CN107204146A - 一种矿井火灾烟流紊乱实验装置 - Google Patents

Abstract

一种矿井火灾烟流紊乱实验装置，包括巷道模型及模块化控制箱，采用耐高温的巷道模型，可根据实际情况自由组装出相应井巷模型，操控简捷、高效，通过调节双向变频风机的正转反转状态，模拟实际情况中的上行或下行通风情况，并控制双向变频风机产生不同风量，更加符合相似原理，利用升温控制器，精确控制电热丝升温情况，模拟着火点，利用烟雾发生器，可直观反映火灾发生时巷道内风流、烟流状态变化情况，并通过模块化控制箱对多个监测点数据的采集、预处理、存储、显示，提高检测速度、准确性和安全性，有利于制定矿井火灾安全预案，防治井下火灾，制定矿井火灾时期人员安全逃生路线。

Description

一种矿井火灾烟流紊乱实验装置

技术领域

本发明属于矿井火灾防治技术领域，具体涉及一种矿井火灾烟流紊乱实验装置。

背景技术

井下火灾是煤矿开采生产工作的重大安全隐患之一。由于井下巷道纵横相连，很难及时发现火灾发生，井下空气供给有限，可燃物难以完全燃烧，有毒有害烟雾大量发生，随风流扩散，毒化矿井空气，威胁工人的生命安全，尤其在瓦斯和煤尘爆炸危险矿井，还可能引起爆炸，酿成重大恶性事故。

根据发火点对矿井通风的影响可将井下火灾分为上行风流火灾和下行风流火灾。其中，发生在上行风流中的火灾，称为上行风流火灾，当上行风流中发生火灾时，因热力作用而产生的火风压，对矿井通风的影响主要特征是，主干风路的风流方向一般将是稳定的，即具有与原风流相同的方向，烟流将随之排出，而所有其它与主干风路并联或者在主干风路火源后部汇入的旁侧支路风流，其方向将是不稳定的，甚至可能发生逆转，形成风流紊乱事故。发生在下行风流中的火灾，称为下行风流火灾，在下行风流中发生火灾时，火风压的作用方向与矿井主扇风压的作用方向相反。随着火势发展，主干风路中的风流很难保持其正常的原有流向。当火风压增大到一定程度，主干风路的风流将会发生逆退，从而酿成又一种形式的风流紊乱事故。

目前针对井下火灾防治工程的实验研究，主要是对矿井采空区、密闭区、巷道中一氧化碳、氧气、二氧化碳等气体浓度分析研究。由于火风压的产生，打破了网络回路原有压力平衡，使网络流动状态发生变化，而针对井下火灾发生时期产生的高温烟流在通风网络内流动，沿途产生局部火风压，以及火风压与烟流流动范围及烟流温度的变化关系进行的实验研究却很少。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种操作简捷、检测速度快、测量精度高、直观反映检测地点的温度、风速、风流状态、烟流流动范围变化且能同步存储检测数据功能的矿井火灾烟流紊乱实验装置。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种矿井火灾烟流紊乱实验装置，包括巷道模型及模块化控制箱，所述巷道模型包括主干风路管道以及与所述主干风路管道并联的旁侧支路管道，所述旁侧支路管道的顶部和底部通过耐高温四通与所述主干风路管道连通，所述主干风路管道的底部连接于第一总风路管道，所述第一总风路管道的末端设有双向变频电机，用于向所述第一总风路管道内提供风流，所述第一总风路管道上设有第一烟雾发生器及第一双向风速传感器，所述主干风路管道的顶部连接于第二总风路管道，所述第二总风路管道上设有第二烟雾发生器，所述主干风路管道内设有电热丝，所述电热丝连接于升温控制器，所述电热丝的附近设有第一温度传感器，所述主干风路管道上还设有第一调阻阀和第二双向风速传感器，所述旁侧支路管道上设有第二调阻阀和第三双向风速传感器，所述旁侧支路管道的顶部和底部分别设有第二温度传感器和第三温度传感器，所述第一温度传感器、所述第二温度传感器、所述第三温度传感器、所述第一双向风速传感器、所述第二双向风速传感器及所述第三双向风速传感器连接于所述模块化控制箱，通过所述模块化控制箱采集数据并处理，监测实验过程及结果。

进一步，所述主干风路管道的两侧分别设有所述旁侧支路管道，一条所述旁侧风路管道上可选择的不设置所述第三双向风速传感器。

进一步，根据矿井通风公式：Q＝S×V以及并联通风公式可以得出所述巷道模型内总风量、所述主干风路管道及所述旁侧支路管道内风量变化情况，其中Q为总风量，S为所述主干风路管道或所述旁侧支路管道的截面积，V为风速，Q_i为所述主干风路管道或并联的所述旁侧支路管道内的风量。

进一步，所述旁侧支路管道包括与所述主干风路管道平行的中间管，所述中间管的顶部和底部通过耐高温弯头连接有直管，所述直管的端部连接于所述耐高温四通的接头上。

进一步，所述第二温度传感器和所述第三温度传感器分别设置在所述中间管顶部和底部的直管上。

进一步，所述耐高温弯头的两端通过耐高温连接环连接于所述中间管和所述直管，所述耐高温四通的四个端部通过所述耐高温连接环分别连接于所述主干风路管道、所述旁侧支路管道及所述第一总风路管道或所述第二总风路管道。

进一步，所述巷道模型固定于背部支架上，所述背部支架的底部设有底座，所述模块化控制箱放置于所述底座上。

进一步，所述模块化控制箱包括箱体及设置于所述箱体一侧可相对所述箱体旋转打开的显示屏，所述箱体内装有电脑主机，用于对采集的数据进行处理，所述箱体表面设有键盘及鼠标区，所述箱体的边缘设有外接接口及散热孔。

进一步，所述箱体的边缘设有提手和防盗锁，用于将所述显示屏锁在所述箱体上。

进一步，所述外接接口包括网线接口、USB接口、电源线接口、音频和话筒接口，所述第一温度传感器、所述第二温度传感器、所述第三温度传感器、所述第一双向风速传感器、所述第二双向风速传感器及所述第三双向风速传感器通过数据传输线与所述电脑主机相连。

本发明的有益效果：

本发明采用耐高温的巷道模型，可根据实际情况自由组装出相应井巷模型，操控简捷、高效，通过调节双向变频风机的正转反转状态，模拟实际情况中的上行或下行通风情况，并控制双向变频风机产生不同风量，更加符合相似原理，利用升温控制器，精确控制电热丝升温情况，模拟着火点，利用烟雾发生器，可直观反映火灾发生时巷道内风流、烟流状态变化情况，并通过模块化控制箱对多个监测点数据的采集、预处理、存储、显示，提高检测速度、准确性和安全性。

附图说明

图1为本发明矿井火灾烟流紊乱实验装置的结构示意图；

图2为本发明矿井火灾烟流紊乱实验装置发生上行通风旁侧支路管道内风流逆转时烟流运动示意图，箭头表示风流方向；

图3为本发明矿井火灾烟流紊乱实验装置发生下行通风主干通风管道内风流逆退时烟流运动示意图，箭头表示风流方向；

图4为本发明矿井火灾烟流紊乱实验装置中模块化控制箱的结构示意图；

图5为本发明矿井火灾烟流紊乱实验装置的算例图；

图中，1—背部支架、2—耐高温弯头、3—耐高温连接环、4—升温控制器、51—第一调阻阀、52—第二调阻阀、61—第一双向风速传感器、62—第二双向风速传感器、63—第三双向风速传感器、71—第一温度传感器、72—第二温度传感器、73—第三温度传感器、8—双向变频风机、91—第一烟雾发生器、92—第二烟雾发生器、10—底座、11—模块化控制箱、12—旁侧支路管道、121—中间管、122—直管、13—电热丝、14—耐高温四通、15—主干风路管道、161—第一总风路管道、162—第二总风路管道、17—箱体、18—显示屏、19—键盘、20—开关键、21—鼠标区、22—外接接口、23—散热孔、24—提手、25—防盗锁。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

如图1，本发明提供一种矿井火灾烟流紊乱实验装置，包括巷道模型及模块化控制箱11，巷道模型采用耐高温石英玻璃管组装而成，根据相似原理，按比例组装成相应矿井巷道模型。

如图1，巷道模型固定在背部支架1上，背部支架1的底部设有底座10，背部支架1和底座10为不锈钢材质，可以固定巷道模型及模块化控制箱11。巷道模型包括主干风路管道15以及与主干风路管道15并联的旁侧支路管道12，主干风路管道15竖直设置，旁侧支路管道12包括与主干风路管道15平行的中间管121，中间管121的顶部和底部通过耐高温弯头2连接有直管122，直管122的端部通过耐高温四通14连接于主干风路管道15上。在本实施例中，主干风路管道15的两侧分别设有一条旁侧支路管道12，结构基本相同。

主干风路管道15的底部通过耐高温四通14分别连接于两条旁侧支路管道12底部的直管122的端部以及第一总风路管道161，第一总风路管道161与主干风路管道15垂直设置，第一总风路管道161的末端设有双向变频电机8，用于向第一总风路管道161内提供风流，第一总风路管道161上设有第一烟雾发生器91及第一双向风速传感器61。主干风路管道15的顶部通过耐高温四通14分别连接于两条旁侧支路管道12顶部的直管122的端部以及第二总风路管道162，第二总风路管道162上设有第二烟雾发生器92。在本实施例中，耐高温弯头2和耐高温四通14均是石英材质制成，耐高温弯头2的两端通过耐高温连接环3连接于中间管121和直管122，耐高温四通14的四个端部通过耐高温连接环3分别连接于主干风路管道15、旁侧支路管道12及第一总风路管道161或第二总风路管道162。

双向变频风机8包括变频控制器和微型通风机。双向变频风机8置于第一总风路管道161外端总风口处，通过调节变频控制器实现微型通风机正转反转状态，当双向变频风机8以压入式通风时，第一总风路管道161外端总风口为进风口，第二总风路管道162外端总风口为出风口，巷道模型为上行通风。当双向变频风机8以抽出式通风时，第一总风路管道161外端总风口为出风口，第二总风路管道162外端总风口为进风口，巷道模型为下行通风。通过变频控制器输出不同电压控制微型通风机产生不同风量，根据相似原理，通过计算按比组建相应矿井巷道通风模型。

主干风路管道15内设有电热丝13，电热丝13连接于升温控制器4，电热丝13的附近设有第一温度传感器71，主干风路管道15上还设有第一调阻阀51和第二双向风速传感器62，旁侧支路管道12上设有第二调阻阀52和第三双向风速传感器63，旁侧支路管道12的顶部和底部分别设有第二温度传感器72和第三温度传感器73。第一、第二调阻阀51、52为耐高温全通径阀门球阀，根据实际情况需要设置在巷道端用以调节巷道内阻力变化。第一、第二、第三温度传感器71、72、73包括热敏电阻器，PVC导线，铁氟龙导线。温度传感器71、72、73是将高精度、高可靠的热敏电阻器与PVC导线、铁氟龙导线等导线连接，用绝缘、导热、防水材料封装成所需要的形状，根据实际情况分别设置在着火点及巷道中相应监测点，便于安装与远距离监测温度。在本实施例中，第一温度传感器71设置在巷道模型主干风路管道15电热丝13附近，用于监测记录火灾发生时期火源点附近温度变化情况；第二温度传感器72和第三温度传感器73分别设置在巷道模型两条旁侧支路管道12上下端的直管122内，用于监测记录火灾发生时期旁侧支路管道12内温度变化情况。

电热丝13为镍铬合金电热丝，具有发热快，产热量高，在高温环境中的强度高，长期高温运行不易变形，不易改变结构，且镍铬合金电热丝的常温塑性好，变形后的修复较为简单，镍铬合金电热丝的辐射率高、不带磁性、耐腐蚀能力好、使用寿命长等优点。根据实际情况将电热丝13设置在巷道中相应监测点模拟着火源，在本实施例中电热丝13设置在耐高温巷道模型的主干风路管道15内模拟着火源。

升温控制器4具有控制和驱动二合一，可控硅，无触点，高精度、宽范围的特点，可控温度范围-90度至1000度，控制精度达0.1度，可程控/时控，十段定时可在168小时内控制不同温度值，可程控十六段可编程斜率升降温速度控制，阻性负载达3000W，可控硅带智能风冷和过热保护，在加热模式下带断耦保护，断耦会自动断开输出等。在本实施例中，升温控制器4设置于背部固定支架1上靠近巷道着火点处与电热丝13连接，输入相应程序后，可实现对电热丝13升温情况的控制。

第一、第二、第三双向风速传感器61、62、63，外壳为耐高温防腐蚀材质，传感器基于毕托管风速测量原理，测量所需空气量极少，即使在恶劣环境中，性能同样稳定可靠，相比传统膜式、热式风速传感器可获得更好的低压段重复性和更快速精确微小风量测量和精度，宽量程比，通过内部微控制器将检测数据进行全量程精确标定，线性补偿和温度补偿均为数字化实现，因此精度和分辨率高，无零点漂移，长期稳定性极好，使其性价比更高，使用更方便。此外，此系列风速传感器采用低电压供电，可耐瞬时的压力较大等优点，根据实际情况将双向风速传感器分别设置在巷道中相应监测点，便于监测巷道内风速变化情况。在本实施例中共采用三个双向风速传感器61、62、63，第一双向风速传感器61设置在第一总风路管道161上靠近双向变频风机8位置处，用于监测、记录耐高温巷道模型内总风速变化情况；第二双向风速传感器62设置在主干风路管道15下端靠近耐高温四通14上侧附近，用于监测、记录主干风路管道15内风速变化情况；第三双向风速传感器63设置在一条旁侧支路管道12下端直管122上，用于监测、记录一条旁侧支路管道121内风速变化情况，而另一条旁侧支路管道12内可选择的不设置第三双向风速传感器63。根据矿井通风公式：Q＝S×V以及并联通风公式：可以得出耐高温巷道模型内总风量、主干风路管道15及旁侧支路管道12内风量变化情况，其中Q为总风量；S为主干风路管道15或旁侧支路管道12的截面积；V为风速；Q_i为主干风路管道15或并联的旁侧支路管道12内的风量。

第一、第二烟雾发生器91、92为柱状硬质容器，内装能够发生烟雾的物质，如四氯化锡(SiCl4)﹑四氯化钛(TlCl4)或四氯化硅(SiCl4)等。使用时，将空气送入第一烟雾发生器91或第二烟雾发生器92内，空气中的水分和其中的物质接触，便能放出白色烟雾并随风流动，形成测风所需要的烟雾，可直观反应火灾发生时巷道内风流、烟流状态变化情况。在本实施例中，第一烟雾发生器91设置在第一总风路管道161上，当采用上行通风时期发生火灾情况，启动第一烟雾发生器91，通过产生的烟雾流动情况可直观反映上行通风时期巷道内烟流运动情况。第二烟雾发生器92设置在第二总风路管道162上，当采用下行通风时期发生火灾情况，启动第二烟雾发生器92，通过产生的烟雾流动情况可直观反映下行通风时期巷道内烟流运动情况。

图2为上行通风时期发生火灾引起旁侧支路管道12内风流逆转情况时烟流运动示意图，其中，箭头所指方向为上行通风时期巷道模型内风流方向。上行通风时，双向变频风机8采用压入式通风，启动已输入升温程序的升温控制器4控制电热丝13程序升温，第一烟雾发生器91释放烟雾，通过观察烟雾流动情况，可以直观的反映在火灾发生后旁侧支路管道12内烟雾运移方向逐渐发生逆转。

图3为下行通风时期发生火灾引起主干风路管道15风流逆退情况时烟流运动示意图，其中，箭头所指方向为下行通风时期巷道模型内风流方向。下行通风时，双向变频风机8采用抽出式通风，启动已输入升温程序的升温控制器4控制电热丝13程序升温，第二烟雾发生器92释放烟雾，可以直观的反映在火灾发生后主干风路管道15内烟雾运移方向逐渐发生逆退。

上述第一温度传感器71、第二温度传感器72、第三温度传感器73、第一双向风速传感器61、第二双向风速传感器62及第三双向风速传感器63连接于模块化控制箱11，通过模块化控制箱11采集数据并处理，监测实验过程及结果。

如图4，模块化控制箱11包括箱体17及设置于箱体17一侧可相对箱体17旋转打开的显示屏18，箱体17内装有电脑主机，用于对采集的数据进行处理，箱体17表面设有键盘19及鼠标区21，键盘19设置于箱体17内面中部，键盘19的左上端边缘处设有开关键20。箱体17的左右两侧边缘设有外接接口22及散热孔23，外接接口22包括网线接口、USB接口、电源线接口、音频和话筒接口等，上述传感器通过数据传输线与电脑主机相连。散热孔23用于供箱体17内部的散热风扇散热，通过散热孔23对箱体17内进行降温调节。箱体17的边缘处设有提手24和防盗锁25，防盗锁25用于将显示屏18锁在箱体17上，提手24则便于人工拎起模块化控制箱11。在本实施例中，箱体17、显示屏18外表面都设有防摔保护膜，随时可以更换。使用时，首先通过数据传输线将实验中第一、第二、第三温度传感器71、72、73、第一、第二、第三双向风速传感器61、62、63与箱体17侧面的外接接口22连接，然后打开防盗锁25，按开关键20开机，待电脑主机进入操作系统，开始操作实验，使用完毕闭合，可以拎着提手24更换地点进一步处理分析实验数据或者通过外设存储器提取实验数据。模块化控制箱11具有携带方便，操作简捷，可同时采集、预处理、存储多个监测点数据并直观显示预处理结果的功能。

本发明矿井火灾烟流紊乱实验装置的工作过程为：根据相似原理组建模拟真实井巷的耐高温巷道模型，然后开始操作实验，开始启动双向变频风机8，待第一、第二、第三双向风速传感器61、62、63采集的风速稳定后启动升温控制器4控制电热丝13程序升温，启动第一烟雾发生器91或第二烟雾发生器92，直到升温控制器4关闭，第一、第二、第三温度传感器71、72、73采集数据降低到稳定数值后结束，使用完毕闭合模块化控制箱11，可以拎着提手21更换地点进一步处理分析实验数据或者通过外设存储器提取实验数据。

巷道模型内温度度信号和对应的风速变化如图5所示，第一、第三、第三温度传感器71、72、73将采集到的温度信号转化为电信号，第一、第二、第三双向风速传感器61、62、63将采集到的风速信号转化为电信号，通过模块化控制箱11采集和预处理，巷道内温度发生变化时，根据波峰偏移数值等数据，可以得到不同时间的温度值与风量变化情况。

本发明针对井下防治工程中上行风流火灾时期旁侧支路风流逆转和下行风流火灾时期主干风路风流逆退引起风流紊乱的研究，采用相似模拟方法，构建矿井巷道相似模型。通过本发明矿井火灾烟流紊乱实验装置，对检测点温度、风速、风流状态、烟流流动范围变化进行检测记录，利用相应软件程序对实验装置记录的数据进行分析，可得到井下发生上行风流火灾时期旁侧支路风流逆转和下行风流火灾时期主干风路风流逆退情况下巷道内温度、风速、风流状态、烟流流动及有毒有害气体扩散范围变化情况，有利于制定矿井火灾安全预案，防治井下火灾，制定矿井火灾时期人员安全逃生路线。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种矿井火灾烟流紊乱实验装置，其特征在于，包括：巷道模型及模块化控制箱，所述巷道模型包括主干风路管道以及与所述主干风路管道并联的旁侧支路管道，所述旁侧支路管道的顶部和底部通过耐高温四通与所述主干风路管道连通，所述主干风路管道的底部连接于第一总风路管道，所述第一总风路管道的末端设有双向变频电机，用于向所述第一总风路管道内提供风流，所述第一总风路管道上设有第一烟雾发生器及第一双向风速传感器，所述主干风路管道的顶部连接于第二总风路管道，所述第二总风路管道上设有第二烟雾发生器，所述主干风路管道内设有电热丝，所述电热丝连接于升温控制器，所述电热丝的附近设有第一温度传感器，所述主干风路管道上还设有第一调阻阀和第二双向风速传感器，所述旁侧支路管道上设有第二调阻阀和第三双向风速传感器，所述旁侧支路管道的顶部和底部分别设有第二温度传感器和第三温度传感器，所述第一温度传感器、所述第二温度传感器、所述第三温度传感器、所述第一双向风速传感器、所述第二双向风速传感器及所述第三双向风速传感器连接于所述模块化控制箱，通过所述模块化控制箱采集数据并处理，监测实验过程及结果。

2.根据权利要求1所述的矿井火灾烟流紊乱实验装置，其特征在于：所述主干风路管道的两侧分别设有所述旁侧支路管道，一条所述旁侧风路管道上可选择的不设置所述第三双向风速传感器。

3.根据权利要求2所述的矿井火灾烟流紊乱实验装置，其特征在于：根据矿井通风公式：Q＝S×V以及并联通风公式可以得出所述巷道模型内总风量、所述主干风路管道及所述旁侧支路管道内风量变化情况，其中Q为总风量，S为所述主干风路管道或所述旁侧支路管道的截面积，V为风速，Q_i为所述主干风路管道或并联的所述旁侧支路管道内的风量。

4.根据权利要求1所述的矿井火灾烟流紊乱实验装置，其特征在于：所述旁侧支路管道包括与所述主干风路管道平行的中间管，所述中间管的顶部和底部通过耐高温弯头连接有直管，所述直管的端部连接于所述耐高温四通的接头上。

5.根据权利要求4所述的矿井火灾烟流紊乱实验装置，其特征在于：所述第二温度传感器和所述第三温度传感器分别设置在所述中间管顶部和底部的直管上。

6.根据权利要求4所述的矿井火灾烟流紊乱实验装置，其特征在于：所述耐高温弯头的两端通过耐高温连接环连接于所述中间管和所述直管，所述耐高温四通的四个端部通过所述耐高温连接环分别连接于所述主干风路管道、所述旁侧支路管道及所述第一总风路管道或所述第二总风路管道。

7.根据权利要求1所述的矿井火灾烟流紊乱实验装置，其特征在于：所述巷道模型固定于背部支架上，所述背部支架的底部设有底座，所述模块化控制箱放置于所述底座上。

8.根据权利要求1所述的矿井火灾烟流紊乱实验装置，其特征在于：所述模块化控制箱包括箱体及设置于所述箱体一侧可相对所述箱体旋转打开的显示屏，所述箱体内装有电脑主机，用于对采集的数据进行处理，所述箱体表面设有键盘及鼠标区，所述箱体的边缘设有外接接口及散热孔。

9.根据权利要求8所述的矿井火灾烟流紊乱实验装置，其特征在于：所述箱体的边缘设有提手和防盗锁，用于将所述显示屏锁在所述箱体上。

10.根据权利要求8所述的矿井火灾烟流紊乱实验装置，其特征在于：所述外接接口包括网线接口、USB接口、电源线接口、音频和话筒接口，所述第一温度传感器、所述第二温度传感器、所述第三温度传感器、所述第一双向风速传感器、所述第二双向风速传感器及所述第三双向风速传感器通过数据传输线与所述电脑主机相连。