采煤工作面降温规律试验系统及试验方法与流程

本发明涉及煤矿模拟试验技术领域，特别是涉及一种采煤工作面降温规律试验系统及试验方法。

背景技术

随着矿井开采深度的增加，采煤工作面热害现象越来越严重，已成为制约煤矿安全开采的重大影响因素之一。矿井高温问题加剧了煤矿工作面热环境的恶化，温度不断维持在很高的水平将对工人的身体和作业效率造成很大的威胁，造成作业人员的作业效率急剧降低，安全事故的发生率不断增长，使煤矿的安全和高效生产、工人的人身安全受到极大的威胁。在矿井实际生产过程中，正常通风不足以去除工作面内部的热量，一般需要采用降温系统来降低工作面温度。由于无法隔绝工作面与采空区，降温系统的运行过程中漏风问题严重，导致冷风流入采空区进行热交换，再将热量带回工作面，严重影响降温效果。与此同时，矿井下的工作环境通常极其恶劣，降温系统在运行过程中易受粉尘、湿度、风速等各种条件的影响，导致降温效果不佳。

由于矿井位置特殊、环境复杂和基于安全考虑，很难在实际运行的矿井中通过调整矿井降温相关影响因素的数值来探究其降温规律。本研发团队设计了一种空气幕产生装置，空气幕产生装置安装于采煤工作面，应用空气幕产生装置产生空气幕以隔绝工作面与采空区，但是其对工作面与采空区的隔绝效果还未能验证，并且还未能验证空气幕产生装置的开启状况、空气喷射角度对工作面与采空区的隔绝效果的影响情况。此外，若想掌握粉尘浓度、空气湿度、采空区漏风、风速等相关因素对矿井降温效果影响的规律，需要一种能模拟采煤工作面降温过程，能够直观反映不同粉尘浓度、空气湿度、风速以及采空区漏风对降温效果影响的实验装置。截至目前，现有技术中还没有可以有效对采煤工作面降温规律进行测定试验的试验装置。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种采煤工作面降温规律试验系统及试验方法，其一目的是设计采煤工作面降温规律试验系统，以模拟采煤工作面的降温过程，以直观反映不同粉尘浓度、空气湿度、风速以及采空区漏风对降温效果影响，其二目的是在采煤工作面降温规律试验系统中验证空气幕产生装置对工作面与采空区的隔绝效果以及验证空气幕产生装置的开启状况、空气喷射角度对工作面与采空区的隔绝效果的影响情况。

本发明提供一种采煤工作面降温规律试验系统，采煤工作面降温规律试验系统包括试验平台和空气幕产生装置；试验平台包括设置于其上的采煤工作面、采空区、进风巷、回风巷和透明壳体，采煤工作面、采空区、进风巷和回风巷均按比例仿真设置，采煤工作面、采空区、进风巷和回风巷位于壳体内；采煤工作面包括仿真煤壁和换热墙，换热墙将仿真煤壁与采空区隔开，换热墙的墙体上开设有漏风孔，换热墙与仿真煤壁之间设置有仿真采煤机和一排液压支架；仿真煤壁上设置有若干块加热板，换热墙的一侧设置有若干块加热板，进风巷内设置有若干块加热板，回风巷内设置有抽出式风机；进风巷内于背离采煤工作面的方向上依次设置有空冷器和加湿器，空冷器经制冷管路连接位于壳体外侧的制冷机组，空冷器的旁边设置有粉尘发生器，粉尘发生器的喷射口朝向空冷器；空气幕产生装置包括气舱、空气放大器、空气整流器、活动软管和喷射嘴，气舱一侧面的上端开口并连接空气放大器，空气放大器的侧壁设置压缩空气接口，压缩空气接口经管路连接位于壳体外侧的空气压缩机，气舱的下端内部设置空气整流器，气舱的下端经活动软管连接喷射嘴，一排液压支架的底座和顶梁之间设置一排空气幕产生装置，空气放大器的开口朝向仿真煤壁；壳体内设置有温度传感器、湿度传感器和风速测量仪，温度传感器、湿度传感器和风速测量仪分别信号连接计算机。

进一步的，一排空气幕产生装置的喷射嘴固定连接，最外侧空气幕产生装置的喷射嘴固定连接有穿过壳体的转动杆，转动杆的末端设置有转轮，转轮上设置有刻度条，壳体外侧设置有支座，支座上设置有靠近转轮的指针，支座上设置有用于锁止转轮的锁紧件。

进一步的，所述锁紧件包括与支座固定连接的支撑架，转轮位于支撑架与支座之间，支撑架上设置有紧固螺钉，旋紧紧固螺钉则紧固螺栓的末端可压紧转轮。

进一步的，所述气舱的下端形状由上向下逐渐变窄，所述空气整流器为整流块，整流块的形状由上向下逐渐变窄，整流块与气舱下端的侧壁之间留有缝隙。

进一步的，气舱下端的横截面为等腰梯形，整流块的横截面为三角形，整流块的侧边与气舱下端的侧壁平行。

进一步的，所述壳体由有机玻璃材料制成。

进一步的，所述加热板为电加热板。

进一步的，抽出式风机信号连接有变速器。

进一步的，活动软管由橡胶材料制成。

本发明还提供一种采煤工作面降温规律试验方法，应用上述的采煤工作面降温规律试验系统，包括以下步骤：

步骤一、采煤工作面降温规律试验系统布置完成后，启动抽出式风机、加湿器和加热板，在壳体内形成风流场、湿度场和温度场，以模拟采煤工作面的实际工况，开启制冷机组通过空冷器提供冷气流，冷气流的主要部分流经进风巷和采煤工作面并从回风巷流出，冷气流的其他部分通过换热墙的漏风孔流入采空区并再从回风巷流出；

步骤二、启动空气压缩机，压缩空气从空气放大器的侧壁进入空气放大器，采煤工作面处的空气从空气放大器的开口进入并从喷射嘴喷出，喷射嘴喷出的空气幕以对采煤工作面的漏风进行隔断，转动喷射嘴以调整空气幕产生装置的空气喷射角度；

步骤三、启动粉尘发生器，根据试验要求调整粉尘的浓度，风流将粉尘吹送至空冷器上产生积尘；

步骤四、温度传感器、湿度传感器和风速测量仪向计算机传递温度、湿度和风速数据，观测空冷器上的积尘情况；

步骤五、按照试验设定的参数，经抽出式风机调节风速参数，经加湿器调节湿度参数，经粉尘发生器调节粉尘浓度，经空气幕产生装置调节空气幕的全部或部分开闭以及经空气幕产生装置调节空气喷射角度，重复步骤一至步骤四。

与现有技术相比，本发明的采煤工作面降温规律试验系统及试验方法具有以下特点和优点：

1、本发明的采煤工作面降温规律试验系统及试验方法，在壳体内形成稳定的风流场、湿度场和温度场，以模拟采煤工作面的实际工况，进而启动空冷器模拟采煤工作面的降温过程，并直观反映不同粉尘浓度、空气湿度、风速以及采空区漏风对降温效果影响，以探究采煤工作面的降温规律；

2、本发明的采煤工作面降温规律试验系统及试验方法，调整空气幕产生装置的开启状况和空气喷射角度，验证空气幕产生装置对工作面与采空区的隔绝效果以及验证空气幕产生装置的开启状况、空气喷射角度对工作面与采空区的隔绝效果的影响情况，以分析空气幕产生装置的布置对采煤工作面降温效果的影响。

结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例采煤工作面降温规律试验系统去除壳体顶端后的布置示意图；

图2为本发明实施例采煤工作面降温规律试验系统未去除壳体顶端的布置示意图；

图3为本发明实施例采煤工作面降温规律试验系统的设备布置图；

图4为本发明实施例采煤工作面降温规律试验系统去除壳体顶端后的俯视图；

图5为本发明实施例中空气幕产生装置的结构示意图；

图6为图5空气幕产生装置的剖面图；

图7为本发明实施例中最外侧空气幕产生装置的结构示意图；

图8为本发明实施例中最外侧空气幕产生装置装配于液压支架的结构示意图；

图9为图8的主视图；

其中，1、进风巷，2、采煤工作面，3、加湿器，4、仿真采煤机，5、制冷机组，6、空气压缩机，7、仿真煤壁，8、电加热板，9、回风巷，10、变速器，11、抽出式风机，12、液压支架，13、空气幕产生装置，14、漏风孔，15、换热墙，16、采空区，17、空冷器，18、温度传感器，19、风速测量仪，20、湿度传感器，21、空气放大器，22、活动软管，23、喷射嘴，24、气舱，25、空气整流器，26、转动杆，27、转轮，28、支座，29、紧固螺钉，30、壳体，31、粉尘发生器，32、压缩空气接口，33、指针，34、支撑架。

具体实施方式

如图1至图9所示，本实施例提供一种采煤工作面降温规律试验系统，采煤工作面降温规律试验系统包括试验平台和空气幕产生装置13。

试验平台包括设置于其上的采煤工作面2、采空区16、进风巷1、回风巷9和透明壳体30，采煤工作面2、采空区16、进风巷1和回风巷9均按比例仿真设置，采煤工作面2、采空区16、进风巷1和回风巷9位于壳体30内。其中，壳体30由有机玻璃材料制成，以方便透过壳体30观察其内部试验运行情况。

采煤工作面2包括仿真煤壁7和换热墙15，换热墙15将仿真煤壁7与采空区16隔开。换热墙15由铜材料制成，铜材料的换热墙15可以使仿真煤壁7与采空区16之间模拟实际情况进行热传递。换热墙15的墙体上开设漏风孔14，漏风孔14可以运行冷气流经换热墙15流入采空区16并再流出，以模拟实际采空区漏风情况。换热墙15与仿真煤壁7之间设置仿真采煤机4和一排液压支架12。

仿真煤壁7上设置若干块电加热板8，换热墙15的一侧设置若干块电加热板8，进风巷1内设置若干块电加热板8，电加热板8启动后可以在壳体30内形成温度场。回风巷9内设置抽出式风机11，抽出式风机11信号连接变速器10，变速器10实现对抽出式风机11风速的调节。启动抽出式风机11，在进风巷1、采煤工作面2、采空区16和回风巷9之间形成风流，以在壳体30内形成风流场。

进风巷1内于背离采煤工作面2的方向上依次设置空冷器17和加湿器3。启动加湿器3，以在壳体30内形成湿度场。空冷器17经制冷管路连接位于壳体30外侧的制冷机组5，开启制冷机组5通过空冷器17提供冷气流以对采煤工作面2降温。空冷器17的旁边设置粉尘发生器31，粉尘发生器31的喷射口朝向空冷器17，粉尘发生器31的喷射口喷出不同浓度的粉尘。

空气幕产生装置13包括气舱24、空气放大器21、空气整流器25、活动软管22和喷射嘴23，气舱24一侧面的上端开口并连接空气放大器21，空气放大器21的侧壁设置压缩空气接口32，压缩空气接口32经管路连接位于壳体30外侧的空气压缩机6，气舱24的下端内部设置空气整流器25，气舱24的下端经活动软管22连接喷射嘴23，活动软管22由橡胶材料制成。压缩空气从空气放大器21的侧壁进入空气放大器21，空气从空气放大器21的开口进入空气放大器21，在空气放大器21内，压缩空气带动空气形成高压、高速气流，气流被空气整流器25整流后从喷射嘴23喷出。

一排液压支架12的底座和顶梁之间设置一排空气幕产生装置13，空气放大器21的开口朝向仿真煤壁7。

气舱24的下端形状由上向下逐渐变窄，空气整流器25为整流块，整流块的形状由上向下逐渐变窄，整流块与气舱24下端的侧壁之间留有缝隙。本实施例中气舱24下端的横截面为等腰梯形，整流块的横截面为三角形，整流块的侧边与气舱24下端的侧壁平行。本实施例采用的整流块结构简单，成本较低，能实现对气舱24内紊乱气流的较好整流。

一排空气幕产生装置13的喷射嘴23固定连接，最外侧空气幕产生装置13的喷射嘴23固定连接转动杆26，转动杆26穿过壳体30，转动杆26的末端设置转轮27，转轮27上设置刻度条，壳体30外侧设置支座28，支座28上设置指针33，指针33靠近转轮27，指针33以指示转轮27转过的角度。支座28上设置有用于锁止转轮27的锁紧件。锁紧件包括与支座28固定连接的支撑架34，转轮27位于支撑架34与支座28之间，支撑架34上设置紧固螺钉29，旋紧紧固螺钉29，则紧固螺栓的末端可压紧转轮27。

壳体30内设置温度传感器18、湿度传感器20和风速测量仪19，温度传感器18、湿度传感器20和风速测量仪19分别信号连接计算机。

本实施例还提供一种采煤工作面降温规律试验方法，应用本实施例上述的采煤工作面降温规律试验系统，包括以下步骤：

步骤一、采煤工作面降温规律试验系统布置完成后，启动抽出式风机11、加湿器3和加热板，在壳体30内形成风流场、湿度场和温度场，以模拟采煤工作面2的实际工况，开启制冷机组5通过空冷器17提供冷气流，冷气流的主要部分流经进风巷1和采煤工作面2并从回风巷9流出，冷气流的其他部分通过换热墙15的漏风孔14流入采空区16并再从回风巷9流出。

步骤二、启动空气压缩机6，压缩空气从空气放大器21的侧壁进入空气放大器21，采煤工作面2处的空气从空气放大器21的开口进入并从喷射嘴23喷出，喷射嘴23喷出的空气幕以对采煤工作面2的漏风进行隔断，松动紧固螺钉29，转动转轮27，转轮27通过转动杆26带动喷射嘴23转动，以调整空气幕产生装置13的空气喷射角度，确定空气喷射角度后旋紧紧固螺钉29。

步骤三、启动粉尘发生器31，根据试验要求调整粉尘的浓度，风流将粉尘吹送至空冷器17上产生积尘。

步骤四、温度传感器18、湿度传感器20和风速测量仪19向计算机传递温度、湿度和风速数据，观测空冷器17上的积尘情况。

步骤五、按照试验设定的参数，通过变速器10对抽出式风机11调节风速参数，经加湿器3调节湿度参数，经粉尘发生器31调节粉尘浓度，经空气幕产生装置13调节空气幕的全部或部分开闭以及经空气幕产生装置13调节空气喷射角度，重复步骤一至步骤四。

本实施例的采煤工作面降温规律试验方法应用本实施例的采煤工作面降温规律试验系统，在壳体30内形成稳定的风流场、湿度场和温度场，以模拟采煤工作面2的实际工况，进而启动空冷器17模拟采煤工作面2的降温过程，并直观反映不同粉尘浓度、空气湿度、风速以及采空区漏风对降温效果影响，以探究采煤工作面2的降温规律；通过调整空气幕产生装置13的开启状况和空气喷射角度，验证空气幕产生装置13对采煤工作面2与采空区16的隔绝效果以及验证空气幕产生装置13的开启状况、空气喷射角度对采煤工作面2与采空区16的隔绝效果的影响情况，以分析空气幕产生装置13的布置对采煤工作面2降温效果的影响。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。