一种独头巷道火灾试验装置及方法与流程

本发明涉及火灾试验技术领域，尤其涉及一种独头巷道火灾试验装置及方法。

背景技术：

在地下矿石开采，地铁工程施工以及部分特殊地下结构末端易形成独头巷道，在独头巷道掘进作业过程中，爆破、盾构等手段会使得工作面附近滞留大量的粉尘以及有毒有害气体，而独头巷道不能形成贯穿风流，因此在掘进过程中需通过风筒进行通风，以排除或稀释烟尘及有毒有害气体。

独头巷道的通风问题是制约着矿山发展的原因之一，只有解决了独头巷道掘进通风问题，才能保证矿山的安全、高效、持续发展，国内外诸多学者都对独头掘进通风进行了广泛的研究。

然而，现有的独头巷道通风设计仅考虑了正常作业过程中的通风除尘需要，并未考虑火灾等极端情况下的通风排烟效果。在作业过程中，由于机械作业、物品堆积、有毒有害气体及粉尘聚集均易发生火灾事故，火灾事故过程中火灾烟气对人员伤害最为显著，因此应对独头巷道火灾的最优通风排烟模式研究就显得尤为重要。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种独头巷道火灾试验装置及方法，解决现有的独头巷道通风未考虑火灾等极端情况下的通风排烟情况，无法提供独头巷道在遭遇火灾时的最佳通风排烟模式的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种独头巷道火灾试验装置，包括独头巷道以及设置在所述独头巷道中的风筒，所述风筒中设有变频风机；其中所述风筒设置在所述独头巷道的内壁上，且所述风筒与所述独头巷道的延伸方向平行设置。

进一步地，所述独头巷道中设有一个风筒，所述风筒为抽出式风筒，所述抽出式风筒的风流入口设置在所述独头巷道内部，所述抽出式风筒的风流出口设置在所述独头巷道外部。

进一步地，所述独头巷道中设有一个风筒，所述风筒为压入式风筒，所述压入式风筒的风流出口设置在所述独头巷道内部，所述抽出式风筒的风流入口设置在所述独头巷道外部。

进一步地，所述独头巷道中设有两个风筒，所述的两个风筒分别为抽出式风筒和压入式风筒，其中所述抽出式风筒的风流入口设置在所述独头巷道内部，所述抽出式风筒的风流出口设置在所述独头巷道外部；所述压入式风筒的风流出口设置在所述独头巷道内部，所述抽出式风筒的风流入口设置在所述独头巷道外部。

具体地，所述独头巷道为圆柱形水泥管道，所述独头巷道的内径为1.2m；所述风筒采用可伸缩式铁皮风筒，所述风筒内径为0.12m，所述风筒设置在距离地面0.75m高度处。

本发明还提供了一种独头巷道火灾试验方法，具体包括如下步骤：

在独头巷道中布置一个抽出式风筒，模拟抽出式通风模式；或在独头巷道中布置一个压入式风筒，模拟压入式通风模式；或在独头巷道中布置一个抽出式风筒和一个压入式风筒，模拟混合式通风模式；

将火源放置于独头巷道中，模拟独头巷道起火状态；

通过烟气分析仪测量获取独头巷道中的烟气特性数据，所述烟气特性数据包括烟颗粒浓度、可燃气体浓度、有毒气体浓度和氧气浓度；

通过能见度仪测量获取独头巷道中的能见度数据；

通过热电偶束测量获取独头巷道中的温度场数据，并根据获得的温度场数据绘制温度场分布云图；

通过风速仪测量获取独头巷道中的风速流场数据，并根据获取的风速流场数据绘制风速流场分布云图。

进一步地，通过烟气分析仪测量获取独头巷道中的烟气特性数据的步骤包括：

在独头巷道中位于火源正上方的顶部内壁上设置一个第一烟气分析仪；

在独头巷道的顶部内壁上设置多个第二烟气分析仪，所述的第二烟气分析仪沿独头巷道的延伸方向均匀布置；

在独头巷道中距离地面0.36m高度处设置多个第三烟气分析仪，所述的第三烟气分析仪沿独头巷道的延伸方向均匀布置。

进一步地，通过能见度仪测量获取独头巷道中的能见度数据的步骤包括：

在独头巷道中距离地面0.36m高度处设置多个能见度仪，所述的能见度仪沿独头巷道的延伸方向均匀布置。

进一步地，通过热电偶束测量获取独头巷道中的温度场数据的步骤包括：

在独头巷道中从内到外依次设置若干列热电偶束，每列热电偶束从独头巷道的的顶端至底端依次排列，且每列热电偶束均与独头巷道的延伸方向垂直布置。

进一步地，通过风速仪测量获取独头巷道中的风速流场数据的步骤包括：

在独头巷道中设置多个风速测量截面，各风速测量截面沿独头巷道的延伸方向均匀分布，在各风速测量截面上分别设置多个风速仪。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

本发明所述的独头巷道火灾试验装置及方法，能够在独头巷道中布置一个抽出式风筒，模拟抽出式通风模式；能够在独头巷道中布置一个压入式风筒，模拟压入式通风模式；能够在独头巷道中布置一个抽出式风筒和一个压入式风筒，模拟混合式通风模式；通过这三种通风模式的建立与试验操作，能够获得独头巷道中的火灾烟气蔓延规律，建立起独头巷道火灾情况下最优的通风排烟模型，为地铁施工等场合的独头巷道可能遭遇的火灾危险提供最佳的通风排烟模式。

附图说明

图1是本发明实施例一中独头巷道火灾试验装置的结构示意图；

图2是本发明实施例二中独头巷道火灾试验装置的结构示意图；

图3是本发明实施例三中独头巷道火灾试验装置的结构示意图；

图4是本发明实施例三中独头巷道火灾试验装置的横向截面示意图；

图5是本发明实施例的独头巷道中烟气分析仪的分布示意图；

图6是本发明实施例的独头巷道中能见度仪的分布示意图；

图7是本发明实施例的独头巷道中热电偶束的分布示意图；

图8是本发明实施例的独头巷道中风速仪的分布示意图；

图9是本发明实施例的独头巷道中风速仪的横向截面分布示意图。

图中：1：独头巷道；2：抽出式风筒；3：压入式风筒；4：火源；5：独头巷道掘进面；601：第一烟气分析仪；602：第二烟气分析仪；603：第三烟气分析仪；701：能见度仪；801：热电偶束；901：风速仪；10：风速测量截面。

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做出创造性劳动的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。

实施例一

如图1所示，本发明实施例提供一种独头巷道火灾试验装置，包括独头巷道1以及设置在所述独头巷道1中的风筒，所述风筒中设有变频风机。所述风筒设置在所述独头巷道1的内壁上，且所述风筒与所述独头巷道1的延伸方向平行设置。在所述独头巷道1中还设有火源4，所述火源4设置在独头巷道1内的地基上。

在本实施例中，所述独头巷道1中设有一个风筒，所述风筒为抽出式风筒2，所述抽出式风筒2的风流入口201设置在所述独头巷道1内部，所述抽出式风筒2的风流出口202设置在所述独头巷道1外部，从而构成独头巷道内的抽出式通风模式。

实施例二

如图2所示，本发明实施例提供一种独头巷道火灾试验装置，包括独头巷道1以及设置在所述独头巷道1中的风筒，所述风筒中设有变频风机。其中所述风筒设置在所述独头巷道1的内壁上，且所述风筒与所述独头巷道1的延伸方向平行设置。在所述独头巷道1中还设有火源(图中未示)，所述火源设置在独头巷道1内的地基上。

在本实施例中，所述独头巷道1中设有一个风筒，所述风筒为压入式风筒3，所述压入式风筒3的风流出口301设置在所述独头巷道内部，所述抽出式风筒3的风流入口302设置在所述独头巷道外部，从而构成独头巷道内的压入式通风模式。

实施例三

如图3-4所示，本发明实施例提供一种独头巷道火灾试验装置，包括独头巷道1以及设置在所述独头巷道1中的风筒，所述风筒中设有变频风机。其中所述风筒设置在所述独头巷道1的内壁上，且所述风筒与所述独头巷道1的延伸方向平行设置。在所述独头巷道1中还设有火源(图中未示)，所述火源设置在独头巷道1内的地基上。

在本实施例中，所述独头巷道1中设有两个风筒，所述的两个风筒分别为抽出式风筒2和压入式风筒3，其中所述抽出式风筒2的风流入口201设置在所述独头巷道1内部，所述抽出式风筒2的风流出口202设置在所述独头巷道1外部。所述压入式风筒3的风流出口301设置在所述独头巷道1内部，所述抽出式风筒3的风流入口302设置在所述独头巷道1外部，从而构成独头巷道内的混合式通风模式。

在上述实施例一至实施例三中，各火灾试验装置按1:5缩尺寸设置，所述独头巷道1采用圆柱形水泥管道，水泥管道的内径为1.2m，壁面厚度为12cm，水泥管道的长度根据实验需要可调节。所述风筒采用可伸缩式铁皮风筒，所述风筒内径为0.12m，所述风筒设置在距离地面0.75m高度处。

实施例四

本发明实施例提供一种独头巷道火灾试验方法，采用如实施例一所述的试验装置进行试验，具体包括如下步骤：

在独头巷道中布置一个抽出式风筒，模拟抽出式通风模式，其中抽出式风筒可根据试验要求实现独立变频控制；

将火源放置于独头巷道中，模拟独头巷道起火状态；

通过烟气分析仪测量获取独头巷道中的烟气特性数据，所述烟气特性数据包括烟颗粒浓度、可燃气体浓度、有毒气体浓度和氧气浓度；

通过能见度仪测量获取独头巷道中的能见度数据；

通过热电偶束测量获取独头巷道中的温度场数据，并根据获得的温度场数据绘制温度场分布云图；

通过风速仪测量获取独头巷道中的风速流场数据，并根据获取的风速流场数据绘制风速流场分布云图。

其中，如图1所示，抽出式风筒2的风流入口201与独头巷道掘进面5的距离设定为d1，在实验中d1分别取1m、1.5m、2m、2.5m、3m五种工况，并分别获取每种工况下的烟气特性数据、能见度数据、温度场数据和风速流场数据。

实施例五

本发明实施例提供一种独头巷道火灾试验方法，采用如实施例二所述的试验装置进行试验，具体包括如下步骤：

在独头巷道中布置一个压入式风筒，模拟压入式通风模式，其中压入式风筒可根据试验要求实现独立变频控制；

将火源放置于独头巷道中，模拟独头巷道起火状态；

通过烟气分析仪测量获取独头巷道中的烟气特性数据，所述烟气特性数据包括烟颗粒浓度、可燃气体浓度、有毒气体浓度和氧气浓度；

通过能见度仪测量获取独头巷道中的能见度数据；

通过热电偶束测量获取独头巷道中的温度场数据，并根据获得的温度场数据绘制温度场分布云图；

通过风速仪测量获取独头巷道中的风速流场数据，并根据获取的风速流场数据绘制风速流场分布云图。

其中，如图2所示，压入式风筒3的风流出口301与独头巷道掘进面5的距离记为d2，在实验中d2分别取1.5m、2m、2.5m、3m、3.5m五种工况，并分别获取每种工况下的烟气特性数据、能见度数据、温度场数据和风速流场数据。

实施例六

本发明实施例提供一种独头巷道火灾试验方法，采用如实施例三所述的试验装置进行试验，具体包括如下步骤：

在独头巷道中布置一个抽出式风筒和一个压入式风筒，模拟混合式通风模式，其中抽出式风筒和压入式风筒可根据试验要求分别实现独立变频控制；

将火源放置于独头巷道中，模拟独头巷道起火状态；

通过烟气分析仪测量获取独头巷道中的烟气特性数据，所述烟气特性数据包括烟颗粒浓度、可燃气体浓度、有毒气体浓度和氧气浓度；

通过能见度仪测量获取独头巷道中的能见度数据；

通过热电偶束测量获取独头巷道中的温度场数据，并根据获得的温度场数据绘制温度场分布云图；

通过风速仪测量获取独头巷道中的风速流场数据，并根据获取的风速流场数据绘制风速流场分布云图。

其中，如图3所示，抽出式风筒2的风流入口201与独头巷道掘进面5的距离设定为d3，且抽出式风筒2的风流入口201与压入式风筒3的风流出口301距离始终保持0.5m。在实验中d3分别取1m、1.5m、2m、2.5m、3m五种工况，并分别获取每种工况下的烟气特性数据、能见度数据、温度场数据和风速流场数据。

在上述实施例四至实施例六的基础上，所述的独头巷道火灾试验方法方法还包括：

分别采用发烟率不同的木垛、电缆、液化气、汽油、柴油、甲醇和正庚烷作为火源燃料，模拟不同发烟率的火源燃料下隧道起火状态，并针对不同火源燃料，分别获取在不同火源燃料时的烟气特性数据、能见度数据、温度场数据和风速流场数据。

在上述实施例四至实施例六的基础上，所述的独头巷道火灾试验方法方法还包括：

设定火源与风筒之间的相对距离为D，在试验中D分别取值-1m、-0.5m、0m、+0.5m、+1m，其中正负号代表火源与联络通道的相对位置，正号代表火源位于联络通道左侧，负号代表火源位于联络通道右侧，从而构成五个火源位置工况。

将同一种火源燃料分别放置于五个火源位置处，分别获取火源在各火源位置时的烟气特性数据、能见度数据、温度场数据和风速流场数据。

如图5所示，在上述实施例四至实施例六的基础上，通过烟气分析仪获取烟气特性数据时，烟气分析仪的布置方式为：

在独头巷道1中位于火源4正上方的顶部内壁上设置一个第一烟气分析仪601。

在独头巷道1的顶部内壁上设置多个第二烟气分析仪602，所述的第二烟气分析仪602沿独头巷道1的延伸方向均匀布置。

在独头巷道1中距离地面0.36m高度处设置多个第三烟气分析仪603，所述的第三烟气分析仪603沿独头巷道1的延伸方向均匀布置。其中0.36m高度是模拟人眼高度，在本实施例中的0.36m高度是按照隧道实际尺寸的1:5进行等比例缩小后的人眼高度，当然在实际应用中，所选用的模拟人眼高度可以根据实际隧道模型的尺寸进行调整。

如图6所示，在上述实施例四至实施例六的基础上，通过能见度仪测量获取独头巷道中的能见度数据时，能见度仪的布置方式为：

在独头巷道1中距离地面0.36m高度处设置多个能见度仪701，所述的能见度仪701沿独头巷道1的延伸方向均匀布置。其中0.36m高度是模拟人眼高度，在本实施例中的0.36m高度是按照隧道实际尺寸的1:5进行等比例缩小后的人眼高度，当然在实际应用中，所选用的模拟人眼高度可以根据实际隧道模型的尺寸进行调整。

如图7所示，在上述实施例四至实施例六的基础上，通过热电偶束测量获取独头巷道中的温度场数据时，热电偶束的布置方式为：

在独头巷道1中从内到外依次设置若干列热电偶束801，每列热电偶束801从独头巷道1的顶端至底端依次排列，且每列热电偶束801均与独头巷道1的延伸方向垂直布置。

在本实施例中，热电偶束801的测量点沿独头巷道1的中心面布置，用于分别获取独头巷道1顶棚处温度、火源4上方处温度以及烟气层温度，并根据获取的各测量点的温度数据绘制温度场分布云图，从而实时监测独头巷道中的温度变化。

如图8-9所示，在上述实施例四至实施例六的基础上，通过风速仪测量获取独头巷道中的风速流场数据时，风速仪的布置方式为：

在独头巷道1中设置多个风速测量截面10，各风速测量截面10沿独头巷道1的延伸方向均匀分布，在各风速测量截面10上分别设置多个风速仪901。

在本实施例中，所述的风速仪901采用加野多通道风速仪，各个风速测量截面10上的风速仪901呈0.25m×0.25m的网格分布，相邻的两个风速测量截面10之间的间距为0.5m，并根据获取的风速流场数据绘制风速流场分布云图，从而实时监测独头巷道中的风速变化。

在上述各实施例中，通过对上述实验获取的烟气特性数据、能见度数据、温度场数据和风速流场数据进行分析处理，能够建立针对不同工况下的多因素耦合火灾模型，进而为建立火灾条件下的独头巷道通风排烟控制系统提供依据，并为火灾情况下通风排烟系统的开启提供技术方案，为人员安全疏散创造安全的路径。

综上所述，本发明所述的独头巷道火灾试验装置及方法，能够在独头巷道中布置一个抽出式风筒，模拟抽出式通风模式；能够在独头巷道中布置一个压入式风筒，模拟压入式通风模式；能够在独头巷道中布置一个抽出式风筒和一个压入式风筒，模拟混合式通风模式；通过这三种通风模式的建立与试验操作，能够获得独头巷道中的火灾烟气蔓延规律，建立起独头巷道火灾情况下最优的通风排烟模型，为地铁施工等场合的独头巷道可能遭遇的火灾危险提供最佳的通风排烟模式。

最后应说明的是：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。