CN113125108A - 一种综采工作面粉尘运移仿真试验系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种综采工作面粉尘运移仿真试验系统及其工作方法，弥补了现有技术存在的空白，避免了因实施全尺寸矿井综采面粉尘运移实验过程中由于人力、物力、经济、条件控制以及安全等客观因素的制约。所述仿真实验系统包括实验模拟主体平台，实验模拟主体平台上方设有图像监控组件，实验模拟主体平台内设有环境监控组件，实验模拟主体平台下部设有倾角调节组件；所述实验模拟主体平台分别与粉尘释放调节组件、喷雾降尘组件和粉尘流动控制组件相连接；所述图像监控组件、环境监控组件、粉尘释放调节组件、喷雾降尘组件和粉尘流动控制组件均与上位机相连接。本发明能够模拟出综采工作面粉尘运移规律，同时具有良好的易操作性、可再现性等优点。

Description

一种综采工作面粉尘运移仿真试验系统及其工作方法

技术领域

本发明涉及矿井通风降尘实验技术领域，特别是指一种综采工作面粉尘运移仿真试验系统及其工作方法。

背景技术

综采工作面是矿井生产设备集中、人员工作密集的作业场所之一。近些年，随着综采设备的重型化和大型化，综采工作面粉尘产量和粉尘浓度大幅增加，严重污染了井下工作环境，降低了设备使用寿命、致使煤矿患尘肺病的人数逐年增加。据国家卫生计生委通报，尘肺病已是我国最大的职业病，2012年全国报告尘肺病24206例，其中，煤工尘肺病占95%，在煤矿各生产系统中，综采（掘）面患病煤工占到90%左右。研究综采工作面粉尘运移规律是控制和治理矿井粉尘污染问题的有效途径，可为有效制定通风降尘系统、确定不同粉尘产量下的最优风速等提供科学依据。受人力、物力、财力、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粉尘运移实验。

发明内容

矿井综采工作面粉尘浓度居高不下、治理难度大，严重威胁煤矿安全生产，然而开展全尺寸矿井综采工作面粉尘运移实验实施过程比较困难，为有效研究综采工作面粉尘分布以及运移规律，本发明提出了一种综采工作面粉尘运移仿真试验系统及其工作方法，该仿真试验系统装置很好地避免了上述缺陷，能够模拟出综采工作面粉尘运移规律，同时具有良好的易操作性、可再现性等优点。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种综采工作面粉尘运移仿真试验系统，包括实验模拟主体平台，实验模拟主体平台上方设有图像监控组件，实验模拟主体平台内设有环境监控组件，实验模拟主体平台下部设有倾角调节组件；所述实验模拟主体平台分别与粉尘释放调节组件、喷雾降尘组件和粉尘流动控制组件相连接；所述图像监控组件、环境监控组件、粉尘释放调节组件、喷雾降尘组件和粉尘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像监控组件，综采工作面框架与粉尘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，回风巷道与粉尘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，所述倾角调节组件包括螺旋支座，螺旋支座设置在进风巷道和回风巷道的下部；所述液压支架模型平行设置在综采工作面框架内；液压支架模型包括液压支架，液压支架沿综采工作面呈一字排开，液压支架上设有喷嘴，喷嘴与喷雾降尘组件相连接；所述液压支架末端连接有动力装置，动力装置包括安装于综采工作面末端的变频电动机、主动滚筒和从动滚筒，主动滚筒与变频电动机的输出轴相连接，从动滚筒通过传动带与主动滚筒相连接，沿综采工作面的一侧设有用于支托传动带的托辊。

优选地，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四种配比方式进行铺设；且四种粒径配比方式为4:1:1；3:2:1，2:3:1和1:1:4。

优选地，所述图像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分别与图像采集卡、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，所述粉尘释放调节组件包括产尘箱，产尘箱上设有进尘口，产尘箱内设有涡轮风扇，产尘箱与粉尘抽风机相连通，粉尘抽风机与粉尘调流管相连通，粉尘调流管上设有粉尘调节阀，粉尘调流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；所述粉尘抽风机通过数据传输线与上位机相连接。

优选地，所述粉尘流动控制组件包括小型抽风机，小型抽风机通过粉尘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浓度传感器，浓度传感器通过数据传输线与粉尘浓度数据采集卡相连接，粉尘浓度数据采集卡与上位机相连接。

优选地，所述喷雾降尘组件包括储水箱，储水箱与高压水泵相连通，高压水泵与水流调流管相连通，水流调流管与喷嘴相连通；所述水流调流管上设有流量调节阀，高压水泵通过数据传输线与上位机相连接。

一种综采工作面粉尘运移仿真试验系统的工作方法，其步骤如下：

S1、工作人员打开进风巷道内的阀门，调整综采工作面框架下的螺旋支座的高度；

S2、接通电源，通过上位机依次打开小型抽风机、CCD摄像机、粉尘浓度数据采集卡、涡轮风扇、高压水泵、变频电动机和照明灯；

S3、通过上位机控制小型抽风机达到初始风速、涡轮风扇达到初始旋转速度、变频电动机达到初始速度、照明灯达到初始照明亮度，同时手动调整CCD摄像机的角度；

S4、当进风巷道、综采工作面以及回风巷道内风流稳定后，手动打开粉尘调节阀，在小型抽风机的作用下，粉尘将按照设定速率流入到综采工作面框架内，当综采工作面粉尘运移稳定后，通过上位机调控高压水泵控制综采工作面喷嘴的喷雾量，对其实施喷雾降尘；

S5、由粉尘浓度数据采集卡将综采工作面内的粉尘浓度传感器实时采集的粉尘浓度数据传输到上位机，上位机将若干采集点的粉尘浓度随时间变化的数据以曲线图的方式在显示屏上显示；

S6、通过上位机分别调整小型抽风机的抽风风速，手动调节螺旋支座调整综采工作面的倾角、手动打开粉尘调节阀调节粉尘尘源移动速率，调控综采工作面喷嘴的喷雾量，重复步骤S3-步骤S5，得出不同实验条件下综采工作面粉尘运移规律；

S7、根据粉尘浓度数据采集卡采集的粉尘浓度场数据和图像采集卡采集的图像数据，利用差值法对浓度数据进行插值处理，并利用Matlab软件绘制模拟综采工作面粉尘浓度场演化规律。

与现有技术相比，本发明产生的有益效果为：

1）本发明为弥补现有技术存在的空白，实验室内搭建小型相似模拟试验平台，避免了因实施全尺寸矿井综采面粉尘运移实验过程中由于人力、物力、经济、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粉尘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有效制定通风降尘系统、确定不同粉尘产量下的最优风速等提供科学依据。

3）本发明实验周期短、过程简单、可操作性强，通过计算机即可调节、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中粉尘释放系统及喷雾降尘系统的结构示意图。

图3为综采工作面和采空区结构的局部方法图。

图4为粉尘浓度随时间动态变化曲线示意图。

图5为本发明的工作方法结构流程图。

图中，11-进风巷道，12-回风巷道，13-综采工作面，14-采空区，15-液压支架，16-螺旋支座；20-进尘口，21-产尘箱，22-涡轮风扇，23-粉尘抽风机，24-粉尘调流管，25-粉尘调节阀，26-变频电动机，27-主动滚筒，28-从动滚筒，29-传动带；31-上位机，32-粉尘浓度数据采集卡，33-数据传输线，34-CCD摄像机，35-照明灯，36-浓度传感器，37-图像采集卡；41-储水箱，42-高压水泵，43-水流调流管，44-流量调节阀，45-喷嘴；51-小型抽风机，52-粉尘回流管。

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，一种综采工作面粉尘运移仿真试验系统，包括实验模拟主体平台，模拟实验主体平台呈封闭盒装结构，模型平台主体框架采用透明有机玻璃制作而成；实验模拟主体平台上方设有图像监控组件，图像监控组件采用摄像机开展粉尘运移图像数据采集，采用粉尘浓度传感器对综采工作面粉尘浓度实施数据采集；实验模拟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粉尘浓度参数，实验模拟主体平台下部设有倾角调节组件，倾角调节组件采用不锈钢材质制作而成，倾角调节组件用于调节模拟实验主体平台的倾斜角度；所述实验模拟主体平台分别与粉尘释放调节组件、喷雾降尘组件和粉尘流动控制组件相连接；粉尘释放调节组件用于模拟综采工作面采煤机割煤产生的移动尘源，其中产尘箱内的粉尘通过粉尘调流管输送到综采工作面；喷雾降尘组件用于模拟综采工作面架间喷雾降尘，其中喷雾喷嘴均匀的分布在综采工作面；粉尘流动控制组件利用小型抽风机使回风巷内产生负压，用于控制巷道内粉尘运移的速率；所述图像监控组件、环境监控组件、粉尘释放调节组件、喷雾降尘组件和粉尘流动控制组件均与上位机31相连接。

如图3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；液压支架模型包括液压支架15，液压支架15的设置数量根据实际需要进行设置，但保证多台液压支架15沿综采工作面13呈一字排开。所述液压支架15上设有喷嘴45，喷嘴45与喷雾降尘组件的水流调流管43相连通；液压支架15末端连接有动力装置，动力装置包括安装于综采工作面13末端的变频电动机26、主动滚筒27和从动滚筒28，主动滚筒27与变频电动机26的输出轴相连接，从动滚筒28通过传动带29与主动滚筒27相连接，沿综采工作面13的一侧设有用于支托传动带29的托辊。

如图2所示，采空区14内部填充有松散石块介质，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四种配比方式进行铺设；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，且四种粒径配比方式为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。

综采工作面框架上方设有图像监控组件，综采工作面框架与粉尘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，图像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，分别用于记录进风巷道11、综采工作面13以及回风巷道12内的粉尘运移规律；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分别与图像采集卡37、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35位于仿真试验系统的顶部，采用数据传输线将照明灯与上位机相连接，用于增强综采工作面粉尘运移仿真试验装置的亮度。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16，螺旋支座16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16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。

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。所述环境监控组件包括浓度传感器36，粉尘浓度传感器均分布在进风巷道、综采工作面、采空区模型以及回风巷道中的不同位置，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，采空区模型内部各分别布置六排传感器，沿风流流动方向为均匀布置，沿纵深方向其间距以逐渐递增方式布置；浓度传感器36通过数据传输线33与粉尘浓度数据采集卡32相连接，粉尘浓度数据采集卡32与上位机31相连接。

所述粉尘释放调节组件包括产尘箱21，产尘箱21上设有进尘口20，产尘箱21内设有涡轮风扇22，产尘箱21与粉尘抽风机23相连通，粉尘抽风机23与粉尘调流管24相连通，粉尘调流管24末端口面向所述采空区固定在传输带的上面，可随着传送带的运动而运动，用于模拟综采工作面采煤机产生的移动尘源；粉尘调流管24上设有粉尘调节阀25，粉尘调流管24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；所述粉尘抽风机23通过数据传输线33与上位机31相连接。

所述回风巷道12与粉尘流动控制组件相连通，粉尘流动控制组件包括小型抽风机51，小型抽风机51通过粉尘回流管52与回风巷道12相连通；所述小型抽风机51通过数据传输线33与上位机31相连接。所述喷雾降尘组件包括储水箱41，储水箱41与高压水泵42相连通，高压水泵42与水流调流管43相连通，水流调流管43与喷嘴45相连通，喷嘴45均匀的设置于液压支架之间；所述水流调流管43上设有流量调节阀44，高压水泵42通过数据传输线33与上位机31相连接，通过调控高压水泵42进而调控综采工作面不同喷嘴45的喷雾量，分析喷雾量的不同对综采工作面粉尘运移规律的影响。

实施例2，如图4和5所示，一种实施例1中的综采工作面粉尘运移仿真试验系统的工作方法，其步骤如下：

S1、工作人员打开进风巷道内的阀门，调整综采工作面框架下的螺旋支座16的高度；

S2、接通电源，通过上位机31依次打开小型抽风机51、CCD摄像机34、粉尘浓度数据采集卡32、涡轮风扇22、高压水泵42、变频电动机26和照明灯35；

S3、通过上位机31控制小型抽风机51达到初始风速、涡轮风扇22达到初始旋转速度、变频电动机26达到初始速度、照明灯35达到初始照明亮度，同时手动调整CCD摄像机34的角度；

S4、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，手动打开粉尘调节阀25，在小型抽风机51的作用下，粉尘将按照设定速率流入到综采工作面框架内；当综采工作面粉尘运移稳定后，通过上位机31调控高压水泵42控制综采工作面喷嘴45的喷雾量，对其实施喷雾降尘；

S5、由粉尘浓度数据采集卡32将综采工作面13内的粉尘浓度传感器36实时采集的粉尘浓度数据传输到上位机31，上位机31将若干采集点的粉尘浓度随时间变化的数据以曲线图的方式在显示屏上显示；

S6、通过上位机31分别调整小型抽风机51的抽风风速，手动调节螺旋支座16调整综采工作面13的倾角、手动打开粉尘调节阀25调节粉尘尘源移动速率，调控综采工作面喷嘴45的喷雾量，重复步骤S3-步骤S5，得出不同实验条件下综采工作面粉尘运移规律；

S7、根据粉尘浓度数据采集卡32采集的粉尘浓度场数据和图像采集卡37采集的图像数据，利用差值法对浓度数据进行插值处理，并利用Matlab软件绘制模拟综采工作面粉尘浓度场演化规律。

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。

Claims (10)

1.一种综采工作面粉尘运移仿真试验系统，包括实验模拟主体平台，实验模拟主体平台上方设有图像监控组件，实验模拟主体平台内设有环境监控组件，实验模拟主体平台下部设有倾角调节组件；其特征在于，所述实验模拟主体平台分别与粉尘释放调节组件、喷雾降尘组件和粉尘流动控制组件相连接；所述图像监控组件、环境监控组件、粉尘释放调节组件、喷雾降尘组件和粉尘流动控制组件均与上位机（31）相连接。

2.根据权利要求1所述的综采工作面粉尘运移仿真试验系统，其特征在于，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（13）和采空区（14），综采工作面（13）内设有液压支架模型，采空区（14）内部填充有松散石块介质，综采工作面框架上方设有图像监控组件，综采工作面框架与粉尘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，进风巷道（11）和回风巷道（12）下部均设有倾角调节组件，回风巷道（12）与粉尘流动控制组件相连通；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。

3.根据权利要求2所述的综采工作面粉尘运移仿真试验系统，其特征在于，所述倾角调节组件包括螺旋支座（16），螺旋支座（16）设置在进风巷道（11）和回风巷道（12）的下部；所述液压支架模型平行设置在综采工作面框架内；液压支架模型包括液压支架（15），液压支架（15）沿综采工作面（13）呈一字排开，液压支架（15）上设有喷嘴（45），喷嘴（45）与喷雾降尘组件相连接；所述液压支架（15）末端连接有动力装置，动力装置包括安装于综采工作面（13）末端的变频电动机（26）、主动滚筒（27）和从动滚筒（28），主动滚筒（27）与变频电动机（26）的输出轴相连接，从动滚筒（28）通过传动带（29）与主动滚筒（27）相连接，沿综采工作面（13）的一侧设有用于支托传动带（29）的托辊。

4.根据权利要求2所述的综采工作面粉尘运移仿真试验系统，其特征在于，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四种配比方式进行铺设；且四种粒径配比方式为4:1:1；3:2:1，2:3:1和1:1:4。

5.根据权利要求2-4任一项所述的综采工作面粉尘运移仿真试验系统，其特征在于，所述图像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；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）分别与图像采集卡（37）、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。

6.根据权利要求5所述的综采工作面粉尘运移仿真试验系统，其特征在于，所述粉尘释放调节组件包括产尘箱（21），产尘箱（21）上设有进尘口（20），产尘箱（21）内设有涡轮风扇（22），产尘箱（21）与粉尘抽风机（23）相连通，粉尘抽风机（23）与粉尘调流管（24）相连通，粉尘调流管（24）上设有粉尘调节阀（25），粉尘调流管（24）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；所述粉尘抽风机（23）通过数据传输线（33）与上位机（31）相连接。

7.根据权利要求1~4、6任一项所述的综采工作面粉尘运移仿真试验系统，其特征在于，所述粉尘流动控制组件包括小型抽风机（51），小型抽风机（51）通过粉尘回流管（52）与回风巷道（12）相连通；所述小型抽风机（51）通过数据传输线（33）与上位机（31）相连接。

8.根据权利要求2所述的综采工作面粉尘运移仿真试验系统，其特征在于，所述环境监控组件包括浓度传感器（36），浓度传感器（36）通过数据传输线（33）与粉尘浓度数据采集卡（32）相连接，粉尘浓度数据采集卡（32）与上位机（31）相连接。

9.根据权利要求1~4、6、8任一项所述的综采工作面粉尘运移仿真试验系统，其特征在于，所述喷雾降尘组件包括储水箱（41），储水箱（41）与高压水泵（42）相连通，高压水泵（42）与水流调流管（43）相连通，水流调流管（43）与喷嘴（45）相连通；所述水流调流管（43）上设有流量调节阀（44），高压水泵（42）通过数据传输线（33）与上位机（31）相连接。

10.一种如权利要求1~9任一项所述的综采工作面粉尘运移仿真试验系统的工作方法，其特征在于，其步骤如下：

S1、工作人员打开进风巷道内的阀门，调整综采工作面框架下的螺旋支座（16）的高度；

S2、接通电源，通过上位机（31）依次打开小型抽风机（51）、CCD摄像机（34）、粉尘浓度数据采集卡（32）、涡轮风扇（22）、高压水泵（42）、变频电动机（26）和照明灯（35）；

S3、通过上位机（31）控制小型抽风机（51）达到初始风速、涡轮风扇（22）达到初始旋转速度、变频电动机（26）达到初始速度、照明灯（35）达到初始照明亮度，同时手动调整CCD摄像机（34）的角度；

S4、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，手动打开粉尘调节阀（25），在小型抽风机（51）的作用下，粉尘将按照设定速率流入到综采工作面框架内，当综采工作面粉尘运移稳定后，通过上位机（31）调控高压水泵（42）控制综采工作面喷嘴（45）的喷雾量，对其实施喷雾降尘；

S5、由粉尘浓度数据采集卡（32）将综采工作面（13）内的粉尘浓度传感器（36）实时采集的粉尘浓度数据传输到上位机（31），上位机（31）将若干采集点的粉尘浓度随时间变化的数据以曲线图的方式在显示屏上显示；

S6、通过上位机（31）分别调整小型抽风机（51）的抽风风速，手动调节螺旋支座（16）调整综采工作面（13）的倾角、手动打开粉尘调节阀（25）调节粉尘尘源移动速率，调控综采工作面喷嘴（45）的喷雾量，重复步骤S3-步骤S5，得出不同实验条件下综采工作面粉尘运移规律；

S7、根据粉尘浓度数据采集卡（32）采集的粉尘浓度场数据和图像采集卡（37）采集的图像数据，利用差值法对浓度数据进行插值处理，并利用Matlab软件绘制模拟综采工作面粉尘浓度场演化规律。

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