矿井热动力灾害多参数时空演化分析实验台的制作方法

本发明属于矿井热动力灾害模拟技术领域，具体涉及一种矿井热动力灾害多参数时空演化分析实验台。

背景技术：

煤矿热动力灾害的发生演化机理极其复杂，具有突发性强、灾情发展迅速、人员伤亡和财产损失巨大、救灾困难、容易引起二次伤害等特点。在救援过程中，煤矿井下可能会发生多种继发灾害，例如灾害产生的高温明火随时可能会阻断救灾人员出入灾区的路线，并且造成灾区通风紊乱，使得灾区环境极不稳定，随时可能会发生瓦斯爆炸。与此同时，也极大地增加了灾情的模糊性和难预测性，使得救援决策非常关键，但难度又极大。因此，通过研究矿井热动力灾害救援过程中，井下灾区及相连区域巷道内温度、气体组份等物理量随时间变化的过程，掌握全矿井范围内温度场、气体组份场的时空演化规律，判定高温热害、明火、继发性瓦斯爆炸可能会存在或波及的位置和时间，对指挥决策者及时制定科学、合理的救援方案具有重要的理论指导意义。

然而，由于热动力灾害的特殊性，现有研究对煤矿热动力灾害多参数的时空演化规律多采用数值模拟的手段来开展的。在实验方面，尚未建立专门的全尺寸实验矿井和大型物理相似实验台，大多只是研究矿井的一个较小的区域(如单个工作面、或一小段巷道)内灾害的传播过程，因此在全矿井范围内的热动力灾害多参数时空演化规律方面的研究有较大的不足。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种矿井热动力灾害多参数时空演化分析实验台，其设计新颖合理，根据具体矿井的巷道实际布置情况和通风情况，可测试多种不同通风量、不同灾害发生的位置下，热动力灾害产生时空变化过程，具有参考和指导功能，便于推广使用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：矿井热动力灾害多参数时空演化分析实验台，其特征在于：包括用于模拟矿井热动力灾害的实验台装置和对所述实验台装置产生的多参数进行时空演化分析的实验控制终端，所述实验台装置包括实验台骨架、设置在实验台骨架内的桩承台和安装在所述桩承台上的巷道模拟模块，所述巷道模拟模块上设置有用于模拟矿井坍塌程度同时模拟矿井巷道风门的开关阀、用于模拟矿井通风设施的风机和用于模拟矿井热动力灾害发生的执行机构，所述巷道模拟模块内设置有用于采集矿井热动力灾害参数的灾害检测机构，所述灾害检测机构包括外壳和设置在所述外壳上的传感器组件，所述外壳上安装有电极针组，电极针组包括两个相对安装的电极针，灾害检测机构和开关阀的数量均为多个；

所述巷道模拟模块包括模拟主井巷道、与模拟主井巷道相平行的模拟副井巷道、用于模拟采矿区域的模拟采区巷道、与所述模拟采区巷道连接的主回风巷道和与所述模拟采区巷道共面且相交的运输大巷道，模拟主井巷道、模拟副井巷道、主回风巷道、所述模拟采区巷道和运输大巷道通过联络巷道相互连通；所述模拟采区巷道包括工作面巷道、工作面回风巷道和工作面进风巷道，运输大巷道与工作面巷道相平行设置且与工作面回风巷道和所述工作面进风巷道均相交，运输大巷道的数量为多个，风机安装在主回风巷道上；

执行机构包括具有两个输入管和一个输出管的输送管、安装在输送管一个输入管上的烟气发生器、安装在输送管另一个输入管上且用于模拟瓦斯源的高压气瓶和安装在输送管输出管上的加热器；

所述桩承台包括多个支桩，支桩包括伸缩支架、安装在伸缩支架上的云台和安装在云台上用于锁紧巷道模拟模块的卡扣环；

所述实验控制终端包括操作主机和与操作主机相接用于处理所述传感器组件采集数据的数据采集器，操作主机的输出端接有用于控制电极针组通电产生电弧放热的继电器和用于云台转动调节方位的云台驱动模块，云台驱动模块的数量为多个且与多个云台一一对应，风机、开关阀、烟气发生器和高压气瓶均与操作主机的输出端相接且由操作主机控制。

上述的矿井热动力灾害多参数时空演化分析实验台，其特征在于：所述模拟主井巷道、模拟副井巷道、主回风巷道、所述模拟采区巷道、运输大巷道和联络巷道均由多个节管拼接而成，多个节管之间均通过快速接头连接，所述节管为耐高温抗爆钢管。

上述的矿井热动力灾害多参数时空演化分析实验台，其特征在于：所述操作主机通过通信模块与数据采集器相接，所述通信模块包括与数据采集器相接的第一通信模块和与操作主机相接的第二通信模块，第一通信模块和第二通信模块均为有线通信模块或无线通信模块。

上述的矿井热动力灾害多参数时空演化分析实验台，其特征在于：所述传感器组件包括感知所述巷道模拟模块内气压的压力传感器、检测所述巷道模拟模块内气体成分的气体传感器、检测所述巷道模拟模块内风速的风速传感器和感知所述巷道模拟模块内温度参数的温度传感器，所述气体传感器包括瓦斯传感器、氧气传感器、一氧化碳传感器和二氧化碳传感器。

上述的矿井热动力灾害多参数时空演化分析实验台，其特征在于：所述输送管的一个输入管上且位于烟气发生器的输出端安装有烟气流量计和烟气开关，所述输送管的另一个输入管上且位于高压气瓶的输出端安装有瓦斯流量计和瓦斯减压阀，所述输送管的输出管上且位于加热器的输出端安装有总流量计。

上述的矿井热动力灾害多参数时空演化分析实验台，其特征在于：所述实验台骨架为立方体钢架。

上述的矿井热动力灾害多参数时空演化分析实验台，其特征在于：所述桩承台还包括多个供伸缩支架安装的桩基，所述桩基的数量大于伸缩支架的数量。

上述的矿井热动力灾害多参数时空演化分析实验台，其特征在于：所述伸缩支架的侧壁上沿伸缩支架的长度方向上依次设置有多个用于固定云台的安装孔。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明采用多个支桩组成桩承台，其中，桩承台中的每个支桩均采用伸缩支架安装云台的形式，可自由旋转调节巷道模拟模块的倾角和位置，模拟真实的矿井煤层巷道环境，每个支桩均采用卡扣环将巷道模拟模块固定好，便于推广使用。

2、本发明按照一定比例加工制作每类巷道的长度和直径，采用节管拼接巷道，每类巷道均以快速接头的方式连接，气密性良好；在巷道模拟模块上安装开关阀，通过控制开关阀开度模拟巷道不同的坍塌程度，控制简单，可靠稳定，使用效果好。

3、本发明通过控制风机运行调整风扇转速来调节矿井总通风量，确定矿井总通风量对热动力灾害的影响；通过控制烟气发生器运行调整烟气输出量及输出温度，确定一定温度的烟气量对热动力灾害的影响；通过瓦斯减压阀控制高压气瓶运行调整瓦斯输出量，通过加热器为输出的瓦斯升温，确定一定温度的瓦斯量对热动力灾害的影响；烟气和瓦斯均采用电加热的方式，可快速提高模拟烟气和模拟瓦斯的温度，采用传感器组件检测巷道模拟模块多个关键参数，为了保证采集的信息传输的稳定性和可靠性，所有传感器采集到的信息将通过无线或有线的方式实时传输到操作主机，实现模拟热动力灾害发生后多种可能情况下的全矿井热动力灾害多参数时空变化过程。

4、本发明设计新颖合理，根据某一矿井的实际巷道布置和通风情况，按照一定比例搭建，更加贴近真实巷道和灾变情况，采用物理相似原理按照一定比例搭建，更加贴近真实巷道和灾变情况，针对矿井内灾害的传播过程做实时监控，获取可靠数据，并可借助操作主机进行数据分析，更加科学准确地掌握多种情况下全矿井范围内热动力灾害多参数的时空演化规律，分析结果对矿井热动力灾害的预防、应急预案的编制和救援工作的开展具有很好的参考和指导意义，便于推广使用。

5、本发明自由度好、组合性强、搭建自由和拆卸方便，实验数据自动采集、传输和存储，自动化程度高，操作简单、实用性强，具有较好的推广价值。

综上所述，本发明设计新颖合理，根据具体矿井的巷道实际布置情况和通风情况，可测试多种不同通风量、不同灾害发生的位置下，热动力灾害产生时空变化过程，具有参考和指导功能，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实验台装置的结构示意图。

图2为本发明支桩的结构示意图。

图3为本发明执行机构的结构示意图。

图4为本发明实验控制终端、灾害检测机构、电极针组、风机、开关阀、烟气发生器和高压气瓶的电路连接关系示意图。

附图标记说明:

1—实验台骨架； 2—支桩； 2-1—伸缩支架；

2-2—安装孔； 2-3—云台； 2-4—卡扣环；

2-5—云台驱动模块； 3-1—工作面巷道； 3-2—工作面回风巷道；

3-3—模拟副井巷道； 3-4—模拟主井巷道； 3-5—运输大巷道；

3-6—快速接头； 3-7—联络巷道； 3-8—主回风巷道；

4—灾害检测机构； 4-1—压力传感器； 4-2—气体传感器；

4-3—风速传感器； 4-4—温度传感器； 5—风机；

6—开关阀； 7—执行机构； 7-1—输送管；

7-2—烟气发生器； 7-3—烟气流量计； 7-4—烟气开关；

7-5—加热器； 7-6—总流量计； 7-7—高压气瓶；

7-8—瓦斯流量计； 7-9—瓦斯减压阀； 8—数据采集器；

9—第一通信模块； 10—第二通信模块； 11—操作主机；

12—电源模块； 13—继电器； 14—电极针组。

具体实施方式

如图1至图4所示，本发明包括用于模拟矿井热动力灾害的实验台装置和对所述实验台装置产生的多参数进行时空演化分析的实验控制终端，所述实验台装置包括实验台骨架1、设置在实验台骨架1内的桩承台和安装在所述桩承台上的巷道模拟模块，所述巷道模拟模块上设置有用于模拟矿井坍塌程度同时模拟矿井巷道风门的开关阀6、用于模拟矿井通风设施的风机5和用于模拟矿井热动力灾害发生的执行机构7，所述巷道模拟模块内设置有用于采集矿井热动力灾害参数的灾害检测机构4，所述灾害检测机构4包括外壳和设置在所述外壳上的传感器组件，所述外壳上安装有电极针组14，电极针组14包括两个相对安装的电极针，灾害检测机构4和开关阀6的数量均为多个；

所述实验控制终端包括操作主机11和与操作主机11相接用于处理所述传感器组件采集数据的数据采集器8，操作主机11的输出端接有用于控制电极针组14通电产生电弧放热的继电器13和用于云台2-3转动调节方位的云台驱动模块2-5，云台驱动模块2-5的数量为多个且与多个云台2-3一一对应，风机5、开关阀6、烟气发生器7-2和高压气瓶7-7均与操作主机11的输出端相接且由操作主机11控制；

所述桩承台包括多个支桩2，支桩2包括伸缩支架2-1、安装在伸缩支架2-1上的云台2-3和安装在云台2-3上用于锁紧巷道模拟模块的卡扣环2-4；

本实施例中，所述实验台骨架1为立方体钢架。

如图1所示，本实施例中，所述桩承台还包括多个供伸缩支架2-1安装的桩基，所述桩基的数量大于伸缩支架2-1的数量。

如图2所示，本实施例中，所述伸缩支架2-1的侧壁上沿伸缩支架2-1的长度方向上依次设置有多个用于固定云台2-3的安装孔2-2。

本实施例中，在立方体钢架内底部设置阵列式桩基，用于固定伸缩支架2-1，实际使用根据某一矿井的实际环境，考察其煤层、方位、倾斜角和规模，选择合适的桩基位置安装伸缩支架2-1，安装方便，拆卸便捷，可重复使用，根据实际矿井的情况调节每个伸缩支架2-1的高度并通过实验控制终端调整安装在伸缩支架2-1上的云台旋转角度，实现模拟煤层巷道的倾斜的调整，其中，安装孔2-2便于云台2-3固定，卡扣环2-4锁紧巷道模拟模块。

如图4所示，本实施例中，所述传感器组件包括感知所述巷道模拟模块内气压的压力传感器4-1、检测所述巷道模拟模块内气体成分的气体传感器4-2、检测所述巷道模拟模块内风速的风速传感器4-3和感知所述巷道模拟模块内温度参数的温度传感器4-4，所述气体传感器4-2包括瓦斯传感器、氧气传感器、一氧化碳传感器和二氧化碳传感器。

本实施例中，在所述巷道模拟模块多处安装灾害检测机构4用于检测所述巷道模拟模块内不同位置的瓦斯、氧气、一氧化碳和二氧化碳的实时浓度，以及所述巷道模拟模块内不同位置的通风量、温度和气体压力，可以完成对不同关键位置的热动力灾害多个物理量的实时监测，对于实际矿井巷道而言，煤矿救护规程规定，巷道空气温度超过65℃时在非救人情况下严禁救护队员进入灾区；实时检测巷道空气内瓦斯和氧气浓度是否达到爆炸极限范围的情况，当达到巷道空气内瓦斯和氧气浓度的混合气体达到爆炸极限达到爆炸极限时，操作主机11可控制继电器13跳闸，接通电源模块12为电极针组14供电，电极针组14为两个相对安装的电极针，两个相对安装的电极针采用尖端放电的原理，产生电弧，造成继发性瓦斯爆炸矿井热动力灾害，通过多个所述传感器组件采集所述巷道模拟模块多处参数，根据采样时间判断继发性瓦斯爆炸矿井热动力灾害发生的位置，并获取各气体浓度参数。

所述巷道模拟模块包括模拟主井巷道3-4、与模拟主井巷道3-4相平行的模拟副井巷道3-3、用于模拟采矿区域的模拟采区巷道、与所述模拟采区巷道连接的主回风巷道3-8和与所述模拟采区巷道共面且相交的运输大巷道3-5，模拟主井巷道3-4、模拟副井巷道3-3、主回风巷道3-8、所述模拟采区巷道和运输大巷道3-5通过联络巷道3-7相互连通；所述模拟采区巷道包括工作面巷道3-1、工作面回风巷道3-2和工作面进风巷道，运输大巷道3-5与工作面巷道3-1相平行设置且与工作面回风巷道3-2和所述工作面进风巷道均相交，运输大巷道3-5的数量为多个，风机5安装在主回风巷道3-8上；

本实施例中，根据实际矿井确定采区长度，选择合适的工作面巷道3-1长度、工作面回风巷道3-2长度和工作面进风巷道长度，若采区长度过长可在采区上设置多个运输大巷道3-5，模拟主井巷道3-4、模拟副井巷道3-3、主回风巷道3-8、所述模拟采区巷道、运输大巷道3-5和联络巷道3-7均通过多个支桩2支撑固定；在主回风巷道3-8上安装风机5，风机5采用轴流抽出式通风机，用于模拟真实矿井的主要通风机，该风机安装有变速器，可调整风扇转速来调节风量；该风机的扇叶的角度可调，可实现风机的负压供风量；通过变速器和扇叶的双重调节，可以有效地增大风机运行的稳定性和负压风量调节的范围，实际使用中，通过改变风机风量可以模拟风机不同程度损坏情况下的通风情况对矿井热动力灾害发生后带来的影响。

本实施例中，通过在主回风巷道3-8、所述模拟采区巷道、运输大巷道3-5和联络巷道3-7上均安装开关阀6，同时开关阀6的位置可改变，可以模拟不同位置处巷道因不同程度的坍塌而造成的通风量变化的情况以及对矿井热动力灾害发生后带来的影响。

需要说明的是，本实验台中的风机5还可通过操作主机11的控制进行反转，反转风机5的通风扇叶的旋转方向，可实现正压压入式通风，模拟此类矿井的通风情况，功能完备。

实际使用中，开关阀6可用于模拟矿井坍塌程度同时模拟矿井巷道风门，根据实际矿井的通风路线情况调整实验台的通风系统，开关阀6还可采用手动控制，当不需要实现自动控制开关阀6工作时，可断开操作主机11对开关阀6的控制，采用人工手动控制各个开关阀6的开度，模拟矿井坍塌程度，调整实验台的通风系统。

如图1所示，本实施例中，所述模拟主井巷道3-4、模拟副井巷道3-3、主回风巷道3-8、所述模拟采区巷道、运输大巷道3-5和联络巷道3-7均由多个节管拼接而成，多个节管之间均通过快速接头3-6连接，所述节管为耐高温抗爆钢管。

本实施例中，多个节管之间均通过快速接头3-6连接，保证所述巷道模拟模块的气密性良好。

执行机构7包括具有两个输入管和一个输出管的输送管7-1、安装在输送管7-1一个输入管上的烟气发生器7-2、安装在输送管7-1另一个输入管上且用于模拟瓦斯源的高压气瓶7-7和安装在输送管7-1输出管上的加热器7-5；

如图3所示，本实施例中，所述输送管7-1的一个输入管上且位于烟气发生器7-2的输出端安装有烟气流量计7-3和烟气开关7-4，所述输送管7-1的另一个输入管上且位于高压气瓶7-7的输出端安装有瓦斯流量计7-8和瓦斯减压阀7-9，所述输送管7-1的输出管上且位于加热器7-5的输出端安装有总流量计7-6。

本实施例中，执行机构7的位置可选，通过确定执行机构7的位置向所述巷道模拟模块涌入瓦斯或烟气，其中，可通过烟气开关7-4和瓦斯减压阀7-9选择性的选择上涌入烟气或瓦斯或是同时涌入烟气和瓦斯，当单一的涌入烟气时，打开烟气开关7-4，关闭瓦斯减压阀7-9，通过烟气流量计7-3记录烟气发生器7-2输出的烟气量，可通过操作主机11控制烟气发生器7-2不同速度涌出烟气的情况，通过是否使用加热器7-5对烟气加热，可以模拟有源火灾和无源火灾情况下的热动力灾害多参数的时空变化过程，有源火灾为灾变后有持续火源存在，持续产生热效应和烟气的情况，使用加热器7-5持续对烟气加热时模拟有源火灾发生的情况，无源火灾为灾变后不存在持续火源，没有热效应和持续烟气的情况；

当单一的涌入瓦斯时，打开瓦斯减压阀7-9，关闭烟气开关7-4，通过瓦斯流量计7-8记录烟气流量计7-3输出的瓦斯量，可通过操作主机11控制烟气流量计7-3不同速度涌出瓦斯的情况，通过是否使用加热器7-5对瓦斯加热，可以模拟有源火灾和无源火灾情况下的热动力灾害多参数的时空变化过程；

当同时涌入烟气和瓦斯时，打开瓦斯减压阀7-9和烟气开关7-4，通过总流量计7-6和是否使用加热器7-5，可以模拟有源火灾和无源火灾情况下的热动力灾害多参数的时空变化过程。

如图4所示，本实施例中，所述操作主机11通过通信模块与数据采集器8相接，所述通信模块包括与数据采集器8相接的第一通信模块9和与操作主机11相接的第二通信模块10，第一通信模块9和第二通信模块10均为有线通信模块或无线通信模块。

本发明使用时，当第一通信模块9和第二通信模块10均采用有线通信模块时，数据传输稳定，操作主机11记录模拟巷道内不同位置处热动力灾害多参数随时间的变化过程，实现多参数时空演变分析；当第一通信模块9和第二通信模块10均采用无线通信模块时，布线简单，数据传输方便，同时操作主机11记录热动力灾害多参数的时空随时间的变化过程，实现多参数时空演变分析，分析结果对矿井热动力灾害的预防、应急预案的编制和救援工作的开展具有很好的参考和指导意义。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。