CN113049286B - 一种综掘面多场耦合动态追踪相似模拟系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种综掘面多场耦合动态追踪相似模拟系统及方法，包括实验台上固设可视模拟巷道，可视模拟巷道中装配综掘面仿真设备模型，可视模拟巷道贴合送尘台，送尘台内装配发尘设备，导轨移动机构驱动连接位于巷道内腔的压风组合管，压风组合管连接第一风机；发尘设备包括第一电机调速控制器和送尘用步进调速电机，送尘用步进调速电机驱动连接螺旋输送轴，螺旋输送轴穿入送尘管，送尘管的上方架设储尘罐，储尘罐的出尘口与送尘管的接尘口相对接，送尘管的送尘口上套接发尘截割头，发尘截割头由微型步进调速电机驱动连接，微型步进调速电机由第二电机调速控制器电控连接，发尘截割头上开通若干小孔，小孔与可视模拟巷道的巷道内腔相连通。

Description

一种综掘面多场耦合动态追踪相似模拟系统及方法

技术领域

本发明属于开采作业技术领域，涉及一种综掘面控除尘系统或方法，特别是一种综掘面多场耦合动态追踪相似模拟系统及方法。

背景技术

煤炭是人类社会赖以生存和发展的重要自然资源，对国民经济和国际核心竞争力的发展举足轻重。近年来，随着煤矿机械化、自动化程度不断提高，巷道掘进技术得到了快速发展，综合机械化掘进的广泛应用使得掘进效率不断提高，同时也使得综掘工作面截割作业产生的粉尘污染问题愈发突出，严重威胁了矿工职业安全健康和矿井安全高效生产。综掘面空间狭小、生产环境特殊，粉尘的治理工作难度较大，如果不采取任何措施，综掘机掘进时在迎头区域产生的瞬时粉尘浓度可高达6000mg/m³，在采取常规控除尘措施后，综掘面迎头区域的粉尘浓度仍难以符合国家规定的安全标准，综掘面人员作业区域环境仍然相当恶劣。据统计，在我国煤矿的尘肺病患者中掘进工人占到80％左右，煤矿肺癌患者中有85％以上是综掘工作面作业人员。改善综掘面作业环境，减少粉尘危害已成为煤炭高强度开采亟需解决的前沿技术和难题。

国内外学者通常运用数值模拟、实验分析及现场测试等方法针对综掘面研发粉尘控制技术及装备，目前通过模拟巷道进行实验是研究控除尘技术的理想途径，但是现有模拟实验装置结构简单，功能缺乏，无法满足真实掘进现场的模拟和研究需求。主要体现在无法产生贴合现场的截割头旋转发尘状态，不能实现掘进全过程的风流-粉尘耦合动态追踪，没有适当的方式采集分析各时刻不同位置的实验数据，对实验空间的清洁与安全考虑较少，难以系统、直观地控制并展示多种技术条件及参数下模拟综掘作业空间内的粉尘扩散状况，无法为新式控除尘技术及装备的工业化推广提供实际可靠的验证平台及方法，难以达到推进煤矿井下粉尘防治革命性突破的根本目的。

因此，现有技术有待于更进一步的改进和发展。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提出了一种综掘面多场耦合动态追踪相似模拟系统及方法，以切实满足掘进现场模拟和研究需求。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种综掘面多场耦合动态追踪相似模拟系统，包括实验台，所述实验台上固设具有巷道内腔的可视模拟巷道，所述可视模拟巷道的巷道内腔中装配综掘面仿真设备模型，所述可视模拟巷道的一端紧密贴合送尘台，所述送尘台内装配发尘设备，所述可视模拟巷道的外侧设置导轨移动机构，所述导轨移动机构驱动连接位于所述巷道内腔的压风组合管，所述压风组合管连接第一风机；所述发尘设备包括呈电控连接的第一电机调速控制器和送尘用步进调速电机，所述送尘用步进调速电机驱动连接具有绞龙叶片的螺旋输送轴，所述螺旋输送轴穿入送尘管，所述送尘管的上方架设储尘罐，所述储尘罐底端的出尘口与所述送尘管上部的接尘口相对接，所述送尘管的送尘口上套接发尘截割头，所述发尘截割头由微型步进调速电机驱动连接，所述微型步进调速电机由第二电机调速控制器电控连接，所述发尘截割头上开通若干小孔，所述小孔与所述可视模拟巷道的巷道内腔相连通；所述综掘面仿真设备模型包括由前至后顺次衔接的综掘机模型、桥式转载破碎机模型和皮带输送机模型，所述皮带输送机模型上设置移动矿车模型，所述移动矿车模型上设置除尘风机模型，所述除尘风机模型包括中空壳体，所述中空壳体通过通风管连接第二风机，所述综掘机模型及所述桥式转载破碎机模型上方通过若干风筒支架模型支撑有抽风筒模型，所述抽风筒模型通过通风管连接第三风机。

在上述的综掘面多场耦合动态追踪相似模拟系统中，所述皮带输送机模型包括呈延续拼接的皮带输送机模型前段和皮带输送机模型后段，所述综掘机模型的末端与所述桥式转载破碎机模型的前端相搭接，所述皮带输送机模型前段的前端承托于所述桥式转载破碎机模型的末端下方。

在上述的综掘面多场耦合动态追踪相似模拟系统中，所述导轨移动机构包括与所述可视模拟巷道相平行的直线导轨滑台，所述直线导轨滑台内穿设丝杠，所述丝杠由滑台用步进调速电机驱动连接，所述丝杠上通过螺纹套接滑块，所述滑块与所述直线导轨滑台形成直线滑移连接，所述实验台内还设置电控箱和运动控制器，所述电控箱和运动控制器通过线路连接所述滑台用步进调速电机；所述压风组合管包括依次衔接的压风筒、伸缩风筒和通风弯折管，所述通风弯折管的末端连接所述第一风机，所述伸缩风筒的外周套设支撑管，所述滑块与所述压风筒之间通过若干连接件相固连，所述可视模拟巷道沿长度方向开设移距条隙，若干所述连接件贯穿所述移距条隙形成导向移动连接。

在上述的综掘面多场耦合动态追踪相似模拟系统中，所述实验台的旁侧设置除尘设备，所述除尘设备包括立式双臂除尘器，所述立式双臂除尘器的两侧分别连接两根万向管，其一万向管一端设有矩形吸尘罩，所述矩形吸尘罩位于所述可视模拟巷道的后方，另一万向管一端设有圆形吸尘口，所述圆形吸尘口连通所述实验台内部，所述除尘设备还包括手持式吸尘器，所述手持式吸尘器置于实验台内部，所述手持式吸尘器的前端设有圆刷吸嘴，所述圆刷吸嘴具有小口径，所述小口径上固连若干细刷毛。

在上述的综掘面多场耦合动态追踪相似模拟系统中，所述实验台的旁侧还设置测试分析装置，所述测试分析装置包括高速摄像机和计算机，所述高速摄像机的镜头对准可视模拟巷道的前端，所述高速摄像机通过电信号与所述计算机形成数据交互；还包括若干测尘管，所述可视模拟巷道上开设若干测尘孔，若干所述测尘管一一对应固设在若干所述测尘孔内，所述测尘管下端通过软管连接粉尘采样器；还包括若干台热敏风速仪，所述热敏风速仪装有探杆，所述探杆一端为手柄，另一端为热敏探头，所述可视模拟巷道上开设若干测风孔，所述探杆的热敏探头通过所述测风孔伸入可视模拟巷道的巷道内腔。

在上述的综掘面多场耦合动态追踪相似模拟系统中，所述实验台内还放置煤样箱、破碎机、筛网、电子天平、煤粉箱及工具箱。

一种适用于所述系统的综掘面多场耦合动态追踪相似模拟方法，包括以下步骤：

1)、首先确定需要模拟的综掘现场的压、抽风速及风筒截面积，分别按照综掘巷道的等比例缩小倍数进行缩小，再分别计算出系统所需压、抽风量，忽略漏风率时，除尘风机模型出口风量等于抽风量；

2)、将需要模拟的综掘现场粉尘粒径换算成实验所需粉尘粒径，将满足研究需求的煤粉从煤粉箱中取出，打开储尘罐的罐盖，向储尘罐内均匀倒入定量的煤粉，通过第一电机调速控制器显示并控制送尘用步进调速电机转速，带动螺旋输送轴及绞龙叶片转动，煤粉随着螺旋输送轴的转动在送尘管内均匀输送，直至落入发尘截割头的空腔内，通过第二电机调速控制器显示并控制微型步进调速电机转速，发尘截割头在微型步进调速电机驱动下快速旋转，在离心力作用下从周侧的小孔均匀发射粉尘，最终将粉尘送入可视模拟巷道内部；

3)、由电控箱及运动控制器控制滑台用步进调速电机的转动方向及转速，驱动直线导轨滑台上的滑块以适当的速度前/后移动，滑块通过连接件带动压风筒，并通过伸缩风筒的伸缩使压风筒以适当的速度前后移动；由此第一风机通过通风管向伸缩风筒及压风筒供风，实现压风筒的自动化运移，改变压风筒出风口与截割作业面的距离，以此模拟随着现场中综掘机向前截割，截割作业面不断向前推进过程的通风状态，从而模拟出综掘机掘进全过程的粉尘扩散运移情况；

4)、启动第二风机通过除尘风机模型向巷道后方压入无尘气流，启动第三风机通过抽风筒模型抽吸含尘气流，从而对可视模拟巷道内部进行乏风抽出、除尘排风，等待风流场在可视模拟巷道内部稳定。

在上述的综掘面多场耦合动态追踪相似模拟方法中，在步骤2)中，实验所需粉尘是通过破碎机将取自煤样箱的煤块破碎成煤粉，之后通过不同目数的筛网筛选出多种粒径的煤粉，储存在多个煤粉袋中，通过电子天平称重后贴上标签，再将煤粉袋放置在煤粉箱里，最后放置到实验台内以供取用。

在上述的综掘面多场耦合动态追踪相似模拟方法中，通过高速摄像机拍摄各时刻不同位置的风流-粉尘耦合扩散状况，通过配套的计算机进行影像分析，实现对综掘面风流-粉尘耦合场的动态追踪；粉尘采样器、热敏风速仪通过位于可视模拟巷道内部的测尘管、测风管测试系统中人员作业点的粉尘浓度、风速、风温、湿度数据，并换算为真实现场的实验数据，满足掘进现场的模拟和研究需求。

在上述的综掘面多场耦合动态追踪相似模拟方法中，通过立式双臂除尘器一方面吸取从可视模拟巷道后方逸出的微量粉尘，一方面直接吸取第三风机抽出的含尘气流，在模拟除尘风机净化气流的同时，保证实验环境的安全与清洁；另外实验结束后将可视模拟巷道拆开，使用手持式吸尘器的圆刷吸嘴对可视模拟巷道内部吸尘，抽吸的同时用刷毛清洁，将附着在可视模拟巷道及综掘面仿真设备模型上的粉尘清理干净，实现系统的重复使用。

与现有技术相比，本综掘面多场耦合动态追踪相似模拟系统及方法具有以下优点：

通过可视模拟巷道及综掘面仿真设备模型实现井下综掘作业空间及设备形状、尺寸的等比例缩小及可视化，各功能模块布局合理有序，提供了系统的模拟方法与完备的实验过程，可形成贴合现场的截割头旋转发尘状态及模拟综掘作业空间内各种通风方式下的风流场，结合风筒的运移实现掘进全过程的风流-粉尘耦合动态追踪，可采集并分析各时刻不同位置的风速、粉尘浓度等多项实验数据，同时保证实验空间的清洁安全，并能自动化控制实验过程、数字化显示与控制关键参数，系统、直观地控制并展示不同时刻、不同截割距离、不同空间位置、不同通风方式、不同压抽风量等多种技术条件及参数下模拟综掘作业空间内的粉尘扩散状况。可为新式控除尘技术及装备的工业化推广提供实际可靠的验证平台及方法，以助力煤矿井下粉尘防治研究取得革命性突破。

附图说明

图1为本发明中综掘面多场耦合动态追踪相似模拟系统的全局示意图；

图2为本发明中综掘面多场耦合动态追踪相似模拟系统的侧面全局示意图；

图3为本发明中可视模拟巷道的示意图；

图4为本发明中综掘面仿真设备模型的全局示意图；

图5为本发明中送尘台的示意图；

图6为本发明中发尘设备的结构示意图；

图7为本发明中综掘面多场耦合动态追踪相似模拟系统一个局部视角下的示意图；

图8为本发明中导轨移动机构一个局部视角下的示意图；

图9为本发明中实验台中实验柜体的对接示意图；

图10为本发明中测试分析装置及实验设备的全局示意图；

图11为本发明中综掘面多场耦合动态追踪相似模拟系统另一个局部视角下示意图；

图12为本发明中可视模拟巷道末端的示意图；

其中，1-可视模拟巷道；101-可视模拟巷道前段；102-模拟底板前段；103-透明加固板；104-可视模拟巷道后段；105-模拟底板后段；106-透明加固板；107-移距条隙；108-刻度标尺；109-走管孔；110-走管孔；111-走管孔；112-测尘孔；113-测风孔；114-内走线孔；115-外走线孔；

2-综掘面仿真设备模型；201-综掘机模型；202-桥式转载破碎机模型；203-皮带输送机模型前段；204-皮带输送机模型后段；205-除尘风机模型；206-抽风筒模型；207-风筒支架模型；208-通风管；209-通风管；210-移动矿车模型；

3-送尘台；301-透明罩；302-前侧板；303-后侧板；304-隔板；305-底板；306-柜门；307-送尘孔；308-槽；309-顶窗；310-侧窗；311-走线孔；

4-发尘设备；401-送尘用步进调速电机；402-第一电机调速控制器；403-送尘管；404-螺旋输送轴；405-绞龙叶片；406-储尘罐；407-凸起；408-罐盖；409-铰链；410-发尘截割头；411-微型步进调速电机；412-第二电机调速控制器；

5-导轨移动机构；501-直线导轨滑台；502-滑台用步进调速电机；503-电控箱；504-运动控制器；505-滑块；506-连接件；507-压风筒；508-凸起；509-伸缩风筒；510-支撑管；511-通风管；512-线路；

6-除尘设备；601-立式双臂除尘器；602-矩形吸尘罩；603-圆形吸尘口；604-手持式吸尘器；605-圆刷吸嘴；

7-实验台；701-实验柜体；702-实验柜体；703-刹车万向轮；704-通风孔；705-矩形窗口；706-圆形窗口；707-托管架；708-走管孔；

801-高速摄像机；802-测尘管；803-软管；804-粉尘采样器；805-热敏风速仪；806-底座；807-探杆；808-支架；809-计算机；

901-第三风机；902-第二风机；903-第一风机；904-变径口；905-风机调速控制器；906-煤样箱；907-破碎机；908-筛网；909-电子天平；910-煤粉箱；911-工具箱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：

本发明提供了一种综掘面多场耦合动态追踪相似模拟系统，如图1、图2所示的，主要包括实验台7，实验台7上放置可视模拟巷道1、综掘面仿真设备模型2、送尘台3、发尘设备4、导轨移动机构5等。其中，送尘台3固定在实验台7的前端，可视模拟巷道1放置在送尘台3后方，并与送尘台3的后侧面紧密贴合，综掘面仿真设备模型2均固定在可视模拟巷道1内部，发尘设备4主要安装在送尘台3内，部分安装在综掘面仿真设备模型2前端，导轨移动机构5主要放置在可视模拟巷道1的一侧。由可视模拟巷道1及综掘面仿真设备模型2组成的模拟巷道空间为等比例缩小的井下综掘作业空间，风流、粉尘在可视化模拟巷道空间内耦合扩散。

如图3所示，可视模拟巷道1包括可视巷道前段101、可视巷道后段104，可视巷道前段101及可视巷道后段104均为由三块透明板组合而成，前、后段首尾对接，模拟综掘巷道的顶板及侧壁，可视巷道前段101放置在模拟底板前段102上，可视巷道后段104放置在模拟底板后段105上，模拟底板前段102及模拟底板后段105均为一块透明板，前、后段首尾对接，模拟综掘巷道的底板，接触位置均通过密封橡胶条密封，防止漏风；可视巷道前段101前端设有一块透明加固板103，可视巷道后段104的后端设有一块透明加固板106，两块透明加固板在不影响系统功能的同时可保证可视模拟巷道的结构稳定；可视模拟巷道1的一侧开设移距条隙107，在另一侧，模拟底板前段102、模拟底板后段105上设有刻度标尺，底板前、后段上开设走管孔109、走管孔110、走管孔111、若干测尘孔112、若干测风孔113、内走线孔114及外走线孔115。

如图4所示的，上述综掘面仿真设备模型2包括多个等比例缩小的煤矿综掘设备模型，固定在可视模拟巷道1的底板上，并与可视模拟巷道1一同放置在实验台7上。综掘面仿真设备模型2主要包括综掘机模型201，综掘机模型201前端未设置常规截割头，且前端与底端相通，综掘机模型201后方依次连接桥式转载破碎机模型202、皮带输送机模型前段203、皮带输送机模型后段204，其中，桥式转载破碎机模型202前端搭接在综掘机模型201的末端，皮带输送机模型前段203支撑着桥式转载破碎机模型202的末端，皮带输送机模型前段203与皮带输送机模型后段204对接，且对接面与可视巷道前段101、可视巷道后段104的对接面重合，皮带输送机模型后段204上设有通风管208、通风管209及移动矿车模型210，移动矿车模型210上设有除尘风机模型205，除尘风机模型205包括中空壳体，并与通风管209对接，通风管208对接抽风筒模型206；抽风筒模型206为硬质风管，通过若干风筒支架模型207支撑在综掘机模型201及桥式转载破碎机模型202上。

如图5所示，送尘台3是由透明罩301、前侧板302、后侧板303、隔板304、底板305、柜门306构成的双层柜体；透明罩301上开设的顶窗309为一个近似圆形轮廓的窗口，前侧板302上开设的侧窗310是一个矩形轮廓的窗口，后侧板303上开设送尘孔307和槽308，隔板304和底板305上开设若干走线孔311，柜门306上设有把手及内锁；送尘台3整体固定在实验台7的前端，后侧板303的后侧面与可视模拟巷道1前端密切贴合，后侧板303的后侧面在该系统中充当截割作业面。

并且，为保证实验过程中的产尘状态与工作现场基本相同，还提供一套发尘设备4，如图6、图7所示的，发尘设备4包括送尘用步进调速电机401、送尘管403、螺旋输送轴404、绞龙叶片405、储尘罐406，均位于送尘台3的上层空间内，送尘台3的下层内安装第一电机调速控制器402，其数字显示屏可显示送尘用步进调速电机401输出轴的转速，第一电机调速控制器402上的旋钮可实现对电机转速的无极调控，送尘用步进调速电机401输出轴驱动位于送尘管403内的螺旋输送轴404及绞龙叶片405转动，送尘管403穿过送尘孔307。

更进一步的，上述储尘罐406为上部圆柱状、下部圆台状的罐体容器，用以储存粉尘，其安设在送尘管403上侧，粉尘在重力作用下通过储尘罐406下端进入送尘管403内部；储尘罐406通过铰链409连接罐盖408，罐盖408上设有把手和透明板，罐盖408可实现开启与关闭，通过透明板观察下料状态可及时处理粉尘积聚、适时添加粉尘；上述储尘罐406上还设有一个凸起407，与送尘台3中后侧板上的槽308相适配，可通过螺钉或胶粘使储尘罐406固定。

更为重要的，发尘设备4还包括发尘截割头410、微型步进调速电机411及第二电机调速控制器412，其中，发尘截割头410近似圆台状，安设在综掘机模型201前端，发尘截割头410的顶端开设空腔，送尘管403可伸入空腔内部；发尘截割头410侧面开设若干个小孔，孔径为1～3mm，小孔均与空腔相通；微型步进调速电机411位于综掘机模型201前端的摇臂内部，驱动发尘截割头410旋转，微型步进调速电机410的线路通过综掘机模型201内部，经过底部的走线孔113连接位于送尘台3底层的第二电机调速控制器412，通过第二电机调速控制器412显示并控制发尘截割头410的转速为50～200r/min，在离心力作用下将输入发尘截割头410内部的粉尘通过大量小孔发射出去，形成与工作现场基本相同的产尘状态。

如图7、图8所示，导轨移动机构5包括直线导轨滑台501，其位于可视模拟巷道1一侧的底板上，通过滑台用步进调速电机502驱动，直线导轨滑台501上设有可以直线移动的滑块505，并配有电控箱503和运动控制器504，电控箱503及运动控制器504放置在实验台7的第二层，控制滑块505的移动状态和速度，其线路512通过走线孔115；

压风组合管包括压风筒507为硬质风管，压风筒507一端的底侧设有凸起508，凸起508上有三个孔，连接件506为三根带有直角弯的硬质棍状件，可穿过可视模拟巷道1上的移距条隙107，一端连接凸起508上的三个孔，另一端连接滑块505上的三个螺纹孔，实现滑块505通过连接件506来移动压风筒507，改变压风口距迎头的距离。

压风组合管还包括伸缩风筒509、支撑管510，如图12所示，伸缩风筒509置于硬质的支撑管510内，伸缩风筒509前端连接压风筒507末端，伸缩风筒509末端连接一根通风弯折管511，压风筒507、伸缩风筒509、支撑管510均位于可视模拟巷道1内部的一角，通风弯折管511位于可视模拟巷道1的末端。控制导轨移动机构5可完成压风筒507在该系统的自动化运移，模拟随着现场中综掘机向前截割，截割作业面不断向前推进时的通风状态。

本发明提供的综掘面多场耦合动态追踪相似模拟系统还包括除尘设备6，如图1、图2所示，其包括立式双臂除尘器601，立式双臂除尘器601两侧连接两根万向管，可任意改变角度，一根万向管一端设有矩形吸尘罩602，与可视模拟巷道1后方的距离为20～50cm，用于吸取可能从可视模拟巷道1后方逸出的少量粉尘，另一根万向管一端设有圆形吸尘口603，其连通实验台7的内腔，可直接处理第三风机901抽出的含尘气流，在模拟除尘风机净化气流的同时，保证了实验环境的安全与清洁。

如图1所示的，除尘设备6还包括手持式吸尘器604，置于实验台7柜体内部，手持式吸尘器604的前端设有圆刷吸嘴605，圆刷吸嘴605口径小且带有细长的刷毛，抽吸的同时用刷毛清洁，用于实验结束后处理受粉尘污染的可视模拟巷道1及综掘面仿真设备模型2，满足本发明的清洁需求，使该系统可重复使用。

如图9所示，实验台7包括首尾对接的实验柜体701和实验柜体702，两个实验柜体均为双层，正面装有若干个带有透明窗的柜门，柜门上装有把手及内锁，实验柜体702上还开设若干个通风孔704，用于内部的风机通风；每个实验柜体下方安装四个刹车万向轮703，实验柜体桌面上设有若干孔，与可视模拟巷道上的若干孔大小、位置相对应，实验柜体桌面下还安装若干个托管架707，实验柜体的背面开设若干矩形窗口705和圆形窗口706，实验柜体内部还留有走线孔708。

本发明提供的综掘面多场耦合动态追踪相似模拟系统还包括测试分析装置，如图10所示，测试分析装置主要包括高速摄像机801，放置在摄像机支架上，高速摄像机801的镜头对应可视模拟巷道1的前端；还包括若干测尘管802，一一对应固定在可视模拟巷道1上的若干测尘孔112内，直径0.5～1.5cm，测尘管802上端的侧面开设一个口，口径为0.5～1cm，开口高度为人员呼吸带高度，为满足研究需求至少需在综掘机司机处、距截割作业面20m、40m处布置粉尘采样点，故测尘管802至少需按照这几个点在等比例缩小后的模拟巷道内布置；上述测尘管802下端通过软管803连接到粉尘采样器804的集尘口位置，粉尘采样器804位于实验柜体的第二层，每个测尘管下方均可布置一台粉尘采样器；

测试分析装置还包括若干台热敏风速仪805，热敏风速仪805装有探杆807，探杆807一端为手柄，另一端为热敏探头，探杆通过测风孔113伸入可视模拟巷道1内；上述热敏风速仪805下装有底座806，手柄下装有支架808，使得热敏风速仪805及其手柄均立于实验台7的第二层；上述测试分析装置，还包括一套计算机及配套桌椅809，可实现与高速摄像机801的数据交互；通过高速摄像机801及计算机拍摄并分析各个时刻、不同位置的扩散状况，对数据进行分析和可视化处理，实现对综掘面风流-粉尘耦合场的动态追踪；位于实验台7内的粉尘采样器804、热敏风速仪805可通过位于模拟巷道内部的测尘管802及热敏探头测试系统中人员作业点的粉尘浓度、风速、风温、湿度等数据，可换算为真实现场的实验数据，满足掘进现场的模拟和研究需求。

本发明提供的综掘面多场耦合动态追踪相似模拟系统还包括一些实验设备，如图10所示，包括第三风机901、第二风机902、第一风机903，每台风机配备一个风机调速控制器905，每台风机通过一个变径口904连接一根管道，三根管道末端分别连接通风管208、通风管209、通风弯折管511的末端，风机及调速器均位于实验台7的第二层。

本发明提供的综掘面多场耦合动态追踪相似模拟系统还包括一些实验设备，如图10所示，包括煤样箱906、破碎机907、筛网908、电子天平909、煤粉箱910及工具箱911，均位于实验台7内部；通过破碎机907将取自煤样箱906的煤块破碎成煤粉，通过不同目数的筛网908筛选出不同粒径的煤粉，储存在多个煤粉袋中，通过电子天平909称重后贴上标签，再将煤粉袋放置在煤粉箱910里，将上述设备均放置到实验台7内以供取用，将满足需求的煤粉作为实验用粉尘，定量、适时添加到发尘设备4内。

基于相似原理与相似准则，为使模拟巷道反映综掘巷道内气固两相的运动特征，需要满足几何相似、动力相似和运动相似，其中通过将现场巷道与设备的尺寸等比例缩小可满足几何相似，通过计算将现场巷道与模拟巷道的风量、风速进行转化，可使对应点上受相同性质力的作用，力的方向相同且各对应的同名力成同一比例，进而可满足动力相似，由于综掘巷道与模拟巷道内流体均处于完全紊流状态，流体雷诺数均位于第二自模区，保证了流体的运动相似。

更为具体的，本发明依据相似原理，首先确定要模拟的综掘现场的压、抽风速及风筒截面积，分别按照综掘巷道的等比例缩小倍数进行缩小，再分别计算出系统所需压、抽风量，忽略漏风率时，除尘风机出口风量等于抽风量，最后通过三台风机调速控制器905对风量进行数字显示及无极调控，分别模拟新风输送、乏风抽出、除尘风机排风。

为了更进一步的描述本发明，以下列举个更为详尽的实施例予以说明。

本发明提供的综掘面多场耦合动态追踪相似模拟系统，如图1与图2所示的，包括可视模拟巷道1、综掘面仿真设备模型2、送尘台3、发尘设备4、导轨移动机构5、除尘设备6、实验台7及多个测试分析装置及实验设备。由可视模拟巷道1及综掘面仿真设备模型2组成的模拟巷道空间为等比例缩小的井下综掘作业空间，风流、粉尘可在模拟巷道空间内耦合，选择的缩小比例即相似比为20比1，确定可视模拟巷道1的断面为矩形，需要研究的巷道实际长度可为30～80m，因此可视模拟巷道1的总长度为1.5～4m。

更为优选的，如图3所示，上述可视模拟巷道1总长为2.5m，即需要模拟的综掘巷道为一段50m长的独头巷道。可视模拟巷道1包括可视巷道前段101与可视巷道后段104，两段可视巷道均为三面透明有机玻璃板组合而成，前、后段首尾对接，模拟巷道的顶板及侧壁，可视巷道前段101放置在模拟底板前段102上，可视巷道后段104放置在模拟底板后段105上，模拟底板前段102及模拟底板后段105为相同材质的透明板，前、后段首尾对接，模拟巷道的底板，的透明有机玻璃板厚度为0.3～0.8mm，以保证结构的强度及透明度，接触位置均使用密封橡胶条密封，防止漏风。

更进一步的，上述可视巷道前段101前端的透明加固板103与可视巷道后段104后端的透明加固板106的厚度为0.2～0.5mm，在提高可视模拟巷道1结构稳定性的同时，减少了对模拟截割作业面的形状影响，也减少了对模拟巷道末端出口面积的影响。

并且，可视模拟巷道1的一侧开设移距条隙107，长为0.8～2m，在该侧布置导轨移动机构5，直线导轨滑台501上的滑块505行程为0.8～2m，滑块505上装有特制的连接件506，一端固定在滑块505上的螺纹孔内，一端伸入特质的压风筒507下的孔内，上述孔开设在压风筒507底部的凸起508上，压风筒507为硬性轻质材料，长1～2m，直径30～50mm，即模拟的压风筒直径为600～1000mm；

并且，压风筒507后端连接伸缩风筒509，伸缩风筒509优选尼龙布与钢圈组成的柔性风筒，伸展后长0.5～1m，压缩后长度0.05～0.1m，伸缩风筒509在支撑管510内可进行伸缩，故钢圈直径需小于支撑管510的内径，且支撑管510布置在可视模拟巷道一角，截面类似圆形，以便于伸缩风筒509的伸缩。

在导轨移动机构5中，由电控箱503及运动控制器504控制滑台用步进调速电机505的转动方向及转速，滑台用步进调速电机505驱动直线导轨滑台501上的滑块505以适当的速度前后移动，滑块505通过连接件506带动压风筒507，并借助伸缩风筒509的伸缩使压风筒507以适当的速度前后移动。同时，第一风机903通过通风弯折管511向伸缩风筒509及压风筒507供风，实现压风筒507在该系统的自动化运移，并模拟随着现场中综掘机向前截割，截割作业面不断向前推进过程的通风状态。

更进一步的，可视模拟巷道1的模拟底板前段102、模拟底板后段105上设有刻度标尺108，根据选择的缩小比例来标记井下综掘巷道距截割作业面的距离，优选的该距离为30～80m，即刻度标尺最大数字标识应为30～80。

并且，上述模拟底板前、后段上开设走管孔109、走管孔110、走管孔111、若干测尘孔112、若干测风孔113、内走线孔114及外走线孔115；走管孔109用于通过通风管208，走管孔110用于通过通风管209，走管孔111用于通过通风弯折管511，孔径与管径均与风筒直径相同，为30～50mm；每个测尘孔112上安装一根测尘管802，直径0.5～1.5cm，测尘管802上端的侧面开设一个口，口径为0.5～1cm，开口高度为人员呼吸带高度1.5m处，根据相似比缩小后，该距离为距模拟巷道底板75mm，优选的测尘点位置为综掘机司机处、距截割作业面20m、40m处的巷道两侧，故根据相似比缩小后，至少需在综掘机模型201的司机处、距截割作业面1m、2m处的巷道两侧分别设置测尘管802。

并且，上述测尘管802下端通过软管803连接到粉尘采样器804的集尘口位置，粉尘采样器804平均流量根据相似比缩小为0.5～1L/min，抽取0.5～1min，取出粉尘采集口处的滤膜可分析计算该点处的粉尘浓度。

并且，上述测风孔113位置与测尘孔112相近，热敏风速仪805的热敏探头可通过测风孔113伸入模拟巷道内，测试该作业点的风速、风温、湿度等数据，可换算为真实现场的实验数据，满足模拟和研究需求。上述孔均可增设橡胶密封圈来防止漏风。

更进一步的，如图4所示，综掘面仿真设备模型2包括多个等比例缩小的煤矿综掘设备模型，固定在可视模拟巷道1的底板上，并与可视模拟巷道1一同放置在实验台7上，由可视模拟巷道1及综掘面仿真设备模型2组成的模拟巷道空间为等比例缩小的井下综掘作业空间，风流、粉尘可在模拟巷道空间内耦合。

更进一步的，如图5所示，送尘台3及发尘设备4，送尘台3用于容纳发尘设备4，后侧板303的后侧面充当模拟截割作业面即截割产尘面；发尘设备4通过第一电机调速控制器402显示并调节送尘用步进调速电机401输出轴的转速，电机输出轴驱动位于送尘管403内的螺旋输送轴404转动，将粉尘输送到发尘截割头410顶端的空腔内，发尘截割头410近似圆台状，安设在综掘机模型201前端；发尘截割头410侧面开设30～200个小孔，孔径为1～3mm，小孔均与空腔相通；微型步进调速电机411位于综掘机模型201前端的摇臂内部，驱动发尘截割头410旋转，微型步进调速电机410的线路通过综掘机模型201内部，经过走线孔113连接位于送尘台3底层的第二电机调速控制器412，显示并控制发尘截割头410的转速为50～200r/min，在离心力作用下将输入发尘截割头410内部的粉尘通过大量小孔发射出去，实现截割头旋转产尘状态与工作现场基本相同。

并且，上述除尘设备6还包括手持式吸尘器604，置于实验台7柜体内部，手持式吸尘器604的前端设有圆刷吸嘴605，圆刷吸嘴605口径小且带有细长的刷毛，抽吸的同时用刷毛清洁，用于实验结束后处理受粉尘污染的可视模拟巷道1及综掘面仿真设备模型2。

更进一步的，如图1、图2、图9所示的，实验台7作为系统的承载体，其上放置可视模拟巷道1、综掘面仿真设备模型2、送尘台3、发尘设备4、导轨移动机构5等。由实验柜体701与实验柜体702首尾对接组成，总长为2～4m，两个实验柜体均为双层设计，总高为0.6～1m，材质为铝型材及不锈钢，实验柜体正面装有若干个带有透明亚克力板的柜门，柜门上装有把手及内锁，柜门上还装有若干个通风孔704，以便于风机通风；每个实验柜体下方安装四个刹车万向轮703，可移动或固定实验柜体的位置。

更进一步的，为了不阻碍粉尘采样器804后方出风口正常排气，保证粉尘采样器804在设定时间内抽取气体流量的准确性，实验台7的柜体背面共开设三个矩形窗口705，如图9、图10所示，每个矩形窗口705对应一台粉尘采样器804；实验台7的柜体背面还开设了三个圆形窗口706，每个窗口对应一台风机，圆形窗口706直径可选范围为50～300mm，具体根据选择的三台风机的口径而定；两个实验柜体的桌面上均开设若干孔，与可视模拟巷道1上的若干孔大小、位置相对应，实验柜体桌面下还安装若干个托管架707，用来架设较长的通风管路；实验柜体内部还留有走线孔708，用于通过电源线或软管803。

更进一步的，本发明提供的综掘面多场耦合动态追踪相似模拟系统还包括除尘设备6，如图1、图2所示，其包括立式双臂除尘器601，立式双臂除尘器601两侧连接两根万向管，可任意改变角度，万向管一端设有矩形吸尘罩602，置于可视模拟巷道1后方，用于吸取可能从可视模拟巷道1后方逸出的微量粉尘，另一根万向管一端设有圆形吸尘口603，置于实验台7的后侧，可直接处理第三风机901抽出的含尘气流，在模拟除尘风机净化气流的同时，保证了实验环境的安全与清洁。

更进一步的，测试分析装置包括高速摄像机801与一套计算机809及配套桌椅，可实现与高速摄像机801的数据交互；对各个时刻、不同位置扩散状况的数据进行分析和可视化处理，实现对综掘面风流-粉尘耦合场的动态追踪；本发明提供的综掘面多场耦合动态追踪相似模拟系统还包括一些实验设备，如图10所示，包括第三风机901、第二风机902、第一风机903，每台风机配备一个风机调速控制器905，每台风机通过一个变径口904连接一根管道。

更为具体的，如图11所示，上述第三风机901为抽风机，连接通风管208及抽风筒206，可使抽风筒抽风口在可视模拟巷道1的前端产生抽风负压，抽出含尘气流；此外，如图2所示的，第三风机901的出风口对接除尘设备6的圆形吸尘口603，含尘气流通过圆形吸尘口603直接被立式双臂除尘器601处理；第三风机901通过一台风机调速控制器905实现风量的实时数字显示及无极调控。

更为具体的，如图11所示，增设第二风机902，作为压风机连接通风管209及除尘风机模型205，如图2、图9所示的，第二风机902末端对接一个圆形窗口706，抽取无尘气流并由除尘风机模型205的出风口压入至模拟巷道内，第二风机902也通过一台风机调速控制器905实现风量的实时数字显示及无极调控，第三风机901与第二风机902等配合使用，产生抽风口负压抽取含尘气流、除尘风机净化后排出无尘气流两种效果，真实模拟井下高效率抽出式除尘风机运行下的通风状态；当只开启第三风机901与第二风机902，不开启第一风机903时，可模拟综掘面单一抽出式通风。

更为具体的，如图11、图12所示，第一风机903作为压风机，连接通风弯折管511、伸缩风筒509、压风筒507，如图2所示的，第一风机903末端也对接一个圆形窗口706，抽取无尘气流并最终从压风筒507最前端的出风口排出，第一风机903也通过一台风机调速控制器905实现风量的实时数字显示及无极调控，在可视模拟巷道1的前端形成正压通风。当只开启第一风机903时，可模拟综掘面单一压入式通风。

更为优选的是，三台风机同时开启并稳定后，将在可视模拟巷道1内形成稳定风流场，可模拟综掘面压抽混合式通风。并且，如图2所示的，在稳定的通风条件下，通过发尘设备4持续送入定量的粉尘，在转动的发尘截割头410产生的离心力作用下，粉尘从发尘截割头410的侧面发射，进入风流场后因风流卷携作用在可视模拟巷道1内扩散，导轨移动机构5使压风口与迎头的距离发生改变，模拟综掘机掘进全过程的风流场-粉尘场耦合运移情况。

适用于上述系统的综掘面多场耦合动态追踪相似模拟方法，包括以下内容：

首先通过破碎机将取自煤样箱906的煤块破碎成煤粉，之后通过不同目数的筛网908筛选出多种粒径的煤粉，储存在多个煤粉袋中，通过电子天平909称重后贴上标签，再将煤粉袋放置在煤粉箱910里，将上述设备放置到实验台7内以供取用。

根据相似原理，首先确定需要模拟的综掘现场的压、抽风速及风筒截面积，分别按照综掘巷道的等比例缩小倍数进行缩小，再分别计算出系统所需压、抽风量，忽略漏风率时，除尘风机模型205出口风量等于抽风量，通过三台风机调速控制器905显示并控制三台风机的风量，分别模拟新风输送、乏风抽出、除尘风机排风，等待风流场在可视模拟巷道内部稳定。

基于相似原理，将需要模拟的综掘现场的粉尘粒径换算成实验所需粉尘粒径，将满足研究需求的煤粉从煤粉箱910中取出，打开储尘罐406的罐盖408，向储尘罐406内均匀倒入定量的煤粉，通过发尘设备4中的第一电机调速控制器402显示并控制送尘用步进调速电机401转速，带动螺旋输送轴404及绞龙叶片405转动，煤粉随着螺旋输送轴404的转动在送尘管403内均匀输送，落入发尘截割头410的空腔内，发尘截割头410在微型步进调速电机411驱动下快速旋转，在离心力作用下从侧面的小孔均匀发射粉尘，通过第二电机调速控制器412显示并控制微型步进调速电机411转速，实现对截割头旋转发尘状态的精确模拟。

导轨移动机构5中，由电控箱503及运动控制器504控制滑台用步进调速电机502的转动方向及转速，驱动直线导轨滑台501上的滑块505以适当的速度前后移动，滑块505通过连接件506带动压风筒507，并通过伸缩风筒509的伸缩使压风筒507以适当的速度前后移动。同时，第一风机903通过通风管向伸缩风筒509及压风筒507供风，实现压风筒507在该系统的自动化运移，改变压风筒507出风口与截割作业面的距离，以此模拟随着现场中综掘机向前截割，截割作业面不断向前推进过程的通风状态，从而模拟出综掘机掘进全过程的粉尘扩散运移情况。

通过高速摄像机801拍摄各时刻不同位置的风流-粉尘耦合扩散状况，通过配套的计算机809进行影像分析，实现对综掘面风流-粉尘耦合场的动态追踪；粉尘采样器804、热敏风速仪805可通过位于可视模拟巷道内部的测尘管802、测风管测试系统中人员作业点的粉尘浓度、风速、风温、湿度等数据，并可换算为真实现场的实验数据，满足掘进现场的模拟和研究需求。

实验过程中位于可视模拟巷道1后方的立式双臂除尘器601一方面可吸取从可视模拟巷道1后方逸出的微量粉尘，一方面可直接处理第三风机901抽出的含尘气流，在模拟除尘风机净化气流的同时，保证了实验环境的安全与清洁。

在可视模拟巷道1中，可视模拟巷道前段101、可视模拟巷道后段104、模拟底板前段102、模拟底板后段105的对接处均通过密封橡胶条密封，防止漏风，实验结束后可将可视模拟巷道1拆开，使用手持式吸尘器604的圆刷吸嘴605对可视模拟巷道1内部吸尘，抽吸的同时用细刷毛清洁，将附着在可视模拟巷道1及综掘面仿真设备模型2上的粉尘清理干净，实现系统的重复使用。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种综掘面多场耦合动态追踪相似模拟方法，其特征在于，实施该综掘面多场耦合动态追踪相似模拟方法使用的综掘面多场耦合动态追踪相似模拟系统包括实验台，所述实验台上固设具有巷道内腔的可视模拟巷道，所述可视模拟巷道的巷道内腔中装配综掘面仿真设备模型，所述可视模拟巷道的一端紧密贴合送尘台，所述送尘台内装配发尘设备，所述可视模拟巷道的外侧设置导轨移动机构，所述导轨移动机构驱动连接位于所述巷道内腔的压风组合管，所述压风组合管连接第一风机；所述发尘设备包括呈电控连接的第一电机调速控制器和送尘用步进调速电机，所述送尘用步进调速电机驱动连接具有绞龙叶片的螺旋输送轴，所述螺旋输送轴穿入送尘管，所述送尘管的上方架设储尘罐，所述储尘罐底端的出尘口与所述送尘管上部的接尘口相对接，所述送尘管的送尘口上套接发尘截割头，所述发尘截割头由微型步进调速电机驱动连接，所述微型步进调速电机由第二电机调速控制器电控连接，所述发尘截割头上开通若干小孔，所述小孔与所述可视模拟巷道的巷道内腔相连通；所述综掘面仿真设备模型包括由前至后顺次衔接的综掘机模型、桥式转载破碎机模型和皮带输送机模型，所述皮带输送机模型上设置移动矿车模型，所述移动矿车模型上设置除尘风机模型，所述除尘风机模型包括中空壳体，所述中空壳体通过通风管连接第二风机，所述综掘机模型及所述桥式转载破碎机模型上方通过若干风筒支架模型支撑有抽风筒模型，所述抽风筒模型通过通风管连接第三风机；

具体的包括以下步骤：

A、首先确定需要模拟之综掘现场的压、抽风速及风筒截面积，分别按照综掘巷道的等比例缩小倍数进行缩小，再分别计算出系统所需压、抽风量，忽略漏风率时，除尘风机出口风量等于抽风量；

B、将需要模拟的综掘现场粉尘粒径换算成实验所需粉尘粒径，将满足研究需求的煤粉从煤粉箱中取出，打开储尘罐的罐盖，向储尘罐内均匀倒入定量的煤粉，通过第一电机调速控制器显示并控制送尘用步进调速电机转速，带动螺旋输送轴及绞龙叶片转动，煤粉随着螺旋输送轴的转动在送尘管内均匀输送，直至落入发尘截割头的空腔内，通过第二电机调速控制器显示并控制微型步进调速电机转速，发尘截割头在微型步进调速电机驱动下快速旋转，在离心力作用下从周侧的小孔均匀发射粉尘，最终将粉尘送入可视模拟巷道内部；

C、由电控箱及运动控制器控制滑台用步进调速电机的转动方向及转速，驱动直线导轨滑台上的滑块以适当的速度前/后移动，滑块通过连接件带动压风筒，并通过伸缩风筒的伸缩使压风筒以适当的速度前后移动；由此第一风机通过通风管向伸缩风筒及压风筒供风，实现压风筒的自动化运移，改变压风筒出风口与截割作业面的距离，以此模拟随着现场中综掘机向前截割，截割作业面不断向前推进过程的通风状态，从而模拟出综掘机掘进全过程的粉尘扩散运移情况；

D、启动第二风机通过除尘风机模型向巷道后方压入无尘气流，启动第三风机通过抽风筒模型抽吸含尘气流，从而对可视模拟巷道内部进行乏风抽出、除尘排风，等待风流场在可视模拟巷道内部稳定。

2.如权利要求1所述的综掘面多场耦合动态追踪相似模拟方法，其特征在于，在步骤B）中，实验所需粉尘是通过破碎机将取自煤样箱的煤块破碎成煤粉，之后通过不同目数的筛网筛选出多种粒径的煤粉，储存在多个煤粉袋中，通过电子天平称重后贴上标签，再将煤粉袋放置在煤粉箱里，最后放置到实验台内以供取用。

3.如权利要求1所述的综掘面多场耦合动态追踪相似模拟方法，其特征在于，通过高速摄像机拍摄各时刻不同位置的风流-粉尘耦合扩散状况，通过配套的计算机进行影像分析，实现对综掘面风流-粉尘耦合场的动态追踪；粉尘采样器、热敏风速仪通过位于可视模拟巷道内部的测尘管、测风管测试系统中人员作业点的粉尘浓度、风速、风温、湿度数据，并换算为真实现场的实验数据，满足掘进现场的模拟和研究需求。

4.如权利要求1所述的综掘面多场耦合动态追踪相似模拟方法，其特征在于，通过立式双臂除尘器一方面吸取从可视模拟巷道后方逸出的微量粉尘，一方面直接吸取第三风机抽出的含尘气流，在模拟除尘风机净化气流的同时，保证实验环境的安全与清洁；另外实验结束后将可视模拟巷道拆开，使用手持式吸尘器的圆刷吸嘴对可视模拟巷道内部吸尘，抽吸的同时用刷毛清洁，将附着在可视模拟巷道及综掘面仿真设备模型上的粉尘清理干净，实现系统的重复使用。

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