CN117037594A - 一种受限空间多源粉尘及尾气运移物理模拟平台及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种受限空间多源粉尘及尾气运移物理模拟平台及方法，该平台的组成包括：工作面模型、工作面设备模型、通风装置、产尘装置、燃油车辆模型、监测系统、控制平台、粉尘和尾气后处理系统。模拟设置巷道、割煤机、液压支架、运输皮带、车辆等综采工作面架构，采用大功率风机及巷道端面风阀作为综采工作面风流调控系统，产尘装置作为不同粒径粉尘模拟调配器为该平台提供稳定的尘源，高精度粉尘传感器、尾气传感器、风速传感器等构建了本平台监测系统，液晶显示器、控制操作台、PLC控制柜等电气设备构建了本发明控制平台，高保真再现综采工作面生产实景，为多源粉尘及车辆尾气运移规律的科学研究提供详细可靠的实验数据。

Description

一种受限空间多源粉尘及尾气运移物理模拟平台及方法
技术领域
本发明属于煤矿安全与职业健康技术领域，更具体地，涉及一种受限空间多源粉尘及尾气运移物理模拟平台及方法。
背景技术
在煤炭开采过程中，卷筒截割煤壁、移架错位、转载、运输等多种工艺流程处都会产生大量粉尘，这些粉尘随风流飘散至整个综采工作面，粒径较大的可见粉尘在重力作用下沉降距离短，粒径较小的微尘和超微尘沉降距离较大甚至可以较长时间漂浮于风流内，其中，粒径小于7.07微米的粉尘称为呼尘，这种粉尘是诱发煤工尘肺病、影响设备安全运行的主要源头之一；此外，巷道内车辆排放的尾气在风流作用下四处飘散，这种富含多种氮氧化物、具有强烈刺鼻气味的车辆尾气也是影响煤工身心健康的主要源头之一。因此，研究多源粉尘及车辆尾气运移规律可以为综采工作面多源粉尘的高效精准治理提供坚实的理论基础。
相似物理模拟是研究多源粉尘及尾气运移规律的最有效手段，建立高保真还原综采工作面实际工况的相似物理模拟平台是亟需解决的科学难点。现有技术中，如CN114778382A公开一种机械化采煤作业粉尘动态追踪模拟系统及方法，包括实验柜、监测仪器和通风除尘装置，工作台面上放置透明模拟巷道，透明模拟巷道外周围设移动支架组件，透明模拟巷道内部设置综采面割煤机，综采面割煤机前行推动若干活动拟煤块，实验柜内设置导向推移装置，导向推移装置包括由推移电机驱动丝杠机构连接导轨滑台，推移电机由电控箱电路连接，导轨滑台上滑动连接推移滑块，推移滑块通过连接件固连综采面割煤机，推移滑块上固连支架推动块，监测仪器包括高速摄像机、计算机、粉尘采样器和风速仪，通风除尘装置包括供风设备和除尘器，透明模拟巷道的进风口和综采面割煤机均连接供风设备，透明模拟巷道的出风口连接除尘器。其仅仅只是对割煤机处的模拟，真实场景并不仅仅只有割煤机一处尘源，因此该模拟系统并不能有效还原综采工作面粉尘运移的真实情况，同时也没有考虑巷道内车辆尾气的模拟。
基于上述科研需求及现有技术，本发明设计了一种受限空间多源粉尘及尾气运移物理模拟平台，通过合理的模块结构布局和电气控制系统设计，采用相似理论，按1:5相似比例将某矿井25211综采工作面缩放至实验室环境中，意在研究综采工作面多源粉尘运移规律及车辆尾气运移规律，为煤矿分源分区治理提供可靠的实验平台。
发明内容
本发明的目的在于提供一种受限空间多源粉尘及尾气运移物理模拟平台及方法，模拟设置巷道、割煤机、液压支架、运输皮带、车辆等综采工作面架构，采用大功率风机及巷道端面风阀作为综采工作面风流调控系统，产尘装置作为不同粒径粉尘模拟调配器为该平台提供稳定的尘源，高精度粉尘传感器、尾气传感器、风速传感器等构建了本平台监测系统，液晶显示器、控制操作台、PLC控制柜等电气设备构建了本发明控制平台，高保真再现综采工作面生产实景，为多源粉尘及车辆尾气运移规律的科学研究提供详细可靠的实验数据。
根据本发明的第一方案，提供一种受限空间多源粉尘及尾气运移物理模拟平台，包括：
一工作面缩放模型，包括回风巷道、综采工作面、胶运巷道以及辅运巷道，所述回风巷道和所述胶运巷道分别设置于所述综采工作面的两端，所述辅运巷道与所述胶运巷道通过中间巷道连通；
一工作面设备模型，包括割煤机模型、液压支架模型、转载机模型、带式输送机模型，所述割煤机模型设置于所述综采工作面，所述转载机模型用于模拟装载产尘和风流场，所述带式输送机模型设置于胶运巷道；
一通风装置，设置于所述回风巷道的回风巷口，以实现工作面的风流场的模拟；
产尘装置，所述产尘装置设置于对应的产尘点位，所述产尘点位包括割煤机割煤产尘点位、液压支架移架产尘点位、转载产尘点位以及分散尘源产尘点位；
一燃油车辆尾气产生装置，设置于辅运巷道，用于根据燃油车辆尾气排放管的位置，在车辆模型对应位置设置尾气排放点，选取标志性气体作为尾气，结合车辆怠速、空载、满负荷负载、上坡、下坡工况下尾气排放量，设置不同的尾气排放速度，所述标志性气体包括CO2、CO、NOx中的一种及其组合；
一监测系统，包括风速传感器、粉尘传感器以及尾气传感器，所述风速传感器用于监测巷道和采煤面风速，所述粉尘传感器用于监测车测点的粉尘浓度和粉尘粒径分布，所述尾气传感器用于监测测试车辆模型所排放的标志性气体；
一控制平台，包括显示器、控制操作台以及PLC控制柜，所述PLC控制柜PLC控制柜与所述工作面设备模型、通风装置、产尘装置、燃油车辆尾气产生装置以及监测系统均信号连接，所述显示器与所述PLC控制柜信号连接，用于显示设备运行状况，传感器参数；所述控制操作台与所述PLC控制柜信号连接，用于控制设备正常运转同时监控设备运行。
作为优选，还包括：
一粉尘和尾气后处理系统，设置于回风巷口，包括粉尘和尾气净化装置、清洗水槽以及水雾除尘系统，所述粉尘和尾气净化装置用于采用低温等离子体污染介质，所述污染介质包括净化油雾和废气，所述清洗水槽设置于所述回风巷道底部且与所述水雾除尘系统进行连接，所述清洗水槽的出水口设置有滤网。
作为优选，在辅运巷道、胶运巷道和回风巷道处各布置1个风速传感器；在液压支架模型行人区域和液压支架模型与煤壁之间各布置1个风速传感器；
在所述辅运巷道、胶运巷道、回风巷道各方布置1个粉尘传感器，综采工作面在液压支架行人区域和液压支架与煤壁之间各布置3个粉尘传感器，且综采工作面的所有粉尘传感器位置根据割煤机模型的位置变化进行调整；
所述尾气传感器以排气点为中心，沿着风流和逆风流方向的1～3m范围内各布设一个。
作为优选，所述燃油车辆尾气产生装置包括设置于辅运巷道中的车辆模型以及设置于所述车辆模型上的尾气储罐，所述尾气储罐预装混合尾气，尾气排放采用伺服控制截止阀，PID调节控制流量。
作为优选，所述割煤机割煤产尘点位包括在割煤截齿布置产尘点；
所述液压支架移架产尘点位包括设置在所述液压支架模型的产尘点；
所述转载产尘点位包括在转载机位置设置的线性源产尘区；
所述分散尘源产尘点位包括随机布设在带式输送机模型的至少一个产尘点。
根据本发明的第二技术方案，提供一种风流场作用下受限空间多源粉尘运移物理模拟实验方法，其特征在于，基于如上所述的受限空间多源粉尘及尾气运移物理模拟平台，所述方法包括：
取样粉尘，并处理成0～180μm粒径区间的粉尘后放入模拟工作面各个产尘点位的产尘装置中；
以产尘点位为原点，并以沿着风流方向为正向，在实验平台内的综采工作面和回风巷内分别布置多个粉尘采样点和多个测尘点；
在每个测尘点放置静置的粉尘盒，用于收集每个断面位置处的落尘；
调节风量，当风速稳定后，产尘装置开始释放尘源粉尘，控制粉尘释放速率，测定实验工作面沿程断面及每个巷道断面测点处的粉尘浓度，记录风速；
将各位置粉尘盒收集到的落尘先进行烘干，称重，并将落尘放入粒度分析仪中测试不同断面位置落尘中的粒径分布情况，获得质量微分分布比。
作为优选，所述粉尘采样点设置为7个，7个采样点距原点的距离分别为0.5m、2.5m、5.0m、7.5m、8.5m、11.5m、15.5m；所述测尘点设置为5个，5个测尘点距原点的距离-1m、2.5m、7.5m、10m、13.5m。
作为优选，在将各位置粉尘盒收集到的落尘先进行烘干，称重，并将落尘放入粒度分析仪中测试不同断面位置落尘中的粒径分布情况，获得质量微分分布比之后，所述方法还包括：
使用除尘系统对当前实验产生的残余粉尘进行收集处理，确保空气中实验平台内部空气中不含粉尘。
作为优选，所述方法还包括：
根据粉尘浓度测试数据，绘制不同风速情况下，整个模拟工作面内断面不同位置处、沿程不同距离处的粉尘浓度变化曲线。
作为优选，所述方法还包括：
根据粒度分析仪测得的粉尘的粒径分布数据，绘制不同粒径粉尘的微分分布曲线和累积分布曲线。
本发明至少具有以下有益效果：
受限空间多源粉尘及尾气运移物理模拟平台是以某煤矿25211综采工作面为原型，按1:5相似比例构建出的高逼真、大尺度物理模拟平台，具有较高的科研价值，具体可开展的科研任务包括：
①开展综采工作面风流场作用下割煤机割煤、液压支架移架、转载机转载、运输皮带运输等尘源的运移规律物理实验模拟；
②开展综采工作面辅运巷道风流场作用下主要燃油车辆排放尾气的运移规律物理实验模拟；
③经过功能拓展，可开展综采工作面割煤机割煤、液压支架移架、转载机转载、运输皮带运输等尘源水雾降尘物理实验模拟；
④经过功能拓展，可开展综采工作面辅运巷道主要燃油车辆排放尾气催化净化物理实验模拟。
附图说明
在不一定按比例绘制的附图中，相同的附图标记可以在不同的视图中描述相似的部件。具有字母后缀或不同字母后缀的相同附图标记可以表示相似部件的不同实例。附图大体上通过举例而不是限制的方式示出各种实施例，并且与说明书以及权利要求书一起用于对所发明的实施例进行说明。在适当的时候，在所有附图中使用相同的附图标记指代同一或相似的部分。这样的实施例是例证性的，而并非旨在作为本装置或方法的穷尽或排他实施例。
图1示出了根据本发明实施例的一种受限空间多源粉尘及尾气运移物理模拟平台的模型效果图；
图2示出了根据本发明实施例的一种受限空间多源粉尘及尾气运移物理模拟平台的工作面缩放模型的平面图；
图3示出了根据本发明实施例的一种受限空间多源粉尘及尾气运移物理模拟平台的工作面缩放模型的实物图；
图4示出了根据本发明实施例的一种受限空间多源粉尘及尾气运移物理模拟平台的割煤机模型的结构图；
图5示出了根据本发明实施例的一种受限空间多源粉尘及尾气运移物理模拟平台的割煤机模型的实物图；
图6示出了根据本发明实施例的一种受限空间多源粉尘及尾气运移物理模拟平台的产尘装置的结构图，其中(a)为空压机，(b)为粉尘发生器；
图7示出了根据本发明实施例的一种受限空间多源粉尘及尾气运移物理模拟平台的割煤机主要产尘位置示意图；
图8示出了根据本发明实施例的一种受限空间多源粉尘及尾气运移物理模拟平台的液压支架示意图；
图9示出了根据本发明实施例的一种受限空间多源粉尘及尾气运移物理模拟平台的燃油车辆尾气产生装置的结构图，其中(a)为模型汽车的结构图，(b)为模型汽车的实物图；
图10示出了根据本发明实施例的一种受限空间多源粉尘及尾气运移物理模拟平台的风速传感器位置示意图；
图11示出了根据本发明实施例的一种受限空间多源粉尘及尾气运移物理模拟平台的粉尘传感器位置示意图；
图12示出了根据本发明实施例的一种受限空间多源粉尘及尾气运移物理模拟平台的尾气排放及尾气传感器位置示意图；
图13示出了根据本发明实施例的粉尘采样点和浓度测试点布置示意图；
图14示出了根据本发明实施例的不同风速下粉尘浓度变化趋势；
图15示出了根据本发明实施例的不同风速下每个测点粒径分布，其中：(a)0.5m/s；(b)1.0m/s；(c)1.5m/s；(d)2.0m/s；(e)2.5m/s。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。下面结合附图和具体实施例对本发明的实施例作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。本文中所描述的各个步骤，如果彼此之间没有前后关系的必要性，则本文中作为示例对其进行描述的次序不应视为限制，本领域技术人员应知道可以对其进行顺序调整，只要不破坏其彼此之间的逻辑性导致整个流程无法实现即可。
实施例1：
本发明实施例一种受限空间多源粉尘及尾气运移物理模拟平台，该平台的组成包括：工作面模型、工作面设备模型、通风装置、产尘装置、燃油车辆模型、监测系统、控制平台、粉尘和尾气后处理系统，如图1所示。平台可模拟割煤机割煤、液压支架移架、转载机转载等运行姿态，进而模拟综采工作面截割、移架、转载等产尘过程；燃油车辆模型可模拟尾气排放过程。
1)该平台可支持的科学研究内容
依托受限空间多源粉尘及尾气运移物理模拟平台，目前可以支持以下四项科学研究：
①开展综采工作面风流场作用下割煤机割煤、液压支架移架、转载机转载、运输皮带运输等尘源的运移规律物理实验模拟；
②开展综采工作面辅运巷道风流场作用下主要燃油车辆排放尾气的运移规律物理实验模拟；
③经过功能拓展，后续可开展综采工作面割煤机割煤、液压支架移架、转载机转载、运输皮带运输等尘源水雾降尘物理实验模拟；
④经过功能拓展，后续可开展综采工作面辅运巷道主要燃油车辆排放尾气催化净化物理实验模拟。
2)该平台组成架构
矿井受限空间多源粉尘及尾气运移物理模拟平台由工作面缩放模型、工作面设备模型、通风装置、产尘装置、燃油车辆尾气产生装置、监控与三维可视化平台等组成。
(1)工作面缩放模型
主要尺寸按相似比1:5，等比例缩小模拟综采工作面制作模型，如图1-3所示，包括回风巷道101、综采工作面102、胶运巷道103以及辅运巷道104，所述回风巷道101和所述胶运巷道103分别设置于所述综采工作面102的两端，所述辅运巷道104与所述胶运巷道102通过中间巷道连通。具体尺寸如下：胶运顺槽：宽1.2米、高0.84米、长15米；辅运顺槽：宽1.2米、高0.84米、长15米；回风顺槽：宽1.2米、高0.84米、长10米；综采工作面：宽1.84米、高1.16米、长14米。
(2)工作面设备模型
包含割煤机模型、液压支架模型、转载机模型等，按照1:5等比例缩小，且能模拟动作。
割煤机模型：外观与现场割煤机相似，重点在于可以实现现场割煤机的运行姿态模拟，主要包括割煤机前后滚筒的独立转动、滚动摇臂的上下移动以及割煤机模型整体在采煤面模型内的左右移动。割煤机模型前后滚筒的转动速度、滚筒摇臂上下移动速度和割煤机牵引速度以现场工作速度为基础，需实现速度可调。截割滚筒采用减速机配合可调速电机带动独立旋转，滚筒摇臂的移动由一组伸缩液压缸完成，如图4和图5所示。
液压支架模型：按实物1:5缩小，支撑张开后最大高度达1.1米。仿照ZY17000/32/70D型基本液压支架，按1:5比例缩小。支撑张开后最大高度达1160mm；底座宽度400mm，支架中心距410mm，数量约35个。
转载机模型：转载机进行等比例缩小，外观相似，放置位置与现场相同。转载机不需要模拟实际运行状态，只做模拟转载产尘和影响风流场要求。采用40铝型材搭建，安装模拟产尘的喷嘴。
带式输送机模型：模拟某矿井25211综采工作面胶带运输巷胶带的布置，外观相似，布置位置与现场相同。模拟现场胶带的转动状态。采用平皮带按比例模拟，长15米；宽30cm，高30cm；铝合金型材支架。
(3)通风装置
采用抽出式通风方式，在工作面模型中的回风巷口设置一台风机进行独立通风，实现工作面的风流场的模拟。依据现场实测，现场辅运巷道中部风流速度约为1.7～1.8m/s；胶运巷道中部风流速度约为0.6～0.7m/s；采煤面液压支架行人空间中部风流速度约为2.0m/s。风机速度可调，可以根据实验需要改变整个模拟空间的风流场。
抽出式风机由进风筒、主风筒、隔爆型电动机、叶轮、、扩压器、底座等六部分组成。外筒及结构件均用钢板焊接而成，内筒用多孔板焊接而成，内外筒之间充填消声材料，各段风筒由法兰盘螺栓连接，采用叶轮与电机直联方式。该机具有结构紧凑、通风距离长、工作效率高、节能效果明显、噪音低、使用安全，维护方便等特点。风量：590-320m3/min；功率：2×30KW；风压：760-5900Pa；电压：三相380V；尺寸：直径600×2130mm。
(4)变频程序控制
变频器:选用三菱FR-E700系列的5.5K型，FR-E700系列是全新一代标准变频器中的风机和泵类变转矩负载专家。功率范围3kW至5.5kW。它按照专用要求设计，并使用内部功能互联(BiCo)技术，具有高度可靠性和灵活性。控制软件可以实现根据设定风速，根据风速传感器的反馈信号变频调节风机转速，从而调节风量。
PLC可编程控制器：可编程逻辑控制器，是一种采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
PLC的显著特点，使其成为工业控制中应用越来越广泛的控制设备。可编程控制器具有可靠性高、抗干扰能力强，功能完善、扩充方便、组合灵活、使用性强，编程简单、使用方便、控制过程可变、及功耗低等优点。过程控制是通过配用A/D、D/A、转换模块及智能PID模块实现变化的模拟量进行单回路或多回路闭环调节控制，使这些物理参数保持在设定值上。在液位控制系统中，可编程控制器与模拟模块的过程连接是必要的。模拟量输入A/D单元的作用是将外部的模拟量转换成数字量，以使CPU进行处理。模拟量输出D/A模块的作用是将PLC处理的由数字量表示的结果转换成模拟量，以利于执行部件接收，进行控制调节。采用三菱FX3U-4AD系列PLC。
(5)产尘装置
产尘装置分为割煤机割煤产尘，液压支架移架产尘，转载产尘以及分散尘源产尘四个产尘点。图6显示，产尘装置粉尘储罐置于上端，容积4L，有机玻璃制作；粉尘流量采用伺服控制闸阀，PID调节；动力源采用空压机压缩空气，从闸阀一端进入，带动粉尘一起进入模型内，每个独立产尘源配置一个产尘装置可单独控制产尘速度和粉尘的粒径。静音空压机，为产尘装置提供动力，采用风豹无油静音空压机，型号3×1500-140L，参数指标如下：功率：1500W×3；排气量：300L/min；最大压力：8bar；储气罐：140L；噪音：65dB；尺寸：119cm×51cm×89cm；净重：102KG。
割煤机割煤产尘：模拟割煤机割煤截齿与煤壁摩擦产尘的过程，结合割煤产尘的粉尘粒度分布，进行粉尘粒度配比。参照割煤产尘的方式，在割煤截齿布置产尘点，并以点源的方式，实现滚筒转动过程不间断的进行产尘。前、后滚筒截齿产尘点独立可调，互不影响。单个滚筒产尘点不少于3个，如图7所示。
液压支架移架产尘：模拟液压支架架间粉尘在移架过程突然释放大量粉尘的过程。结合移架产尘的粉尘粒度分布进行粉尘粒度配比。参照移架产尘的方式，选择3～5个支架模型架间设置为移架产尘区，并以线性源的方式，突然释放粉尘(采用马达带动刮板旋转，把粉尘自由落体落下)，如图8所示。
转载产尘：模拟煤炭由转载机转载由于输运方向改变和高度落差而出现的产尘过程。结合转载产尘的粒径分布进行粉尘粒度配比。参照转载产尘的方式，在转载机位置设置线性源产尘区，产尘速度比采煤面割煤和移架的产尘量小，可实现连续产尘。
分散尘源产尘：在胶带运输巷胶带模型随机布置2～3个分散尘源点，以点源的形式布置，产尘速度和粒径可根据实验需要调整。
(6)燃油车辆尾气产生装置
以WC19R(A)型人车作为原型，结合相似比制作燃油车辆模型。根据燃油车辆尾气排放管的位置，在车辆模型对应位置设置尾气排放点。选取某种易于监测的标志性气体作为尾气，结合车辆怠速、空载、满负荷负载、上坡、下坡等不同工况下尾气排放量，设置不同的尾气排放速度。
在辅运顺槽内放置2台遥控汽车，汽车上安装尾气储罐；尾气储罐预装混合尾气，尾气排放采用伺服控制截止阀，PID调节控制流量。模型汽车外型尺寸：1120cm×400cm×440mm(长宽高)，如图9所示。
尾气储罐：尾气储罐采用不锈钢制作，固定在模型汽车内；预装入混合模拟的尾气，PID调节阀程序控制排放尾气、调节排放流量。尾气储罐容积4L，工作压力6MPa，304不锈钢材料制作。
PID流量调节阀：采用伺服电机控制阀针上下移动来调节阀的开度，从而达到调节流量的功能。规格：DN6；伺服电机：60W程序式控制。
(7)监测系统
根据实验需要，需要监测数据包括风速、粉尘和尾气，因此需要在整个系统内布设风速传感器、粉尘传感器和尾气浓度传感器。所有传感器尺寸不易过大，不可以影响风流场。
风速传感器：风速传感器要求能够准确监测巷道和采煤面风速，布置位置要求(图10)：辅运巷道、胶运巷道和回风巷各布置1个；采煤面需要在液压支架行人区域和液压支架与煤壁之间各布置1个风速传感器，整个系统风速传感器布置5个。
风速传感器立足于煤矿用户，主要适用于煤矿井下具有瓦斯爆炸危险的各矿井通风总回风巷、风口、井下主要测风站、扇风机井口、掘进工作面、综采工作面等处，以及相应的矿产企业。可连续监测上述地点的风速、风量(风量＝风速x横截面积)大小，能够对所处巷道的风速风量进行实时显示，是矿井通风安全参数测量的重要仪表。选用W4160A16型，风速量程0-10m/s，精度0.2％。
粉尘传感器：粉尘传感器要求能够准备监测车测点的粉尘浓度和粉尘粒径分布，若粉尘粒径分布不好实现在线准确监测，可在粉尘传感器位置配套安装粉尘收集器，以备实验后取样进行粒度分析。粉尘传感器要求能够长时间温度运行。
粉尘浓度测量仪测量范围0.01-1000mg/m3，采样流量2L/min，流量误差2.5％，测量误差10％。技术参数如下：量程：PM2.5：0-20mg/m3；PM10：0-50mg/m3；PM100：0.01-100mg/m3；响应时间：1s；测量误差15％。
传感器布置位置要求：辅运巷道、胶运巷道、回风巷道各方布置1个传感器，采煤面需要在液压支架行人区域和液压支架与煤壁之间各布置3个粉尘传感器，且采煤面的所有粉尘传感器位置可以随着割煤机位置变化进行调整，如图11所示。
尾气传感器：尾气传感器能够准确测试车辆模型所排放的标志性气体，以排气点为中心，沿着风流和逆风流方向的2m范围内各布置1个尾气传感器，但尾气传感器需要做到与中心点的距离可调，如图12。主要参数：可测量CO2浓度范围：10-2000ppm；分辨率1ppm；响应时间15s；电路电压：≤15VDC。
(8)控制平台
主要由液晶显示器，控制操作台，PLC控制柜构成。其中，液晶显示器显示设备运行状况，传感器参数；控制操作台控制设备正常运转同时监控设备运行；PLC控制柜接收控制信号，传输给被控设备，同时将传感器信号上传至上位机以供显示。
控制柜：采用铝合金面板、A3板喷塑。用来安装压力，温度二次显示仪表、电源开关等，便于操作和维修。电路控制系统由温度二次仪表、压力二次仪表、继电器等组成。可控制、温度、压力等参数设置。
计算机：配联想计算机1台，英特尔酷睿i7以上处理器，内存：8G，1G独立显卡，硬盘：1T，21寸显示器，windows操作系统。大屏显示器，80寸液晶显示器，4K分辨率(3840×2160)，830万像素，含多种接口可和电脑、音响等设备连接。
控制软件：测控过程控制可以使用SCADA(数据采集和监控)系统，此系统的底层是数据采集功能，用于测量反馈和操作、储信息。数据采集的上一层是控制功能，包括手动或自动命令及连续或顺序的自动控制，在系统的最顶层是监控部分，包括用户界面、趋势曲线、故障报警和报表生成等。该控制软件专为实时控制和数据采集而设计。实时控制器使用NI REAL TIMETM总线架构来控制应用。选用上位机编程软件LabVIEW，既能对数据采集卡完成数据采集处理和实现人机界面任务，同时又能和PLC进行通信，实现对PLC的控制。
下位机采用PLC完成逻辑控制，控制可靠，实时效率高。上位机利用Lab VIEW软件编写人机界面且控制程序简单、直观易于操作，后期的数据处理存储、报表生成方便，便于维护等。通过RS485总线协议将上位机和下位机连接，使该测控系统具有很好的实时性，稳定可靠，抗干扰性强。
(9)粉尘和尾气后处理系统
用来对每次模拟实验后整个系统内的粉尘进行清理，保证设备的清洁，不影响。第二次使用。在回风巷口设置粉尘和尾气后处理系统，确保实验的粉尘和尾气不流入外界环境，影响外界环境。粉尘和尾气净化装置：G-2型废气处理设备；由活性炭吸附箱和风机组成；风量：2000～10000m3/h；净化率：+98％(mg/L)；电机功率：11kw；电压：380V。
采用低温等离子体净化油雾、废气等污染介质，等离子体中的高能高离子起决定性的作用。流星雨状的高能离子与介质内分子(原子)碰撞，发生激发、高解、电离等一系列过程使污染物分子处于活化状态。污染介质在等离子体的作用下，产生活性自由基,被活化的污染物分子经过等离子体定向链化反应后被脱除。当离子平均能量超过污染介质中化学键结合能时，分子链断裂，污染介质分解，并在等离子发生器吸附场作用下被收集。在低温等离子体中，会发生各种类型的化学反应，这主要取决于等离子的平均能量、离子密度、气体温度、污染物介质内分子浓度及共存的介成成分。
设备清理和水雾降尘的水处理：清洗系统为清洁水槽，与水雾降尘系统配合操作可实现对模型内部水洗，在巷道底部安置清洁水槽，水槽出口处进行滤网沉淀。
仅作为示例，受限空间多源粉尘及尾气运移物理模拟平台所使用到的相关零部件的清单如表1所示。
表1配置清单
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实施例2：
本发明选取上述科学研究内容①“矿井受限空间多源粉尘运移规律研究”这一项科学实验来作为实施例。
1)风流场作用下受限空间多源粉尘物理模拟实验方案
(1)实验目的
研究综采工作面截割等尘源粉尘在风流场运移过程，分析在不同风流条件下粉尘浓度和粒径的空间分布特性。进一步，为煤矿综采工作面粉尘治理提供理论基础，实现除尘技术的优化与高效利用。
(2)实验所用仪器：受限空间多源粉尘及尾气运移物理模拟平台、CCZ-20A型粉尘浓度传感器、MS3000激光粒度分析仪、恒温烘干箱、TG-328A电光分析天平等。
(3)实验步骤
a.从某矿综采工作面现场选取粉尘样，先对大块煤研磨成粉，随后烘干，利用筛网筛分0～180μm粒径区间的粉尘，放入模拟工作面各个尘源处的粉尘发射器中，以备实验。
b.以尘源点为原点，并以沿着风流方向为正向，在实验平台内的采面和回风巷内分别布置了7个粉尘采样点和5个测尘点。7个采样点距原点的距离分别为0.5m、2.5m、5.0m、7.5m、8.5m、11.5m、15.5m。5个测尘点距原点的距离-1m、2.5m、7.5m、10m、13.5m。具体位置布点如图13所示。
c.布置好各类传感器位置，在每个测点放置静置的粉尘盒，用于收集每个断面位置处的落尘。
d.连接好粉尘传感器和风速传感器等，启动风机，根据方案设计调节风量，当风速稳定后，发尘系统开始释放尘源粉尘，控制粉尘释放速率，测定实验工作面沿程断面及每个巷道断面测点处的粉尘浓度，记录风速等相关数据。
e.将各位置粉尘盒收集到的落尘先进行烘干，分别放入TG-328A电光分析天平进行称重，记录数据，并将落尘放入Rise粒度分析仪中测试不同断面位置落尘中的粒径分布情况，获得质量微分分布比。
f.实验完成后，使用除尘系统对该次实验产生的残余粉尘进行收集处理，确保空气中实验平台内部空气中不含粉尘。
g.根据粉尘浓度测试数据，绘制不同风速情况下，整个模拟工作面内断面不同位置处、沿程不同距离处的粉尘浓度变化曲线。
h.根据粒度分析仪测得的粉尘的粒径分布数据，绘制不同粒径粉尘的微分分布曲线和累积分布曲线。
(4)实验参数设置
结合实验方案设计，实验参数设置如表2所示：
表2实验参数
实验编号 产尘源 工作面风速(m/s) 粉尘类型 产尘速度(mg/s)
1 截割 0.50 配比样 1000
2 截割 1.00 配比样 1000
3 截割 1.50 配比样 1000
4 截割 2.00 配比样 1000
5 截割 2.50 配比样 1000
2)物理实验结果分析
(1)粉尘浓度随距离与风速变化
表3统计了不同风速条件下5个测尘点获得的粉尘浓度数据。根据实验数据，在不同风速条件下，原点前方1m位置的测尘点由于处于尘源上风侧，尘源点产出的粉尘很难逆风流运移到该位置，造成该点的粉尘浓度较低。由原点开始，沿着风流方向，不同实验在距原点2.5m和7.5m两个位置的粉尘浓度均表现出快速下降的规律，而在距原点10m和13.5m两个位置的粉尘浓度下降幅度明显变缓，甚至出现波动。当风速为0.5m/s时，2.5m处的粉尘浓度达到299.05mg/m3，在7.5m处的粉尘浓度降低至147.86mg/m3，然而距原点10m和13.5m位置的粉尘浓度分别为88.14mg/m3和88.57mg/m3。
图14展现了不同风速下粉尘浓度变化趋势。结果表明，随着风速的增加，粉尘浓度随距离的下降曲线越来越缓。在风速为0.5m/s～2.5m/s的变化范围内，原点后方相同距离位置的粉尘浓度随着风速的增加而呈现增大趋势。这说明随着风流速度的增加，粉尘发生沉降的距离变长，使得尘源点后方粉尘浓度下降速度变缓。
表3不同风速与不同测试点的粉尘浓度
(2)粉尘粒径随距离与风速变化
采用Rise系列粒度分析仪，测试了0.5m/s、1.0m/s、1.5m/s、2.0m/s、2.5m/s五种风速下7个采样点的粉尘粒径分布。划分六个粒径区间，分别为0～5μm、5～10μm、10～20μm、20～50μm、50～100μm、100～200μm。不同风速下，各采样点的粉尘粒径分布如表4所示。整体上，在不同风速下，各采样点粉尘的粒径分布随着与原点距离增加呈现的变化规律具有相似性。随着与原点距离的增加，各采样点粉尘中0～5μm和5～10μm范围内的粉尘占比呈逐渐增加趋势，而20～50μm、50～100μm和100～200μm范围内的粉尘占比呈逐渐减小趋势。
图15为不同风速下各采样点粉尘粒径随距离的变化趋势。趋势线表明，在不同风速下，各采样点粉尘中0～5μm和5～10μm粒径区间的粉尘随着距离的增加比例不断升高，20～50μm、50～100μm和100～200μm三种粒径区间的粉尘逐渐减少。值得注意的是，在5种风速情况下，10～20μm区间的粉尘比例始终保持一种相对稳定状态，最大的变化幅度在0.5m/s时，仅为13.1％。
表4不同风速下粉尘粒径分布统计
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(3)粉尘浓度和粒径随距离与风速变化规律
结合物理实验，粉尘由尘源点产出后，在风流作用下流动呈现一定的规律性。其中，粉尘浓度随着与尘源点距离的增加呈现先快速下降，后下降速度变缓的趋势。同时，由于粉尘在流动过程中出现沉降现象，并且粉尘的沉降现象与风速粉尘粒径相关，造成随着风速的增加，粉尘发生沉降的距离变长，使得尘源点后方粉尘浓度下降速度变缓。
尘源点后方不同位置粉尘的粒径分布显示，0～5μm和5～10μm粒径区间的粉尘随着距离的增加比例不断升高，20～50μm、50～100μm和100～200μm三种粒径区间的粉尘逐渐减少。
以上所述，仅为本发明优选的具体实施方式，但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种受限空间多源粉尘及尾气运移物理模拟平台，其特征在于，包括：
一工作面缩放模型，包括回风巷道、综采工作面、胶运巷道以及辅运巷道，所述回风巷道和所述胶运巷道分别设置于所述综采工作面的两端，所述辅运巷道与所述胶运巷道通过中间巷道连通；
一工作面设备模型，包括割煤机模型、液压支架模型、转载机模型、带式输送机模型，所述割煤机模型设置于所述综采工作面，所述转载机模型用于模拟装载产尘和风流场，所述带式输送机模型设置于胶运巷道；
一通风装置，设置于所述回风巷道的回风巷口，以实现工作面的风流场的模拟；
产尘装置，所述产尘装置设置于对应的产尘点位，所述产尘点位包括割煤机割煤产尘点位、液压支架移架产尘点位、转载产尘点位以及分散尘源产尘点位；
一燃油车辆尾气产生装置，设置于辅运巷道，用于根据燃油车辆尾气排放管的位置，在车辆模型对应位置设置尾气排放点，选取标志性气体作为尾气，结合车辆怠速、空载、满负荷负载、上坡、下坡工况下尾气排放量，设置不同的尾气排放速度，所述标志性气体包括CO2、CO、NOx中的一种及其组合；
一监测系统，包括风速传感器、粉尘传感器以及尾气传感器，所述风速传感器用于监测巷道和采煤面风速，所述粉尘传感器用于监测车测点的粉尘浓度和粉尘粒径分布，所述尾气传感器用于监测测试车辆模型所排放的标志性气体；
一控制平台，包括显示器、控制操作台以及PLC控制柜，所述PLC控制柜PLC控制柜与所述工作面设备模型、通风装置、产尘装置、燃油车辆尾气产生装置以及监测系统均信号连接，所述显示器与所述PLC控制柜信号连接，用于显示设备运行状况，传感器参数；所述控制操作台与所述PLC控制柜信号连接，用于控制设备正常运转同时监控设备运行。
2.根据权利要求1所述的受限空间多源粉尘及尾气运移物理模拟平台，其特征在于，还包括：
一粉尘和尾气后处理系统，设置于回风巷口，包括粉尘和尾气净化装置、清洗水槽以及水雾除尘系统，所述粉尘和尾气净化装置用于采用低温等离子体污染介质，所述污染介质包括净化油雾和废气，所述清洗水槽设置于所述回风巷道底部且与所述水雾除尘系统进行连接，所述清洗水槽的出水口设置有滤网。
3.根据权利要求1所述的受限空间多源粉尘及尾气运移物理模拟平台，其特征在于，在辅运巷道、胶运巷道和回风巷道处各布置1个风速传感器；在液压支架模型行人区域和液压支架模型与煤壁之间各布置1个风速传感器；
在所述辅运巷道、胶运巷道、回风巷道各方布置1个粉尘传感器，综采工作面在液压支架行人区域和液压支架与煤壁之间各布置3个粉尘传感器，且综采工作面的所有粉尘传感器位置根据割煤机模型的位置变化进行调整；
所述尾气传感器以排气点为中心，沿着风流和逆风流方向的1～3m范围内各布设一个。
4.根据权利要求1所述的受限空间多源粉尘及尾气运移物理模拟平台，其特征在于，所述燃油车辆尾气产生装置包括设置于辅运巷道中的车辆模型以及设置于所述车辆模型上的尾气储罐，所述尾气储罐预装混合尾气，尾气排放采用伺服控制截止阀，PID调节控制流量。
5.根据权利要求1所述的受限空间多源粉尘及尾气运移物理模拟平台，其特征在于，所述割煤机割煤产尘点位包括在割煤截齿布置产尘点；
所述液压支架移架产尘点位包括设置在所述液压支架模型的产尘点；
所述转载产尘点位包括在转载机位置设置的线性源产尘区；
所述分散尘源产尘点位包括随机布设在带式输送机模型的至少一个产尘点。
6.一种风流场作用下受限空间多源粉尘运移物理模拟实验方法，其特征在于，基于如权利要求1至5中任一项所述的受限空间多源粉尘及尾气运移物理模拟平台，所述方法包括：
取样粉尘，并处理成0～180μm粒径区间的粉尘后放入模拟工作面各个产尘点位的产尘装置中；
以产尘点位为原点，并以沿着风流方向为正向，在实验平台内的综采工作面和回风巷内分别布置多个粉尘采样点和多个测尘点；
在每个测尘点放置静置的粉尘盒，用于收集每个断面位置处的落尘；
调节风量，当风速稳定后，产尘装置开始释放尘源粉尘，控制粉尘释放速率，测定实验工作面沿程断面及每个巷道断面测点处的粉尘浓度，记录风速；
将各位置粉尘盒收集到的落尘先进行烘干，称重，并将落尘放入粒度分析仪中测试不同断面位置落尘中的粒径分布情况，获得质量微分分布比。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述粉尘采样点设置为7个，7个采样点距原点的距离分别为0.5m、2.5m、5.0m、7.5m、8.5m、11.5m、15.5m；所述测尘点设置为5个，5个测尘点距原点的距离-1m、2.5m、7.5m、10m、13.5m。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在将各位置粉尘盒收集到的落尘先进行烘干，称重，并将落尘放入粒度分析仪中测试不同断面位置落尘中的粒径分布情况，获得质量微分分布比之后，所述方法还包括：
使用除尘系统对当前实验产生的残余粉尘进行收集处理，确保空气中实验平台内部空气中不含粉尘。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据粉尘浓度测试数据，绘制不同风速情况下，整个模拟工作面内断面不同位置处、沿程不同距离处的粉尘浓度变化曲线。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据粒度分析仪测得的粉尘的粒径分布数据，绘制不同粒径粉尘的微分分布曲线和累积分布曲线。
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