一种长壁工作面端头悬顶风流可视化模拟装置

1.本实用新型属于煤矿工作面安全开采技术领域，具体是一种长壁工作面端头悬顶风流可视化模拟装置。


背景技术：

2.随着矿井产能和开采机械化程度的提高，矿井巷道的支护强度和支护水平也随之增大，大部分工作面巷道采用锚杆和锚索加网片、钢梁支护，巷道顶板控制非常稳定，但在工作面推过后工作面的两端头难以垮落，造成工作面端头悬顶；端头悬顶为在正常回采期间，工作面上下端头的一定区域内，顶板不能随着工作面的推进及时垮落的现象。
3.基于神东矿区综采面端头悬顶治理实践研究发现：综采工作面三角区大面积（悬顶面积普遍大于30m2）悬顶易造成采空区瓦斯积聚，当端头三角区顶板大面积垮落，采空区积聚的有毒有害气体瞬间涌出，造成端头氧气浓度降低，直接威胁端头作业人员的安全；此外，由于两端头浮煤较多，在悬顶状态下，采空区长期漏风易造成煤炭自燃，且采空区遗煤和上覆岩层考虑为多孔介质，风流在多孔介质渗流过程中与遗煤发生氧化反应还会消耗氧气；因此，亟需开展工作面端头悬顶对于通风影响的研究。
4.而现有的矿井模型在模拟工作面和采空区时基本都忽略了采空区处端头悬顶的影响，尤其在风速、风量、风压和气体浓度监测方面；所以，本实用新型提供一种长壁工作面端头悬顶风流可视化模拟装置，以实现不同开采条件以及不同工作面端头悬顶尺寸对风流参数的监测模拟和影响分析是非常有必要的。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的是针对以上问题，提供了一种长壁工作面端头悬顶风流可视化模拟装置，具有便于拆卸组装和观察分析不同开采条件以及不同工作面端头悬顶尺寸对风速、风量、风压等风流参数和气体浓度影响的优点。
6.为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种长壁工作面端头悬顶风流可视化模拟装置，包括煤层模拟结构、支撑结构、采空区矸石模拟结构、端头悬顶结构、巷道模拟装置、气体发生装置、抽吸风机、数据采集装置和安装在装置外部的计算机;其中：
7.煤层模拟结构为组装而成的透明箱体，用以模拟实际煤层的几何结构，支撑结构设置在透明箱体的内部，将透明箱体分隔为煤层工作面和采空区矸石模拟结构的采空填充区，采空区矸石模拟结构的采空填充区内均匀设置有若干检测预留孔，即在模型上预留可供检测风流数据的圆孔，用以采集装置内关键点位处的风流数据，端头悬顶结构为圆弧结构，设置在巷道模拟装置的上下端，用以模拟长壁工作面的上下端头悬顶，气体发生装置通过通风管路连接在巷道模拟装置的入风口处，用于给模型提供烟气模拟各种气体以监测气体浓度，抽吸风机通过通风管路连接在巷道模拟装置的出风口处，形成抽出式通风方式，巷道模拟装置上设置有风门，通过调节风门的开启程度可以模拟巷道不同通风情况的风量变化，通风管道在靠近气体发生装置和抽吸风机的位置上设置有检测预留孔，数据采集装置
的检测端安置在检测预留孔处，不使用时关闭，使用时打开，用以采集装置关键点处的风流数据，数据采集装置的数据传输端插接在装置外部的计算机上，便于将各参数数据显示在计算机上以供后续研究分析。
8.本装置按照上述结构组装完成后，启动气体发生装置和抽吸风机，气体发生装置产出的烟气通过通风管道、巷道模拟装置进入采空区矸石模拟结构，然后从采空区矸石模拟结构出来进入巷道模拟装置和通风管路，形成抽吸式通风系统，数据采集装置采集空区矸石模拟结构和通风管路上的检测预留孔处的风流数据并将其传输给计算机的显示屏进行可视化，通过煤层模拟结构的透明箱体观察气体在装置内的流动情况；在进行模拟实验中，调节巷道模拟装置各处的风门开启程度并修改端头悬顶结构的圆弧尺寸，模拟巷道的不同开采条件以及不同工作面端头悬顶尺寸对风流和气体浓度的监测模拟和影响分析。
9.作为本实用新型的一种优选技术方案，巷道模拟装置为两进一回的密封腔体，包括位于支撑结构同一侧的胶运巷道、辅运巷道和回风巷道。
10.具体的，所述胶运巷道的进风端通过通风管道与气体发生装置相连接，所述胶运巷道的出风端设置在采空区矸石模拟结构的采空填充区内并与支撑结构相连，所述辅运巷道的进风端通过通风管道与气体发生装置相连接，所述辅运巷道的出风端与胶运巷道可拆卸连通，所述回风巷道的进风端设置在采空区矸石模拟结构的采空填充区内，所述回风巷道的出风端通过通风管道与抽吸风机相连接。
11.具体的，所述风门的数量为3个，分别安装在胶运巷道、辅运巷道和回风巷道上，通过调节胶运巷道、辅运巷道和回风巷道各处的风门开启程度来模拟巷道的不同通风条件。
12.作为本实用新型的一种优选技术方案，所述采空区矸石模拟结构的采空填充区内填充有晾干的橡皮泥块，用以模拟形状大小各异的采空区垮落矸石，取材方便，操作简单。
13.作为本实用新型的一种优选技术方案，所述煤层模拟结构的箱体为透明的亚克力板，抗氧化程度好，透过透明箱体可以清楚看到气体流动情况以估测装置内的气体浓度，便于观察分析。
14.作为本实用新型的一种优选技术方案，所述数据采集装置包括风速传感器、风压传感器和风温传感器，用于检测巷道模拟装置和采空区矸石模拟结构的风流参数，所述计算机内设置有数据处理模型用于对风机工况参数和采集得到的风流参数进行处理，并通过计算机的显示屏进行数据显示便于分析研究，可视化程度高。
15.作为本实用新型的一种优选技术方案，所述计算机上安装有摄像头，可以在实验时进行影像记录，便于实验后进行实验数据分析，观察烟气流动规律。
16.与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：
17.本实用新型的煤层模拟结构为可拆卸组装的透明箱体，采空区矸石模拟结构的填充物大小和容率可以根据情况调整，端头悬顶结构的圆弧结构可以由不同尺寸的小模型组成，方便修改其圆弧尺寸以便分析不同工作面端头悬顶对气体浓度的影响，巷道模拟装置上设置若干风门，通过调节风门的开启程度模拟不同的开采通风条件；本实用新型具有结构简单、可拆卸、方便实用的优点；本实用新型一种长壁工作面端头悬顶风流可视化模拟装置，可以实现对不同开采条件下，不同悬顶尺寸的工作面端头悬顶对于风流参数数据的测算，气体浓度的监测模拟和影响分析，对煤矿工作面端头不同悬顶面积进行模拟，为矿井工作面模拟提供了一种新的装置，使工作面端头悬顶处风流的模拟监测更准确，结构简单，实
用性强，值得推广。
附图说明
18.图1为本实用新型的整体结构示意图；
19.图2为本实用新型的端头悬顶结构示意图；
20.图3为实施例的气体浓度模拟结果图。
21.图中：1、煤层模拟结构；2、支撑结构；3、采空区矸石模拟结构；4、端头悬顶结构；5、气体发生装置；6、抽吸风机；7、胶运巷道；8、辅运巷道；9、通风管路；10、回风巷道；11、风门；12、检测预留孔；13、数据采集装置；14、计算机；15、摄像头。
具体实施方式
22.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
23.如图1所示，本实用新型提供一种长壁工作面端头悬顶风流可视化模拟装置，包括煤层模拟结构1、支撑结构2、采空区矸石模拟结构3、端头悬顶结构4、巷道模拟装置、气体发生装置5、抽吸风机6、数据采集装置13和安装在装置外部的计算机14，巷道模拟装置为两进一回的密封腔体，包括位于支撑结构2同一侧的胶运巷道7、辅运巷道8和回风巷道10，其中：
24.煤层模拟结构1为组装而成的透明箱体，优选为亚克力板，用以模拟实际煤层的几何结构，采空区矸石模拟结构3的采空填充区内填充有晾干的橡皮泥块，用以模拟形状大小各异的采空区垮落矸石，支撑结构2设置在透明箱体的内部，将透明箱体分隔为煤层工作面和采空区矸石模拟结构3的采空填充区，采空区矸石模拟结构3的采空填充区内上中下均匀设置有检测预留孔12，即在模型上预留可供检测风流数据的圆孔，用以采集点位处的风流数据，如图2所示，端头悬顶结构4为圆弧结构，其中圆弧结构的l1模拟的是悬顶沿走向宽度，l2为悬顶沿倾向宽度，在本实施例中l1=l2，圆弧为1/4的圆，端头悬顶结构4如图1所示，设置在巷道模拟装置的上下端，用以模拟长壁工作面的上下端头悬顶；
25.气体发生装置5通过通风管路9连接在胶运巷道7和辅运巷道8的入风口处，用于给模型提供烟气模拟各种气体以监测气体浓度，抽吸风机6通过通风管路9连接在回风巷道10的出风口处，胶运巷道7的出风端设置在采空区矸石模拟结构3的采空填充区内并与支撑结构2相连，辅运巷道8的出风端与胶运巷道7可拆卸连通，回风巷道10的进风端设置在采空区矸石模拟结构3的采空填充区内并与支撑结构2相连，形成二进一回（u型通风）的抽出式通风方式；
26.风门11的数量为3个，分别安装在胶运巷道7、辅运巷道8和回风巷道10上，通过调节胶运巷道7、辅运巷道8和回风巷道10各处的风门11开启程度来模拟巷道的不同通风条件；
27.通风管道9在靠近气体发生装置5和抽吸风机6的位置上也设置有检测预留孔12，数据采集装置13的检测端安置在通风管道9和采空区矸石模拟结构3上的检测预留孔12处，不使用时关闭，使用时打开，用以采集装置关键点处的风流数据，数据采集装置13的数据传
输端插接在装置外部的计算机14上，便于将各参数数据显示在计算机14上以供后续研究分析。
28.其中，所述数据采集装置13多个设备组成，包括风速传感器、风压传感器和风温传感器，用于检测胶运巷道7、辅运巷道8、回风巷道10和采空区矸石模拟结构3的风流参数，计算机14内设置有数据处理模型用于对风机工况参数和采集得到的风流参数进行处理，并通过计算机14的显示屏进行数据显示。
29.为了更好的试验模拟，所述计算机14上安装有摄像头15，可以在实验时进行影像记录，便于实验后进行实验数据分析，观察烟气流动规律。
30.本实用新型在进行模拟时，根据实地测到的风流参数，调整煤层模拟结构1的形状大小、采空区矸石模拟结构3的填充物大小和容率、巷道模拟装置上若干风门11的开启程度以及端头悬顶结构4的圆弧尺寸，使模拟装置的数据采集装置13采集到的风流参数与实际情况进行相似比真实还原，然后调整端头悬顶结构4的圆弧尺寸和风门11开启程度，以陕北张家峁煤矿15210工作面为例，端头悬顶结构4以实际尺寸12
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12m~24
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24m换算为模拟尺寸l1
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l2取3
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3cm~6
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6cm，调整风门11的开启程度0、60%、80%、100%以模拟不同开采条件下的通风情况，透过高透明亚克力板得到端头悬顶结构4的上下隅角气体浓度变化，结果如图3所示，经过分析得出：在挡风程度为80%以下时，进风侧下隅角、回风侧上隅角的气体浓度随着端头悬顶结构4尺寸的增大而增大；当工作面端头的挡风程度达到80%时，端头悬顶结构4上下隅角的气体浓度基本保持不变，与端头悬顶结构4尺寸的大小相关性不大。
31.本实用新型提供的一种长壁工作面端头悬顶风流可视化模拟装置，通过相似比真实还原端头悬顶，进行不同尺寸的悬顶模拟，可拆卸，可组装，方便快捷；不同煤层地质条件下，该装置可以模拟浅埋近水平煤层和模拟采空区矸石；该装置可模拟风流变化规律，便于观察分析；该装置可采集风速、风压等参数，并监测气体浓度；该装置使用的高透明亚克力板能实现可视化展示，方便观察实验结果。
32.需要说明的是，在本文中，数据采集装置13在示意图中并未显示完全，且包含的多个设备并未示出，但并不表示没有，应以说明书的内容为主，而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
33.尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。