一种井下粉尘运移可视化系统及其应用

本发明属于煤矿粉尘防治技术领域，尤其涉及一种井下粉尘运移可视化系统及其应用。

背景技术：

作为世界三大能源之一，煤炭为现代社会的进步和工业发展提供了巨大的能源供应。中国是世界上最大的能源消费国，而煤炭消费量占中国能源消费总量的58％，充分证明了煤炭对中国经济发展的重要性。但是，煤炭采矿过程面临着粉尘自燃和爆炸等许多风险；同时，长期暴露于高浓度粉尘可能导致矿山工人肺部疾病。因此，粉尘污染的综合治理对矿山生产安全和矿山工人健康具有重要意义。

目前对于井下粉尘运移和分布规律分析不清晰且无法观测，会导致除尘系统设计和布置达不到最佳效果，防降尘效果不理想。cn112329302a公开了一种井下产尘环境模拟仿真及三维可视化分析系统，该系统的搭建步骤包括：构建井下产尘环境数值分析二次平台，依据所需要分析巷道的设备布置情况、初始条件和边界条件，得到巷道内风流、粉尘的运动规律；构建矿井工作面数值模拟动态可视化系统，采用交互式多体动力学平台构建与产尘相关的设备的动力学模型，利用粒子系统建立不同作业点不同工况下粉尘的分布规律和运动轨迹。但是，所述二次平台构建方法基于三维空间内两个空间对象的线段间距离关系分析粉尘分布效果，并未关注粉尘颗粒的大小以及碰撞受力情况，因此无法粉尘的实时追踪与动态扩散情况的模拟。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种井下粉尘运移可视化系统及其应用，基于cfd-dem思想，采用硬球模型，运用蒙特卡罗以及修正的南布方法，建立了以工程背景为依托的粉尘颗粒随风流运移的两相流模型，从而揭示综掘工作面产尘随风流运移及分布规律，为优化通风控尘方法及合理布置除尘设备提供可靠的理论依据。

本发明通过以下技术方案实现：一种井下粉尘运移可视化系统，该系统的构建步骤包括：

s1：基于3d实体模型进行网格化划分，并运用蒙特卡罗以及修正的南布方法，建立粉尘颗粒随风流运移的两相流模型。

s2：在s1所述两相流模型基础上，采用visualc++语言开发模拟程序，对粉尘运移相关特性进行数值模拟，并采用visualbasic开发的2d后处理和3d可视化展示平台实现粉尘颗粒的实时追踪。

s3：在不同产尘量和送风速度的工况条件下，通过2d后处理和3d可视化展示平台多角度观测巷道内粉尘颗粒的分布及运移情况。

优选的，所述s1中的两相流模型基于颗粒间碰撞概率和碰撞冲量进行数据模拟。

优选的，所述颗粒间碰撞概率为：

取样颗粒i与同一网格内其它颗粒碰撞概率pi的计算式如下：

其中，n表示颗粒i所在网格中取样颗粒的总数，pij表示取样颗粒i和j所代表真实颗粒间的碰撞概率，与颗粒i以相对速度gij在δt内运动所扫过的体积、颗粒j的浓度有关，其关系表达式如下：

其中wj代表取样颗粒j的数目权重；vi是取样颗粒i所在网格的体积，m³；dpi为颗粒i的直径，m；dpj为颗粒j的直径，m；gij为颗粒i和j的相对速度，m/s。

优选的，所述颗粒间碰撞概率小于1时，利用统一分布的随机数修正并判断碰撞是否发生：j=int[r×n]+1其中，int[r×n]表示r×n的整数部分，取样颗粒j为同一网格里的候选被碰撞颗粒，当满足r>j/n-pij则认为颗粒i与颗粒j在δt内发生了碰撞。

优选的，所述碰撞冲量为：

其中，vi和vj分别是颗粒i和j的速度，m/s；带上标0则表示颗粒碰撞前的速度；j为作用于颗粒i的冲量，n·s。

优选的，所述s2中的粉尘运移相关特性包括粉尘颗粒的整体分布、粒径分析、空间演化规律。

一种井下粉尘运移可视化系统在试验平台上的应用，试验平台包括上述任一项井下粉尘运移可视化系统和vr体验装置，还原粉尘颗粒运移情况，多角度展现井下作业空间。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1）本发明建立的两相流模型基于颗粒间碰撞概率和碰撞冲量进行数据模拟，能够实现粉尘颗粒的实时追踪，可获得粉尘颗粒群的整体分布及其时空演化规律，从而较为真实的还原煤矿开采过程中粉尘的扩散情况，为后期除尘提供可靠的依据。

2）本发明建立的两相流模型区别粉尘颗粒的大小，具体呈现不同粒径粉尘颗粒的分散、分布、扩散情况。

3）本发明能够通过vr体验装置，较为真实的还原煤矿开采过程中巷道内气流的变化、粉尘颗粒运移情况，多角度展现井下作业空间环境状态，实现对煤矿开采过程更加科学的评估。

附图说明

图1为实施例1综采巷道的3d实体模型图；

图2为实施例1中2d后处理粉尘颗粒分散图，其中（a）为正视图，（b）垂直视图，（c）为左视图；

图3为实施例1中2d后处理粉尘颗粒粒径分析图，其中（a）为巷道宽度方向粒径分析图（横坐标为宽度方向距离，纵坐标为粉尘颗粒浓度），（b）为巷道高度方向粒径分析图（横坐标为高度方向距离，纵坐标为粉尘颗粒浓度），（c）为巷道长度方向粒径分析图（横坐标为长度方向距离，纵坐标为粉尘颗粒浓度）；

图4为实施例1中粉尘颗粒扩散3d可视化效果图，其中（a）为扩散1s效果图，（b）为扩散5s效果图，（c）为扩散20s效果图，（d）为扩散50s效果图，（e）为扩散100s效果图，（f）为扩散200s效果图；

图5为实施例1中在不同粒径的粉尘沿长度方向的分布情况（横坐标为时间，纵坐标为悬浮粉尘颗粒数量）。

其中，1-进风口，2-综掘面，3-送风口，4-综掘机，5-送风管道，6-巷道主体，7-出口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的说明。

实施例1

一种井下粉尘运移可视化系统，该系统的构建步骤包括：

s1：煤巷道结构（如图1）包括巷道主体6，巷道内部综掘机4，主体前侧综掘面2，综掘面中心位置进风口1，主体后侧出口7以及主体上侧的送风管道5和送风口3。根据现场的实地测量巷道主体6和内部综掘机4的尺寸、送风管道5的直径和长度以及送风管道5所处的位置高度，建立综采巷道的3d实体模型，并进行网格化划分，运用蒙特卡罗以及修正的南布方法，建立粉尘颗粒随风流运移的两相流模型。即：

在一个网格里，取样颗粒i和j所代表真实颗粒间的碰撞概率pij与颗粒i以相对速度gij在δt内运动所扫过的体积、颗粒j的浓度有关，其关系表达式如下：

式中wj代表取样颗粒j的数目权重；vi是取样颗粒i所在网格的体积，m³；dpi为颗粒i的直径，m；dpj为颗粒j的直径，m；gij为颗粒i和j的相对速度，m/s。

取样颗粒i与同一网格内其它颗粒碰撞概率pi的计算式如下：

式中，n表示颗粒i所在网格中取样颗粒的总数。

在取样颗粒与同一网格内其它所有颗粒的总碰撞概率小于1的前提下，利用统一分布的随机数修正并判断碰撞是否发生：

式中，int[r×n]表示r×n的整数部分。

按照（3）式子来选取同一网格里的取样颗粒j，当作候选被碰撞颗粒。如果满足公式（4），就可以认为颗粒i与颗粒j在δt内发生了碰撞。

不考虑颗粒的转动，将颗粒当作是刚性球体来处理，则作用在发生碰撞的两个颗粒i和j的冲量计算如下式：

式中，vi和vj分别是颗粒i和j的速度，m/s；带上标0则表示颗粒碰撞前的速度；j为作用于颗粒i的冲量，n·s。

在求解方程的过程中，不考虑颗粒的形变，假定在颗粒滑移的过程中受到的摩擦力遵循库仑摩擦定律，颗粒速度如下：

上式中，n表示由颗粒i指向颗粒j的法向单位向量；fp为摩擦系数；e为恢复系数；g⁰为碰前颗粒i相对于颗粒j的速度，m/s；表示相对速度g⁰的切向分量，m/s；t表示切向单位向量。fp取0.2，e取0.8。g⁰，，t则从以下列各式计算得出：

s2：在s1所述两相流模型基础上，采用visualc++语言开发模拟程序，对粉尘运移相关特性进行数值模拟。采用visualbasic开发的2d后处理，处理不同时刻巷道内长度方向、宽度、高度方向的颗粒数量及粉尘不同粒径分布，实现对粉尘颗粒的实时追踪，从而较为精准的表现出煤矿开采过程中粉尘颗粒群的整体分布及其时空演化规律。并采用3d可视化展示平台将2d后处理中粉尘扩散、分层、沉降及漩涡等现象通过3d效果展现出来。

s3：在产尘量为5.02×10^-6kg/s，送风速度为13.33m/s的工况条件下，通过2d后处理（如图2和图3）和3d可视化展示平台多角度（如图4和图5）观测巷道内粉尘颗粒的分布及运移情况。

如图2（a）所示，进入的粉尘首先被压缩气流推向回风侧，在粉尘运动过程中，粗粉尘逐渐沉降，而细粉尘颗粒（<20μm）从主流中分离出来。如图2（b）所示，细小的粉尘颗粒中部分粉尘颗粒（主要由黑色表征，粒径2~13μm）被快速地卷入小范围环流；部分粉尘颗粒（主要由蓝色表征，粒径13~26μm）流向送风侧，遇到来自送风管道的射流，随射流流向掘进面后转向回风侧，出现大范围环流并分离。如图2（c）所示，小范围环流的细小的粉尘颗粒（主要由黑色表征，粒径2~13μm）分散在较高的高度，在向送风侧扩散过程中遇到送风管道，积聚在管道上，并沿着管道向后移动；大范围环流的细小的粉尘颗粒（主要由蓝色表征，粒径13~26μm）从射流中逸出，沿着右壁分散，并在通向出口的途中逐渐沉降。

如图3（a）所示，在巷道宽度方向上，粗粉尘（粒径>20μm）主要在左侧回风侧堆积，而细粉尘（粒径<20μm）主要在右侧送风侧分布。如图3（b）所示，在巷道高度方向上，粗粉尘（粒径>20μm）主要在底部堆积，而细粉尘（粒径<20μm）主要悬浮在0.75m高度以上，分层分布明显。如图3（c）所示，在巷道长度方向上，细粉尘（粒径<20μm）因从粉尘主流分离出来并参与回流而主要分布于距离综掘面约10m的范围内，之后因阻力作用运动受阻，浓度随距离延长而下降；而粗粉尘（粒径>20μm）随气流流向出口的过程中，因气流逐渐衰减运动速度逐渐减小，浓度随距离延长而增加。图3粉尘颗粒粒径分布分析结果与图2粉尘颗粒分布结论相一致。

如图4（a）至（f）所示，在综掘面产生粉尘的200s内，粉尘随着风流逐渐扩散并分离。细小的粉尘颗粒随风流扩散10s后容易从粉尘主流中分离出来，分散在综掘机的上方区域，并保持长时间的悬浮状态；而粗粉尘颗粒在随风流扩散约20s后，由于自身重量开始沉降。

如图5所示，粉尘主流从10s之后开始分离，粒径<40μm的粉尘可呈悬浮状态，而粒径>40μm的粉尘沉降。50s后悬浮状态粉尘开始出现明显的分层现象，粉尘数量浓度均遵循logistic函数。200s后悬浮状态粉尘趋于稳定，<10μm的粉尘颗粒占悬浮粉尘颗粒的60%以上。

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。