CN112284673A - 一种倾斜巷道火灾相似模拟试验装置及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种倾斜巷道火灾相似模拟试验装置，包括巷道模型、第一支架、第二支架、移动火源、监测系统。本发明使用的相似材料、支护方式和设计的模型巷道更符合现场实际巷道，规模相对较大，巷道的气密性能得到保证，并且可模拟多种类型的巷道火灾，本发明根据现场能实现不同巷道火灾情况的模拟，通过调节2个支架上支撑方槽的安装位置和支撑杆的插入位置，可实现不同巷道倾斜角度的变化；移动火盆可实现火源的不同位置设置。
Description
技术领域
本发明涉及隧道工程、地下工程、采矿工程的安全生产技术领域，具体来说是一种倾斜巷道火灾相似模拟试验装置及试验方法。
背景技术
巷道火灾是指纵向尺寸比横向尺寸大一个数量级以上的狭长空间发生的火灾。它的外延除了包括矿井明火灾外，还包括隧道、地铁、地下电站、地下商场等地下建筑火灾。巷道火灾不仅会造成人员伤亡、物资器材损失，而且会产生大量的高温烟流和有害气体，危及工作人员的生命安全；矿井巷道火灾还可能诱发瓦斯、煤尘爆炸等恶性事故，特别是在火灾高温烟气的热力作用下，矿井通风系统也会发生紊乱，导致事故及其危害进一步扩大，给救灾工作增大难度。
巷道火灾从研究方法上，有理论研究、试验研究和计算机模拟研究，三者互相补充和验证；在实验规模上，有小尺寸实验研究和全尺寸实验研究。国内外对水平巷道火灾时期通风系统灾变规律的研究已取得阶段性成果，但是对于能够综合考虑不同巷道坡度、不同火源位置和火源强度、不同入口风速条件等因素的倾斜巷道火灾相似模拟试验装置和试验方法的研究并不是很多。
中国专利申请CN111261011A公开了一种矿井火灾模拟实验平台及实验方法，但其所述模拟实验平台仅适用于矿井巷道火灾，不能适用于其他类型的巷道火灾；其建立的巷道模型仅用普通钢板和透明玻璃板制作而成，未说明巷道模型制作的确定依据，不能更真实地反映实际巷道及其支护情况，巷道模型的气密性也难以得到保证；其所述火源模拟装置可放在巷道不同位置，但并未说明能够实现不同火源位置的调节和控制方法；未说明实验中各测点的布置情况；其仅可检测实验过程中产生的O2和CO浓度，对其他有毒有害气体未说明检测手段和方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于目前倾斜巷道模拟火灾实验不能真实反映巷道实际支护情况，不能综合考虑不同巷道倾角、不同火源位置和火源强度条件等因素，不能同时检测多种有毒有害气体的浓度的问题。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：
一种倾斜巷道火灾相似模拟试验装置，包括巷道模型(1)、第一支架(21)、第二支架(22)、移动火源、监测系统；
在所述巷道模型(1)内壁模拟有实际巷道的支护和顶板、底板以及两帮；所述第一支架(21)和第二支架(22)上均自下而上的设置有不同高度的横梁(212)和卡槽(214)；第一支架(21)和第二支架(22)根据预设倾斜角选择对应的卡槽(214)穿入支撑杆(213)，两支撑杆(213)高度不同，巷道担设在第一支架(21)和第二支架(22)的支撑杆(213)上，形成倾斜角；在所述巷道模型的进风端安装有风机(13)；
所述移动火盆放置在巷道模型的设定位置；
所述监测系统包括测温热电偶(52)、皮托管(53)、有毒有害气体探测器、监测设备；所述巷道模型设置有多个监测断面，每个监测断面均开设有监测孔，所述测温热电偶(52)、皮托管(53)、有毒有害气体探测器分别从监测孔伸入巷道模型中；所述测温热电偶(52)、皮托管(53)、有毒有害气体探测器分别与监测设备通信连接。
本发明使用的相似材料、支护方式和设计的模型巷道更符合现场实际巷道，规模相对较大，巷道的气密性能得到保证，并且可模拟多种类型的巷道火灾，本发明根据现场能实现不同巷道火灾情况的模拟，通过调节2个支架上卡槽的安装位置和支撑杆的插入位置，可实现不同巷道倾斜角度的变化；移动火盆可实现火源的不同位置设置。提供一种基于流体相似理论，能够真实反映巷道实际支护情况，能综合考虑不同巷道倾角、不同火源位置和火源强度，能同时检测火灾过程中产生的多种有毒有害气体浓度，并可适用于多种场所的倾斜巷道火灾相似模拟试验装置和试验方法，从而摸清实际巷道火灾中火区及其对通风网络的影响，为巷道火灾救援工作提供技术指导。
进一步的，所述巷道模型包括多个子巷道(11)，多个子巷道(11)首尾依次连接；所述子巷道(11)包括钢骨架和铁皮(18)，所述铁皮(18)铺设在钢骨架外侧，形成子巷道(11)的外部轮廓。
进一步的，所述子巷道(11)的两端侧边均安装有连接耳(14)，连接耳(14)上开有螺孔；两个所述子巷道(11)端部对接后，同侧的螺孔同轴，通过螺栓依次穿过两个螺孔，将两个子巷道(11)固定连接。
进一步的，其中一个子巷道(11)的侧面开通孔，另一个子巷道(11)通过通孔与开有通孔的子巷道(11)垂直连通，以形成联络巷(12)。
进一步的，所述子巷道(11)的顶板和两帮内壁挂铁丝网(19)，然后在顶板和底板浇筑混凝土，在两帮以水泥打底，再沾设定厚度的煤粒，以模拟煤矿井下情况。
进一步的，所述第一支架(21)和第二支架(22)结构相同；所述第一支架(21)包括底盘(210)、支撑框架；所述支撑框架包括4根立柱(211)竖向固定在底盘(210)上，围成矩形框架，在所述矩形框架结构的两相对边自下而上分别焊接有多道横梁(212)，相对应的两道横梁(212)等高；在所述横梁(212)的中间位置固定有卡槽(214)，用以限位所述支撑杆(213)。
进一步的，所述移动火盆包括盆体(31)和手柄(32)；所述盆体(31)前端为弧面，与盆体(31)底部弧面过渡，所述手柄(32)与盆体(31)转动固定，所述手柄(32)转动方向为上下方向。
进一步的，所述手柄(32)包括多根杆件，多根杆件首尾可拆卸同轴连接。
进一步的，所述风机(13)通过变径管道(132)与巷道模型端部连接；在风机(13)与变径管道(132)或变径管道(132)与巷道模型端部之间加设模拟电动风量阀(131)。
本发明还提供一种基于上述试验装置的试验方法，包括以下步骤：
S01.根据实际巷道的工况环境，对巷道模型的顶板、底板、两帮进行实际工况模拟；
S02.布置测点，根据设计要求布置多个测定断面，在每个断面布置温度、压力、风速风量以及有毒有害气体浓度监测的探测器；
S03.根据实际工况，通过调节支撑杆(213)放置在第一支架(21)和第二支架(22)横梁(212)的位置，调节巷道模型的倾斜角；
S04.连接风机(13)、变径管道(132)及模拟量电动风量阀(131)；
S05.连接监测设备；
S06.检查巷道模型的气密性；
S07.准备燃烧材料，将火灾燃烧材料放置在可移动式电火盆内，然后点燃送至预定位置；
S08.获取烟流压力、风速、风量数据，并进行处理和分析；
S09.有毒有害气体浓度数据的处理和分析；
S10.整理试验设备。
本发明的优点在于：
(1)本发明使用的相似材料、支护方式和设计的模型巷道更符合现场实际巷道，规模相对较大，巷道的气密性能得到保证，并且可模拟多种类型的巷道火灾，本发明根据现场能实现不同巷道火灾情况的模拟，通过调节2个支架上支撑方槽的安装位置和支撑杆的插入位置，可实现不同巷道倾斜角度的变化；移动火盆可实现火源的不同位置设置。提供一种基于流体相似理论，能够真实反映巷道实际支护情况，能综合考虑不同巷道倾角、不同火源位置和火源强度，能同时检测火灾过程中产生的多种有毒有害气体浓度，并可适用于多种场所的倾斜巷道火灾相似模拟试验装置和试验方法，从而摸清实际巷道火灾中火区及其对通风网络的影响，为巷道火灾救援工作提供技术指导。所述试验装置和试验方法具有模型巷道尺寸较大、能够真实巷道模型实际支护情况、巷道倾角可调、火源位置和火源强度可调、巷道风速可控、火灾时期通风状态参数和有毒有害气体浓度可准确测定、试验方便快捷、成本较低、可重复操作、安全性较好等优点。
(2)本发明将巷道模型设计成多个子巷道首位相连，可以根据需要选择巷道模型的长度，且根据需要，可组装带有联络巷的结构，拓展了试验场景。
(3)通过连接不同数量的手柄来控制可移动点火盆深入模型巷道的深度，可实现不同火源位置的变化；通过控制放入点火盆中可燃物的数量可实现不同火源强度的变化；通过连接和安装风机、模拟电动风量阀、变径管道和压差控制柜可改变风机风量，从而实现不同巷道入口风速的变化。
(4)本发明可对火灾时期产生的多种有毒有害气体的浓度进行同时监测。
(5)本发明使用的有关仪器设备和实验材料相对简单、价格低廉，实验成本较低，试验操作方便快捷、可重复性强，实验安全性也可以得到保证。
(6)该倾斜巷道火灾相似模拟试验装置将为巷道火灾时期烟流运移规律的研究提供新的思路和方法。
附图说明
图1为本发明实施例中巷道模型的整体结构示意图；
图2为本发明实施例中巷道模型的断面结构示意图；
图3为本发明实施例中第一支架的主视图；
图4为图3的左视图；
图5为本发明试试中第一支架中底盘的整体结构示意图；
图6为本发明实施例中移动火盆的结构示意图；
图7为图6中手柄转动示意图；
图8为本发明实施例中风机的安装结构示意图；
图9为本发明实施例中巷道模型中测点的布设示意图；
图10为本发明实施例中各个探测器的布设示意图；
图11为本发明实施例中巷道模型在实验时的监测系统示意图；
图12为本发明实施例中试验方法流程图。
1、巷道模型；11、子巷道；12、联络巷；13、风机；131、模拟量电动风量阀；132、变径管道；133、开关控制柜；14、连接耳；15、两帮骨架；16、底板骨架；17、顶板骨架；18、铁皮；19、铁丝网；110；混凝土垫层；120、煤壁；21、第一支架；22、第二支架；210、底盘；211、立柱；212、横梁；213、支撑杆；214、卡槽；31、盆体；32、手柄；33、火源；41、计算机；42、彩屏无纸记录仪；43、KM940综合烟气分析仪；44、GT-2000型多功能复合气体分析仪；45、JX1000-1F型智能风速风压风量仪；51、测点号；52、热电偶；53、皮托管；54、感烟探头。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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。
本实施例提供一种倾斜巷道火灾相似模拟试验装置，装置包括：巷道模型1、可调节巷道倾角的第一支架21、第二支架22、移动火盆、巷道温度监测系统、巷道烟流风速、压力和风量测量系统、有毒有害气体浓度监测系统等。
(1)巷道模型1
如图1所示，试验巷道模型1根据流体相似理论，在实际巷道尺寸的基础上，按照1:20比例构建。确定试验巷道模型1的长度为8.8m，联络巷12长度为1m；所有巷道的断面宽度为0.25m，断面高度为0.175m，断面积为0.045m2。
由于不同工况所需巷道模型长度不同，为了适应不同工况，本实施例将巷道模型分解成多个子巷道11，根据实验需求，选择适量的子巷道11依次首尾连接，满足实验长度需求即可。每个子巷道11结构相同，接下来以其中一个子巷道11为例进行结构介绍：
子巷道11包括钢骨架，钢骨架包括两侧帮骨架、底板骨架16、顶板骨架17；侧帮骨架、底板骨架16、顶板骨架17均采用角钢焊接而成的矩形框架结构，为了结构的稳定性，可在骨架的长度方向和宽度方向分别间隔一定距离焊接加强筋。将两侧帮骨架、底板骨架16、顶板骨架17拼装完成后，形成子巷道11的整体钢骨架。然后在钢骨架的外侧铺装贴片，从形成相对封闭的巷道结构。
本实施例中，角钢采用15mm×15mm，铁皮18厚度为1mm，该尺寸可满足实验需求。
如图2所示，本实施例提供的巷道模型，可根据实际工况，对其内部进行实际工况模拟，比如当需要模拟煤矿巷道时，为模拟煤矿井下巷道的实际支护情况，在巷道模型1顶板和两帮均焊接7.5mm×7.5mm的铁丝网19。在顶板和底板上敷设以水泥和沙子比例为1:3混合的混凝土垫层110；在两帮采用水泥打底，然后粘2mm～10mm煤粒的工艺，将两帮制成厚度为13mm的煤壁120。其他类型的巷道所用到的支护材料可根据实际需要研制相似材料来实现。
多个子巷道11首尾连接的方式可以通过将钢骨架焊接，但是拆装不方便。本实施例采用螺栓连接，便于拆卸，具体为：如图1所示，在子巷道11端部的两侧，在两侧帮骨架分别焊接安装耳，安装耳上开有螺孔，两个子巷道11端部对接后，通过螺栓穿过同侧的两个安装耳，螺母拧紧后即可实现固定。
另外，实际工况中，可能存在联络巷12的情况，为此，本实施例还可以将其中一个子巷道11的侧面开孔，当需要模拟具有联络巷12的工况是，将侧面开孔的子巷道11连接到整体巷道中，然后再用一个自巷道垂直与带有孔的子巷道11连接，从而形成联络巷12。
如图9所示，巷道模型组装组装完成后，可根据需要在巷道模型1的相应位置布置测定断面，通过电钻打孔作为测点(预留孔的直径大约为2mm)，每个测定断面上可布置三个测点，实现对温度、压力、风速风量以及有毒有害气体浓度等参数的监测。每个测定断面风速测点在断面中心，温度测点在风速测点上方10mm处，测温热电偶52、皮托管53、有毒有害气体探头等从巷道顶板的预留孔伸入巷道中。
(2)可调节巷道倾角的第一支架21、第二支架22
如图3、图4、图5所示，为使巷道模型1产生一定的倾角，可以用两个支架(一个高支架和一个矮支架)把巷道模型1支撑起来。
第一支架21和第二支架22除了高度不同，其他结构相同。以第一支架21为例，包括底盘210、支撑框架；底盘210为采用方钢焊接的矩形底盘210，为了增加稳定性，底盘210平面面积大于支撑框架的平面面积。为了使支撑框架具有安装点，本实施例在矩形底盘210内部焊接有多根连接筋，一来可以增加底盘210的重力，提高稳定性，二来可以为支撑框架提供安装基础。支撑框架包括4根立柱211，4根立柱211成矩形竖向布设，底端与底盘210焊接，顶端通过连接杆围合，形成一个截面为矩形的立方体架体。为了调节巷道的倾斜角度，本实施例在支撑框架的两相对边自下而上分别焊接有多道横梁212，相对应的两道横梁212等高；在横梁212的中间位置固定有卡槽214，用以限位支撑杆213。卡槽214可以为截取较短的一段方钢焊接在横梁212上，同层的两个卡槽214同轴，根据设计要求，将支撑杆213限位在第一支架21和第二支架22设定高度的两个卡槽214内，从而使两根支撑杆213高度不同，然后将巷道担设在两根支撑杆213上即可实现巷道倾斜角的设计需求。
靠近巷道入口处用第一支架21支撑，靠近巷道出口处用第二支架22支撑；可以根据巷道的倾斜角度从上到下在支架的对应位置设置几处支撑卡槽214，在位于同一水平的方槽中插入一根支撑杆213，可以根据事先计算好的位置和插入点在大第一支架21进行同样的操作，从而实现巷道模型1倾角大小的调节。
本实施例中，两个支架均是用40mm×40mm的方钢制作而成，每个支架都设置有稳定底盘210和可插入，卡槽214是利用40mm×40mm×40mm的方钢制作而成。支撑杆213采用钢管即可，满足支撑巷道所需强度即可。
(3)移动火盆
如图6、图7所示，为控制火源在巷道模型1中的不同位置，同时考虑操作方便和安全性，研制了可移动点火盆。该点火盆分为盆体31和手柄32，盆体31用1mm厚的铁皮18制作，盆体31上部长300mm，下部长280mm，宽200mm，高80mm。由于巷道内部模拟实际工况，底板一般采用石子铺装，或者高低不平，为了便于推送火盆，本实施例将盆体31的前端设计成弧面，与盆地弧面过渡，以减少前进的阻力。手柄32采用多节杆件首尾连接形成，以便于适应不同深度的火源位置。多跟杆件的连接方式可以采用螺纹连接。由于巷道倾斜设置，与地面是有一定的夹角的，为了保证盆体31底部与巷道底板紧密接触，不会出现由于手柄32过长而导致的盆体31翘起，本实施例将与盆体31直接连接的杆件采用转动连接，具体结构为：在盆体31的连接侧焊接有转轴孔，杆件的前端焊接有转轴，转轴与杆件垂直，通过转轴限位在转轴孔内，实现固定和杆件的上下转动，从而实现盆体31能够适应巷道的倾斜角度，保证实验结果的准确性；本实施例采用可转动的、可接长的手柄32，一是可以适应倾斜设置的巷道，二是节约空间，由于实验室面积有限，人员和设备可以活动的空间受限，使用可活动手柄32可以在手柄32长度连接过长时，节省实验操作的空间范围；三是在实验过程中，方便将托盘取出和送进巷道。杆件均是用截面为20mm×20mm的方钢制作而成，手柄32的长度和数量可根据实际需要确定，以便来控制火源的位置。
(4)巷道烟流温度监测系统
如图10、图11所示，可以根据实际需要在巷道模型1上布置若干个测点，以研究火源燃烧时在火区和火区下风侧巷道中形成的温度场、速度场和压力场。
在实验中用KH300G彩屏无纸记录仪42和铠装热电偶52连续测定各个测点的温度。巷道的每个温度测点上插入铠装热电偶52，热电偶52的另一端连接在彩屏无纸记录仪42上。实验过程中，接通无纸记录仪电源，开机，各路热电偶52的读数是否正常；若无读数或者读数不正常，需要调试或更换有关热电偶52。彩屏无纸记录仪42可收集热电偶52传递的电动势信号并将其转换成温度数据。它具有十几个输入通道，仪表具有全隔离万能输入功能；而输出具有变送、馈电、报警、打印、通讯等功能，并采用了模块化的结构；数据可以直接通过U盘导出。
通过铠装热电偶52和彩屏无纸记录仪42测定并收集实验过程温度数据，运用温度数据分析软件V2.6-2.8对温度数据进行相应的分析。
(5)巷道烟流压力、风速和风量测量系统
①风机13及其有关控风设备的连接和安装
试验所需风速由设在回风段风机13提供，风机13为T35-11-3.15型轴流式风机13(风量3810m3/h，风机13全压220pa，输出功率0.296kw，转速2900r/min，风机13直径315mm，噪声77dB(A))，配套电机为YSF711-2型变频电机，功率为0.3775kw。另外，由于风机13直径和巷道与风机13连接处的圆筒直径不同，所以它们之间需要加设一个变径管道132(变径管道可以靠近风机13端安设，也可以靠近巷道圆形风筒端安设)，以便风机13更好地供风；在风机13与变径管道132之间或者在变径管道132与巷道圆形风筒之间加设模拟量电动风量阀131以便调节巷道内的风量大小；风机13的电源开关按钮、模拟量电动风量阀131开关按钮均集成在开关控制柜133中，开关控制柜133安装在实验室的墙面上，通过电线与风机13连接；通过操作控制柜上的有关按钮可实现相关功能。通过以上各设备的连接和布置，可以有效控制巷道内风流速度，从而实现巷道入口风速可调。风机13及其有关控风设备的连接情况如图8所示。
②巷道烟流风速、压力和风量的测量
如图10、图11所示，巷道烟流风速、压力和风量可通过连接JX1000-1F型智能风速风压风量仪45与皮托管53测出。JX1000-1F型智能风速风压风量仪45是一种高稳定多功能的测量仪器，适用于3000Pa压力范围内的气体的正压、负压和差压的测量以及风速和风量的测量，工作压力范围：0～±3000Pa内各种量程，风速范围：<57m/s，风量范围：<999999m3/h。
与该智能风速风压风量仪想连接的皮托管53选用YCS-06-800型(S型)防堵式皮托管53和L型(YCL-08-300)标准皮托管53，测量时需要输入正确的皮托管53系数(L型系数默认值，1.0；S型系数默认值，0.83)空气密度和风口面积。
在每个测点插入皮托管53(可根据需要选择S型皮托管53或L型皮托管53)，S型皮托管53由二支同经管背向制成，迎风方为全压端，背风方为静压端；L型皮托管53用两根不同直经不锈钢管子同心套接而成，内管通直端尾接头是全压管，外管通侧接头是静压管。指向杆与测杆头部方向一致，使用时可确定方向，使测头对准来流方向。
皮托管53与JX1000-1F型智能风速风压风量仪45之间用硅胶管相连接，每个压力测点均需布置一台JX1000-1F型智能风速风压风量仪45；皮托管53伸入处为巷道中部距离顶板10cm处。用JX1000-1F型智能风速风压风量仪45和皮托管53可准确测定巷道中风流的正压值、负压值、动压值、风速值和风量值。
(6)有毒有害气体浓度监测系统
在巷道模型1每个有毒有害气体测点上插入KM940综合烟气分析仪43或GT-2000型多功能复合气体分析仪44，其感烟探头54伸入处为巷道中部距离顶板2.5cm处，对火区及其下风侧的CO、CO2、氮氧化物、硫化物等有毒有害气体的浓度进行测定。这两种仪器均是采用独立的测量模块，对传感器进行自动校准。使用时通过轻便的小型手操器和数据线即可遥控主机完成所有功能，主机屏幕可显示所测定的数据。
本实施例提供的实验装置的实验方法具体为：其试验方法流程如图12所示。
步骤1.安装倾斜巷道火灾相似模拟试验装置
根据流体相似理论，在实际巷道尺寸的基础上，按照1:20比例构建和安装倾斜巷道火灾相似模拟试验装置。该试验装置包括巷道模型1、可调节巷道倾角的支架、移动火盆、巷道温度监测系统、巷道烟流压力、风速和风量测量系统、有毒有害气体浓度监测系统等，其安装完的总体结构如图11所示。
步骤2.布置测点
根据需要在巷道模型1的相应位置布置测定断面，通过电钻打孔作为测点(预留孔的直径大约为2mm)，每个测定断面上布置三个测点，实现对温度、压力、风速风量以及有毒有害气体浓度等参数的监测。每个测定断面风速测点在断面中心，温度测点在风速测点上方10mm处，测温热电偶52、皮托管53、有毒有害气体探头等从巷道顶板的预留孔伸入巷道中。巷道模型1测点及试验设备布置情况如图9、图10所示。
步骤3.支撑和倾斜巷道模型1
巷道模型1的最左端为风流入口端，最右端为风流出口端。首先确定好巷道模型1的倾斜角度(如50、100、150、200等)，然后根据倾角计算和选择第一支架21上的支撑卡槽214位置，把支撑杆213插入支撑卡槽214中，最后通过人力或移动机械把巷道模型1放置在第一支架21的支撑杆213上，完成在靠近巷道入口处的第一支架21支撑。重复同样的操作，在靠近巷道出口处，完成第二支架22的支撑工作。用大小两个支架同时支撑住巷道模型1，能够更好保证巷道模型1的稳定性和牢固性，保证试验过程中的安全。
步骤4.风机13及其有关控风设备的连接和安装
试验所需风速由设在回风段风机13提供，风机13为T35-11-3.15型轴流式风机13(风量3810m3/h，风机13全压220pa，输出功率0.296kw，转速2900r/min，风机13直径315mm，噪声77dB(A))，配套电机为YSF711-2型变频电机，功率为0.3775kw。另外，由于风机13直径和巷道与风机13连接处的圆筒直径不同，所以它们之间需要加设一个变径管道132(变径管道可以靠近风机13端安设，也可以靠近巷道圆形风筒端安设)，以便风机13更好地供风；在风机13与变径管道132之间或者在变径管道132与巷道圆形风筒之间加设模拟量电动风量阀131以便调节巷道内的风量大小；风机13的电源开关按钮、模拟量电动风量阀131开关按钮均集成在压差控制柜中，控制柜安装在实验室的墙面上，通过电线与风机13连接；通过操作控制柜上的有关按钮可实现相关功能。通过以上各设备的连接和布置，可以有效控制巷道内风流速度，从而实现巷道入口风速可调。风机13及其有关控风设备的连接情况如图8所示。
步骤5.连接有关测试仪器和设备
①连接热电偶52和彩屏无纸记录仪42
在巷道模型1的每个温度测点上插入铠装热电偶52，热电偶52的另一端连接在彩屏无纸记录仪42上。接通无纸记录仪电源，开机，各路热电偶52的读数是否正常；若无读数或者读数不正常，需要调试或更换有关热电偶52。
②布置风速风压风量仪和连接皮托管53
巷道烟流风速和压力可通过连接JX1000-1F型智能风速风压风量仪45与皮托管53测出。在巷道模型1的每个压力测点上插入皮托管53，在火源附近的测点插入YCS-06-800(S型)防堵式皮托管53，在远离火源的测点插入普通YCL-08-300(L型)标准皮托管53，测量时需要输入正确的皮托管53系数(L型系数默认值，1.0；S型系数默认值，0.83)空气密度和风口面积。S型皮托管53由二支同经管背向制成，迎风方为全压端，背风方为静压端；L型皮托管53用两根不同直经不锈钢管子同心套接而成，内管通直端尾接头是全压管，外管通侧接头是静压管。指向杆与测杆头部方向一致，使用时可确定方向，使测头对准来流方向。
皮托管53与JX1000-1F型智能风速风压风量仪45之间用硅胶管相连接，每个压力测点均需布置一台JX1000-1F型智能风速风压风量仪45；皮托管53伸入处为巷道中部距离顶板10cm处。用JX1000-1F型智能风速风压风量仪45和皮托管53可准确测定巷道中风流的正压值、负压值、动压值、风速值和风量值。
③布置KM940综合烟气分析仪43和GT-2000型多功能复合气体分析仪44
在巷道模型1每个有毒有害气体测点上插入KM940综合烟气分析仪43或GT-2000型多功能复合气体分析仪44，其探头伸入处为巷道中部距离顶板2.5cm处，对火区及其下风侧的CO、CO2、氮氧化物、硫化物等有毒有害气体的浓度进行测定。
步骤6.检查试验模型的气密性
为保证巷道模型1不漏风或尽量减少漏风，在整个巷道模型1支撑完成和连接好所需要的各个仪器设备后，需要对巷道的气密性进行检查，在有可能漏风的地方用防火腻子涂抹均匀，测定时用石膏将预留孔与测温热电偶52和测动压皮托管53间的缝隙填塞。
步骤7.准备实验材料
选取需模拟现场的有关火灾燃烧材料(如固体酒精、油状物、煤块、木材、其他可燃物等)进行粉碎、干燥、称重、成分测试、热释放速率测定和计算等预处理工作，使可燃物达到预定的火源强度；根据预定的火源位置，连接不同数量的移动火盆的手柄32，达到既定手柄32长度，以便顺利地将点火盆放置到预定的火源位置。
步骤8.装填和点燃实验材料
将预处理后的火灾燃烧材料称取一定质量，根据燃烧材料的特点放置在移动火盆中；用1200W可调节加热棒插入到点火盆中的可燃物堆里，开启加热装置，接通风机13电源；当可燃物开始燃烧时撤掉加热棒，缓慢推送可移动点火盆的手柄32，将点火盆放置到预定的火源位置。
步骤9.记录、监测、处理和分析实验数据
①烟流温度数据的记录、处理和分析
利用铠装热电偶52连续监测巷道模型1内部烟流的温度，用彩屏无纸记录仪42实时监控和记录火灾时巷道烟流的温度，直至可燃物燃烧完毕；然后通过U盘把温度数据从彩屏无纸记录仪42导出到电脑上，再利用温度数据分析软件V2.6-2.8对温度数据进行相应处理和分析。
②烟流压力、风速和风量数据的记录、处理和分析
每隔5min人工记录巷道模型1各测点位置处JX1000-1F型智能风速风压风量仪45上的读数，即正压值、负压值、动压值、风速值和风量值，后期可将数据导入EXCEL软件中进行有关处理和分析。
③巷道烟流密度的计算
火灾时期巷道烟流的密度可按式(1)进行计算得出：
式(1)中，ρi—火灾时期巷道中测点i的密度，kg/m3；Ti—火灾时期巷道中测点i的温度，K；T0—常温20℃，即293.15K。
计算得出的ρi即为火灾时期巷道中测点i的烟流密度。
步骤10.有毒有害气体浓度数据的处理和分析
采用KM940综合烟气分析仪43和GT-2000型多功能复合气体分析仪44对火区及其下风侧的CO、CO2、氮氧化物、硫化物等有毒有害气体的浓度进行测定。KM940综合烟气分析仪43的数据需要人工每隔5min记录一次；GT-2000型多功能复合气体分析仪44监测到的有关数据可通过U盘直接导出到电脑上；可用EXCEL软件对获取到的所有有毒有害气体浓度数据进行处理和分析。
步骤11.整理实验仪器
可燃物燃烧殆尽，通过控制柜关闭风机13电源，整理好所有实验仪器和设备，以备下次实验时使用。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种倾斜巷道火灾相似模拟试验装置，其特征在于：包括巷道模型(1)、第一支架(21)、第二支架(22)、移动火源、监测系统；
在所述巷道模型(1)内壁模拟有实际巷道的支护和顶板、底板以及两帮；所述第一支架(21)和第二支架(22)上均自下而上的设置有不同高度的横梁(212)和卡槽(214)；第一支架(21)和第二支架(22)根据预设倾斜角选择对应的卡槽(214)穿入支撑杆(213)，两支撑杆(213)高度不同，巷道担设在第一支架(21)和第二支架(22)的支撑杆上，形成倾斜角；在所述巷道模型的进风端安装有风机(13)；
所述移动火盆放置在巷道模型的设定位置；
所述监测系统包括测温热电偶(52)、皮托管(53)、有毒有害气体探测器、监测设备；所述巷道模型设置有多个监测断面，每个监测断面均开设有检测孔，所述测温热电偶(52)、皮托管(53)、有毒有害气体探测器分别从监测孔伸入巷道模型中；所述测温热电偶(52)、皮托管(53)、有毒有害气体探测器分别于监测设备通信连接。
2.根据权利要求1所述的一种倾斜巷道火灾相似模拟试验装置，其特征在于：所述巷道模型包括多个子巷道(11)，多个子巷道(11)首尾依次连接；所述子巷道(11)包括钢骨架和铁皮(18)，所述铁皮(18)铺设在钢骨架外侧，形成子巷道(11)的外部轮廓结构。
3.根据权利要求2所述的一种倾斜巷道火灾相似模拟试验装置，其特征在于：所述子巷道(11)的两端侧边均安装有连接耳(14)，连接耳(14)上开有螺孔；两个所述子巷道(11)端部对接后，同侧的螺孔同轴，通过螺栓依次穿过两个螺孔，将两个子巷道(11)固定连接。
4.根据权利要求2所述的一种倾斜巷道火灾相似模拟试验装置，其特征在于：其中一个子巷道(11)的侧面开通孔，另一个子巷道(11)通过通孔与开有通孔的子巷道(11)垂直连通，以形成联络巷(12)。
5.根据权利要求2所述的一种倾斜巷道火灾相似模拟试验装置，其特征在于：所述子巷道(11)的顶板和两帮内壁挂铁丝网(19)，然后在顶板和底板浇筑混凝土，在两帮以水泥打底，再沾设定厚度的煤粒，以模拟煤矿井下情况。
6.根据权利要求1至5任一所述的一种倾斜巷道火灾相似模拟试验装置，其特征在于：所述第一支架(21)和第二支架(22)结构相同；所述第一支架(21)包括底盘(210)、支撑框架；所述支撑框架包括4根立柱(211)竖向固定在底盘(210)上，围成矩形框架，在所述矩形框架结构的两相对边自下而上分别焊接有多道横梁(212)，相对应的两道横梁(212)等高；在所述横梁(212)的中间位置固定有卡槽(214)，用以限位所述支撑杆(213)。
7.根据权利要求1至5任一所述的一种倾斜巷道火灾相似模拟试验装置，其特征在于：所述移动火盆包括盆体(31)和手柄(32)；所述盆体(31)前端为弧面，与盆体(31)底部弧面过渡，所述手柄(32)与盆体(31)转动固定，所述手柄(32)转动方向为上下方向。
8.根据权利要求7所述的一种倾斜巷道火灾相似模拟试验装置，其特征在于：所述手柄(32)包括多根杆件，多根杆件首尾可拆卸同轴连接。
9.根据权利要求1至5任一所述的一种倾斜巷道火灾相似模拟试验装置，其特征在于：所述风机(13)通过变径管道(132)与巷道模型端部连接；在风机(13)与变径管道(132)或变径管道(132)与巷道模型端部之间加设模拟电动风量阀。
10.基于权利要求1至9任一所述的试验装置的试验方法，其特征在于：包括以下步骤：
S01.根据实际巷道的工况环境，对巷道模型的顶板、底板、两帮进行实际工况模拟；
S02.布置测点，根据设计要求布置多个测定断面，在每个断面布置温度、压力、风速风量以及有毒有害气体浓度监测的探测器；
S03.根据实际工况，通过调节第一支架(21)和第二支架(22)的支撑杆(213)的位置，调节巷道模型的倾斜角；
S04.连接风机(13)及模拟量电动风量阀(131)；
S05.连接监测设备；
S06.检查巷道模型的气密性；
S07.准备燃烧材料，将火灾燃烧材料放置在可移动式电火盆内，然后点燃送至预定位置；
S08.获取烟流压力、风速、风量数据，并进行处理和分析；
S09.有毒有害气体浓度数据的处理和分析；
S10.整理试验设备。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210129 |
|
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