一种综采工作面火灾烟气运移仿真试验系统及其工作方法与流程

本发明涉及矿井内火灾安全实验的技术领域，尤其涉及一种综采工作面火灾烟气运移仿真试验系统及其工作方法。

背景技术：

煤矿井下外因火灾是指由于受到明火、放炮、电火花、煤尘瓦斯爆炸、机械摩擦以及物体碰撞等不良外来热源作用而引发可燃物质燃烧造成的火灾。综采工作面是矿井外因火灾发生的重要场所之一。矿井外因火灾发生具有火源明显、发生突然、来势凶猛的特点。火灾发生过程中，高浓高温烟气受井下气流驱动作用沿U型综采工作面通风流动。由于综采工作面是高瓦斯、高粉尘、高设备、高密度人群聚集区，若不能及时正确地处理，将导致严重的安全事故。研究综采工作面火灾烟气运移规律是控制和解决矿井外因火灾安全事故，保证煤矿井下安全的根本途径。对矿井综采面外因火灾的研究主要涉及高浓烟气运移规律以及高温气流温度场变化规律。受人力、物力、经济、条件控制以及安全等客观因素的影响难以有效地开展全尺寸矿井综采面火灾实验。基于上述考虑，提出了一种综采工作面火灾烟气运移仿真试验系统及其工作方法。

技术实现要素：

针对矿井综采工作面外因火灾时有发生，然而开展全尺寸矿井综采工作面外因火灾实验实施过程比较困难的技术问题，本发明提出一种综采工作面火灾烟气运移仿真试验系统及工作方法。

为了解决上述问题，本发明的技术方案是这样实现的：

一种综采工作面火灾烟气运移仿真试验系统，包括模拟实验主体平台，所述模拟实验主体平台上方设有图形监控组件，模拟实验主体平台内设有环境监控组件，模拟实验主体平台下部设有倾角调节组件，模拟实验主体平台分别与烟气释放调节组件和烟气流动控制组件相连接；所述图形监控组件、环境监控组件、烟气释放调节组件和烟气流动控制组件均与上位机相连接。

优选地，所述模拟实验主体平台包括综采工作面框架，综采工作面框架内设有综采工作面和采空区，综采工作面内设有液压支架模型，采空区内部填充有松散石块介质，综采工作面框架上方设有图形监控组件，综采工作面框架与烟气释放调节组件相连通且综采工作面框架的两侧分别与进风巷道和回风巷道相连通，进风巷道和回风巷道下部均设有倾角调节组件，所述倾角调节组件包括螺旋支座，回风巷道与烟气流动控制组件相连通；所述综采工作面、采空区、进风巷道和回风巷道内均设有环境监控组件。

优选地，所述液压支架模型平行设置在综采工作面框架内；所述松散石块介质包括三种不同粒径的石块介质且松散石块介质沿综采工作面纵深方向按照从稀疏到稠密至少至少四种配比方式进行铺设。

优选地，所述4种配比方式为4:1:1、3:2:1、2:3:1和1:1:4。

优选地，所述图形监控组件包括至少三组CCD摄像机且三组CCD摄像机分别与进风巷道、回风巷道和综采工作面框架相配合；所述CCD摄像机上方设有照明灯且照明灯和CCD摄像机分别通过支架固定在立杆上，CCD摄像机通过数据传输线和图像采集卡与上位机相连接，上位机通过数据传输线与照明灯相连接。

优选地，所述烟气释放调节组件包括产烟箱，产烟箱内设有发烟饼，产烟箱与烟气电加热箱相连通，烟气电加热箱内设有烟气电加热板，烟气电加热箱与烟气调流管相连通，烟气调流管上设有烟气调节阀，烟气调流管通过若干组烟气输送管分别与模拟实验主体平台内的综采工作面框架和进风巷道相连通，烟气输送管上设有烟气输送管开关；所述烟气电加热板与上位机相连接。

优选地，所述烟气流动控制组件包括小型抽风机，小型抽风机通过烟气回流管与回风巷道相连通；所述小型抽风机通过数据传输线与上位机相连接。

优选地，所述环境监控组件包括烟气温度传感器和烟气浓度传感器，烟气温度传感器和烟气浓度传感器均通过数据传输线与烟气浓度温度数据采集卡相连接，烟气浓度温度数据采集卡与上位机相连接。

优选地，所述模拟实验主体平台整体呈封闭盒装置结构且综采工作面框架为透明耐高温有机玻璃盒。

一种综采工作面火灾烟气运移仿真试验系统的工作方法，包括以下步骤：

S1，首先打开进风巷道阀门，工作人员调整综采工作面框架下部的螺旋支座高度；

S2，接通电源，通过上位机依次打开小型抽风机、CCD摄像机、烟气浓度温度采集卡、烟气电加热板和照明灯；并通过上位机控制小型抽风机达到初始风速、烟气电加热板达到初始加热温度、照明灯达到初始照明亮度，同时手动调节CCD摄像机的摄像角度；

S3，当进风巷道、综采工作面以及回风巷道内风流稳定后，手动打开烟气调节阀阀门和烟气输送管开关，在小型抽风机负压的作用下，烟气将自动流入到综采工作面框架内；

S4，由烟气浓度温度采集卡将综采工作面内烟气温度传感器和烟气浓度传感器实时采集的温度、烟雾浓度数据传输到上位机，上位机将烟气温度和烟气浓度随时间变化的数据以曲线图的方式在显示屏上显示；

S5，通过上位机调节小型抽风机的抽风速度、手动调节螺旋支座调整综采工作面倾角、手动打开不同位置处的烟气输送管开关，重复步骤S3~S4，得出不同的实验条件下综采工作面火灾烟气运移规律；

S6，根据烟气浓度温度采集卡所采集的温度场数据和浓度场数据，根据差值的方法对温度和浓度数据进行差值处理，利用Matlab软件绘制模拟综采工作面火灾烟气温度场演化规律、烟气浓度场演化规律。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明适应于在实验室内搭建小型综采工作面火灾烟气运移仿真模拟试验平台，避免了因实施全尺寸矿井综采面火灾实验过程中由于人力、物力、财力、条件控制以及安全等客观因素的制约；

2、本发明能够对综采工作面火灾烟气运移开展全面系统地研究，包括模拟不同综采工作面倾角、不同采空区孔隙率、不同通风速率以及不同进气浓度、温度、位置等多工况条件下的运移规律，其测定结果可为综采工作面现场实施火灾烟气治理提供基础数据；

3、本发明实验周期短、过程简单、可操作性强，通过计算机调节、控制、采集和分析实验数据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1中烟气输送管的连接结构示意图。

图3为图1中烟气释放调节组件的结构示意图。

图4为图1中综采工作面框架的结构示意图。

图5为烟气浓度温度随时间动态变化曲线示意图。

图6为本发明的工作流程图。

图中，11为进风巷道，12为回风巷道，13为综采工作面，14为采空区，15水流导向板；21为产烟箱，22为发烟饼，23为烟气电加热箱，24、烟气电加热板，25为烟气调节阀，26为烟气调流管，27为烟气输送管，28为烟气输送管开关；31为上位机，32为烟气浓度温度数据采集卡，33为数据线，34为CCD摄像机，35为照明灯，36为烟气温度传感器，37为烟气浓度传感器，41为小型抽风机，42为烟气回流管，43为螺旋支座。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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付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。

实施例1，如图1所示，一种综采工作面火灾烟气运移仿真试验系统，包括模拟实验主体平台，模拟实验主体平台整体呈封闭盒装置结构，所述模拟实验主体平台上方设有图形监控组件，图形监控组件用于监控模拟实验主体平台内的烟雾运移状态规律，模拟实验主体平台内设有环境监控组件，环境监控组件用于监测模拟实验主体平台内的温度和烟气浓度参数，模拟实验主体平台下部设有倾角调节组件，倾角调节组件用于调节模拟实验主体平台的倾斜角度，模拟实验主体平台分别与烟气释放调节组件和烟气流动控制组件相连接，烟气释放调节组件用于调节控制烟气输送速度以及输送状态，烟气流动控制组件用于使模拟实验主体平台内产生负压，以控制模拟实验主体平台内烟气运移速率；所述图形监控组件、环境监控组件、烟气释放调节组件和烟气流动控制组件均与上位机31相连接。

如图4所示，所述模拟实验主体平台包括综采工作面框架，综采工作面框架为透明耐高温有机玻璃，便于CCD摄像机拍摄，综采工作面框架内设有综采工作面13和采空区14，综采工作面13内设有液压支架模型，液压支架模型平行设置在综采工作面框架内，液压支架模型的设置数量根据实际需要进行设置，但保证多台液压支架模型沿综采工作面呈一字排开。

采空区14内部填充有松散石块介质，松散石块介质包括具有明显区分度大、中、小三种不同粒径的石块介质且松散石块介质沿综采工作面纵深方向按照从稀疏到稠密不同粒径配比方式进行铺设，其中包括至少4种配比方式且4种配比方式为4:1:1、3:2:1、2:3:1和1:1:4，利用多种配比方式模拟矿井采空区不同空隙率的内部构造，大大提高整体仿真模拟的真实性，且要求距离近综采工作面处填充石块介质以大粒径为主，距离远综采工作面处填充石块介质以小粒径为主，采空区内设有水流导向板15，水流导向板用于水蒸气冷却滴落排出。

综采工作面框架上方设有图形监控组件，综采工作面框架与烟气释放调节组件相连通且综采工作面框架的两侧分别与进风巷道11和回风巷道12相连通，图形监控组件包括至少三组CCD摄像机34且三组CCD摄像机34分别与进风巷道11、回风巷道12和综采工作面框架相配合用于采集进风巷道、回风巷道和综采工作面框架内的烟气运移图像；所述CCD摄像机34上方设有照明灯35且照明灯35和CCD摄像机34分别通过支架固定在立杆上，CCD摄像机34通过数据传输线33和图像采集卡与上位机31相连接，上位机31通过数据传输线33与照明灯35相连接，照明灯用于增强综采工作面火灾烟气运移仿真试验装置的亮度。

如图3所示，所述烟气释放调节组件包括产烟箱21，产烟箱21内设有发烟饼22，产烟箱21与烟气电加热箱23相连通，烟气电加热箱23内设有烟气电加热板24，烟气电加热箱23与烟气调流管26相连通，烟气调流管26上设有烟气调节阀25，如图2所示，烟气调流管26通过若干组烟气输送管27分别与模拟实验主体平台内的综采工作面框架和进风巷道11相连通，烟气输送管27上设有烟气输送管开关28；所述烟气电加热板24与上位机31相连接。

进风巷道11和回风巷道12下部均设有倾角调节组件，所述倾角调节组件包括螺旋支座43，螺旋支座43设置在进风巷道11和回风巷道12的下部，螺旋支座固定在操作台上。倾角调节组件由设置在模拟实验主体平台的四个角处的螺旋支座43构成，通过调整螺旋支座高度进而调节综采工作面框架倾斜角度。

回风巷道12与烟气流动控制组件相连通，烟气流动控制组件包括小型抽风机41，小型抽风机41通过烟气回流管42与回风巷道12相连通；所述小型抽风机41通过数据传输线33与上位机31相连接，利用小型抽风机由计算机控制，用于使回风巷道内产生负压，以控制综采工作面内烟气运移速率；所述综采工作面13、采空区14、进风巷道11和回风巷道12内均设有环境监控组件，环境监控组件包括烟气温度传感器36和烟气浓度传感器37，烟气温度传感器36和烟气浓度传感器37均分布在进风巷道、综采工作面、采空区以及回风巷道中的不同位置处，其中进风巷道、综采工作面和回风巷道内各布置一排，沿风流方向一字排开均匀布置，采空区内部分别布置六排温度和烟气浓度传感器，沿风流流动方向均匀布置且沿纵深方向其间距以逐渐递增方式布置，烟气温度传感器36和烟气浓度传感器37均通过数据传输线33与烟气浓度温度数据采集卡32相连接，烟气浓度温度数据采集卡32与上位机31相连接。

实施例2，如图5和图6所示，一种综采工作面火灾烟气运移仿真试验系统的工作方法，包括以下步骤：

S1，首先打开进风巷道内的阀门，工作人员调整综采工作面框架下部的螺旋支座43高度，用于设置综采工作面的倾斜角度；

S2，接通电源，通过上位机31依次打开小型抽风机41、CCD摄像机34、烟气浓度温度数据采集卡32、烟气电加热板24和照明灯35；通过上位机控制小型抽风机41将综采工作面内风流设置为初始风速，其范围为1 m/s ~6 m/s，将CCD摄像机调整到初始角度，将烟气电加热板24调整到初始温度，其范围为100℃~200℃，即通过上位机31控制小型抽风机41达到初始风速、烟气电加热板24达到初始加热温度、照明灯35达到初始照明亮度，同时手动调节各CCD摄像机34的拍摄角度分别对准综采工作面、进风巷道和回风巷道；

S3，当进风巷道11、综采工作面13以及回风巷道12内风流稳定后，手动打开烟气调节阀25阀门和烟气输送管开关28，在小型抽风机41负压的作用下，烟气将自动流入到综采工作面框架内；

S4，由烟气浓度温度数据采集卡32将综采工作面内烟气温度传感器36和烟气浓度传感器37实时采集的烟气温度、烟气浓度数据传输到上位机31，上位机31将烟气温度和烟气浓度随时间变化的数据以曲线图的方式在显示屏上显示；

S5，通过上位机31调节小型抽风机41的抽风速度、手动调节螺旋支座43调整综采工作面13倾角，其倾角范围为10°~30°、手动打开不同位置处的烟气输送管开关28，重复步骤S3~S4，得出不同的实验条件下综采工作面火灾烟气运移规律；

S6，根据烟气浓度温度数据采集卡32所采集的温度场数据和浓度场数据，根据差值的方法对温度和浓度数据进行差值处理，利用Matlab软件绘制模拟综采工作面火灾烟气温度场演化规律、烟气浓度场演化规律。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。