深部工程环境污染物扩散治理与多相流动测量实验平台
本发明涉及深部金属矿安全与职业健康，尤其涉及一种深部工程环境污染物扩散治理与多相流动测量实验平台。
背景技术：
1、深部金属矿开采过程中，粉尘颗粒和柴油车尾气扩散给井下工作环境和矿工健康安全带来了极大的挑战。矿区粉尘主要来源于采场爆破、出渣和钻孔等环节。这些粉尘颗粒极其微小，在风流夹带作用下不规则扩散，污染工作环境。尤其是呼吸性粉尘，极易被人体吸入肺部，长时间暴露会导致尘肺病、呼吸道炎症和其他肺部疾病。柴油车尾气则主要来源于地下矿用机械和运输车辆。井下巷道空间相对狭小和封闭，气流流通性较差，由于燃油燃烧不充分产生的碳氢化合物、碳氧化物、氮氧化物和碳烟颗粒物难以及时排出，严重污染井下空气，对矿工生命健康构成了极大威胁。
2、受矿井深处高温、高湿、高浓度污染物等复杂环境因素的影响，原位试验开展困难且得到的数据结果难以揭示井下存在的多相多组分复杂流动体系的运移机理，很难直观的得出某个参数，无法科学的优化井下污染物治理策略，存在着一定的局限性。因此，建立一种深部工程环境污染物扩散治理与多相流动测量实验平台，模拟井下粉尘颗粒及柴油车尾气污染物运移扩散并进行多相多组分流体动力学测量，对揭示污染物微观流动机理，研究其宏观运移行为，科学优化井下污染物治理策略具有重要意义。
3、如公布号为cn113848080a的中国专利公开了一种无轨胶轮车尾气污染物扩散和分布仿真实验系统及方法，用于实验仿真煤矿无轨胶轮车运行环境下尾气污染物扩散及分布。公布号为cn117037594a的中国专利公开了一种受限空间多源粉尘及尾气运移物理模拟平台，用于综采工作面多源粉尘运移规律和车辆尾气运移规律的研究。然而，上述平台均存在如下缺陷：
4、(1)通风方式单一，未考虑局部通风对粉尘扩散的影响，无法实现风筒位置的灵活调整，获取最优风筒位置参数；无法对局部通风方式下的风筒布置参数进行结构优化。
5、(2)现有装置在进行尾气污染物释放时，未考虑尾气污染物的多相多组分特性，释放组分单一，无法根据研究需求调控各组分的比例，无法模拟各种尾气污染物组合。
6、(3)现有装置缺乏粉尘污染物治理实验设计，不具备风幕控尘和喷雾降尘等实验功能。
7、(4)现有装置无法对实验系统模拟的深部开采条件下的多相多组分复杂流动体系开展流体动力学测量实验。
8、上述缺陷均导致其实验系统应用及模拟效果受限，高保真还原性低，且不能开展风幕控尘、喷雾降尘、流体动力学测量实验等。
技术实现思路
1、(一)要解决的技术问题
2、本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种深部工程环境污染物扩散治理与多相流动测量实验平台。
3、(二)技术方案
4、为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
5、本发明提供一种深部工程环境污染物扩散治理与多相流动测量实验平台，包括：
6、模拟巷道，用于提供巷道热湿环境污染物扩散治理与流场测量的结构载体；其包括主巷道、风幕控尘模拟巷道、喷雾降尘模拟巷道，风幕控尘模拟巷道、喷雾降尘模拟巷道均与主巷道连通；
7、风筒优化布置模拟模块，用于模拟井下掘进巷道局部通风方式并对风筒布置进行结构优化；其包括送风风筒、排风风筒、风源预处理装置和风机，送风风筒和排风风筒通过三向调节装置架设在所述模拟巷道内，送风风筒的一端连接风机，另一端分别设置于所述主巷道、风幕控尘模拟巷道和喷雾降尘模拟巷道内，排风风筒的一端连接风源预处理装置，另一端分别设置于所述主巷道和风幕控尘模拟巷道内；风源预处理装置和风机分别位于主巷道的两个端口，设置风源预处理装置的一端为主巷道气流进口端，设置风机的一端为主巷道气流出口端；
8、粉尘颗粒释放及治理模块，用于模拟独头作业面粉尘释放及风幕控尘、喷雾降尘；其包括粉尘粒子释放装置、风幕射流装置和喷雾降尘子模块，粉尘粒子释放装置与所述风幕控尘模拟巷道和喷雾降尘模拟巷道在独头作业面处连通，风幕射流装置设置于所述送风风筒内，喷雾降尘子模块设置于所述喷雾降尘模拟巷道内；
9、柴油车尾气释放及处理模块，用于模拟柴油车的尾气排放并在实验结束后对尾气污染物进行处理；其包括柴油车模型、柴油车尾气释放装置和尾气处理装置，柴油车尾气释放装置设置于柴油车模型上，柴油车模型在所述模拟巷道内行驶，尾气处理装置与所述主巷道连通；
10、多相多组分流态测量模块，用于对风流、雾滴、粉尘、碳烟颗粒的流动行为进行测量和分析；其包括激光脉冲器和ccd相机，激光脉冲器和ccd相机能够移动的设置于主巷道、风幕控尘模拟巷道和喷雾降尘模拟巷道的外部；
11、数据监测与控制模块，用于实时监测巷道内的各项参数，并根据监测结果对设备运行状态进行精准调控；其包括多组风速传感器、柴油车尾气集成传感器、粉尘浓度传感器、温湿度传感器和控制台，多组风速传感器、柴油车尾气集成传感器、粉尘浓度传感器和温湿度传感器均与控制台连接，且多组风速传感器、柴油车尾气集成传感器、粉尘浓度传感器和温湿度传感器均设置在模拟巷道内。
12、进一步的，所述三向调节装置包括水平滑轨、竖直滑轨、滑座和风筒支架，水平滑轨铺设于模拟巷道内壁面底部，水平滑轨上安装多个竖直滑轨，竖直滑轨上滑动连接滑座，滑座上固定连接风筒支架，风筒支架上架设送风风筒或者排风风筒。
13、进一步的，所述送风风筒和排风风筒均为能伸缩的风筒结构。
14、进一步的，所述粉尘粒子释放装置与所述风幕控尘模拟巷道和喷雾降尘模拟巷道在独头作业面的连通处位于独头作业面的中心位置，且连通处设置有粉尘扩散口，所述粉尘扩散口为喇叭状；所述粉尘粒子释放装置除发射粉尘颗粒外，还能散播示踪粒子。
15、进一步的，所述喷雾降尘子模块包括水箱、水泵、水管、电磁流量控制阀和雾化喷嘴，水箱依次连接水泵和水管，水箱和水泵设置于喷雾降尘模拟巷道外部，所述水管部分设置于喷雾降尘模拟巷道外部，部分设置于喷雾降尘模拟巷道内部；设置于喷雾降尘模拟巷道内部的水管在喷雾降尘模拟巷道顶部贴合巷道半圆弧弯曲设置，且水管上开设多个雾化喷嘴；设置于喷雾降尘模拟巷道外部的水管上连接电磁流量控制阀。
16、进一步的，所述实验平台还包括：
17、巷道清洁模块，用于实验结束后对模拟巷道进行整体清洁，排出污水并实现水流的循环利用；其包括清洁供水水管、高压喷头、排水口、排污水管、抽水泵、污水箱和污水净化装置，清洁供水水管设置于所述模拟巷道的拱顶两侧，清洁供水水管上开设多个高压喷头；在所述模拟巷道底部开设多个排水口，多个排水口通过排污水管连接抽水泵，抽水泵依次连接污水箱和污水净化装置，污水净化装置通过循环水管连通所述水箱。
18、进一步的，所述柴油车尾气释放装置包括输入管路、储气罐、输出管路、尾气混合罐、混合污染物输出管路、电磁阀、流量计和尾气释放器，输入管路一端连通预先制备完成的柴油车尾气污染物，另一端连通储气罐，储气罐通过多个输出管路连通尾气混合罐，尾气混合罐通过混合污染物输出管路连通尾气释放器，所述尾气释放器为圆盘形，圆盘形四周设置有喇叭状的尾气释放口；所述输入管路、输出管路和混合污染物输出管路上均设置有电磁阀和流量计。
19、进一步的，所述储气罐设置为四个腔室，四个腔室分别为碳氢化合物腔室、碳氧化物腔室、氮氧化物腔室和碳烟颗粒物腔室，分别用于储存预先制备完成的各组分污染物。
20、进一步的，所述尾气处理装置包括依次连接的进气口、处理室和排气口，所述进气口与所述主巷道气流出口端相连通，所述处理室包括从进气口至排气口方向依次设置的颗粒物捕集单元、scr催化还原单元、颗粒物过滤单元和碳氧化物及碳氢化合物处理单元。
21、进一步的，所述主巷道、风幕控尘模拟巷道、喷雾降尘模拟巷道顶部均设置有打光条缝，所述打光条缝与所述激光脉冲器的照射区域相对应。
22、采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
23、本发明提供的一种深部工程环境污染物扩散治理与多相流动测量的实验平台，其在模拟井下粉尘和尾气污染物的扩散和流动行为方面具有着诸多优势。(1)本实验平台利用滑轨、滑座和轴向可伸缩风筒能实现局部通风方式下风筒位置参数的结构优化实验。(2)本实验平台具备模拟粉尘和柴油车尾气污染物运移扩散及治理的实验功能，并考虑了尾气污染物的多相多组分特性。研究者可以基于该实验平台上对不同污染源的影响进行模拟和分析，从而更准确地评估环境污染情况。(3)本实验平台利用多相多组分流态测量装置实现了对风流、雾滴、粉尘、碳烟颗粒流动行为的微观测量。本实验平台可实现深部工程通风环境下微观粒子运移动力学机理及宏观粉尘、尾气等污染物扩散时空分布特征研究，为深部金属矿污染物治理提供前沿创新性实验平台，对改进现有污染物治理策略、优化矿井环境、保障矿工生命健康安全具有重要意义。
技术特征：
1.一种深部工程环境污染物扩散治理与多相流动测量实验平台，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种深部工程环境污染物扩散治理与多相流动测量实验平台，其特征在于，所述三向调节装置包括水平滑轨、竖直滑轨、滑座和风筒支架，水平滑轨铺设于模拟巷道内壁面底部，水平滑轨上安装多个竖直滑轨，竖直滑轨上滑动连接滑座，滑座上固定连接风筒支架，风筒支架上架设送风风筒或者排风风筒。
3.根据权利要求2所述的一种深部工程环境污染物扩散治理与多相流动测量实验平台，其特征在于，所述送风风筒和排风风筒均为能伸缩的风筒结构。
4.根据权利要求1所述的一种深部工程环境污染物扩散治理与多相流动测量实验平台，其特征在于，所述粉尘粒子释放装置与所述风幕控尘模拟巷道和喷雾降尘模拟巷道在独头作业面的连通处位于独头作业面的中心位置，且连通处设置有粉尘扩散口，所述粉尘扩散口为喇叭状；所述粉尘粒子释放装置除发射粉尘颗粒外，还能散播示踪粒子。
5.根据权利要求1所述的一种深部工程环境污染物扩散治理与多相流动测量实验平台，其特征在于，所述喷雾降尘子模块包括水箱、水泵、水管、电磁流量控制阀和雾化喷嘴，水箱依次连接水泵和水管，水箱和水泵设置于喷雾降尘模拟巷道外部，所述水管部分设置于喷雾降尘模拟巷道外部，部分设置于喷雾降尘模拟巷道内部；设置于喷雾降尘模拟巷道内部的水管在喷雾降尘模拟巷道顶部贴合巷道半圆弧弯曲设置，且水管上开设多个雾化喷嘴；设置于喷雾降尘模拟巷道外部的水管上连接电磁流量控制阀。
6.根据权利要求1所述的一种深部工程环境污染物扩散治理与多相流动测量实验平台，其特征在于，所述实验平台还包括：
7.根据权利要求1所述的一种深部工程环境污染物扩散治理与多相流动测量实验平台，其特征在于，所述柴油车尾气释放装置包括输入管路、储气罐、输出管路、尾气混合罐、混合污染物输出管路、电磁阀、流量计和尾气释放器，输入管路一端连通预先制备完成的柴油车尾气污染物另一端连通储气罐，储气罐通过多个输出管路连通尾气混合罐，尾气混合罐通过混合污染物输出管路连通尾气释放器，所述尾气释放器为圆盘形，圆盘形四周设置有喇叭状的尾气释放口；所述输入管路、输出管路和混合污染物输出管路上均设置有电磁阀和流量计。
8.根据权利要求7所述的一种深部工程环境污染物扩散治理与多相流动测量实验平台，其特征在于，所述储气罐设置为四个腔室，四个腔室分别为碳氢化合物腔室、碳氧化物腔室、氮氧化物腔室和碳烟颗粒物腔室，分别用于储存预先制备完成的各组分污染物。
9.根据权利要求1所述的一种深部工程环境污染物扩散治理与多相流动测量实验平台，其特征在于，所述尾气处理装置包括依次连接的进气口、处理室和排气口，所述进气口与所述主巷道气流出口端相连通，所述处理室包括从进气口至排气口方向依次设置的颗粒物捕集单元、scr催化还原单元、颗粒物过滤单元和碳氧化物及碳氢化合物处理单元。
10.根据权利要求1所述的一种深部工程环境污染物扩散治理与多相流动测量实验平台，其特征在于，所述主巷道、风幕控尘模拟巷道、喷雾降尘模拟巷道顶部均设置有打光条缝，所述打光条缝与所述激光脉冲器的照射区域相对应。
技术总结
本发明涉及一种深部工程环境污染物扩散治理与多相流动测量实验平台，所述平台包括模拟巷道，用于提供巷道热湿环境污染物扩散治理与流场测量的结构载体；风筒优化布置模拟模块，用于模拟井下掘进巷道局部通风方式并对风筒布置进行结构优化；粉尘颗粒释放及治理模块，用于模拟独头作业面粉尘释放及风幕控尘、喷雾降尘；柴油车尾气释放及处理模块，用于模拟柴油车的尾气排放及收集处理；多相多组分流态测量模块，用于多相多组分的流态测量和分析；数据监测与控制模块，用于实时监测巷道内通风流态信息，并对设备运行状态进行精准调控。本实验平台可实现深部工程通风环境下微观粒子运移动力学机理及宏观粉尘、尾气等污染物扩散时空分布特征研究等。
技术研发人员：庞博学,冯夏庭,任向辉,张希巍
受保护的技术使用者：东北大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23