隧道粉尘模拟系统及方法与流程

本发明涉及隧道模拟试验，尤其涉及隧道粉尘模拟系统及方法。

背景技术：

我国的隧道工程钻爆法施工技术经历了跨越式的技术进步，取得了卓越的技术效果，由于钻爆法施工具有经济、高效及对地质适应能力强的明显优势，所以至今仍是我国隧道掘进施工中的最重要和最常用的技术手段。但是，钻爆法作业的掌子面爆破工序，很容易在施工作业面产生大量爆破粉尘；而隧道模型试验中，涉及到摄像、监控系统研发等研究，为所得实验结果更符合工程实际，需模型试验内部模拟隧道粉尘，目前还没有一套可行的隧道粉尘模拟系统及方法。

技术实现要素：

本发明的目的是为了提供一种结构简单的、操作简便的隧道粉尘模拟系统该系统在分析隧道粉尘来源及产生机理的基础上，不仅能够模拟不同工序时期的粉尘环境，还对隧道粉尘浓度做定量分析，提高了隧道环境模拟的真实性和相关研究结果的准确性。

还提供了隧道粉尘模拟系统的使用方法，实现在钻爆法作业中爆破粉尘的模拟，粉尘喷射方向可调，可实现不同施工工序时，不同浓度粉尘的产生。

为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：

隧道粉尘模拟系统，包括：

装载平台，装载平台表面上设有旋转机构，

粉尘喷射器，粉尘喷射器的高度可调；

粉尘喷射器包括粉尘罩，粉尘罩的入口通过输粉管与供粉机构连接，供粉机构与压缩空气动力源连接，在粉尘罩出口处设有抽吸部，粉尘罩通过固定架固定于旋转机构上，旋转机构的设置可调节固定架转动的角度，从而控制吹动的方向；

为了更好模拟隧道工程中实际情况，采用本发明的隧道粉尘模拟系统，使得粉尘罩喷射面朝向隧道的作业面，作业面为开挖隧道不断向前推进的工作面，包括有边墙面、拱顶面和掌子面，可以调整粉尘喷射方向，满足现场施工环境，从而控制粉尘流动路径，更加符合隧道喷锚支护工序，使隧道粉尘模拟更加真实效果。

进一步地，为了更好的喷射，所述粉尘罩呈锥形，粉尘罩出口处尺寸大于入口处的尺寸。

进一步地，所述抽吸部为设于粉尘罩尺寸大的端部的导流叶轮，并布设钢丝罩覆盖粉尘出口处，导流叶轮的叶片可双向转动，并能调节导流叶轮的转速实现不同浓度的粉尘喷射，转速快的情况下可快速实现粉尘浓度迅速达到某个值，可根据实际爆破能达到的粉尘效果，来选择导流叶轮的速度大小。

导流叶轮只需简单动力系统，如电机启动，基本原理与风扇叶旋转相同，控制器与旋转电机连接，控制器控制旋转电机的旋转，进而带动导流叶轮的旋转。

双向转动是根据隧道实际情况，隧道内实际控制粉尘的产生可能是因为爆破等隧道内内部环境产生，另外有可能是从隧道外侧进入到内部的，为了更真实的实现模拟，导流叶轮最好是可双向转动，旋转电机反转即可实现导流叶轮向相反方向旋转。

进一步地，所述粉尘喷射器一端通过所述的固定架固定于所述的旋转机构，另一端与旋转机构之间设置千斤顶实现粉尘喷射器喷射高度可调。

进一步地，所述旋转机构为外壳包覆而设置在所述装载平台上的轴承，旋转机构能够水平360度旋转，调节导流叶轮水平面上转动的角度，从而控制粉尘模拟系统吹动的方向和面积大小。

进一步地，所述供粉机构内装有人工粉尘，人工粉尘包括矿物性粉尘、游离二氧化硅粉尘和水泥，矿物性粉尘用来模拟隧道掌子面爆破产生的粉尘，游离二氧化硅粉尘、水泥用来模拟喷射混凝土工序产生的粉尘。

进一步地，在所述装载平台的底部设置移动机构，装载平台带有四个车轮，保证运输过程中的平衡，实现粉尘喷射的自由移动，提高其灵活性。

进一步地，所述旋转机构为旋转电机，隧道粉尘模拟系统还包括控制器，控制器与旋转电机、抽吸部分别单独连接，控制器控制旋转电机的旋转，抽吸部的动作。

进一步地，在所述的粉尘罩内设有喷嘴，喷嘴与所述的输粉管连接。

所述的隧道粉尘模拟系统的使用方法，具体步骤如下：

1)调整粉尘喷射器的位置：通过旋转机构调整粉尘喷射器的水平方向，并调整粉尘喷射器的高度位置；

2)供粉机构向粉尘罩内供入人工粉尘，粉尘处在一种流化的状态，通过虹吸作用被高速流动的气流带着，形成粉气混合；

3)导流叶轮旋转，将粉气混合体最终分散到空气中。

本发明的工作原理是：隧道粉尘来源也包括原始粉尘，及在开采前因地质作用和地质变化等原因而生成的粉尘，存在于岩体的层理、节理和裂隙中；除此之外，工艺粉尘亦是隧道粉尘的主要来源之一，即岩体在钻孔、弃碴装运、排险过程中受摩擦、碰撞、挤压等作用而产生的粉尘；在喷射混凝土施工中，高压气流吹出水泥和细沙也会产生大量粉尘；本发明中基于真实环境及以上粉尘产生的机理，选择合适的人工粉尘，更好的实现对隧道工程中的粉尘模拟。

本发明的有益效果是：

1.本发明根据隧道内真实环境及粉尘产生机理，人工模拟隧道粉尘，能够配制粉尘级配和粉尘粒径。

2.本发明通过旋转机构以及千斤顶的设置，可以水平360度调节粉尘喷射方向，竖直仰角最大可到某一角度，适应性强。

3.本发明中通过移动机构的设置，可实现模拟系统的自由移动，具有较高的灵活性。

4.本发明结构简单，操作简便，提高工作效率。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2为关键部位细部图。

其中1.人工粉尘；2.供粉机构；3.输粉管；4.粉尘罩；5.保护罩；6.导流叶轮；7.旋转机构；8.液压千斤顶；9.固定架；10装载平台；11.作业面。

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、完整的描述。

隧道粉尘模拟系统及方法由人工粉尘1、供粉机构2、输粉管3、粉尘罩4、保护罩5、导流叶轮6、旋转机构7、液压千斤顶8、固定架9、装载平台10组成。根据隧道内真实环境及粉尘产生机理，人工模拟隧道粉尘，不仅可以配制粉尘级配，调节粉尘粒径，还可以通过自带导流叶轮6旋转带动空气流动，调节粉尘浓度分布；同时旋转机构7和液压千金顶8可以调节粉尘罩4方向，从而控制粉尘流动路径，更加符合隧道喷锚支护工序，使隧道粉尘模拟更加真实效果。

所述人工粉尘1包括矿物性粉尘、游离二氧化硅粉尘和水泥等，矿物性粉尘用来模拟隧道掌子面爆破产生的粉尘，游离二氧化硅粉尘、水泥用来模拟喷射混凝土工序产生的粉尘。模拟过程中，可根据试验需要进行人工粉尘预配比；

所述供粉机构2具有存储人工粉尘1功能，采用防静电材料制成，可实现多次填装；

所述输粉管3可将供粉机构2内的人工粉尘1运输至粉尘罩4内；

所述粉尘罩4是通过把人工粉尘1在高压下经导管供给喷嘴产生的，在供粉机构中，人工粉末1处在一种流化的状态，这是通过压缩空气的作用而实现的，之后粉末通过虹吸作用被高速流动的气流带着，形成粉气混合，经过输粉管3，最终到达喷嘴上，并且分别调整粉末和空气比例，改变出粉量，实现浓度调节，调整二者比例的原理是：供粉机构与喷射式空气压缩机相连，利用高速喷射流气体，带动粉尘进入输粉管，通过气体速度控制粉尘浓度，气体速度越大，粉尘浓度越高。

所述粉尘罩尺寸大的端部设置导流叶轮6，并布设钢丝罩作为保护罩5覆盖该端部，所述保护罩5为网状钢丝罩，防止导流叶轮6高速转动下打伤操作人员，具有保护作用；

所述导流叶轮6由转轮和具有一定偏转弧度的叶片组成，导流叶轮6与粉尘喷射器7同轴，叶片可双向转动，控制气压高低，可吹动粉尘罩4所喷射出的粉尘，并能调节其转速，根据工程实际模拟粉尘喷射的初速度；

所述旋转机构7能够水平360度旋转，调节导流叶轮6水平面上转动的角度，从而控制吹动的方向和面积大小；

液压千斤顶倾斜设置，一端与旋转机构的外壳固定，另一端与粉尘罩4的底部固定，所述液压千金顶8可以自由缩动，调节粉尘罩4的仰起角度，控制竖直面的粉尘喷射方向；

所述固定架9与粉尘罩4固定装置，如图2所示；

所述装载平台10带有四个车轮，保证运输过程中的平衡，实现粉尘喷射的自由移动，提高其灵活性；

使用该装置时，粉尘罩4尺寸大的一端朝向作业面11设置，作业面11为开挖隧道不断向前推进的工作面，包括有边墙面、拱顶面和掌子面；

上述系统的方法，包括以下步骤：

(1)人工粉尘1填装。根据隧道施工工序和试验要求，配制人工粉尘比例，填装入供粉机构2；

(2)调节粉尘罩4水平方向。转动旋转机构7，带动粉尘罩4水平转动，直至粉尘喷射方向达到实验要求；

(3)调节粉尘罩4竖直方向。启动液压千金顶8控制开关，调整其伸缩量，粉尘罩4后端抬起，直至达到粉尘罩4仰起角度；

(4)开启粉尘罩4。人工粉尘在高压下经导管供给喷嘴产生的，在供粉机构3中，粉末处在一种流化的状态，之后粉末通过虹吸作用被高速流动的气流带着，形成粉气混合，最终到达喷嘴上；

(5)开启导流叶轮6。导流叶轮6转动，吹动粉尘罩4喷射出的粉尘分散到空气中，以达到粉尘浓度均匀。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。