专利名称：一种煤矿工作面支架喷雾降尘仿真模拟装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种煤矿工作面的模拟装置，尤其涉及一种煤矿工作面支架喷雾降尘 仿真模拟装置。
背景技术：
目前，我国采掘工作面在没有防尘措施的情况下，综采工作面的粉尘浓度可达 2500-3000mg/m3，而综放工作面的粉尘情况则比一般的综采工作面更为严重，采煤机割煤、 移架和放煤平行作业时，有些煤矿个别瞬时原始总粉尘浓度甚至高达8000-10000mg/m3。即 使采取措施，多数工作面的情况依然相当恶劣，采煤机下风向的粉尘浓度最大可达IOOOmg/ m3以上，已经严重超过国家标准规定。现有技术中一般采用机械化掘进，其工作面采用大功率综掘机强力截割煤， 产尘量特别大，据现场实测，在不采用综合防尘措施情况下，机掘工作面的粉尘浓度为 2000-3000mg/m3，个别机掘工作面的粉尘浓度甚至高达6000mg/m3左右。为了降低煤矿工作面的粉尘浓度，减少粉尘对工人及设备的危害，避免发生粉尘 爆炸事故，国内大多数煤矿均采用了湿式降尘，该种方式的降尘效果比较明显，其平均降尘 率超过了 70%，有效改善了工作面的生产环境。虽然煤矿井下综放工作面使用的喷雾降尘喷嘴种类众多，而且取得了一定的降尘 效果。但是，长期以来，对综放工作面雾化喷嘴的选用情况则主要根据人们的实践经验凭主 观选择。即针对不同生产工序的产尘粒度特点究竟采取何种类型的喷嘴才能取得较好的降 尘效果，仅仅依靠主管经验是很难控制煤矿工作面的粉尘浓度的。要研究喷嘴的实用性能，必须有一种能真实模拟工作面风流状态、粉尘状态及喷 雾情况的仿真模拟装置来揭示不同喷嘴的喷雾性能及降尘效果，为煤矿现场喷雾降尘工作 提供理论指导。由此可见，现有技术有待更进一步的改进和发展。
发明内容
本发明为解决上述现有技术中的缺陷提供一种煤矿工作面支架喷雾降尘仿真模 拟装置，模拟煤矿工作面的状况，为煤矿工作面的喷雾降尘提供技术支持，为提高煤矿工作 面上安装喷嘴的科学合理性提供了数据支持，节约了安装成本。为解决上述技术问题，本发明方案包括一种煤矿工作面支架喷雾降尘仿真模拟装置，其包括仿真封闭式试验箱，仿真封 闭式试验箱的前端设置有一入风口，后端设置有一出风口 ；该仿真封闭式试验箱内设置有 用于模拟煤矿工作面的风速、压力条件的风流动力提供装置、用于模拟煤矿工作面粉尘产 生状况的粉尘发生装置、用于模拟煤矿工作面支架喷嘴喷雾状况的喷雾装置与检测系统， 风流动力提供装置设置在入风口 ；粉尘发生装置设置在仿真封闭式试验箱的前部，位于入 风口的后方；喷雾装置与检测系统分别设置在仿真封闭式试验箱的中部。所述的煤矿工作面支架喷雾降尘仿真模拟装置，其中，上述仿真封闭式试验箱包括风流渐扩段与实验段，风流渐扩段位于实验段的前方，入风口与粉尘发生装置分别设置 在风流渐扩段上，喷雾装置、检测系统与出风口分别设置在实验段上。所述的煤矿工作面支架喷雾降尘仿真模拟装置，其中，上述风流渐扩段外轮廓为 缺底边的四棱台形，其高为二点一五米，风流渐扩段的渐扩角为二十二点六度；入风口设置 在风流渐扩段的前端，入风口是一直径为一点四米的圆形口。所述的煤矿工作面支架喷雾降尘仿真模拟装置，其中，上述实验段外轮廓为缺底 边的长方柱，其长、宽、高分别为三米、三米、二点五米；出风口设置在实验段的后端，其为矩 形口，出风口的长、宽分别为三米、二点五米。所述的煤矿工作面支架喷雾降尘仿真模拟装置，其中，上述风流渐扩段均勻设置有多根长度为二点八零四米的加固杆；风流渐扩段纵向每间隔零点六八八米均安装一矩形 固定圈。所述的煤矿工作面支架喷雾降尘仿真模拟装置，其中，由厚度为一厘米的有机玻 璃制成的仿真封闭式试验箱，其实验段的底板设置有千分之三的坡度，该坡度沿自风流渐 扩段与实验段相接之处至出风口方向向下倾斜。所述的煤矿工作面支架喷雾降尘仿真模拟装置，其中，实验段的顶板与底板上分 别设置有两根滑道，顶板的滑道与底板的滑道上下一一对应；喷雾装置包括一喷嘴支架，喷 嘴支架包括两个立柱与一个横梁，立柱分别位于横梁的两端，立柱设置在顶板的滑道与底 板的滑道之间，立柱能沿对应的滑道前、后移动，横梁能沿立柱上、下移动。所述的煤矿工作面支架喷雾降尘仿真模拟装置，其中，上述实验段的中部均勻设 置有多个小孔；检测系统包括倾斜式微压计与补偿式微压计，倾斜式微压计与补偿式微压 计分别与对应的小孔相连通。所述的煤矿工作面支架喷雾降尘仿真模拟装置，其中，上述风流动力提供装置采 用无机变频控制方式的轴流式风机。所述的煤矿工作面支架喷雾降尘仿真模拟装置，其中，上述实验段的外部设置有 分体式喷雾激光粒度分析仪。本发明提供的一种煤矿工作面支架喷雾降尘仿真模拟装置，在仿真封闭式试验箱 内设置风流动力提供装置、粉尘发生装置、喷雾装置与检测系统，风流动力提供装置按照要 求提供风速与压力一定的风流，风流从入风口处进入仿真试验箱的风流渐扩段，同时风流 渐扩段上的粉尘发生装置模拟产生一定数量的粉尘，粉尘会随着风进入仿真封闭式试验箱 的实验段，实验段的喷雾装置根据需要安装有一定数量的喷嘴，试验者可以控制喷嘴喷洒 降尘剂的剂量，同步检测系统采集实验段内的相关数据进行分析，最后风流从出风口吹出， 从而得到喷嘴的相关性能指数以及降尘剂的性能，为煤矿工作面安装相应喷嘴以及喷洒降 尘剂提供了技术依据，提高了煤矿工作面的喷嘴效率，节约了安装成本。另外，本发明的仿 真试验箱包括位于前部的四棱台形风流渐扩段以及位于后部的长方柱形的实验段，使风流 以及粉尘完全符合煤矿工作面的状况，并且在实验段设置分体式喷雾激光粒度分析仪，检 测并分析不同喷嘴的喷雾性能，为煤矿工作面降尘提供了技术支持。
图1是本发明中煤矿工作面支架喷雾降尘仿真模拟装置的结构简图2是本发明中尘雾耦合关系的喷雾降尘实验方案的结构简图。
具体实施例方式本发明提供了一种煤矿工作面支架喷雾降尘仿真模拟装置，为了使本发明的目 的、技术方案以及优点更清楚、明确，以下将结合附图与实施例，对本发明进一步详细说明。 本发明提供了一种煤矿工作面支架喷雾降尘仿真模拟装置，采用仿真封闭式试验 箱，并在仿真封闭式试验箱上设置有入风口与出风口，在仿真封闭式试验箱内模拟煤矿工 作面的状况，然后通过检测系统收集仿真封闭式试验箱的相关数据，对相关数据进行分析 后，得到到喷嘴的相关性能指数以及降尘剂的性能，为煤矿工作面科学合理的安装喷嘴提 供了技术支持，节约了安装成本。如图1与图2所示的，煤矿工作面支架喷雾降尘仿真模拟 装置包括仿真封闭式试验箱1，仿真封闭式试验箱的前端设置有一入风口 2，后端设置有一 出风口 3 ；该仿真封闭式试验箱1内设置有用于模拟煤矿工作面的风速、压力条件的风流动 力提供装置4、用于模拟煤矿工作面粉尘产生状况的粉尘发生装置5、用于模拟煤矿工作面 支架喷嘴喷雾状况的喷雾装置6与检测系统，风流动力提供装置4设置在入风口 2处；粉尘 发生装置5设置在仿真封闭式试验箱1的前部，位于入风口 2的后方；喷雾装置6与检测系 统分别设置在仿真封闭式试验箱1的中部。由此可见，风流动力提供装置4将粉尘发生装 置5产生的粉尘吹入到仿真封闭式试验箱1内，模拟煤矿工作面的状况，而喷雾装置6喷洒 相应量的降尘剂，通过检测系统对仿真封闭式试验箱1内的状况进行检测，得到相关数据， 然后对得到的相关数据进行分析，从而为在煤矿工作面科学合理的安装喷雾装置6以及降 尘剂的喷洒量提供了理论支持，为高效率降尘提供理论支持。为了更进一步阐述本发明，如图2所示的，仿真封闭式试验箱1包括风流渐扩段7 与实验段8，风流渐扩段7位于实验段8的前方，入风口 2与粉尘发生装置5分别设置在风 流渐扩段7上，入风口 2位于风流渐扩段7的前端，粉尘发生装置5位于风流渐扩段的前部， 粉尘发生装置5 —般采用发尘器。喷雾装置6、检测系统与出风口 3分别设置在实验段8上，出风口 3位于实验段8 的后端，检测系统与喷雾装置6设置在实验段8的中部。风流渐扩段7的后端与实验段8 的前端相连接，形成一纵向通透的箱体，在该箱体内模拟煤矿工作面得工作状况，然后由检 测系统对仿真封闭式实验箱1内的喷雾雾滴粒度及喷雾降尘前后粉尘的浓度、分散度进行 检测及分析，为煤矿工作面高效降尘提供了数据支持。更进一步的，风流渐扩段7的外轮廓为缺底边的四棱台形，其高为二点一五米，风 流渐扩段7的渐扩角为二十二点六度；入风口 2设置在风流渐扩段7的前端，入风口 2是一 直径为一点四米的圆形口，采用棱台形外轮廓的风流渐扩段7是为了更好的模拟煤矿综采 面或综放面的情况。更进一步的，实验段8的外轮廓为缺底边的长方柱，其长、宽、高分别为三米、三 米、二点五米；出风口 3设置在实验段的后端，其为矩形口，出风口 3的长、宽分别为三米、二 点五米。由此可知，风流渐扩段7与实验段8相接后，入风口 2与出风口 3自然形成一定坡 度，使其空间完全与真实的煤矿工作面相同，使实验结果更有针对性，对煤矿的降尘措施更 有指导意义。更优选的，风流渐扩段7均勻设置有多根长度为二点八零四米的加固杆；风流渐扩段7沿纵向每间隔零点六八八米均安装一矩形固定圈。更进一步的，仿真封闭式实验箱1是由厚度为一厘米的有机玻璃制成的，即风流 渐扩段7与实验段8均有厚一厘米的有机玻璃制成。而实验段8的底板设置有千分之三的 坡度，该坡度沿自风流渐扩段与实验段相接之处至出风口方向向下倾斜，以利于喷雾水的 收集、排出。更进一步的，实验段8的顶板与底板上分别设置有两根滑道，顶板的滑道与底板 的滑道上下一一对应；喷雾装置6包括一喷嘴支架，喷嘴支架包括两个立柱与一个横梁，立 柱分别位于横梁的两端，立柱设置在顶板的滑道与底板的滑道之间，立柱能沿对应的滑道 前、后移动，横梁能沿立柱上、下移动。通过该种结构以测量不同喷雾流场区域的雾粒粒径 分散度，并且立柱以及横梁的移动均采用自动控制，通过自动控制平台集中管理，现有技术 中关于自动控制的技术已经成熟，在此不再一一赘述。
更进一步的，实验段8的中部均勻设置有多个小孔；检测系统包括倾斜式微压计 10与补偿式微压计11，倾斜式微压计10与补偿式微压计11分别与对应的小孔相连通。现 有技术中一般采用YYT-2000型倾斜式微压计和YJB-2500型补偿式微压计，进而检测实验 段不同位置的风压。检测系统也还包括多台AKFC-92A型测尘仪13，对粉尘进行人工采样， 再通过Wirmer99显微颗粒图像分析仪检测粉尘的分散度，通过高精度电子天平检测粉尘 浓度，为决策者提供更精确的数据。更进一步的，风流动力提供装置4 一般采用无机变频控制方式的轴流式风机，其 转速为750r/min，叶片安装角度为14°，叶片数为10，当仿真封闭式试验箱1内的风速和压 力达到需求后保持风速、压力的恒定，通过低负压、高风量鼓风机将煤粉扬起，模拟煤矿工 作面的状况。更进一步的，实验段8的外部设置有分体式喷雾激光粒度分析仪9，一般采用 Wirmer313分体式喷雾激光粒度分析仪9，检测并分析不同喷嘴的喷雾性能，如图1所示的， Winner313分体式喷雾激光粒度分析仪9的激光发射和接收装置之连线垂直于风流方向。。如图1与图2所示的喷雾降尘实验方案中，其具体包括启动风流动力提供装置4，即启动轴流式风机，观察各倾斜式微压计10和补偿式 微压计11的读数，并处理风流渐扩段7与实验段8的风流参数，然后通过无极变频器调节 风机参数，使仿真封闭式试验箱1内部尤其是实验段8的风流参数与现场实际相吻合。开启喷雾装置6，喷雾装置6上的喷嘴12开始喷雾，在此过程中通过Wirmer313分 体式喷雾激光粒度分析仪9检测并分析喷嘴的喷雾性能。在检测过程中，通过自动控制平 台控制喷嘴支架上下、左右移动，可检测喷嘴12在不同位置时的喷雾性能，其实质是检测 雾流场中不同位置雾滴的粒径分布。喷雾装置6可以与高压泵14相连通，由高压泵14为喷雾装置6提供水源，并且调 节高压泵14，可以检测喷嘴12在不同水压条件下的喷雾性能，同时可确定适合喷嘴的最佳 供水压力。并且还可以更换喷嘴12，可以检测不同喷嘴的喷雾性能，从中选出喷雾效果最佳 的喷嘴；调节轴流式风机4的转速等参数，可以测定喷嘴在不同风流参数条件下的喷雾性 能，选择出最适合现场应用的喷嘴。在模拟某一工作面特定风流参数的情况下，开启粉尘发生装置5，即开启发尘器，多个测尘仪13采集风流中粉尘样本，再使用高精度电子天平检测实验箱内风流中粉尘的浓度，并据此调节发尘器5的压力、粉尘供给量等参数，使之模拟工作面的粉尘浓度。粉尘的分散度可通过Wirmer99显微颗粒图像分析仪以及Wirmer2000干粉激光粒 度分析仪测定，保证供给发尘器5的粉尘其分散度与工作面情况相当。之后开启喷雾装置6，调节导轨位置及供水压力，即可检测喷嘴12所产生的雾流 场对风流中粉尘的捕集效率。如果喷雾装置6的水流中加入适量的降尘剂，则可以检测该降尘剂对喷嘴雾流场 的改善能力及其对降尘效率的提高能力。根据对综放工作面喷雾降尘时不同喷雾水压对降尘效果的分析可知，8. OMPa为喷 雾供水的最佳压力，因此，发明的喷雾水压均统一为8. OMPa在此仅列举一个具体的实验方案，其包括以下步骤步骤A 调整风机的不同转速，记录倾斜压差计和补偿式微压计的读数，通过计算 得到风机不同转速下喷雾模型渐扩段和平稳段的通风阻力、风机出风口处的相对静压及模 型平稳段内风流的速度等参数——通过调整，可以模拟不同情况下工作面的风流参数。步骤B 不启动风机，启动喷雾供水系统，逐一改变喷嘴不同的空间位置，通过 Wirmer313分体式喷雾激光粒度分析仪分别测定不同位置处雾粒的粒径分布情况，再由总 体分析得到整个雾场空间雾滴的分散度分布情况——如此可检测出喷嘴再正常环境中的 喷雾性能。步骤C:启动风机，在不同的转速下逐一改变喷嘴不同的空间位置，根据雾粒粒径 的分散度测定结果，得到模拟井下综放工作面不同风速的真实状况下所成雾场空间的雾滴 分散度分布情况——将检测所得喷嘴在井下环境中的喷雾性能与通常环境中的进行对比， 可得到喷嘴的适用能力。步骤D 启动发尘器的扬尘鼓风机，观察粉尘从漏斗下落的稳定性和均勻性一一经 过计算知，通过塑料胶管输送的粉尘量应控制在250g/min左右，保证模拟工作面正常的粉 尘环境。步骤E 待发尘器输尘稳定后，在风机最接近综放面风速的转速下固定喷嘴在 (1250,500)空间位置。同时开启喷雾装置，观测供水管路上压力表、流量表和高压泵压力指 示计读数的稳定性。步骤F 待发尘器和喷雾装置工作稳定后，同时启动AKFC-92A型测尘仪，分别使用 分散度和浓度采样头采集粉尘，保证采气流量控制在20L/min左右，采尘时间2min。步骤G 重复上述步骤A-步骤F，将同一喷嘴固定在不同位置再次进行实验。步骤H 更换另一喷嘴然后重复上述步骤G，进行另一个实验。综上所述，本发明提供了一种煤矿工作面支架喷雾降尘仿真模拟装置，采用仿真 封闭式试验箱，并在仿真封闭式试验箱上设置有入风口与出风口，在仿真封闭式试验箱内 模拟煤矿工作面的状况，然后通过检测系统收集仿真封闭式试验箱的相关数据，从而得到 喷嘴的相关性能指数以及降尘剂的性能，为煤矿工作面安装相应喷嘴以及喷洒降尘剂提供 了技术依据，提高了煤矿工作面的喷嘴效率，节约了安装成本，并且本发明的仿真试验箱包 括位于前部的四棱台形风流渐扩段以及位于后部的长方柱形的实验段，使风流以及粉尘完 全符合煤矿工作面的状况，并且在实验段设置分体式喷雾激光粒度分析仪，检测并分析不同喷嘴的喷雾性能，为煤矿工作面降尘提供了技术支持。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本 发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权 利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换、简单组合等多种变形，这些均落入本发明的 保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。
权利要求
一种煤矿工作面支架喷雾降尘仿真模拟装置，其包括仿真封闭式试验箱，仿真封闭式试验箱的前端设置有一入风口，后端设置有一出风口；该仿真封闭式试验箱内设置有用于模拟煤矿工作面的风速、压力条件的风流动力提供装置、用于模拟煤矿工作面粉尘产生状况的粉尘发生装置、用于模拟煤矿工作面支架喷嘴喷雾状况的喷雾装置与检测系统，风流动力提供装置设置在入风口；粉尘发生装置设置在仿真封闭式试验箱的前部，位于入风口的后方；喷雾装置与检测系统分别设置在仿真封闭式试验箱的中部。
2.根据权利要求1所述的煤矿工作面支架喷雾降尘仿真模拟装置，其特征在于上述 仿真封闭式试验箱包括风流渐扩段与实验段，风流渐扩段位于实验段的前方，入风口与粉 尘发生装置分别设置在风流渐扩段上，喷雾装置、检测系统与出风口分别设置在实验段上。
3.根据权利要求2所述的煤矿工作面支架喷雾降尘仿真模拟装置，其特征在于上 述风流渐扩段外轮廓为缺底边的四棱台形，其高为二点一五米，风流渐扩段的渐扩角为 二十二点六度；入风口设置在风流渐扩段的前端，入风口是一直径为一点四米的圆形口。
4.根据权利要求2或3所述的煤矿工作面支架喷雾降尘仿真模拟装置，其特征在于 上述实验段外轮廓为缺底边的长方柱，其长、宽、高分别为三米、三米、二点五米；出风口设 置在实验段的后端，其为矩形口，出风口的长、宽分别为三米、二点五米。
5.根据权利要求4所述的煤矿工作面支架喷雾降尘仿真模拟装置，其特征在于上述 风流渐扩段均勻设置有多根长度为二点八零四米的加固杆；风流渐扩段纵向每间隔零点 六八八米均安装一矩形固定圈。
6.根据权利要求5所述的煤矿工作面支架喷雾降尘仿真模拟装置，其特征在于由厚 度为一厘米的有机玻璃制成的仿真封闭式试验箱，其实验段的底板设置有千分之三的坡 度，该坡度沿自风流渐扩段与实验段相接之处至出风口方向向下倾斜。
7.根据权利要求6所述的煤矿工作面支架喷雾降尘仿真模拟装置，其特征在于实验 段的顶板与底板上分别设置有两根滑道，顶板的滑道与底板的滑道上下一一对应；喷雾装 置包括一喷嘴支架，喷嘴支架包括两个立柱与一个横梁，立柱分别位于横梁的两端，立柱设 置在顶板的滑道与底板的滑道之间，立柱能沿对应的滑道前、后移动，横梁能沿立柱上、下 移动。
8.根据权利要求7所述的煤矿工作面支架喷雾降尘仿真模拟装置，其特征在于上述 实验段的中部均勻设置有多个小孔；检测系统包括倾斜式微压计与补偿式微压计，倾斜式 微压计与补偿式微压计分别与对应的小孔相连通。
9.根据权利要求8所述的煤矿工作面支架喷雾降尘仿真模拟装置，其特征在于上述 风流动力提供装置采用无机变频控制方式的轴流式风机。
10.根据权利要求9所述的煤矿工作面支架喷雾降尘仿真模拟装置，其特征在于上述 实验段的外部设置有分体式喷雾激光粒度分析仪。
全文摘要
本发明公开了一种煤矿工作面支架喷雾降尘仿真模拟装置，其包括仿真封闭式试验箱，仿真封闭式试验箱的前端设置有一入风口，后端设置有一出风口；该仿真封闭式试验箱内设置有用于模拟煤矿工作面的风速、压力条件的风流动力提供装置、用于模拟煤矿工作面粉尘产生状况的粉尘发生装置、用于模拟煤矿工作面支架喷嘴喷雾状况的喷雾装置与检测系统，风流动力提供装置设置在入风口；粉尘发生装置设置在仿真封闭式试验箱的前部，位于入风口的后方；喷雾装置与检测系统分别设置在仿真封闭式试验箱的中部。本发明采用仿真封闭式试验箱，通过检测系统收集并分析仿真封闭式试验箱的相关数据，为煤矿工作面科学合理的安装喷嘴提供了技术支持。
文档编号G01M99/00GK101845961SQ20101018556
公开日2010年9月29日 申请日期2010年5月28日 优先权日2010年5月28日
发明者于岩斌, 亓玉栋, 周刚, 孙鑫, 崔向飞, 左前明, 张清涛, 张睿, 潘刚, 王刚, 程卫民, 聂文, 陈连军 申请人:山东科技大学