一种多功能巷道火灾模拟实验装置

1.本发明属于火灾安全实验技术领域，具体涉及一种多功能巷道火灾模拟实验装置。


背景技术：

2.我国“缺气、少油、富煤”的资源禀赋特性，决定了在当前和今后相当长的一段时期内，煤炭仍将是我国能源供应体系中的主体能源。据统计，2022年我国煤炭消费量在一次能源消费总量中占比达56.2％。随着我国经济社会的快速发展，浅部资源逐渐枯竭，煤炭开采目前正以10-25m/a的速度向深部转移，深部“三高一强扰动”的复杂开采环境对煤炭安全生产带来了巨大挑战。
3.外因火灾是煤矿热动力灾害的一种事故表现形式。矿井巷道空间狭长且受限，一旦发生火灾事故，火势发展迅猛，高温烟流和有害气体会在风流的作用下在巷道网络中迅速蔓延，严重威胁着井下工人的生命安全，甚至会诱发矿井瓦斯、煤尘爆炸事故的发生。近年来，随着井下电气设备、电缆与带式输送机使用量的增加，巷道外因火灾致灾因素显著增多，事故比例逐年上升。
4.由于煤炭在开采和运输等生产环节的需要，井下不可避免地存在单线巷道、“t”型巷道、“h”型巷道等不同形式的巷道工程。以“h”型巷道为例，支线巷道是不稳定的通风结构，巷道中的风流稳定性差。当发生火灾事故时，在高温烟气热效应和节流效应的共同影响下，巷道中极易发生风流紊乱现象，火灾烟气不仅可顺风扩散，还会不断积聚弥漫、逆流至进风节点，扩大灾害范围。
5.近年来，国内外学者对单线巷道火灾与“t”型巷道火灾均开展了广泛的研究，并取得了丰硕的成果。然而，人们对“h”型巷道火灾的了解相对较少，已有的相关研究均局限于计算机数值模拟的研究方法，研究结论的可靠性需要得到进一步的实验验证。
6.鉴于上述原因，本发明提供了一种多功能巷道火灾模拟实验装置，可用于开展单线巷道、“t”型巷道、“h”型巷道等不同形式巷道火灾的实验研究，为矿井巷道火灾探测、防排烟、灭火救援、结构防护等设计工作提供科学依据与数据支撑，具有重要的理论意义和应用价值。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于针对现有巷道火灾实验平台结构与功能上的不足，提供一种多功能巷道火灾模拟实验装置，能够在实验室尺度下模拟不同形式的巷道火灾，开展火灾发展过程、火焰形态特征、烟气流动规律等一系列基础理论的研究。
8.为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
9.一种多功能巷道火灾模拟实验装置，其特征在于：包括巷道主体、火源模拟系统、纵向通风系统、数据监测系统；其中：
10.所述实验装置为缩尺寸模型，与实际尺寸的相似比为1:10。
11.所述巷道主体包括两条主线巷道与一条支线巷道，通过排列组合，能够实现对单线巷道、“t”型巷道、“h”型巷道三种形式巷道的模拟。
12.所述支线巷道包括90
°
、75
°
、60
°
、45
°
四种分岔角度。
13.所述巷道主体由若干节子巷道组成，各节子巷道之间采用法兰连接。
14.所述子巷道包括巷道框架、顶棚、底板、内侧壁面、外侧可视窗口、底部支架；其中，巷道框架由角钢焊接而成，内部净空长1m、宽0.4m、高0.4m，各节子巷道框架连接处粘有1mm厚的泡棉胶带，保证巷道密闭性良好；巷道底部支架高0.3m，由金属方管焊接而成，支架底部装有金属滚轮以便自由移动；巷道顶棚、底板与内侧壁面均由0.8mm厚的防火板搭建而成；外侧可视窗口材料为8mm厚的耐高温钢化玻璃，通过固定在巷道框架上的卡扣锁控制其开关，方便人员布置仪器设备和观察实验现象。
15.所述火源模拟系统包括正庚烷油池火源和丙烷气体火源；其中，正庚烷油池火源包括方形金属油池、“工”字型金属托盘、高精度电子天平，热释放速率根据电子天平监测的质量损失速率数据计算；丙烷气体火源包括多孔气体燃烧器、供气软管、数字流量计、丙烷气瓶，热释放速率根据数字式流量计监测的燃料质量流率数据计算。
16.所述纵向通风系统包括变频轴流式风机和整流段；其中，整流段外框架为一节子巷道，与巷道主体末端法兰连接；整流段内部沿风向依次采用2张阻尼网和1个蜂窝器整定风流的法向与切向速度，提高风速在截面上的均匀度，保障实验精度；阻尼网由多个互相平行、等距分布的横向与纵向钢丝编织而成，内嵌在整流段内，目数为30目，阻尼网与变频轴流式风机、阻尼网与阻尼网的间距均为0.2m；蜂窝器内嵌在整流段内，目数为100目，宽度为0.2m，蜂窝器与阻尼网的间距为0.2m。
17.所述数据监测系统包括温度测试单元、压力测试单元、速度测试单元；其中，温度测试单元包括纵向、矩阵、竖向三种布置形式的热电偶；纵向热电偶布置在巷道主体顶棚下方1cm处的纵向中心线上，纵向间距为10cm，测量巷道内的火灾烟气纵向温度分布；近火源区采用分布式热电偶阵列进行局部加密，测量火羽流的径向温度分布；竖向热电偶树布置在巷道主体不同截面处的中心线上，竖向间距为4cm，测量火灾烟气的竖向温度分布；压力测试单元包括3个皮托管，布置在整流段出风口中心线10、20、30cm高度处，测量纵向风流的初始静压、动压和风速；风速测试单元包括多通道耐高温热线风速仪，布置在竖向热电偶树36cm高度处，测量烟气蔓延速率。
18.所述图像采集系统中的流场显示单元包括若干台片光源激光发射器，分别布置在两条主线巷道与一条支线巷道的侧面1m处，可视化火灾烟气的流动特征；图像采集单元包括两台高清数码摄像机，分别布置在实验装置正面和侧面1m处，记录火焰和烟气的形态特征。
19.本发明的优点和积极效果为：
20.本模拟实验装置依据流体力学的froude量纲相似理论搭建，采用1:10的模型相似比，实验成本低，实验破坏小，可以在实验室尺度下便捷地、重复地开展多种形式的巷道火灾研究；
21.在本模拟实验装置中，巷道主体由多节子巷道法兰连接组成，通过排列组合，可以实现对单线巷道、“t”型巷道、“h”型巷道的模拟；
22.在本模拟实验装置中，通过更换不同形式的支线巷道，可以模拟具有不同分岔角
度的“t”型巷道与“h”型巷道；
23.在本模拟实验装置中，采用阻尼网和蜂窝器相结合的方法整定变频轴流式风机产生的纵向气流，可以保障风速在截面上的均匀性；
24.在本模拟实验装置中，采用热电偶树与耐高温热线风速仪相结合的方法，可以实时监测烟气层厚度、温度、速度等火灾动力学关键参数的变化。
附图说明
25.图1为本发明所述多功能巷道火灾模拟实验装置结构示意图。
26.图2为本发明所述巷道主体结构示意图。
27.图3为本发明所述支线巷道结构示意图。
28.图4为本发明所述子巷道结构示意图。
29.图5为本发明所述火源模拟系统结构示意图。
30.图6为本发明所述纵向通风系统结构示意图。
31.图7为本发明所述数据监测系统结构示意图。
具体实施方式
32.结合附图1-7，通过具体实例对本发明作进一步说明。
33.在本发明的一个具体实例中，多功能巷道火灾模拟实验装置的结构示意图如图1所示。实验装置包括巷道主体1、火源模拟系统2、纵向通风系统3、数据监测系统4、图像采集系统5。
34.在本发明的一个具体实例中，巷道主体1的结构示意图如图2所示。“h”型巷道6包括两条主线巷道和一条支线巷道，通过拆卸一条主线巷道，可以将“h”型巷道6改造成“t”型巷道7，在此基础上通过拆卸一条支线巷道并采用带有法兰接口的防火板9对缺口进行封堵，可以将“t”型巷道7进一步改造成单线巷道8。
35.在本发明的一个具体实例中，支线巷道的结构示意图如图3所示。支线巷道包括90
°
、75
°
、60
°
、45
°
四种分岔角度的支线巷道10-13，可以模拟具有不同分岔角度支线巷道的“t”型巷道与“h”型巷道。
36.在本发明的一个具体实例中，子巷道的结构示意图如图4所示。巷道主体1由若干节子巷道通过法兰14连接而成；子巷道框架15由角钢焊接而成，内部净空长1m、宽0.4m、高0.4m，各节子巷道框架连接处粘有1mm厚的泡棉胶带16，可以保证巷道良好的密闭性；子巷道顶棚17、底板18与内侧壁面19均由8mm厚的防火板搭建而成，外侧可视窗口20材料为8mm厚的耐高温钢化玻璃，通过固定在巷道框架上的卡扣锁21控制其开关；子巷道底部支架22高0.3m，由金属方管焊接而成，支架底部装有金属滚轮23以便移动。
37.在本发明的一个具体实例中，火源模拟系统2的结构示意图如图5所示。正庚烷油池火源24由方形金属油池25、“工”字型金属托盘26、电子天平27组成，通过更换不同尺寸的方形金属油池25控制热释放速率；电子天平27置于地面上，“工”字型金属托盘26置于电子天平27上，底座套筒28内部为螺纹结构；打开可视窗口20，在巷道底板18上钻孔，将上方托盘和螺纹杆29插入底座套筒28，通过紧固螺丝30调节托盘高度，将方形金属油池25放置在托盘26上；向油池25内倒入正庚烷，用点火器引燃后迅速关闭可视窗口20；丙烷气体火源31
由多孔气体燃烧器32、数字流量计33、供气软管34、丙烷气瓶35组成；丙烷气瓶35通过供气软管34连接多孔气体燃烧器31，数字流量计32置于供气软管34中段；实验开始前通过数字流量计32的数字信号设定气体质量流率，打开气瓶阀门，调节减压阀控制气体压力至稳定值后，打开可视窗口19，用点火器引燃后迅速关闭可视窗口20；多孔气体燃烧器31的支架结构与金属托盘25类似，不再重复说明。
38.在本发明的一个具体实例中，纵向通风系统3的结构示意图如图6所示。参考矿井通风相关设计标准，变频轴流式风机36的最大风量为1000m3/h，变频轴流式风机36与整流段37通过金属连接板38焊接固定；整流段36外框架为一节子巷道，与巷道主体末端通过法兰连接；整流段内部沿通风方向依次采用阻尼网39、阻尼网40、蜂窝器41整定风流的法向与切向速度，提高风速在截面上的均匀度；阻尼网39与阻尼网40的目数均为30目，蜂窝器41的目数为100目，宽度为0.2m；阻尼网39与变频轴流式风机36、阻尼网40与阻尼网39、蜂窝器41与阻尼网40的间距均为0.2m。
39.在本发明的一个具体实例中，数据监测系统4的结构示意图如图7所示。纵向间距为10cm的水平热电偶42通过在巷道顶棚17钻孔布置在巷道主体顶棚下方1cm纵向中心线上测量烟气温度的纵向分布，火源所处子巷道区域采用由多个固定在金属架上的纵向热电偶组成的热电偶阵列43进行局部加密测量火羽流的径向温度分布，由8个竖向间距为4cm的热电偶组成的热电偶树44固定在金属架上并布置在巷道主体不同截面中心线上测量烟气的竖向温度分布；固定在金属架上的皮托管45布置在整流段出风口中心线10、20、30cm高度处测量纵向风流的初始静压、动压与风速，多通道耐高温热线风速仪46固定在竖向热电偶树36cm高度处测量烟气的蔓延速率。
40.尽管已经描述了本发明的具体实施案例，对于本领域的技术人员而言，可以理解在不脱离本发明思路的情况下对这些实施案例进行修改和替换，因此本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种多功能巷道火灾模拟实验装置，其特征在于：包括巷道主体、火源模拟系统、纵向通风系统、数据监测系统、图像采集系统；所述巷道主体包括2条主线巷道和1条支线巷道，能够实现对单线巷道、“t”型巷道、“h”型巷道三种形式巷道的模拟；所述火源模拟系统包括正庚烷油池火源和丙烷气体火源，用以提供实验所需热源；所述纵向通风系统包括变频轴流式风机和整流段，用以提供实验所需水平风流；所述数据监测系统包括温度测试单元、压力测试单元、速度测试单元，用以监测实验中火灾动力学关键参数的变化；所述图像采集系统包括流场显示单元和视频记录单元，用以采集火焰与烟气形态图像。2.根据权利要求1所述的一种多功能巷道火灾模拟实验装置，其特征在于：所述巷道主体中主线巷道与支线巷道均由若干节子巷道组成，各节子巷道之间采用法兰连接，可自由拆卸和组装；支线巷道包括四种分岔角度；巷道框架由角钢焊接而成，各节子巷道框架连接处粘有泡棉胶带；巷道底部支架由金属方管焊接而成，支架底部装有金属滚轮；巷道顶棚、底板与内侧壁面均由防火板搭建而成；外侧可视窗口材料为耐高温钢化玻璃，通过固定在巷道框架上的卡扣锁控制其开关。3.根据权利要求1所述的一种多功能巷道火灾模拟实验装置，其特征在于：所述火源模拟系统中的火源类型可根据具体研究对象和工况自由选择正庚烷油池火源或丙烷气体火源；正庚烷油池火源包括方形金属油池、“工”字型金属托盘、高精度电子天平；丙烷气体火源包括多孔气体燃烧器、供气软管、数字流量计、丙烷气瓶。4.根据权利要求1所述的一种多功能巷道火灾模拟实验装置，其特征在于：所述纵向通风系统中的整流段外框架为一节子巷道，与巷道主体末端法兰连接，阻尼网和蜂窝器沿风向内嵌在整流段内部。5.根据权利要求1所述的一种多功能巷道火灾模拟实验装置，其特征在于：所述数据监测系统中的温度测试单元包括纵向、矩阵、竖向三种布置形式的热电偶；纵向热电偶布置在巷道顶棚下方的纵向中心线上，分布式热电偶阵列布置在近火源区，竖向热电偶树布置在巷道不同截面处的中心线上；风速测试单元包括皮托管和多通道耐高温热线风速仪，皮托管布置在整流段出风口中心线上，多通道耐高温热线风速仪布置在竖向热电偶树处。6.根据权利要求1所述的一种多功能巷道火灾模拟实验装置，其特征在于：所述图像采集系统中的流场显示单元包括若干台片光源激光发射器，分别布置在主线巷道侧面和支线巷道侧面；视频记录单元包括若干台高清数码摄像机，分别布置在实验装置正面与侧面。7.一种多功能巷道火灾模拟装置的实验方法，其特征在于：(1)通过更换巷道主体中的支线巷道，可以模拟具有不同分岔角度的“h”型巷道火灾；(2)进一步的，通过拆卸“h”型巷道中的1条主线巷道，可以模拟“t”型巷道火灾；(3)进一步的，通过拆卸“t”型巷道中的支线巷道，并采用装有法兰接口的防火板对缺口进行封堵，可实现对单线巷道火灾的模拟；(4)采用皮托管对出风口处的风速、风压、频率进行标定，可以获得变频轴流式风机经整流后的风压特性曲线；(5)采用热电偶树与耐高温热线风速仪分别测量上层热烟气层的厚度、温度、速度数
据，通过对比其在“t”型巷道与“h”型巷道分岔节点不同截面处的变化，可以获得烟气的节点分流规律。

技术总结
本发明公开了一种多功能巷道火灾模拟实验装置，包括巷道主体、火源模拟系统、纵向通风系统、数据监测系统、图像采集系统。实验装置为相似比为1:10的缩尺寸模型，巷道主体包括两条主线巷道与一条支线巷道，能够实现对单线巷道、“T”型巷道、“H”型巷道三种形式巷道火灾的模拟。本发明克服了全尺寸实验代价高昂和数值模拟不够精确的缺点，同时保证了实验的可操作性和可重复性，能够便捷地开展不同形式巷道内火灾发生时的火灾发展过程、火焰形态特征、烟气流动规律等一系列基础理论的研究，对火灾探测、烟气控制与人员疏散等技术的发展具有重要的指导意义。的指导意义。的指导意义。


技术研发人员：从伟 彭伟
受保护的技术使用者：安徽理工大学
技术研发日：2023.07.13
技术公布日：2023/10/15