一种评价煤层注水降尘效果实验装置及实验方法与流程

本发明涉及煤矿粉尘防治的技术领域，特别涉及一种评价煤层注水降尘效果实验装置及实验方法。

背景技术：

随着我国煤矿开采机械化程度不断提高，使得因煤尘所导致的作业环境问题不断恶化，现在，国内外的很多煤矿都将煤层注水作为了一项基础措施来施行，因为煤层注水能够有效地防治矿井粉尘。它能够有效的降低工作面的粉尘浓度，而且煤层还能够在注水过程中被软化，使得开采效率提高。

目前，煤层注水技术已然较为成熟，注水方式多种多样，可以说在煤层注水工艺上进行的一些的研究还是非常可观的。而对煤层注水降尘效果通常是利用一些注水参数和煤体注水后的一些变化进行评价；另外，也有人利用模糊综合评价法对降尘效果进行评价，这种方法是根据某几个指标与人为规定的标准对比来评价降尘效果；此外，还有人将可拓学理论引入煤层注水降尘效果评价中，建立了煤层注水降尘效果评价的物元模型，并应用可拓集合的关联函数，通过引入简单关联函数确定各评价指标的客观动态可变权重,建立了基于物元和关联函数的煤层注水降尘效果评价方法。

但是从上述来看，对评价煤层注水降尘效果的确定仍然是依靠经验，通过工程类比进行评价，并没有一个系统的研究结论，存在很大的随意性和盲目性，不能确保煤层均匀湿润，影响注水效果，这是粉尘防治工作中亟待解决的问题，这个问题的解决是需要有大量的实验数据进行支撑。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供一种评价煤层注水降尘效果实验装置及实验方法。

本发明的技术方案是：一种评价煤层注水降尘效果实验装置，包括机架，所述机架的上端设有截割系统和集尘罩，所述集尘罩中设有煤样模型，所述煤样模型包括模型腔体和位于模型腔体内部的煤样，所述模型腔体的左侧为与截割系统相对的腔体盖板，所述腔体盖板上设有截割口，所述截割口的外侧设有封堵盖，所述模型腔体的上方外表面、右侧外表面和后方外表面均安装有加载油缸，所述加载油缸的伸缩杆通过油缸伸缩孔伸入模型腔体内部且固连有活动压盘，所述模型腔体的下方内表面、前方内表面均设有固定压盘，所述模型腔体的前方设有第一注水口、下方设有第一排水口，所述加载油缸与第一电动加载泵通过管道连接，所述第一注水口与第二电动加载泵通过管道连接，所述支架的下方设有位于第一排水口下方的排水筒，所述集尘罩中安装有粉尘浓度传感器和调速风机。

优选的，所述截割系统包括截割部分和进给部分，所述截割部分包括轴座，所述轴座上安装有转动电机和钻轴，所述钻轴的一端与转动电机的输出轴连接、中部用轴承支撑在轴座上、另一端连接截割头，所述进给部分包括进给电机、丝杠和滑块，所述丝杠通过轴承支撑在支架上，所述滑块固定在轴座下方且与丝杠螺纹配合，所述支架的上方设有两个位于丝杠两侧的导轨，所述轴座的下方与导轨配合，所述进给电机通过变速器与丝杠连接。

优选的，所述截割系统还包括内喷雾系统，所述内喷雾系统包括侧向供水结构和高压水泵，所述侧向供水结构套接在钻轴的外侧。

优选的，所述高压水泵与侧向供水结构之间设置第一活塞容器。

优选的，所述第一注水口与第二电动加载泵之间设置第二活塞容器。

优选的，所述钻轴的中心为供水通道，所述钻轴的侧面设有将供水通道与侧向供水结构连通的供水孔，所述钻轴的侧面还设有安装侧向供水结构的轴肩，所述截割头的内部中心设有与供水通道连通的储水通道，所述截割头的表面设有刀座，所述刀座的内部设有安装孔，所述安装孔的底部通过细孔与储水通道连通，所述安装孔内安装截齿，所述截齿的中心为与细孔连通的喷嘴。

优选的，所述第一排水口贯穿其对应的固定压盘，位于下方的所述固定压盘的内侧在第一排水口处设置有滤水板，所述第一注水口贯穿模型腔体的前方侧壁，位于前方的所述固定压盘设有一个横向注水通道和多个竖向注水通道，所述横向注水通道与所述第一注水口连通，所述竖向注水通道贯穿横向注水通道且与横向注水通道连通，所述竖向注水通道的末端设置有出水口，位于前方的所述固定压盘的内侧在出水口处也设置有滤水板。

优选的，位于上方的所述活动压盘与位于右侧的活动压盘、位于后方的活动压盘、位于前方的固定压盘的衔接边缘设置斜面，位于右侧的所述活动压盘与位于上方的活动压盘、位于后方的活动压盘、位于下方的固定压盘、位于前方的固定压盘的衔接边缘设置斜面，位于后方的所述活动压盘与位于上方的活动压盘、位于右侧的活动压盘、位于下方的固定压盘的衔接边缘设置斜面，位于下方的所述固定压盘与位于后方的活动压盘、位于右侧的活动压盘、位于前方的固定压盘的衔接边缘设置斜面，位于前方的所述固定压盘与位于上方的活动压盘、位于右侧的活动压盘、位于下方的固定压盘的衔接边缘设置斜面，位于上方的所述活动压盘、位于后方的所述活动压盘、位于下方的所述固定压盘、位于前方的所述固定压盘与腔体盖板的衔接边缘为平面。

优选的，还包括煤样模具，所述煤样模具包括模具底板、模具侧壁、模具夹板和模具压头，所述模具底板的四个侧面均设有横向凸沿，所述模具侧板为两个且分布在左右两侧，所述模具侧板的前后两侧设有竖向凸沿，所述模具夹板为两个且分布在前后两侧，所述模具夹板的内侧面设有分布在两侧的竖向卡槽、位于下方的横向卡槽，所述模具侧板的内侧面设有位于下方的横向卡槽，所述模具侧板的竖向凸沿卡入模具夹板的竖向卡槽，所述模具底板的横向凸沿卡入模具侧板和模具夹板的横向卡槽，所述模具夹板的两侧还设有位于模具侧板外侧的螺杆穿孔，每侧的螺杆穿孔至少为两个且穿有夹紧螺杆，所述模具压头包括下方的压块和上方的挡板，所述压块压入模具底板、模具侧板和模具夹板围成的空腔，所述挡板的上方为注水头，所述注水头的一侧设置第二注水口，所述压块的内部设有与第二注水口连通的孔道，所述模具侧板的下方设置第二排水口。

一种评价煤层注水降尘效果实验方法，包括上述的评价煤层注水降尘效果实验装置，该试验方法包括以下步骤：

（1）检查该装置各个阀门是否处于关闭状态，打开腔体盖板、根据实验要求把制备好的煤样放入模型腔体内，封好腔体盖板，然后检查集尘罩是否密封完好，确定在装置不漏风的情况下开始实验；

（2）启动第一电动加载泵并打开第一加载阀门，带动三个方向的加载油缸的运行，让活动压盘分别对煤样进行加载（一个方向进行加载时，打开控制此方向的油缸阀门，使另外两个油缸阀门处于关闭状态，此方向加载完毕，把打开的油缸阀门关上，其他两个方向的加载过程也如上述步骤），每个方向的加载压力可以通过压力传感器显示到压力仪表上；

（3）启动转动电机和进给电机，让钻轴带动截割头进行割煤工作，如果对煤样进行注水降尘实验应同时启动第二电动加载泵，打开第二加载阀门，让第二活塞容器中的水经第一注水口进入煤样，对煤样进行注水实验，注水完毕后，多余的水经滤水板过滤后从第一排水口流出，实验中还可根据实际要求改变注水参数；如果对煤样进行内喷雾降尘实验应同时启动高压水泵，让第一活塞容器中的水经高压管路送至侧向供水结构，水再经供水孔和钻轴内的供水通道进入喷嘴雾化后对煤样进行喷雾降尘实验，喷雾结束后，多余的水也经过滤水板过滤后从第一排水口流出，从而实现煤层湿式降尘实验的模拟。集尘罩上部安装有调速风机，可模拟掘进巷道中的通风情况；

（4）对煤样破碎后，上、中、下三个粉尘浓度传感器可以分别测量这三个区域的粉尘浓度，用不同孔径的筛子筛分粉尘，根据收集的数据对降尘效果进行综合评价；

（5）通过控制第一电动加载泵和第一加载阀门、油缸阀门调节活动压盘对煤样施加压力的大小来改变加载压力，重复上述实验步骤，研究不同上覆岩层压力条件下煤层注水降尘效果，并对其降尘效果进行综合评价；

（6）通过煤样模具针对较软煤岩，压制成300mm*300mm*300mm的煤样，针对较硬煤岩，用切割机切割成300mm*300mm*300mm的煤样，制备不同的煤样，重复上述实验步骤，研究不同煤种条件下湿式降尘效果，并对其降尘效果进行综合评价；

（7）对于煤层注水实验，向与第二电动加载泵相连的第二活塞容器储存的水中加入不同的添加剂；对于喷雾降尘实验，向与高压水泵相连的第一活塞容器储存的水中加入不同的添加剂，重复上述步骤，研究不同添加剂条件下湿式降尘效果，并对其降尘效果进行综合评价；

（8）对于煤层注水实验，可以改变注水流量、注水压力和注水时间；对于喷雾降尘实验，可以改变喷雾方式，内喷雾外喷雾相结合，重复上述实验步骤，研究不同注水参数、喷雾方式条件下湿式降尘效果，并对其降尘效果进行综合评价。

本发明的有益效果是：

本发明的有益效果在于，对于评价湿式降尘效果的研究提供了一种新型的实验装置和方法。

在井下生产过程中，受现场条件的限制改变湿式降尘相关条件和参数的优化试验相对较为困难，该实验装置根据相似理论，并结合井下实际巷道情况，可任意改变装置的相关参数，研究井下掘进工作面湿式降尘的参数优化问题，并对其降尘效果进行综合评价。

通过对煤矿开采时湿式降尘前后进行截割对比实验，可以评价不同上覆岩层压力条件下煤层注水降尘效果、评价不同煤种条件下湿式降尘效果、评价不同添加剂条件下湿式降尘效果、评价不同注水参数条件下煤层注水降尘效果、评价不同喷雾方式条件下喷雾降尘效果。

另外，本发明中涉及的各个系统装置，均可以根据实际生产情况和生产要求进行不同程度的调控，操作简单，使用安全，贴合实际，实用性强。

附图说明

图1为本发明的主视结构示意图；

图2为本发明的左视结构示意图；

图3为钻轴的剖视结构示意图；

图4为侧向供水结构与钻轴的连接示意图；

图5为钻杆的剖视结构示意图；

图6为截割头的剖视结构示意图；

图7为煤样模型的主视结构的剖视示意图；

图8为煤样模型的左视结构的剖视示意图；

图9为模型腔体的主视结构示意图；

图10为图9的剖视示意图；

图11为模型腔体的左视结构示意图；

图12为煤样模具的主视结构的剖视示意图；

图13为煤样模具的俯视结构的剖视示意图；

图14为模具底板的俯视结构示意图；

图15为模具侧板的主视结构示意图；

图16为模具夹板的主视结构示意图；

图中：1.支架、1-1.导轨、1-2.排水筒、2.轴座、2-1.滑块、2-2.转动电机、3.丝杠、3-1.进给电机、3-2.变速器、4.钻轴、4-1.供水孔、4-2.轴肩、4-3.截割头、4-31.刀座、4-32.安装孔、4-4.截齿、4-41.喷嘴、5.侧向供水结构、5-1.高压水泵、5-2.第一活塞容器、6.集尘罩、6-1.粉尘浓度传感器、6-2.调速风机、7.第一电动加载泵、7-1.第一加载阀门、7-2.油缸阀门、8.煤样模型、8-1.加载油缸、8-11.活动压盘、8-2.模型腔体、8-21.腔体盖板、8-211.截割口、8-22.第一排水口、8-23.第一注水口、8-24.油缸伸缩孔、8-3.封堵盖、8-4.固定压盘、8-5.滤水板、8-6.横向注水通道、8-7.竖向注水通道、8-8.出水口、9.第二电动加载泵、9-1.第二加载阀门、9-2.第二活塞容器、10.模具底板、10-1.横向凸沿、11.模具侧板、11-1.竖向凸沿、12.模具夹板、12-1.螺杆穿孔、13.模具压头、13-1.压块、13-2.挡板、13-3.注水头、14.夹紧螺杆、15.第二注水口、16.第二排水口。

具体实施方式

本发明的具体实施方式参见图1-16：

本发明的技术方案为：

一种评价煤层注水降尘效果实验装置，如图1-11，包括机架，机架的上端设有截割系统和集尘罩6，集尘罩6中设有煤样模型8，煤样模型8包括模型腔体8-2和位于模型腔体8-2内部的煤样，模型腔体8-2的左侧为与截割系统相对且用螺钉连接的腔体盖板8-21，腔体盖板8-21上设有截割口8-211，截割口8-211的外侧设有用螺钉连接的封堵盖8-3，模型腔体8-2的上方外表面、右侧外表面和后方外表面均安装有加载油缸8-1，加载油缸8-1的伸缩杆通过油缸伸缩孔8-24伸入模型腔体8-2内部且固连有活动压盘8-11，模型腔体8-2的下方内表面、前方内表面均设有用螺钉连接的固定压盘8-4，模型腔体8-2的前方设有第一注水口8-23、下方设有第一排水口8-22，加载油缸8-1与第一电动加载泵7通过管道连接，第一注水口8-23与第二电动加载泵9通过管道连接，支架1的下方设有位于第一排水口8-22下方的排水筒1-2，集尘罩6中安装有粉尘浓度传感器6-1和调速风机6-2，截割系统包括截割部分和进给部分，截割部分包括轴座2，轴座2上安装有转动电机2-2和钻轴4，钻轴4的一端与转动电机2-2的输出轴连接、中部用轴承支撑在轴座2上、另一端连接截割头4-3，进给部分包括进给电机3-1、丝杠3和滑块2-1，丝杠3通过轴承支撑在支架1上，滑块2-1固定在轴座2下方且与丝杠3螺纹配合，支架1的上方设有两个位于丝杠3两侧的导轨1-1，轴座2的下方与导轨1-1配合，进给电机3-1通过变速器3-2与丝杠3连接，截割系统还包括内喷雾系统，内喷雾系统包括侧向供水结构5和高压水泵5-1，侧向供水结构5套接在钻轴4的外侧。

本发明对于评价湿式降尘效果的研究提供了一种新型的实验装置，在井下生产过程中，受现场条件的限制改变湿式降尘相关条件和参数的优化试验相对较为困难，该实验装置根据相似理论，并结合井下实际巷道情况，可任意改变装置的相关参数，研究井下掘进工作面湿式降尘的参数优化问题，并对其降尘效果进行综合评价。

本发明通过对煤矿开采时湿式降尘前后进行截割对比实验，可以评价不同上覆岩层压力条件下煤层注水降尘效果、评价不同煤种条件下湿式降尘效果、评价不同添加剂条件下湿式降尘效果、评价不同注水参数条件下煤层注水降尘效果、评价不同喷雾方式条件下喷雾降尘效果。

如图1和2，该实验装置在高压水泵5-1与侧向供水结构5之间设置第一活塞容器5-2，在第一注水口8-23与第二电动加载泵9之间设置第二活塞容器9-2，能够在第一活塞容器5-2和第二活塞容器9-2中加入添加剂。

如图3-6，截割系统中钻轴4的中心为供水通道，钻轴4的侧面设有将供水通道与侧向供水结构5连通的供水孔4-1，钻轴4的侧面还设有安装侧向供水结构5的轴肩4-2，截割头4-3的内部中心设有与供水通道连通的储水通道，截割头4-3的表面设有刀座4-31，刀座4-31的内部设有安装孔4-32，安装孔4-32的底部通过细孔与储水通道连通，安装孔4-32内安装截齿4-4，截齿4-4的中心为与细孔连通的喷嘴4-41，钻轴4的端部设置螺纹头，截割头4-3设置与螺纹头配合的螺纹孔，螺纹头的端部为密封头，密封头的表面设置密封槽，密封槽内安装有密封圈，螺纹孔的根部为与密封头配合的凹槽，其中侧向供水结构5采用现有技术，不再进行详细说明，能够在截割过程中进行喷雾降尘。

如图7-11，煤样模型8中的第一排水口8-22贯穿其对应的固定压盘8-4，位于下方的固定压盘8-4的内侧在第一排水口8-22处设置有滤水板8-5，第一注水口8-23贯穿模型腔体8-2的前方侧壁，位于前方的固定压盘8-4设有一个横向注水通道8-6和多个竖向注水通道8-7，横向注水通道8-6与第一注水口8-23连通，竖向注水通道8-7贯穿横向注水通道8-6且与横向注水通道8-6连通，竖向注水通道8-7的末端设置有出水口8-8，位于前方的固定压盘8-4的内侧在出水口8-8处也设置有滤水板8-5，位于上方的活动压盘8-11与位于右侧的活动压盘8-11、位于后方的活动压盘8-11、位于前方的固定压盘8-4的衔接边缘设置斜面，位于右侧的活动压盘8-11与位于上方的活动压盘8-11、位于后方的活动压盘8-11、位于下方的固定压盘8-4、位于前方的固定压盘8-4的衔接边缘设置斜面，位于后方的活动压盘8-11与位于上方的活动压盘8-11、位于右侧的活动压盘8-11、位于下方的固定压盘8-4的衔接边缘设置斜面，位于下方的固定压盘8-4与位于后方的活动压盘8-11、位于右侧的活动压盘8-11、位于前方的固定压盘8-4的衔接边缘设置斜面，位于前方的固定压盘8-4与位于上方的活动压盘8-11、位于右侧的活动压盘8-11、位于下方的固定压盘8-4的衔接边缘设置斜面，位于上方的活动压盘8-11、位于后方的活动压盘8-11、位于下方的固定压盘8-4、位于前方的固定压盘8-4与腔体盖板8-21的衔接边缘为平面，保证煤样的受压效果，该煤样模型8能够模拟井下实际巷道中煤层的受压和掘进情况。

本发明的煤样模型8中放置尺寸为300mm*300mm*300mm的煤样，利用上、右、后三个方向的加载油缸8-1对煤样进行加载，实现对煤层开采时作业环境的再现，利用第二电动加载泵9对煤样进行注水，通过控制第二加载阀门9-1对注水流量、注水时间、注水压力进行调控，进而实现对不同上覆岩层压力条件下煤层注水实验、不同煤种条件下煤层注水实验、不同添加剂条件下煤层注水实验、不同注水参数条件下煤层注水实验的模拟。

本发明的内喷雾系统利用高压水泵5-1将水加压，经高压管路送至钻轴4，通过截齿4-4的喷嘴4-41喷出，实现掘进机内喷雾降尘实验的模拟。

本实用新中通过集尘罩6内上、中、下3只粉尘浓度传感器6-1对粉尘的浓度进行测量，同时浓度值会上传到配备的计算机和打印机，实现实验过程中相关数据的检测、记录和处理，另外，可以采集粉尘对其进行粒径分析，从而对不同条件、参数下煤层注水降尘效果进行评价。

如图12-16，该试验装置还包括独立设置的煤样模具，该煤样模具包括模具底板10、模具侧壁、模具夹板12和模具压头13，模具底板10的四个侧面均设有横向凸沿10-1，模具侧板11为两个且分布在左右两侧，模具侧板11的前后两侧设有竖向凸沿11-1，模具夹板12为两个且分布在前后两侧，模具夹板12的内侧面设有分布在两侧的竖向卡槽、位于下方的横向卡槽，模具侧板11的内侧面设有位于下方的横向卡槽，模具侧板11的竖向凸沿11-1卡入模具夹板12的竖向卡槽，模具底板10的横向凸沿10-1卡入模具侧板11和模具夹板12的横向卡槽，模具夹板12的两侧还设有位于模具侧板11外侧的螺杆穿孔12-1，每侧的螺杆穿孔12-1至少为两个且穿有夹紧螺杆14，模具压头13包括下方的压块13-1和上方的挡板13-2，压块13-1压入模具底板10、模具侧板11和模具夹板12围成的空腔，挡板13-2的上方为注水头13-3，注水头13-3的一侧设置第二注水口15，压块13-1的内部设有与第二注水口15连通的孔道，模具侧板11的下方设置第二排水口16，该煤样模具能够将较软的煤样压制成块，而且该煤样模具方便拆卸。

本发明的实验方法采用如下步骤：

（1）检查该装置各个阀门是否处于关闭状态，打开腔体盖板8-21、根据实验要求把制备好的煤样放入模型腔体8-2内，封好腔体盖板8-21，然后检查集尘罩6是否密封完好，确定在装置不漏风的情况下开始实验。

（2）启动第一电动加载泵7并打开第一加载阀门7-1，带动三个方向的加载油缸8-1的运行，让活动压盘8-11分别对煤样进行加载（一个方向进行加载时，打开控制此方向的油缸阀门7-2，使另外两个油缸阀门7-2处于关闭状态，此方向加载完毕，把打开的油缸阀门7-2关上，其他两个方向的加载过程也如上述步骤），每个方向的加载压力可以通过压力传感器显示到压力仪表上。

（3）启动转动电机2-2和进给电机3-1，让钻轴4带动截割头4-3进行割煤工作，如果对煤样进行注水降尘实验应同时启动第二电动加载泵9，打开第二加载阀门9-1，让第二活塞容器9-2中的水经第一注水口8-23进入煤样，对煤样进行注水实验，注水完毕后，多余的水经滤水板8-5过滤后从第一排水口8-22流出，实验中还可根据实际要求改变注水参数；如果对煤样进行内喷雾降尘实验应同时启动高压水泵5-1，让第一活塞容器5-2中的水经高压管路送至侧向供水结构5，水再经供水孔4-1和钻轴4内的供水通道进入喷嘴4-41雾化后对煤样进行喷雾降尘实验，喷雾结束后，多余的水也经过滤水板8-5过滤后从第一排水口8-22流出，从而实现煤层湿式降尘实验的模拟。集尘罩6上部安装有调速风机6-2，可模拟掘进巷道中的通风情况。

（4）对煤样破碎后，上、中、下三个粉尘浓度传感器6-1可以分别测量这三个区域的粉尘浓度，用不同孔径的筛子筛分粉尘，根据收集的数据对降尘效果进行综合评价。

（5）通过控制第一电动加载泵7和第一加载阀门7-1、油缸阀门7-2调节活动压盘8-11对煤样施加压力的大小来改变加载压力，重复上述实验步骤，研究不同上覆岩层压力条件下煤层注水降尘效果，并对其降尘效果进行综合评价。

（6）通过煤样模具针对较软煤岩，压制成300mm*300mm*300mm的煤样，针对较硬煤岩，用切割机切割成300mm*300mm*300mm的煤样，制备不同的煤样，重复上述实验步骤，研究不同煤种条件下湿式降尘效果，并对其降尘效果进行综合评价。

（7）对于煤层注水实验，向与第二电动加载泵9相连的第二活塞容器9-2储存的水中加入不同的添加剂；对于喷雾降尘实验，向与高压水泵5-1相连的第一活塞容器5-2储存的水中加入不同的添加剂，重复上述步骤，研究不同添加剂条件下湿式降尘效果，并对其降尘效果进行综合评价。

（8）对于煤层注水实验，可以改变注水流量、注水压力和注水时间；对于喷雾降尘实验，可以改变喷雾方式，内喷雾外喷雾相结合，重复上述实验步骤，研究不同注水参数、喷雾方式条件下湿式降尘效果，并对其降尘效果进行综合评价。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。