一種礦井火災煙流紊亂實驗裝置的制作方法

本發明屬于礦井火災防治技術領域，具體涉及一種礦井火災煙流紊亂實驗裝置。

背景技術：

井下火災是煤礦開采生產工作的重大安全隱患之一。由于井下巷道縱橫相連，很難及時發現火災發生，井下空氣供給有限，可燃物難以完全燃燒，有毒有害煙霧大量發生，隨風流擴散，毒化礦井空氣，威脅工人的生命安全，尤其在瓦斯和煤塵爆炸危險礦井，還可能引起爆炸，釀成重大惡性事故。

根據發火點對礦井通風的影響可將井下火災分為上行風流火災和下行風流火災。其中，發生在上行風流中的火災，稱為上行風流火災，當上行風流中發生火災時，因熱力作用而產生的火風壓，對礦井通風的影響主要特征是，主干風路的風流方向一般將是穩定的，即具有與原風流相同的方向，煙流將隨之排出，而所有其它與主干風路并聯或者在主干風路火源后部匯入的旁側支路風流，其方向將是不穩定的，甚至可能發生逆轉，形成風流紊亂事故。發生在下行風流中的火災，稱為下行風流火災，在下行風流中發生火災時，火風壓的作用方向與礦井主扇風壓的作用方向相反。隨著火勢發展，主干風路中的風流很難保持其正常的原有流向。當火風壓增大到一定程度，主干風路的風流將會發生逆退，從而釀成又一種形式的風流紊亂事故。

目前針對井下火災防治工程的實驗研究，主要是對礦井采空區、密閉區、巷道中一氧化碳、氧氣、二氧化碳等氣體濃度分析研究。由于火風壓的產生，打破了網絡回路原有壓力平衡，使網絡流動狀態發生變化，而針對井下火災發生時期產生的高溫煙流在通風網絡內流動，沿途產生局部火風壓，以及火風壓與煙流流動范圍及煙流溫度的變化關系進行的實驗研究卻很少。

技術實現要素：

針對現有技術存在的問題，本發明提供一種操作簡捷、檢測速度快、測量精度高、直觀反映檢測地點的溫度、風速、風流狀態、煙流流動范圍變化且能同步存儲檢測數據功能的礦井火災煙流紊亂實驗裝置。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種礦井火災煙流紊亂實驗裝置，包括巷道模型及模塊化控制箱，所述巷道模型包括主干風路管道以及與所述主干風路管道并聯的旁側支路管道，所述旁側支路管道的頂部和底部通過耐高溫四通與所述主干風路管道連通，所述主干風路管道的底部連接于第一總風路管道，所述第一總風路管道的末端設有雙向變頻電機，用于向所述第一總風路管道內提供風流，所述第一總風路管道上設有第一煙霧發生器及第一雙向風速傳感器，所述主干風路管道的頂部連接于第二總風路管道，所述第二總風路管道上設有第二煙霧發生器，所述主干風路管道內設有電熱絲，所述電熱絲連接于升溫控制器，所述電熱絲的附近設有第一溫度傳感器，所述主干風路管道上還設有第一調阻閥和第二雙向風速傳感器，所述旁側支路管道上設有第二調阻閥和第三雙向風速傳感器，所述旁側支路管道的頂部和底部分別設有第二溫度傳感器和第三溫度傳感器，所述第一溫度傳感器、所述第二溫度傳感器、所述第三溫度傳感器、所述第一雙向風速傳感器、所述第二雙向風速傳感器及所述第三雙向風速傳感器連接于所述模塊化控制箱，通過所述模塊化控制箱采集數據并處理，監測實驗過程及結果。

進一步，所述主干風路管道的兩側分別設有所述旁側支路管道，一條所述旁側風路管道上可選擇的不設置所述第三雙向風速傳感器。

進一步，根據礦井通風公式：q＝s×v以及并聯通風公式可以得出所述巷道模型內總風量、所述主干風路管道及所述旁側支路管道內風量變化情況，其中q為總風量，s為所述主干風路管道或所述旁側支路管道的截面積，v為風速，qi為所述主干風路管道或并聯的所述旁側支路管道內的風量。

進一步，所述旁側支路管道包括與所述主干風路管道平行的中間管，所述中間管的頂部和底部通過耐高溫彎頭連接有直管，所述直管的端部連接于所述耐高溫四通的接頭上。

進一步，所述第二溫度傳感器和所述第三溫度傳感器分別設置在所述中間管頂部和底部的直管上。

進一步，所述耐高溫彎頭的兩端通過耐高溫連接環連接于所述中間管和所述直管，所述耐高溫四通的四個端部通過所述耐高溫連接環分別連接于所述主干風路管道、所述旁側支路管道及所述第一總風路管道或所述第二總風路管道。

進一步，所述巷道模型固定于背部支架上，所述背部支架的底部設有底座，所述模塊化控制箱放置于所述底座上。

進一步，所述模塊化控制箱包括箱體及設置于所述箱體一側可相對所述箱體旋轉打開的顯示屏，所述箱體內裝有電腦主機，用于對采集的數據進行處理，所述箱體表面設有鍵盤及鼠標區，所述箱體的邊緣設有外接接口及散熱孔。

進一步，所述箱體的邊緣設有提手和防盜鎖，用于將所述顯示屏鎖在所述箱體上。

進一步，所述外接接口包括網線接口、usb接口、電源線接口、音頻和話筒接口，所述第一溫度傳感器、所述第二溫度傳感器、所述第三溫度傳感器、所述第一雙向風速傳感器、所述第二雙向風速傳感器及所述第三雙向風速傳感器通過數據傳輸線與所述電腦主機相連。

本發明的有益效果：

本發明采用耐高溫的巷道模型，可根據實際情況自由組裝出相應井巷模型，操控簡捷、高效，通過調節雙向變頻風機的正轉反轉狀態，模擬實際情況中的上行或下行通風情況，并控制雙向變頻風機產生不同風量，更加符合相似原理，利用升溫控制器，精確控制電熱絲升溫情況，模擬著火點，利用煙霧發生器，可直觀反映火災發生時巷道內風流、煙流狀態變化情況，并通過模塊化控制箱對多個監測點數據的采集、預處理、存儲、顯示，提高檢測速度、準確性和安全性。

附圖說明

圖1為本發明礦井火災煙流紊亂實驗裝置的結構示意圖；

圖2為本發明礦井火災煙流紊亂實驗裝置發生上行通風旁側支路管道內風流逆轉時煙流運動示意圖，箭頭表示風流方向；

圖3為本發明礦井火災煙流紊亂實驗裝置發生下行通風主干通風管道內風流逆退時煙流運動示意圖，箭頭表示風流方向；

圖4為本發明礦井火災煙流紊亂實驗裝置中模塊化控制箱的結構示意圖；

圖5為本發明礦井火災煙流紊亂實驗裝置的算例圖；

圖中，1—背部支架、2—耐高溫彎頭、3—耐高溫連接環、4—升溫控制器、51—第一調阻閥、52—第二調阻閥、61—第一雙向風速傳感器、62—第二雙向風速傳感器、63—第三雙向風速傳感器、71—第一溫度傳感器、72—第二溫度傳感器、73—第三溫度傳感器、8—雙向變頻風機、91—第一煙霧發生器、92—第二煙霧發生器、10—底座、11—模塊化控制箱、12—旁側支路管道、121—中間管、122—直管、13—電熱絲、14—耐高溫四通、15—主干風路管道、161—第一總風路管道、162—第二總風路管道、17—箱體、18—顯示屏、19—鍵盤、20—開關鍵、21—鼠標區、22—外接接口、23—散熱孔、24—提手、25—防盜鎖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

需要說明，本發明實施例中所有方向性指示(諸如上、下、左、右、前、后……)僅用于解釋在某一特定姿態(如附圖所示)下各部件之間的相對位置關系、運動情況等，如果該特定姿態發生改變時，則該方向性指示也相應地隨之改變。另外，在本發明中涉及“第一”、“第二”等的描述僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示其相對重要性或者隱含指明所指示的技術特征的數量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括至少一個該特征。

如圖1，本發明提供一種礦井火災煙流紊亂實驗裝置，包括巷道模型及模塊化控制箱11，巷道模型采用耐高溫石英玻璃管組裝而成，根據相似原理，按比例組裝成相應礦井巷道模型。

如圖1，巷道模型固定在背部支架1上，背部支架1的底部設有底座10，背部支架1和底座10為不銹鋼材質，可以固定巷道模型及模塊化控制箱11。巷道模型包括主干風路管道15以及與主干風路管道15并聯的旁側支路管道12，主干風路管道15豎直設置，旁側支路管道12包括與主干風路管道15平行的中間管121，中間管121的頂部和底部通過耐高溫彎頭2連接有直管122，直管122的端部通過耐高溫四通14連接于主干風路管道15上。在本實施例中，主干風路管道15的兩側分別設有一條旁側支路管道12，結構基本相同。

主干風路管道15的底部通過耐高溫四通14分別連接于兩條旁側支路管道12底部的直管122的端部以及第一總風路管道161，第一總風路管道161與主干風路管道15垂直設置，第一總風路管道161的末端設有雙向變頻電機8，用于向第一總風路管道161內提供風流，第一總風路管道161上設有第一煙霧發生器91及第一雙向風速傳感器61。主干風路管道15的頂部通過耐高溫四通14分別連接于兩條旁側支路管道12頂部的直管122的端部以及第二總風路管道162，第二總風路管道162上設有第二煙霧發生器92。在本實施例中，耐高溫彎頭2和耐高溫四通14均是石英材質制成，耐高溫彎頭2的兩端通過耐高溫連接環3連接于中間管121和直管122，耐高溫四通14的四個端部通過耐高溫連接環3分別連接于主干風路管道15、旁側支路管道12及第一總風路管道161或第二總風路管道162。

雙向變頻風機8包括變頻控制器和微型通風機。雙向變頻風機8置于第一總風路管道161外端總風口處，通過調節變頻控制器實現微型通風機正轉反轉狀態，當雙向變頻風機8以壓入式通風時，第一總風路管道161外端總風口為進風口，第二總風路管道162外端總風口為出風口，巷道模型為上行通風。當雙向變頻風機8以抽出式通風時，第一總風路管道161外端總風口為出風口，第二總風路管道162外端總風口為進風口，巷道模型為下行通風。通過變頻控制器輸出不同電壓控制微型通風機產生不同風量，根據相似原理，通過計算按比組建相應礦井巷道通風模型。

主干風路管道15內設有電熱絲13，電熱絲13連接于升溫控制器4，電熱絲13的附近設有第一溫度傳感器71，主干風路管道15上還設有第一調阻閥51和第二雙向風速傳感器62，旁側支路管道12上設有第二調阻閥52和第三雙向風速傳感器63，旁側支路管道12的頂部和底部分別設有第二溫度傳感器72和第三溫度傳感器73。第一、第二調阻閥51、52為耐高溫全通徑閥門球閥，根據實際情況需要設置在巷道端用以調節巷道內阻力變化。第一、第二、第三溫度傳感器71、72、73包括熱敏電阻器，pvc導線，鐵氟龍導線。溫度傳感器71、72、73是將高精度、高可靠的熱敏電阻器與pvc導線、鐵氟龍導線等導線連接，用絕緣、導熱、防水材料封裝成所需要的形狀，根據實際情況分別設置在著火點及巷道中相應監測點，便于安裝與遠距離監測溫度。在本實施例中，第一溫度傳感器71設置在巷道模型主干風路管道15電熱絲13附近，用于監測記錄火災發生時期火源點附近溫度變化情況；第二溫度傳感器72和第三溫度傳感器73分別設置在巷道模型兩條旁側支路管道12上下端的直管122內，用于監測記錄火災發生時期旁側支路管道12內溫度變化情況。

電熱絲13為鎳鉻合金電熱絲，具有發熱快，產熱量高，在高溫環境中的強度高，長期高溫運行不易變形，不易改變結構，且鎳鉻合金電熱絲的常溫塑性好，變形后的修復較為簡單，鎳鉻合金電熱絲的輻射率高、不帶磁性、耐腐蝕能力好、使用壽命長等優點。根據實際情況將電熱絲13設置在巷道中相應監測點模擬著火源，在本實施例中電熱絲13設置在耐高溫巷道模型的主干風路管道15內模擬著火源。

升溫控制器4具有控制和驅動二合一，可控硅，無觸點，高精度、寬范圍的特點，可控溫度范圍-90度至1000度，控制精度達0.1度，可程控/時控，十段定時可在168小時內控制不同溫度值，可程控十六段可編程斜率升降溫速度控制，阻性負載達3000w，可控硅帶智能風冷和過熱保護，在加熱模式下帶斷耦保護，斷耦會自動斷開輸出等。在本實施例中，升溫控制器4設置于背部固定支架1上靠近巷道著火點處與電熱絲13連接，輸入相應程序后，可實現對電熱絲13升溫情況的控制。

第一、第二、第三雙向風速傳感器61、62、63，外殼為耐高溫防腐蝕材質，傳感器基于畢托管風速測量原理，測量所需空氣量極少，即使在惡劣環境中，性能同樣穩定可靠，相比傳統膜式、熱式風速傳感器可獲得更好的低壓段重復性和更快速精確微小風量測量和精度，寬量程比，通過內部微控制器將檢測數據進行全量程精確標定，線性補償和溫度補償均為數字化實現，因此精度和分辨率高，無零點漂移，長期穩定性極好，使其性價比更高，使用更方便。此外，此系列風速傳感器采用低電壓供電，可耐瞬時的壓力較大等優點，根據實際情況將雙向風速傳感器分別設置在巷道中相應監測點，便于監測巷道內風速變化情況。在本實施例中共采用三個雙向風速傳感器61、62、63，第一雙向風速傳感器61設置在第一總風路管道161上靠近雙向變頻風機8位置處，用于監測、記錄耐高溫巷道模型內總風速變化情況；第二雙向風速傳感器62設置在主干風路管道15下端靠近耐高溫四通14上側附近，用于監測、記錄主干風路管道15內風速變化情況；第三雙向風速傳感器63設置在一條旁側支路管道12下端直管122上，用于監測、記錄一條旁側支路管道121內風速變化情況，而另一條旁側支路管道12內可選擇的不設置第三雙向風速傳感器63。根據礦井通風公式：q＝s×v以及并聯通風公式：可以得出耐高溫巷道模型內總風量、主干風路管道15及旁側支路管道12內風量變化情況，其中q為總風量；s為主干風路管道15或旁側支路管道12的截面積；v為風速；qi為主干風路管道15或并聯的旁側支路管道12內的風量。

第一、第二煙霧發生器91、92為柱狀硬質容器，內裝能夠發生煙霧的物質，如四氯化錫(sicl4)﹑四氯化鈦(tlcl4)或四氯化硅(sicl4)等。使用時，將空氣送入第一煙霧發生器91或第二煙霧發生器92內，空氣中的水分和其中的物質接觸，便能放出白色煙霧并隨風流動，形成測風所需要的煙霧，可直觀反應火災發生時巷道內風流、煙流狀態變化情況。在本實施例中，第一煙霧發生器91設置在第一總風路管道161上，當采用上行通風時期發生火災情況，啟動第一煙霧發生器91，通過產生的煙霧流動情況可直觀反映上行通風時期巷道內煙流運動情況。第二煙霧發生器92設置在第二總風路管道162上，當采用下行通風時期發生火災情況，啟動第二煙霧發生器92，通過產生的煙霧流動情況可直觀反映下行通風時期巷道內煙流運動情況。

圖2為上行通風時期發生火災引起旁側支路管道12內風流逆轉情況時煙流運動示意圖，其中，箭頭所指方向為上行通風時期巷道模型內風流方向。上行通風時，雙向變頻風機8采用壓入式通風，啟動已輸入升溫程序的升溫控制器4控制電熱絲13程序升溫，第一煙霧發生器91釋放煙霧，通過觀察煙霧流動情況，可以直觀的反映在火災發生后旁側支路管道12內煙霧運移方向逐漸發生逆轉。

圖3為下行通風時期發生火災引起主干風路管道15風流逆退情況時煙流運動示意圖，其中，箭頭所指方向為下行通風時期巷道模型內風流方向。下行通風時，雙向變頻風機8采用抽出式通風，啟動已輸入升溫程序的升溫控制器4控制電熱絲13程序升溫，第二煙霧發生器92釋放煙霧，可以直觀的反映在火災發生后主干風路管道15內煙霧運移方向逐漸發生逆退。

上述第一溫度傳感器71、第二溫度傳感器72、第三溫度傳感器73、第一雙向風速傳感器61、第二雙向風速傳感器62及第三雙向風速傳感器63連接于模塊化控制箱11，通過模塊化控制箱11采集數據并處理，監測實驗過程及結果。

如圖4，模塊化控制箱11包括箱體17及設置于箱體17一側可相對箱體17旋轉打開的顯示屏18，箱體17內裝有電腦主機，用于對采集的數據進行處理，箱體17表面設有鍵盤19及鼠標區21，鍵盤19設置于箱體17內面中部，鍵盤19的左上端邊緣處設有開關鍵20。箱體17的左右兩側邊緣設有外接接口22及散熱孔23，外接接口22包括網線接口、usb接口、電源線接口、音頻和話筒接口等，上述傳感器通過數據傳輸線與電腦主機相連。散熱孔23用于供箱體17內部的散熱風扇散熱，通過散熱孔23對箱體17內進行降溫調節。箱體17的邊緣處設有提手24和防盜鎖25，防盜鎖25用于將顯示屏18鎖在箱體17上，提手24則便于人工拎起模塊化控制箱11。在本實施例中，箱體17、顯示屏18外表面都設有防摔保護膜，隨時可以更換。使用時，首先通過數據傳輸線將實驗中第一、第二、第三溫度傳感器71、72、73、第一、第二、第三雙向風速傳感器61、62、63與箱體17側面的外接接口22連接，然后打開防盜鎖25，按開關鍵20開機，待電腦主機進入操作系統，開始操作實驗，使用完畢閉合，可以拎著提手24更換地點進一步處理分析實驗數據或者通過外設存儲器提取實驗數據。模塊化控制箱11具有攜帶方便，操作簡捷，可同時采集、預處理、存儲多個監測點數據并直觀顯示預處理結果的功能。

本發明礦井火災煙流紊亂實驗裝置的工作過程為：根據相似原理組建模擬真實井巷的耐高溫巷道模型，然后開始操作實驗，開始啟動雙向變頻風機8，待第一、第二、第三雙向風速傳感器61、62、63采集的風速穩定后啟動升溫控制器4控制電熱絲13程序升溫，啟動第一煙霧發生器91或第二煙霧發生器92，直到升溫控制器4關閉，第一、第二、第三溫度傳感器71、72、73采集數據降低到穩定數值后結束，使用完畢閉合模塊化控制箱11，可以拎著提手21更換地點進一步處理分析實驗數據或者通過外設存儲器提取實驗數據。

巷道模型內溫度度信號和對應的風速變化如圖5所示，第一、第三、第三溫度傳感器71、72、73將采集到的溫度信號轉化為電信號，第一、第二、第三雙向風速傳感器61、62、63將采集到的風速信號轉化為電信號，通過模塊化控制箱11采集和預處理，巷道內溫度發生變化時，根據波峰偏移數值等數據，可以得到不同時間的溫度值與風量變化情況。

本發明針對井下防治工程中上行風流火災時期旁側支路風流逆轉和下行風流火災時期主干風路風流逆退引起風流紊亂的研究，采用相似模擬方法，構建礦井巷道相似模型。通過本發明礦井火災煙流紊亂實驗裝置，對檢測點溫度、風速、風流狀態、煙流流動范圍變化進行檢測記錄，利用相應軟件程序對實驗裝置記錄的數據進行分析，可得到井下發生上行風流火災時期旁側支路風流逆轉和下行風流火災時期主干風路風流逆退情況下巷道內溫度、風速、風流狀態、煙流流動及有毒有害氣體擴散范圍變化情況，有利于制定礦井火災安全預案，防治井下火災，制定礦井火災時期人員安全逃生路線。

以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍內。