技术支持。
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，提供一种可视化矿井热动力灾害烟气蔓延模拟实验台，其设计新颖合理，根据具体矿井的巷道实际布置情况和通风情况，可测试热动力灾害产生时，巷道内烟气蔓延变化过程，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：一种可视化矿井热动力灾害烟气蔓延模拟实验台，其特征在于：包括用于模拟矿井热动力灾害烟气蔓延的实验台装置和用于控制所述实验台装置产生烟气的控制终端，所述实验台装置包括实验台骨架和设置在实验台骨架外的多个高速摄像机，以及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传感器组件，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能见度的能见度传感器、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，传感器组件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和工作面回风巷道，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相交，运输大巷道的数量为多个，风机安装在主回风巷道上，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透明节管拼接而成，多个透明节管之间均通过快速接头连接；
执行机构包括输送管以及依次安装在输送管上的烟气发生器、第一流量计、烟气开关、加热器和第二流量计；
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调节云台转动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、开关阀和烟气发生器均与操作主机的输出端相接且由操作主机控制。
上述的可视化矿井热动力灾害烟气蔓延模拟实验台，其特征在于：所述透明节管为耐高温透明钢化玻璃节管，所述实验台骨架为立方体钢架。
上述的可视化矿井热动力灾害烟气蔓延模拟实验台，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。
上述的可视化矿井热动力灾害烟气蔓延模拟实验台，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，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。
同时，本发明还公开了一种方法步骤简单、设计合理、可模拟矿井巷道通风量、冒顶现象和烟气产生速率的变化对热动力灾害烟气蔓延的影响的实验方法，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；
所述巷道参数主要包括各巷道的长度、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传感器组件通信信号是否正常，操作主机判断与高速摄像机传输信号是否正常，确认风机、开关阀和烟气发生器完好，操作主机判断与风机、开关阀和烟气发生器的控制信号是否正常，各信号均正常时，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涌出位置与烟气涌出速度并观测矿井热动力灾害烟气蔓延过程：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，通过改变烟气发生器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模拟巷道模拟模块内烟气涌出位置与烟气涌出速度，当固定巷道模拟模块内冒顶位置与冒顶程度以及烟气涌出位置与烟气涌出速度，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以及烟气涌出位置与烟气涌出速度，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涌出位置与烟气涌出速度时，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，通过传感器组件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并通过多个高速摄像机获取矿井热动力灾害烟气蔓延视频数据；
步骤402、确定风机的风量，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，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，通过传感器组件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并通过多个高速摄像机获取矿井热动力灾害烟气蔓延视频数据；
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，调节烟气发生器安装位置并改变烟气发生器的烟气产生速率，通过传感器组件获取不同烟气发生器的安装位置情况下所述巷道模拟模块内热动力灾害参数并通过多个高速摄像机获取矿井热动力灾害烟气蔓延视频数据；
步骤五、烟气蔓延数据的显示及确定烟气蔓延的影响因素：通过操作主机显示步骤四中各条件下的传感器组件和高速摄像机获取的烟气蔓延数据，获取影响烟气蔓延的因素。
上述的实验方法，其特征在于：步骤401至步骤403中高速摄像机的数量为五个，五个高速摄像机分别布设在所述立方体钢架除底面的另外五个面外侧且用于全方位采集矿井热动力灾害烟气蔓延视频数据。
上述的实验方法，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。
上述的实验方法，其特征在于：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。
上述的实验方法，其特征在于：步骤401至步骤403中烟气发生器均通过加热器模拟有源火灾。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明采用的可视化矿井热动力灾害烟气蔓延模拟实验台设计新颖合理，根据某一矿井的实际巷道布置和通风情况，采用物理相似原理按照一定比例搭建，更加贴近真实巷道和灾变情况，针对矿井内灾害的传播过程做实时监控，获取可靠数据，并可借助高速摄像机与操作主机结合的方式进行数据分析，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烟气蔓延的演化规律，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。
2、本发明采用的可视化矿井热动力灾害烟气蔓延模拟实验台中通过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，模拟真实的矿井煤层巷道环境，每个支桩均采用卡扣环将巷道模拟模块固定好，便于推广使用。
3、本发明采用的可视化矿井热动力灾害烟气蔓延模拟实验台按照一定比例加工制作每类巷道的长度和直径，采用透明节管拼接巷道，每类巷道均以快速接头的方式连接，气密性良好；在巷道模拟模块上安装开关阀，通过控制开关阀开度模拟巷道不同的坍塌程度，控制简单，可靠稳定，使用效果好。
4、本发明采用的可视化矿井热动力灾害烟气蔓延模拟实验方法设计合理，通过风机风量、开关阀开度以及烟气发生器安装位置和烟气输出量的任意组合，确定烟气蔓延路径，同时采用高速摄像机记录烟气蔓延的全过程，采用传感器组件记录巷道模拟模块的关键参数，为了保证采集的信息传输的稳定性和可靠性，所有传感器采集到的信息将通过无线或有线的方式实时传输到操作主机，实现模拟热动力灾害发生后多种可能情况下的可视化全矿井热动力灾害烟气蔓延变化过程。
5、本发明采用的可视化矿井热动力灾害烟气蔓延模拟实验方法步骤简单，设计实现方便，投入成本低。
综上所述，本发明设计新颖合理，其设计新颖合理，根据具体矿井的巷道实际布置情况和通风情况，可测试热动力灾害产生时，巷道内烟气蔓延变化过程，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为本发明可视化矿井热动力灾害烟气蔓延模拟实验台中实验台装置的结构示意图。
图2为本发明可视化矿井热动力灾害烟气蔓延模拟实验台中支桩的结构示意图。
图3为本发明可视化矿井热动力灾害烟气蔓延模拟实验台中执行机构的结构示意图。
图4为本发明可视化矿井热动力灾害烟气蔓延模拟实验台中控制终端、传感器组件、风机、开关阀、烟气发生器和高速摄像机的电路连接关系示意图。
图5为本发明可视化矿井热动力灾害烟气蔓延模拟实验方法的流程框图。
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—传感器组件； 4-1—压力传感器； 4-2—能见度传感器；
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—第一流量计； 7-4—烟气开关；
7-5—加热器； 7-6—第二流量计； 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—高速摄像机。
具体实施方式
如图1至图4所示，本发明所述的一种可视化矿井热动力灾害烟气蔓延模拟实验台，包括用于模拟矿井热动力灾害烟气蔓延的实验台装置和用于控制所述实验台装置产生烟气的控制终端，所述实验台装置包括实验台骨架1和设置在实验台骨架1外的多个高速摄像机12，以及设置在实验台骨架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传感器组件4，传感器组件4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能见度的能见度传感器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，传感器组件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和工作面回风巷道3-2，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，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均由多个透明节管拼接而成，多个透明节管之间均通过快速接头3-6连接；
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。
执行机构7包括输送管7-1以及依次安装在输送管7-1上的烟气发生器7-2、第一流量计7-3、烟气开关7-4、加热器7-5和第二流量计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烟气，当涌入烟气时，打开烟气开关7-4，通过第一流量计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烟气蔓延的变化过程，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。
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的输出端接有用于调节云台2-3转动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和烟气发生器7-2均与操作主机11的输出端相接且由操作主机11控制。
本实施例中，所述透明节管为耐高温透明钢化玻璃节管，所述实验台骨架1为立方体钢架。
如图4所示，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。
实际使用时，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；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，数据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。
如图1和图2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，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。
如图5所示的一种可视化矿井热动力灾害烟气蔓延模拟的实验方法，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；
所述巷道参数主要包括各巷道的长度、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，多个透明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传感器组件4通信信号是否正常，操作主机11判断与高速摄像机12传输信号是否正常，确认风机5、开关阀6和烟气发生器7-2完好，操作主机11判断与风机5、开关阀6和烟气发生器7-2的控制信号是否正常，各信号均正常时，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涌出位置与烟气涌出速度并观测矿井热动力灾害烟气蔓延过程：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，通过改变烟气发生器7-2的安装位置并采用操作主机11控制烟气发生器7-2的烟气产生速率模拟巷道模拟模块内烟气涌出位置与烟气涌出速度，当固定巷道模拟模块内冒顶位置与冒顶程度以及烟气涌出位置与烟气涌出速度，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以及烟气涌出位置与烟气涌出速度，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涌出位置与烟气涌出速度时，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，通过传感器组件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并通过多个高速摄像机12获取矿井热动力灾害烟气蔓延视频数据；
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，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，通过传感器组件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并通过多个高速摄像机12获取矿井热动力灾害烟气蔓延视频数据；
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烟气蔓延情况。
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，调节烟气发生器7-2安装位置并改变烟气发生器7-2的烟气产生速率，通过传感器组件4获取不同烟气发生器7-2的安装位置情况下所述巷道模拟模块内热动力灾害参数并通过多个高速摄像机12获取矿井热动力灾害烟气蔓延视频数据；
实际使用中，通过传感器组件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。
本实施例中，步骤401至步骤403中高速摄像机12的数量为五个，五个高速摄像机12分别布设在所述立方体钢架除底面的另外五个面外侧且用于全方位采集矿井热动力灾害烟气蔓延视频数据。
本实施例中，步骤401至步骤403中烟气发生器7-2均通过加热器7-5模拟有源火灾。
步骤五、烟气蔓延数据的显示及确定烟气蔓延的影响因素：通过操作主机11显示步骤四中各条件下的传感器组件4和高速摄像机12获取的烟气蔓延数据，获取影响烟气蔓延的因素。
需要说明的是，操作主机11基于实验获得的数据，采用CFD数值计算软件，通过物理相似实验模拟与数值模拟相结合的研究手段，可以更加准确地得到热动力灾变后全矿井烟气蔓延的时空演化规律。
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。
实际使用中，传感器组件4中的能见度传感器4-2为烟气蔓延的判定依据提供数据支持，能见度传感器4-2可实时监测所述巷道模拟模块内实际的能见度，提供能见度表来判定烟气蔓延的范围及程度，实际可已将能见度划分为五个等级，五个能见度等级分为一级能见度等级、二级能见度等级、三级能见度等级、四级能见度等级和五级能见度等级，所述一级能见度等级为安全等级，所述二级能见度等级为较安全等级，所述三级能见度等级为一般安全等级，所述四级能见度等级为较危险等级，所述五级能见度等级为危险等级，五个能见度等级均设置距离阈值；实际还可已将能见度划分为更为细致的等级，且各等级的具体阈值，将通过现场调研和专家咨询来确定；通过这种等级划分，就可以判定井下被监测巷道位置处烟气波及到的时间和程度，以及井下任意时刻烟气的波及范围。
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 (5)

1.一种利用可视化矿井热动力灾害烟气蔓延模拟实验台进行可视化矿井热动力灾害烟气蔓延模拟的实验方法，所述可视化矿井热动力灾害烟气蔓延模拟实验台包括用于模拟矿井热动力灾害烟气蔓延的实验台装置和用于控制所述实验台装置产生烟气的控制终端，所述实验台装置包括实验台骨架（1）和设置在实验台骨架（1）外的多个高速摄像机（12），以及设置在实验台骨架（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传感器组件（4），传感器组件（4）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能见度的能见度传感器（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），传感器组件（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）和工作面回风巷道（3-2），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）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，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）均由多个透明节管拼接而成，多个透明节管之间均通过快速接头（3-6）连接；
执行机构（7）包括输送管（7-1）以及依次安装在输送管（7-1）上的烟气发生器（7-2）、第一流量计（7-3）、烟气开关（7-4）、加热器（7-5）和第二流量计（7-6）；
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）的输出端接有用于调节云台（2-3）转动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）和烟气发生器（7-2）均与操作主机（11）的输出端相接且由操作主机（11）控制；
所述透明节管为耐高温透明钢化玻璃节管，所述实验台骨架（1）为立方体钢架；
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；
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，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）；
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；
所述巷道参数主要包括各巷道的长度、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传感器组件（4）通信信号是否正常，操作主机（11）判断与高速摄像机（12）传输信号是否正常，确认风机（5）、开关阀（6）和烟气发生器（7-2）完好，操作主机（11）判断与风机（5）、开关阀（6）和烟气发生器（7-2）的控制信号是否正常，各信号均正常时，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涌出位置与烟气涌出速度并观测矿井热动力灾害烟气蔓延过程：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，通过改变烟气发生器（7-2）的安装位置并采用操作主机（11）控制烟气发生器（7-2）的烟气产生速率模拟巷道模拟模块内烟气涌出位置与烟气涌出速度，当固定巷道模拟模块内冒顶位置与冒顶程度以及烟气涌出位置与烟气涌出速度，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以及烟气涌出位置与烟气涌出速度，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涌出位置与烟气涌出速度时，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，通过传感器组件（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并通过多个高速摄像机（12）获取矿井热动力灾害烟气蔓延视频数据；
步骤402、确定风机（5）的风量，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，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，通过传感器组件（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并通过多个高速摄像机（12）获取矿井热动力灾害烟气蔓延视频数据；
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，调节烟气发生器（7-2）安装位置并改变烟气发生器（7-2）的烟气产生速率，通过传感器组件（4）获取不同烟气发生器（7-2）的安装位置情况下所述巷道模拟模块内热动力灾害参数并通过多个高速摄像机（12）获取矿井热动力灾害烟气蔓延视频数据；
步骤五、烟气蔓延数据的显示及确定烟气蔓延的影响因素：通过操作主机（11）显示步骤四中各条件下的传感器组件（4）和高速摄像机（12）获取的烟气蔓延数据，获取影响烟气蔓延的因素。
2.按照权利要求1所述的实验方法，其特征在于：步骤401至步骤403中高速摄像机（12）的数量为五个，五个高速摄像机（12）分别布设在所述立方体钢架除底面的另外五个面外侧且用于全方位采集矿井热动力灾害烟气蔓延视频数据。
3.按照权利要求1所述的实验方法，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。
4.按照权利要求1所述的实验方法，其特征在于：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。
5.按照权利要求1所述的实验方法，其特征在于：步骤401至步骤403中烟气发生器（7-2）均通过加热器（7-5）模拟有源火灾。
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