用于模拟雾场条件下全尺寸粉尘颗粒撞凝行为的试验方法技术

本发明专利技术公开了一种用于模拟雾场条件下全尺寸粉尘颗粒撞凝行为的试验方法，属于岩土工程安全生产领域。该试验方法通过将定量煤/岩发尘系统与多区域颗粒凝并特征监测系统进行结合，通过定量煤/岩发尘系统来实现机械刨钉式产尘，通过刨钉式发尘器实现对煤/岩试样的机械性敲击，通过改变刨钉的尺寸等参数，既可以获得不同粒径的粉尘颗粒，与现场机械切割岩石产尘方面的实际生产条件更加贴近。本发明专利技术试验方法可同时解决雾化降尘过程中，定量化机械刨钉式产尘、颗粒抛射距离远、全尺寸粒径粉尘供给、分区域降尘监测、多点独立水压喷嘴控制、水

【技术实现步骤摘要】
用于模拟雾场条件下全尺寸粉尘颗粒撞凝行为的试验方法


[0001]本专利技术涉及煤矿开采、金属矿山开采、隧道钻进等岩土工程安全生产领域，具体涉及一种用于模拟雾场条件下全尺寸粉尘颗粒撞凝行为的试验方法。

技术介绍

[0002][0003]喷雾降尘技术是采掘工作面中最为常用的粉尘防治手段。如果能提高水对微细粉尘的捕集效果，对于煤矿井下除尘系统更有实际意义。水对粉尘的润湿、凝并研究是一个跨学科的、多学科的研究课题，不仅在防尘问题上，而且在环保、气象、化工、冶金等方面也都涉及到这类理论问题。从宏观、介观和微观层面探讨雾滴粉尘颗粒耦合问题，加深对于喷雾降尘机理的研究工作，无疑是最好的解决方式之一。风流条件下雾滴与粉尘碰撞凝并是十分复杂的三相流问题，迄今为止，鲜有通过实验手段获得全尺寸粒径(毫米级、微米级、纳米级)粉尘颗粒
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雾滴凝并、沉降过程的研究成果及相关报道，而且设计一种用于模拟区域化组合雾场条件下全尺寸粉尘颗粒撞凝行为的试验方法也没有相关研究报道。
[0004]而现有技术中液滴与颗粒碰撞的实验研究，大多数集中于雾滴与粉尘碰撞的监测方面，忽略了以下方面：
[0005]1)无法模拟现场机械切割岩石的产尘现象，相关现有技术往往借助打磨好的粉尘颗粒放入颗粒供给装置进行试验，与实际生产条件不符；
[0006]2)以往颗粒供给装置给出的粉尘粒径局限在一定范围内，无法实现现场工作环境内全尺寸粒径(毫米级、微米级、纳米级)粉尘颗粒供给，粉尘粒径的选择不具有客观性；
[0007]3)无法实现针对不同岩性岩石的定量化产尘，即通过改变产尘设备机械参数，针对不同岩石产生1nm～2cm范围内粉尘颗粒；
[0008]4)无法实现全尺寸粒径颗粒大范围抛射，不同颗粒抛射位置不同，随之降尘效果不同，抛射范围大可以完成对粉尘降尘区域分级研究；
[0009]5)相关研究中粉尘
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雾滴凝并区域固定于一定范围内，无法实现对不同喷射初速度条件下粉尘颗粒的监测捕捉，即机械切割岩石产生的粉尘会喷射到不同区域，不同区域内粉尘粒径存在较大差别，以往设备无法实现区域化监测；
[0010]6)以往液滴产生装置相关技术往往集中在可滑动调节、喷嘴类型组合方面，忽略雾场大小组合，无法实现对单点喷嘴的水压控制，即多个同类型喷嘴的不同水压控制；
[0011]7)缺少对粉尘
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雾滴撞凝后能量降低程度的监测，通过对比降尘前后、不同降尘方式下粉尘碰撞透明监测舱承受的撞击能量大小，侧面反映降尘效果的优劣；
[0012]8)无法实现对喷雾降尘后水
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尘混合物的相关物理参数的监测，以往研究将水
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尘混合物直接排至污水处理装置中，缺少对水
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尘混合物粘度、流速的监测，监测数据可以进一步反应不同粒径区域内粉尘
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雾滴撞凝特征。
[0013]在降尘研究方面，现有技术相关的研究报道主要有：
[0014]CN104019991A公开了一种液滴与固体板斜碰撞试验装置，该装置局限于液滴与固
定平板的碰撞；CN108225987A公开了一种解决微米级液滴撞击球形表面冷冻涂覆的系统与方法，固体颗粒处于被固定状态，研究对象单一；CN110006792B公开了一种用于液滴
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颗粒碰撞凝并测试的实验系统及方法，颗粒供给装置无法实现机械产尘，模拟颗粒粒径具有局限性，液滴产生装置无法实现多点独立水压控制，无法实现区域化监测，不具备能量、混合物粘度特征监测；CN110006792B公开了一种用于液滴
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颗粒碰撞凝并测试的实验系统及方法，颗粒供给装置无法实现机械产尘，模拟颗粒粒径具有局限性，液滴产生装置无法实现多点独立水压控制，无法实现区域化监测，不具备能量、混合物粘度特征监测；CN110160920A公开了一种雾滴粉尘碰撞凝并实验系统及实验方法，粉尘释放装置不具备多粒径定量煤(岩)机械化发尘功能，实验罩体不具备区域化、能量和粘度监测。
[0015]在产尘研究方面，现有技术相关的研究报道主要有：
[0016]申请号202011221014.8公开了一种模拟煤矿采掘面破煤产尘装置，申请号 201910699254.X公开了一种煤岩截割产尘实验系统与方法，申请号201910268386.7公开了一种模拟煤岩体截割产尘的仿真实验系统及实验方法，上述现有技术均采用截齿截割产尘，通过改变截齿大小、形状等获取不同浓度、粒径的粉尘颗粒，然而这种产尘方式使用旋转割煤，粉尘颗粒较小，抛射距离近，无法实现全尺寸粒径颗粒大范围抛射。
[0017]综上所述，现有技术还有待于进一步改进。

技术实现思路

[0018]本专利技术的目的在于提供一种用于模拟雾场条件下全尺寸粉尘颗粒撞凝行为的试验方法，其采用机械式刨钉产尘的方式，可获得全尺寸粉尘颗粒，结合颗粒凝并特征监测系统进一步实现了对雾场
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粉尘颗粒撞凝行为特征可视化实验的研究。
[0019]为了实现上述目的，本专利技术所需克服的主要技术难题在于：
[0020]如何获得全尺寸粉尘颗粒，并且使得其与实际生产条件更加相符，如何确保全尺寸粉尘颗粒在大范围抛射时候来完成对粉尘降尘区域的分级研究，如何实现对喷雾降尘后水
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尘混合物的相关物理参数的监测，使其理论研究条件更加贴近实际生产条件。
[0021]为了解决上述技术难题，本专利技术采用了以下技术方案：
[0022]一种用于模拟雾场条件下全尺寸粉尘颗粒撞凝行为的试验方法，依次包括以下步骤：
[0023]S1、安装试验所需系统
[0024]所需系统包括定量煤/岩发尘系统、多区域颗粒凝并特征监测系统、多面激光同步控制发射系统及动态显微摄像系统；
[0025]其中：
[0026]所述的定量煤/岩发尘系统包括控制台、多粒径煤/岩发尘装置及动力装置，所述的多粒径煤/岩发尘装置位于所述的控制台上，在所述的控制台的上方设置有发尘约束罩，所述的发尘约束罩将所述的多粒径煤/岩发尘装置罩在内部；所述的多粒径煤/岩发尘装置包括刨钉式发尘器、固定座及煤/岩试样，所述的固定座设置在控制台上，所述的煤/岩试样紧固在所述的固定座内，所述的刨钉式发尘器设置在所述的固定座和煤/岩试样的上方；所述的刨钉式发尘器包括动力传输轴、偏心轮、截尺、刨钉、固定轴及弹簧，所述的动力传输轴位于刨钉式发尘器的中部，动力传输轴的左侧连接所述的动力装置，在所述的动力传输轴
上均匀设置有若干个所述的偏心轮，每个偏心轮可围绕所述的动力传输轴旋转，所述的截尺分布在所述的偏心轮的下方，且截尺的顶端固定在所述的固定轴上，截尺的上端连接所述的弹簧，所述的截尺的数量与所述的偏心轮的数量相同，所述的截尺通过所述的偏心轮的旋转作用和所述的弹簧的影响完成往复运动，在所述的截尺上间隔一定距离设置有钻孔，在所述的钻孔内设置所述的刨钉；
[0027]所述的多区域颗粒凝并特征监测系统包括多区域本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于模拟雾场条件下全尺寸粉尘颗粒撞凝行为的试验方法，其特征在于，依次包括以下步骤：S1、安装试验所需系统所需系统包括定量煤/岩发尘系统、多区域颗粒凝并特征监测系统、多面激光同步控制发射系统及动态显微摄像系统；其中：所述的定量煤/岩发尘系统包括控制台、多粒径煤/岩发尘装置及动力装置，所述的多粒径煤/岩发尘装置位于所述的控制台上，在所述的控制台的上方设置有发尘约束罩，所述的发尘约束罩将所述的多粒径煤/岩发尘装置罩在内部；所述的多粒径煤/岩发尘装置包括刨钉式发尘器、固定座及煤/岩试样，所述的固定座设置在控制台上，所述的煤/岩试样紧固在所述的固定座内，所述的刨钉式发尘器设置在所述的固定座和煤/岩试样的上方；所述的刨钉式发尘器包括动力传输轴、偏心轮、截尺、刨钉、固定轴及弹簧，所述的动力传输轴位于刨钉式发尘器的中部，动力传输轴的左侧连接所述的动力装置，在所述的动力传输轴上均匀设置有若干个所述的偏心轮，每个偏心轮可围绕所述的动力传输轴旋转，所述的截尺分布在所述的偏心轮的下方，且截尺的顶端固定在所述的固定轴上，截尺的上端连接所述的弹簧，所述的截尺的数量与所述的偏心轮的数量相同，所述的截尺通过所述的偏心轮的旋转作用和所述的弹簧的影响完成往复运动，在所述的截尺上间隔一定距离设置有钻孔，在所述的钻孔内设置所述的刨钉；所述的多区域颗粒凝并特征监测系统包括多区域颗粒凝并试验装置、单项喷嘴水压控制器、恒压水箱、伺服水泵、凝并数据集中控制台及污水收集仓；所述的多区域颗粒凝并试验装置包括多区域透明雾场监测舱、电控多点雾化液滴机构、水泥混合物流动管道、黏度流量传感器和变频风机，所述的多区域透明雾场监测舱包括依次连接的连接舱、第一监测舱、第二监测舱、第三监测舱及负压舱，所述的连接舱与所述的发尘约束罩保持连通，所述的第一监测舱、第二监测舱、第三监测舱分别用于装入不同粒径大小的粉尘颗粒，所述的变频风机位于所述的负压舱内；所述的电控多点雾化液滴机构位于所述的多区域透明雾场监测舱的上方，并向对应的舱内提供液滴；在每个监测舱的下方分别连接所述的水泥混合物流动管道，黏度流量传感器位于所述的水泥混合物流动管道上；所述的单项喷嘴水压控制器用于控制电控多点雾化液滴机构的阀门的开启与喷嘴水压的大小；所述的恒压水箱和伺服水泵用于向喷嘴提供稳定的水压和流量；所述的凝并数据集中控制台用于提供指令发送和数据采集工作；所述的污水收集仓用于收集水
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尘混合物；S2、调设定量煤/岩发尘系统的相关参数设计全尺寸粉尘颗粒的粒径范围(d1，d2)，确定粉尘颗粒粒径平均值d，d＝0.5(d1+d2)，其中：d的单位为mm；依据粉尘颗粒的粒径范围，进一步确定定量煤/岩发尘系统的相关参数，具体包括变频电机的转速v
d
、发尘刨钉的使用数量n，发尘刨钉的圆形断面直径D，并且使得相关参数满足式(1)要求：
式(1)中，c
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转述调节参数；k
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幅度值调节参数；S3、调设多区域颗粒凝并特征监测系统的相关参数设定电控多点雾化液滴机构的相关参数，包括单分散液滴发生器和电动水压阀门的相关参数，以及单分散液滴发生器的孔径的选取和单分散液滴发生器的数量N的选取；结合煤矿实际情况，设定负压舱中变频风机的风量；S4、设定多面激光同步控制发射系统及动态显微摄像系统的相关参数；S5、开启多面激光同步控制发射系统、动态显微摄像系统及凝并数据集中控制台，设定电动水压阀门压力使其达到设定值，打开多区域颗粒凝并特征监测系统中的声发射传感器；S6、打开动力装置，通过动力装置向多粒径煤/岩发尘装置提供动力，于此同时打开电控多点雾化液滴机构，刨钉开始工作，刨钉通过对所述的煤/岩试样进行机械性敲击来获得粒径为1nm～2cm的...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐翠翠，宋瑞鑫，周刚，孙彪，王俊朋，王倩，柳茹林，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：