CN111261011A - 一种矿井火灾模拟实验平台及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿井火灾模拟实验平台及实验方法，该实验平台包括送风系统、模拟空间系统、火源模拟系统、数据收集与反馈系统；该实验平台的通风网络和巷道内部阻力、宽高比、倾斜角度易于调节，可重复性强；各种监测设备对矿井火灾发生时风速、燃料质量变化、温度、密度、压力、O₂和CO浓度、烟气蔓延情况实时监控，可用于研究矿井火灾烟气运移规律，其报警和控风措施的设计能快速有效地阻止灾势进一步扩大，通过对比实验研究出火灾扑救与人员救援的最佳方案，降低事故的危害程度，对矿井安全作业具有重要指导意义。

Description

一种矿井火灾模拟实验平台及实验方法

技术领域

本发明属于矿井火灾防治领域，具体涉及一种矿井火灾模拟实验平台及实验方法。

背景技术

矿井火灾是煤矿安全生产面临的主要灾害之一。火灾一旦发生，由于井下空间的封闭性和狭小性，不仅使得井下煤炭资源、生产设备被烧毁，甚至会造成人员伤亡，同时产生大量有毒有害烟气，使得一些原本可以幸免的矿工因中毒而失去逃生能力，扩大受灾面积，引发二次灾害。因此，研究矿井火灾烟气运移规律和控风措施至关重要。

目前国内矿井火灾模拟实验平台的网络结构过于简单，功能不够全面，不能系统地模拟火灾烟流在井下的运动状态，实验数据与理论分析有很大偏差。中国专利申请CN105894936A公开了一种煤矿井下外因火灾小尺寸模拟实验台，其仅可模拟一条简单巷道，且内部没有设置风阻，燃料不能持续供应，无法计算火源释热速率，巷道宽高比无法调节，不能很好的模拟井下实际通风网络的火灾蔓延及巷道间相互影响，且没有关于火灾发生后的报警控制措施。

发明内容

本发明的目的是提供一种矿井火灾模拟实验平台，结构完善，操作方便。

本发明的另一目的是提供一种基于上述矿井火灾模拟实验平台的矿井火灾模拟实验方法，能系统地模拟矿井火灾发生后烟流的运移状态，数据准确性高。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种矿井火灾模拟实验平台包括送风系统、模拟空间系统、火源模拟系统、数据收集与反馈系统；其中，

所述的模拟空间系统包括左钢板、透明玻璃顶板、底钢板、后钢板、透明玻璃前板、可升降支架、防火卷帘门、空中固定杆、竖直支撑杆，所述底钢板固定在所述可升降支架上，所述透明玻璃前板和后钢板竖直固定在所述底钢板的前后两侧，透明玻璃前板和后钢板的相对面上对应设置有纵向滑槽，所述透明玻璃顶板水平固定在所述滑槽中，所述底钢板、后钢板、透明玻璃前板、透明玻璃顶板相互围合构成可升降矩形巷道，所述可升降矩形巷道整体以并联方式连接，支路B-E和支路B-C-D-E并联，一进一回，A-B为进风巷，E-F为回风巷，中间有一条联络巷C-E，所述左钢板竖直固定在节点A处底钢板的左侧，透明玻璃前板和后钢板以及左钢板的高度一致，左钢板的中下部设有洞口；所述底钢板在支路A-B、B-C、B-E、C-D、D-E、E-F中间位置各设有一个圆孔，所述防火卷帘门设置在巷道各支路端部，距节点0.1-0.2m处的两侧各设置一个，垂直于风向而立；每段巷道中，所述竖直支撑杆垂直设置在所述底钢板上，所述空中固定杆水平设置在巷道中部，并通过所述竖直支撑杆稳定；

所述的送风系统包括风机Ⅰ、柔性风筒Ⅰ以及风机控制器Ⅰ，所述风机控制器Ⅰ与风机Ⅰ电连接，所述风机Ⅰ通过所述柔性风筒Ⅰ与所述左钢板的洞口位置密封连接；

所述的火源模拟系统包括立方体槽、加热器、隔热板、滤网、柔性风筒Ⅱ、风机Ⅱ、风机控制器Ⅱ，所述立方体槽包括一体连接的圆筒部和立方体部，所述圆筒部与所述底钢板上的一圆孔密封连接，所述立方体部的左右两侧为开合式结构，分别设有进风孔和进料孔，所述加热器、隔热板均位于所述立方体部中，隔热板固定在加热器底部，加热器上设有一个进风管，一个进料管和一个出烟口，所述进风管从进风孔伸出后通过所述柔性风筒Ⅱ与所述风机Ⅱ密封连接，所述进料管从进料孔伸出，所述出烟口位于圆筒部中，所述滤网设置在加热器瓶口，所述风机控制器Ⅱ与风机Ⅱ电连接；

所述的数据收集与反馈系统包括风速仪Ⅰ、风速仪Ⅱ、在线式天平、火灾探测器、组合式探测设备、高清监控摄像机、在线式红外监控热像仪、计算机；所述组合式探测设备包括风速仪Ⅲ、耐高温防爆热电偶、压力传感器、密度传感器、气体检测仪，所述风速仪Ⅰ设置在柔性风筒Ⅰ末端，所述风速仪Ⅱ设置在柔性风筒Ⅱ末端，所述在线式天平固定在隔热板下端；所述组合式探测设备固定在空中固定杆上；所述火灾探测器设置在每段巷道分支的透明玻璃顶板的中部；所述高清监控摄像机和在线式红外监控热像仪合为一组，在分支A-B-E-F、B-C、C-D、D-E、C-E巷道前侧外部、正对着透明玻璃前板各放一组；所述计算机通过耐火电缆分别与风速仪Ⅰ、风速仪Ⅱ、风速仪Ⅲ、在线式天平、耐高温防爆热电偶、压力传感器、密度传感器、气体检测仪、火灾探测器、透明玻璃顶板、竖直支撑杆、可升降支架、竖直支撑杆、加热器、高清监控摄像机和在线式红外监控热像仪电连接。

进一步地，所述可升降矩形巷道回风巷的出口连接火灾烟气净化装置。

优选的，所述竖直支撑杆沿巷道宽度方向均匀间隔设置三排，每一排中相邻两个竖直支撑杆之间间隔1.5-2m，其中中间一排竖直固定杆的高度比所述透明玻璃顶板高度矮5-10cm，其余两排竖直固定杆的高度为所述透明玻璃顶板高度的1/2。

优选的，在中间一排竖直固定杆的1/4处、1/2处与顶端各固定一排所述空中固定杆，在其余两排竖直固定杆的顶端各固定一排所述空中固定杆。

优选的，从每段巷道入口开始，每隔1m设置一组所述组合式探测设备。

优选的，所述底钢板上的圆孔孔径与所述立方体槽的圆筒部外径相适配。

本发明还提供一种基于上述矿井火灾模拟实验平台的实验方法，包括以下步骤：

S1：矿井火灾燃料准备：称取固体或液体燃料的质量，若固体燃料则破碎后真空干燥至恒重，若液体燃料则只称重；

S2：实验前期准备：根据实验需要的通风网络选择相应的防火卷帘门的开闭和下降高度，通过计算机调节透明玻璃顶板的高度改变巷道宽高比，再根据透明玻璃顶板高度设置竖直支撑杆的高度；

S3：控风后实验数据采集：调节风机控制器Ⅰ的频率至f1，通过风速仪Ⅰ观测巷道进风口风速，然后调节风机控制器Ⅱ的频率至f2，模拟矩形巷道实际风流并控制火源释热速率，最后打开加热器，加热燃料使其燃烧，记下该时刻的时间t1，作为实验进行的起点，若燃料在T时刻趋于完尽，则通过计算机打开进料管管口盖子向加热器中补充燃料，待输送完后盖合进料管管口；

当巷道某处的燃烧进行到O₂浓度低于设定值、CO浓度高于设定值或者火灾探测器达到预设值时，计算机接收到信息，警报启动，通过风机Ⅰ反转反风和分支C、D、E处防火卷帘门的开合，阻止烟气扩散到其他支路造成更大的危害；待除着火分支外其余巷道内的空气参数均在安全值内，记下该时刻t2，本次实验结束，关闭电源，停止送风，熄灭火源；矿井火灾实验巷道内风速、燃料的质量变化、温度、密度、压力、O₂和CO浓度、烟气蔓延情况的数据均通过风速仪、在线式天平、耐高温防爆热电偶、密度传感器、压力传感器、气体检测仪、火灾探测器、高清监控摄像机和在线式红外监控热像仪经耐火电缆传输导入计算机中进行数据处理；

S4：残余气体释放与处理：待火源完全熄灭并冷却后，取出残余燃料，打开风机Ⅰ的电源，调节风机控制器Ⅰ的频率使总进风风速达0.2m/s，持续通风，直至巷道内所有探测设备所监测到的环境参数均达到正常值，与巷外空气参数一致，关闭电源，取出残余燃料，清扫擦洗实验装置及设备，整理实验仪器。

进一步地，若模拟直巷道火灾，则选择A-B-E-F巷道，放下B^C、E^C、E^D的防火卷帘门使之形成密闭；若模拟并联通风网络火灾，则选A-B-C-D-E-E-F和A-B-E-F并联，此时密闭C^E和E^C处的防火卷帘门；若研究角联的通风网络，则无需密闭，只要控制防火卷帘门的开合调节风阻即可；对于不需要的巷道和联络巷，通过计算机关闭其所在分支的防火卷帘门，阻止风流通过，对于需要设置通风阻力的巷道，将防火卷帘门放下相应高度，以分支处局部阻力替代该支路摩擦阻力。

进一步地，选择A-B-C-D-E-E-F和A-B-E-F并联的通风网络，当警报启动时，具体控风方案如下：

(1)若支路A-B着火，则利用风机Ⅰ反转反风；

(2)若支路D-E、B-E-F着火，则加大风机Ⅰ的风速，促进火灾烟气的排出；

(3)若支路B-C着火，则打开联络巷C^E处、E^C处防火卷帘门，开通联络巷形成角联通风网络，密闭C^D处防火卷帘门使R_C-D无穷大，并加大风速；

(4)若支路C-D着火，则打开联络巷C^E、E^C处防火卷帘门，D^C处防火卷帘门密闭，增大C^B防火卷帘门闭合程度。

进一步地，使用联络巷C-E控风时，C-E末端连接一段引流管，直接导入回风巷E-F，不和D-E分支连通。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本实验平台可通过防火卷帘门的开合来改变通风网络和各分支风阻，根据实验要求选择角联、并联或串联通风网络；发生火灾后，达到报警条件即可通过计算机调节各分支风阻和风机反转反风来控制火灾烟气的蔓延，对比得出最佳控风方案；火源燃料选用固体、液体均可，并根据质量损失法测定火源的释热速率；火源模拟装置位于主体底部，不会对巷道造成明显的局部阻力影响风流流动，使矿井火灾的模拟更加准确；巷道顶板可沿滑槽上下滑动，精确控制巷道的宽高比，对于研究巷道宽高比对通风参数的影响具有重要意义；上述创新使矿井火灾的动态模拟及控风效果研究更加真实可靠。

(2)在巷道的模拟实验效果方面，巷道采用矩形截面，底部支架可不同程度的升降来类比巷道倾斜程度，与实际矿井保持极大的几何相似；空中固定杆和竖直支撑杆分布合理，能多角度研究巷道内不同地点的烟气参数；

(3)在烟流运移的模拟实验效果方面，实验平台内部风阻可控、通风网络复杂、控风措施完善，能很好地模拟烟气运移规律，制定最佳的控风措施，并且巷道顶部和前部采用透明玻璃板，方便人员观测和在线式红外监控热像仪和高清监控摄像机对实验现象的拍摄；

(4)在火源的模拟实验效果方面，实验平台综合利用加热器、风速仪和在线式天平，根据质量损失法计算火源的释热速率；该火源模拟装置可放在不同位置，用于模拟实际矿井不同地点的发火；其燃料可不断供应，保证了实验的持续进行；

(5)在实验数据测量方面，风速仪、在线式天平、耐高温防爆热电偶、密度传感器、压力传感器、气体检测仪、火灾探测器可以实时监测矿井火灾实验巷道内风速、燃料的质量变化、温度、密度、压力、O₂和CO浓度、烟气蔓延情况，并将数据准确输送到计算机中，供后期处理与分析，总结出火灾发生后巷道内各物理量的变化规律，为火灾发生后的人员逃生和火灾扑救提供理论依据；

(6)在实验成本方面，本中小尺度矿井火灾模拟实验平台与全尺寸矿井相比规模小、耗材少、耗时短、易清理，可重复实验，操作方便快捷准确，节省了大量的人力、物力与财力；

(7)在烟气排放方面，该实验平台增加了烟气净化装置，对有毒有害气体进行了去污处理，避免有害气体直接排入大气对大自然造成环境污染，对操作人员的身心健康造成威胁；

综上所述，本实验装置是针对矿井火灾中烟气运移规律及控风措施研究的小尺度模拟实验平台及方法。该实验操作方便、快捷准确，可重复性强，通风网络和巷道内部阻力、宽高比、倾斜角度易于调节，与实际矿井保持着极大的相似性，提高了实验数据的可靠性；各种监测设备对矿井火灾发生时风速、燃料的质量变化、温度、密度、压力、O₂和CO浓度、烟气蔓延情况实时监控，利于研究矿井火灾中的烟气运移规律，其报警和控风措施的设计能快速有效地阻止灾势进一步扩大，通过对比实验研究出火灾扑救与人员救援的最佳方案，降低事故的危害程度，对矿井安全作业具有重要的指导意义。

附图说明

图1为一段矿井火灾模拟矩形巷道示意图；

图2为一段可升降矩形巷道侧视图；

图3为矿井通风网络图；

图4为矿井火源位置布置图；

图中，1风机控制器Ⅰ，2风机Ⅰ，3柔性风筒Ⅰ，4风速仪Ⅰ，5左钢板，6防火卷帘门，7透明玻璃顶板，8耐高温防爆热电偶，9压力传感器，10密度传感器，11气体检测仪，12风速仪Ⅲ，13火灾探测器，14空中固定杆，15竖直支撑杆，16烟气净化装置，17计算机，18可升降支架，19底钢板，20加热器，21立方体槽，22隔热板，23在线式天平，24滤网，25风速仪Ⅱ，26高清监控摄像机，27在线式红外监控热像仪，28柔性风筒Ⅱ，29风机Ⅱ，30风机控制器Ⅱ，31耐火电缆，32后钢板，33透明玻璃前板，34圆孔，35引流管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1、图2所示，本发明的一种矿井火灾模拟实验平台，该平台包括模拟空间系统、送风系统、火源模拟系统、数据收集与反馈系统。

所述的模拟空间系统包括左钢板5、透明玻璃顶板7、底钢板19、后钢板32、透明玻璃前板33、可升降支架18、防火卷帘门6、空中固定杆14、竖直支撑杆15，所述底钢板19固定在所述可升降支架18上，所述透明玻璃前板33和后钢板32竖直固定在所述底钢板19的前后两侧，透明玻璃前板33和后钢板32的相对面和左钢板5上对应设置有纵向滑槽，所述透明玻璃顶板7水平固定在所述滑槽中，底钢板19、后钢板32、透明玻璃前板33、透明玻璃顶板7相互围合构成可升降矩形巷道，所述可升降矩形巷道整体以并联方式连接，如图3所示，支路B-E和支路B-C-D-E并联，一进一回，A-B为进风巷，E-F为回风巷，中间有一条联络巷C-E。如图4所示，使用联络巷控风时，C-E末端连接一段引流管35，不和D-E分支连通，直接将火灾烟气导入回风巷E-F，避免烟气回流入分支D-E中蔓延至更多工作区域；所述可升降支架18可以保持装置稳定并改变整体巷道的倾斜角度，模拟真实矿井巷道倾向；

所述左钢板5竖直固定在节点A处底钢板19的左侧，透明玻璃前板33和后钢板32以及左钢板5的高度一致，左钢板5的中下部设有洞口；可通过计算机17控制透明玻璃顶板7的高度，进而在后钢板32和透明玻璃前板33高度范围内随意且精确改变可升降矩形巷道的宽高比；所述防火卷帘门6设置在巷道各分支端部，距节点0.1-0.2m处的两侧各设置一个，垂直于风向而立，其完全闭合状态足以密闭可升降矩形巷道横截面，模拟矿井密闭，其不完全闭合状态模拟矿井阻力，开合程度表示阻力大小；如图4所示，所述底钢板19在支路A-B、B-C、B-E、C-D、D-E、E-F中间位置各设有一个圆孔34，用于连接火源模拟系统。

如图2所示，每段巷道中，所述竖直支撑杆15沿巷道宽度方向均匀间隔设置三排，每一排中相邻两个竖直支撑杆15之间间隔1.5-2m，其中中间一排竖直固定杆15的高度比所述透明玻璃顶板7高度矮5-10cm，其余两排竖直固定杆15的高度为所述透明玻璃顶板7高度的1/2，在中间一排竖直固定杆15的1/4处、1/2处与顶端各固定一排所述空中固定杆14，在其余两排竖直固定杆15的顶端各固定一排所述空中固定杆14；根据可升降矩形巷道的高度和想要监测参数变化所在的不同高度，通过计算机17控制竖直固定杆15的高度；

所述的送风系统包括风机Ⅰ2、柔性风筒Ⅰ3以及风机控制器Ⅰ1，所述风机控制器Ⅰ1与风机Ⅰ2电连接，所述风机Ⅰ2通过所述柔性风筒Ⅰ3与所述左钢板5的洞口位置密封连接；

所述的火源模拟系统包括立方体槽21、加热器20、滤网24、风机Ⅱ29、风机控制器Ⅱ30、柔性风筒Ⅱ28、隔热板22，所述立方体槽21包括一体连接的圆筒部和立方体部，所述圆筒部与所述底钢板19上的一圆孔34密封连接，由于圆孔34的布置位置不同，通过不同的连接位置可改变火源位置，所述立方体部的两侧分别设有进风孔和进料孔，加热器20、隔热板22均位于所述立方体部中，所述的隔热板22固定在加热器20底部，所述的加热器20上设有一个进风管，一个进料管和一个出烟口，进风管从进风孔伸出，进料管从进料孔伸出，出烟口位于圆筒部中，设有进风孔和进料孔的两侧面为开合式结构，便于将加热器20放进立方体槽21并使进风管从进风孔导出、进料管从进料孔导出；

所述滤网24设置在加热器20瓶口，阻止燃料蔓延到火源模拟装置外部；所述风机Ⅱ29通过柔性风筒Ⅱ28与加热器20的进风管密封连接，所述风机控制器Ⅱ30与风机Ⅱ29电连接；

所述的数据收集与反馈系统包括风速仪Ⅰ4、风速仪Ⅱ25、在线式天平23、组合式探测设备、火灾探测器13、高清监控摄像机26、在线式红外监控热像仪27、计算机17；所述组合式探测设备包括风速仪Ⅲ12、耐高温防爆热电偶8、压力传感器9、密度传感器10、气体检测仪11、所述风速仪Ⅰ4安置在柔性风筒Ⅰ3末端，测量巷道入口风速；所述风速仪Ⅱ25安置在柔性风筒Ⅱ28末端，在一定程度上控制燃料燃烧；所述在线式天平23固定在隔热板22下端，监测燃料质量变化；所述风速仪Ⅲ12、耐高温防爆热电偶8、压力传感器9、密度传感器10、气体检测仪11分别用来测量该点巷道内的风速、温度、压力、密度、CO、CO₂和O₂浓度，从每段巷道入口开始，每隔1m设置一组组合式探测设备在上、中、下三个空中固定杆14上；所述火灾探测器13安装在每段分支中部顶端的透明玻璃顶板7上；所述高清监控摄像机26和在线式红外监控热像仪27合为一组，在分支A-B-E-F、B-C2-3、C-D、D-E、C-E巷道前侧外部各放一组，正对着透明玻璃前板33；

所述计算机17通过耐火电缆31分别与风速仪Ⅰ4、风速仪Ⅱ25、风速仪Ⅲ12、在线式天平23、耐高温防爆热电偶8、密度传感器10、压力传感器9、气体检测仪11、火灾探测器13、竖直支撑杆15、可升降支架18、加热器20、高清监控摄像机26和在线式红外监控热像仪27电连接，放置在巷道外部。作为进一步改进，将可升降矩形巷道回风巷的出口通入火灾烟气净化装置16进行处理。

上述实验平台的组装过程如下：将滤网24封在加热器20瓶口，阻止燃料被气流吹出加热器20，将隔热板22放置在加热器20底部，阻断热量的传递，减少对在线式天平23的影响，并使其随同加热器20一起放在在线式天平23上；根据实验要求确定火源位置，即立方体槽21的位置；打开立方体槽21两侧的门，将在线式天平23放在巷道内立方体槽21中，并以能使加热器20的进风管从巷道进风孔、加热器20的进料管从巷道进料孔导出的方式放置加热器20；打开进料管的盖子，向加热器20中输送燃料；将风速仪Ⅱ25固定在柔性风筒Ⅱ28末端，将风机Ⅱ29通过柔性风筒Ⅱ28与加热器20上的进风管密封连接；

通过计算机17调节可升降支架18的高度，进而改变巷道倾角的大小；将风机Ⅰ2与左钢板5的洞口通过柔性风筒Ⅰ3密封连接，且在洞口固定一个风速仪Ⅰ4；在实验需要巷道内的空中固定杆14上从每段巷道入口开始每隔1m安装一组风速仪12、耐高温防爆热电偶8、密度传感器10、压力传感器9和气体检测仪11，并在各段巷道分支中部顶端的耐高温透明玻璃板Ⅰ7上分别安装一台火灾探测器13，以此来测定火灾发生后该处的风速、温度、烟流密度、压力、CO浓度、O₂浓度和烟气情况；将上述探测设备的接线耐火电缆31尽量沿空中固定杆14和竖直支撑杆15铺设，待安装完成后把所有耐火电缆31汇集在一起从可升降矩形巷道底部角落出线孔导出，并分别连接到计算机17上；将在线式红外监控热像仪27和高清监控摄像机26合为一组分别放在巷外三脚支架上，并在分支A-B-E-F、B-C、C-D、D-E、C-E巷道前侧外部各放一组，正对着耐高温透明玻璃板Ⅱ33；将可升降矩形巷道回风巷的出口通入火灾烟气净化装置16进行处理。

利用上述矿井火灾模拟实验平台进行矿井火灾模拟实验测定，包括如下步骤：

S1：矿井火灾燃料准备：称取固体或液体燃料的质量，若固体燃料则破碎至体积约0.027m³大小，真空干燥至恒重；若液体燃料则只称重；

S2：实验前期准备：首先确定实验需要的通风网络以及可升降矩形巷道31的宽高比，若研究直巷道火灾，则选择A-B-E-F巷道，放下B^C、E^C、E^D的防火卷帘门6使之形成密闭；若研究并联通风网络火灾，则选A-B-C-D-E-F和A-B-E-F并联，此时密闭C^E和E^C处的防火卷帘门6；若研究角联的通风网络，则无需密闭，只要控制防火卷帘门6的开合调节风阻即可；对于不需要的巷道和联络巷，通过计算机17关闭其所在分支的防火卷帘门6，阻止风流通过，对于需要设置通风阻力的巷道，将防火卷帘门6放下相应高度，以分支处局部阻力替代该支路摩擦阻力；通过计算机17调节可升降矩形巷道顶板的高度改变巷道宽高比，再根据顶板高度设置竖直支撑杆15的高度；

S3：控风后实验数据采集：调节风机控制器Ⅰ1的频率至f1，通过观测风速仪Ⅰ4的示数来达到实验要求的巷道进风口风速；先打开风速仪Ⅲ12、在线式天平23、耐高温防爆热电偶8、密度传感器10、压力传感器9、气体检测仪11、火灾探测器13、高清监控摄像机26和在线式红外监控热像仪27的电源，让其提前工作，然后通过调节风机控制器Ⅱ30的频率至f2来模拟巷道实际风流并控制火源释热速率，最后打开加热器20，调节其功率至P1加热燃料使其燃烧，记下该时刻的时间t1，作为实验进行的起点。若燃料在T时刻趋于完尽，则通过计算机17打开进料管管口盖子，向加热器20中补充燃料，待输送完后便通过计算机17把进料管管口盖子合上，避免火灾烟气、热量逸散；其中，火源释热速率根据在线式天平23示数由质量损失法计算得出：

式中：Q——火源的释热速率，kw；

——燃料的质量损失速率，kg/s；

——燃料的平均热值，kJ/kg。

当某处的燃烧进行到O₂浓度低于12％、CO浓度高于0.32％或者火灾探测器达到预设值时，计算机17接收到信息，警报启动，与此同时，防火卷帘门6根据计算机17预设的控风方案，通过风机Ⅰ2反转反风和分支C、D、E处防火卷帘门6的开合，阻止烟气扩散到其他支路造成更大的危害。选择A-B-C-D-E-F和A-B-E-F并联的通风网络，当警报启动时，具体控风方案如下：

(1)若支路A-B着火，则利用风机Ⅰ2反转反风；

(2)若支路D-E、B-E-F着火，则加大风机Ⅰ2的风速，促进火灾烟气的排出；

(3)若支路B-C着火，则打开联络巷C^E处、E^C处防火卷帘门，开通联络巷形成角联通风网络，其中角联分支C-E风流方向判别方法如下：

为保证风向由C→E，须使K＞1，且阻止烟气流入巷道C-D-E，即密闭C^D处防火卷帘门使R_C-D无穷大，并加大风速；

(4)若支路C-D着火，则打开联络巷C^E、E^C处防火卷帘门，D^C处防火卷帘门密闭，增大C^B防火卷帘门闭合程度。进一步地，使用联络巷C-E控风时，C-E末端连接一段引流管35，直接导入回风巷E-F，不和D-E分支连通。

待除着火分支外其余巷道内的空气参数均在安全值内，记下该时刻t2，本次实验结束。依次关闭风机Ⅱ29、风机Ⅰ2、加热器20的电源，停止送风，熄灭火源；矿井火灾实验巷道内风速、燃料的质量变化、温度、密度、压力、O₂和CO浓度、烟气蔓延情况的数据均通过风速仪12、在线式天平23、耐高温防爆热电偶8、密度传感器10、压力传感器9、气体检测仪11、火灾探测器13、高清监控摄像机26和在线式红外监控热像仪27经耐火电缆31传输导入计算机17中，便于集中分析处理自实验开始进行至结束期间的数据信息。

S4：残余气体释放与处理：待火源完全熄灭并冷却后，打开风机Ⅰ2的电源，调节风机控制器Ⅰ1的频率使总进风风速达0.2m/s，持续通风，直至巷道内所有探测设备所监测到的环境参数均达到正常值，与巷外空气参数一致，即关闭风机Ⅰ2电源及其他电源，取出残余燃料，清扫擦洗实验装置及设备，整理实验仪器。

S5：未控风实验数据采集：除控风措施外其余参数都与控风实验保持一致，与实施控风措施后形成对比实验，观察不控风状态下矿井内火灾烟气的蔓延情况。调节风机控制器Ⅰ1的频率至f1；打开风速仪Ⅲ12、在线式天平23、耐高温防爆热电偶8、密度传感器10、压力传感器9、气体检测仪11、火灾探测器13、高清监控摄像机26和在线式红外监控热像仪27的电源，让其提前工作，然后通过调节风机控制器Ⅱ30的频率至f2来模拟巷道实际风流并控制火源释热速率，最后打开加热器20，调节其功率至P1加热燃料使其燃烧，记下该时刻的时间t3，作为实验进行的起点。与控风后的燃料增减也保持一致。在T时刻通过计算机17将燃料通过进料管注入加热器20，待输送完后通过计算机17把进料管管口盖子合上，避免火灾烟气、热量逸散；待火灾燃烧进行到时刻t3+t2-t1时，本次实验结束。依次关闭风机Ⅱ29、风机Ⅰ2、加热器20的电源，停止送风，熄灭火源；矿井火灾实验巷道内风速、燃料的质量变化、温度、密度、压力、O₂和CO浓度、烟气蔓延情况的数据均通过风速仪Ⅲ12、在线式天平23、耐高温防爆热电偶8、密度传感器10、压力传感器9、气体检测仪11、火灾探测器13、高清监控摄像机26和在线式红外监控热像仪27经耐火电缆31传输导入计算机17中，便于集中分析处理自实验开始进行至结束期间的数据信息。

S6：重复操作S4，进行残余气体的释放与处理。

Claims (10)

1.一种矿井火灾模拟实验平台，其特征在于，包括送风系统、模拟空间系统、火源模拟系统、数据收集与反馈系统；其中，

所述的模拟空间系统包括左钢板(5)、透明玻璃顶板(7)、底钢板(19)、后钢板(32)、透明玻璃前板(33)、可升降支架(18)、防火卷帘门(6)、空中固定杆(14)、竖直支撑杆(15)，所述底钢板(19)固定在所述可升降支架(18)上，所述透明玻璃前板(33)和后钢板(32)竖直固定在所述底钢板(19)的前后两侧，透明玻璃前板(33)和后钢板(32)的相对面上对应设置有纵向滑槽，所述透明玻璃顶板(7)水平固定在所述滑槽中，所述底钢板(19)、后钢板(32)、透明玻璃顶板(7)、透明玻璃前板(33)相互围合构成可升降矩形巷道，所述可升降矩形巷道整体以并联方式连接，支路B-E和支路B-C-D-E并联，一进一回，A-B为进风巷，E-F为回风巷，中间有一条联络巷C-E，所述左钢板(5)竖直固定在节点A处底钢板(19)的左侧，透明玻璃前板(33)和后钢板(32)以及左钢板(5)的高度一致，左钢板(5)的中下部设有洞口，所述底钢板(19)在支路A-B、B-C、B-E、C-D、D-E、E-F中间位置各设有一个圆孔(34)；所述防火卷帘门(6)设置在巷道各支路端部，距节点0.1-0.2m处的两侧各设置一个，垂直于风向而立；每段巷道中，所述竖直支撑杆(15)垂直设置在所述底钢板(19)上，所述空中固定杆(14)水平设置在所述竖直支撑杆(15)上；

所述的送风系统包括风机Ⅰ(2)、柔性风筒Ⅰ(3)以及风机控制器Ⅰ(1)，所述风机控制器Ⅰ(1)与风机Ⅰ(2)电连接，所述风机Ⅰ(2)通过所述柔性风筒Ⅰ(3)与所述左钢板(5)的洞口位置密封连接；

所述的火源模拟系统包括立方体槽(21)、加热器(20)、隔热板(22)、滤网(24)、柔性风筒Ⅱ(28)、风机Ⅱ(29)、风机控制器Ⅱ(30)，所述立方体槽(21)包括一体连接的圆筒部和立方体部，所述圆筒部与所述底钢板(19)上的一圆孔(34)密封连接，所述立方体部的左右两侧为开合式结构，分别设有进风孔和进料孔，所述加热器(20)、隔热板(22)均位于所述立方体部中，隔热板(22)固定在加热器(20)底部，加热器(20)上设有一个进风管，一个进料管和一个出烟口，所述进风管从进风孔伸出后通过所述柔性风筒Ⅱ(28)与所述风机Ⅱ(29)密封连接，所述进料管从进料孔伸出，所述出烟口位于圆筒部中，所述滤网(24)设置在加热器(20)瓶口，所述风机控制器Ⅱ(30)与风机Ⅱ(29)电连接；

所述的数据收集与反馈系统包括风速仪Ⅰ(4)、风速仪Ⅱ(25)、在线式天平(23)、火灾探测器(13)、组合式探测设备、高清监控摄像机(26)、在线式红外监控热像仪(27)、计算机(17)；所述组合式探测设备包括风速仪Ⅲ(12)、耐高温防爆热电偶(8)、压力传感器(9)、密度传感器(10)、气体检测仪(11)，所述风速仪Ⅰ(4)设置在柔性风筒Ⅰ(3)末端，所述风速仪Ⅱ(25)设置在柔性风筒Ⅱ(28)末端，所述在线式天平(23)固定在隔热板(22)下端；所述组合式探测设备固定在空中固定杆(14)上；所述火灾探测器(13)设置在每段巷道分支的透明玻璃顶板(7)的中部；所述高清监控摄像机(26)和在线式红外监控热像仪(27)合为一组，在分支A-B-E-F、B-C、C-D、D-E、C-E巷道前侧外部、正对透明玻璃前板(33)各放一组；所述计算机(17)通过耐火电缆(31)分别与风速仪Ⅰ(4)、风速仪Ⅱ(25)、风速仪Ⅲ(12)、在线式天平(23)、耐高温防爆热电偶(8)、压力传感器(9)、密度传感器(10)、气体检测仪(11)、火灾探测器(13)、透明玻璃顶板(7)、竖直支撑杆(15)、可升降支架(18)、加热器(20)、高清监控摄像机(26)和在线式红外监控热像仪(27)电连接。

2.根据权利要求1所述的一种矿井火灾模拟实验平台，其特征在于，所述可升降矩形巷道(18)回风巷的出口连接火灾烟气净化装置(16)。

3.根据权利要求1所述的一种矿井火灾模拟实验平台，其特征在于，所述竖直支撑杆(15)沿巷道宽度方向均匀间隔设置三排，每一排中相邻两个竖直支撑杆(15)之间间隔1.5-2m，其中中间一排竖直固定杆(15)的高度比所述透明玻璃顶板(7)的高度矮5-10cm，其余两排竖直固定杆(15)的高度为所述透明玻璃顶板(7)高度的1/2。

4.根据权利要求3所述的一种矿井火灾模拟实验平台，其特征在于，在中间一排竖直固定杆(15)的1/4处、1/2处与顶端各固定一排所述空中固定杆(14)，在其余两排竖直固定杆(15)的顶端各固定一排所述空中固定杆(14)。

5.根据权利要求1所述的一种矿井火灾模拟实验平台，其特征在于，从每段巷道入口开始，每隔1m设置一组所述组合式探测设备。

6.根据权利要求1所述的一种矿井火灾模拟实验平台，其特征在于，所述底钢板(19)上的(34)孔径与所述立方体槽(21)的圆筒部外径相适配。

7.一种基于权利要求1至6任一项所述的矿井火灾模拟实验平台的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：矿井火灾燃料准备：称取固体或液体燃料的质量，若固体燃料则破碎后真空干燥至恒重，若液体燃料则只称重；

S2：实验前期准备：根据实验需要的通风网络选择相应的防火卷帘门(6)的开闭和下降高度，通过计算机(17)调节透明玻璃顶板(7)的高度改变巷道宽高比，再根据透明玻璃顶板(7)的高度设置竖直支撑杆(15)的高度；

S3：控风后实验数据采集：调节风机控制器Ⅰ(1)的频率至f1，通过风速仪Ⅰ(4)观测巷道进风口风速，然后调节风机控制器Ⅱ(30)的频率至f2，模拟矩形巷道实际风流并控制火源释热速率，最后打开加热器(20)，加热燃料使其燃烧，记下该时刻的时间t1，作为实验进行的起点，若燃料在T时刻趋于完尽，则通过计算机(17)打开进料管管口盖子向加热器(20)中补充燃料，待输送完后盖合进料管管口；

当巷道某处的燃烧进行到O₂浓度低于设定值、CO浓度高于设定值或者火灾探测器(13)达到预设值时，计算机(17)接收到信息，警报启动，通过风机Ⅰ(2)反转反风和分支C、D、E处防火卷帘门(6)的开合，阻止烟气扩散到其他支路造成更大的危害；待除着火分支外其余巷道内的空气参数均在安全值内，记下该时刻t2，本次实验结束，关闭电源，停止送风，熄灭火源；矿井火灾实验巷道内风速、燃料的质量变化、温度、密度、压力、O₂和CO浓度、烟气蔓延情况的数据均通过风速仪(12)、在线式天平(23)、耐高温防爆热电偶(8)、密度传感器(10)、压力传感器(9)、气体检测仪(11)、火灾探测器(13)、高清监控摄像机(26)和在线式红外监控热像仪(27)经耐火电缆(31)传输导入计算机(17)中进行数据处理；

S4：残余气体释放与处理：待火源完全熄灭并冷却后，取出残余燃料，打开风机Ⅰ(2)的电源，调节风机控制器Ⅰ(1)的频率使总进风风速达0.2m/s，持续通风，直至巷道内所有探测设备所监测到的环境参数均达到正常值，与巷外空气参数一致，关闭电源，清扫擦洗实验装置及设备，整理实验仪器。

8.根据权利要求7所述的实验方法，其特征在于，若模拟直巷火灾，则选择A-B-E-F巷道，放下B^C、E^C、E^D的防火卷帘门(6)使之形成密闭；若模拟并联通风网络火灾，则选A-B-C-D-E-F和A-B-E-F并联，此时密闭C^E和E^C处的防火卷帘门(6)；若研究角联的通风网络，则无需密闭，只要控制防火卷帘门(6)的开合调节风阻即可；对于不需要的巷道和联络巷，通过计算机(17)关闭其所在分支的防火卷帘门(6)，阻止风流通过，对于需要设置通风阻力的巷道，将防火卷帘门(6)放下相应高度，以分支处局部阻力替代该支路摩擦阻力。

9.根据权利要求8所述的实验方法，其特征在于，选择A-B-C-D-E-F和A-B-E-F并联的通风网络，当警报启动时，具体控风方案如下：

(1)若支路A-B着火，则利用风机Ⅰ(2)反转反风；

(2)若支路D-E、B-E-F着火，则加大风机Ⅰ(2)的风速，促进火灾烟气的排出；

(3)若支路B-C着火，则打开联络巷C^E处、E^C处防火卷帘门(6)，开通联络巷形成角联通风网络，密闭C^D处防火卷帘门(6)使R_C-D无穷大，并加大风速；

(4)若支路C-D着火，则打开联络巷C^E、E^C处防火卷帘门(6)，D^C处防火卷帘门(6)密闭，增大C^B防火卷帘门(6)闭合程度。

10.根据权利要求9所述的实验方法，其特征在于，使用联络巷C-E控风时，C-E末端连接一段引流管(35)，直接导入回风巷E-F，不和D-E分支连通。

Images