[发明专利]一种模拟综掘面呼吸尘运动特征的方法

说明书

本发明涉及一种模拟综掘面呼吸尘运动特征的方法，属于矿井安全技术领域。该方法包括：S1：建设模拟综掘面和发尘装置，模拟呼吸尘颗粒以不同速度在巷道内的运动；S2：分析呼吸尘颗粒在综掘面巷道的水平和垂直方向上的受力情况；S3：建立呼吸尘颗粒在巷道水平和垂直方向上的运动方程，分析呼吸尘颗粒在巷道内的运动特征；S4：根据运动方程，计算呼吸尘颗粒以初速度0m/s在垂直方向上的终极时间、终极速度和终极距离；以及有风速时的水平方向上运动经历的时间和距离。本发明揭示了呼吸尘在巷道内的运动特征，使综掘面粉尘运动的模拟试验更接近实际矿井作业中的粉尘运动，为综掘面的防尘、降尘工作提供了技术指导和支持。

技术领域

本发明属于矿井安全技术领域，涉及一种模拟综掘面呼吸尘运动特征的方法。

背景技术

国际标准化组织ISO将长时间悬浮在空气中、空气动力学直径≤7.07μm且5μm时的采集效率为50％的粉尘为呼吸尘。呼吸尘是尘肺病的元凶，煤矿系统的粉尘职业危害尤显严重。而煤矿的呼吸尘主要载于采掘面风流四处运动与悬浮，矿工长时间工作吸附，导致其尘肺患病率常年居高。为了降低其危害，为防尘、降尘工作提供技术指导和支持，研究综掘面呼吸尘的运动特征及规律是非常重要的。

王飞分析了综掘面内总粉尘的受力情况，发现粉尘的受力与直径相关；陈刚刚分析了高溜井中矿石颗粒的受力情况，得出粉尘尘化的原因；G.Gottstein等分析了总粉尘粒子与颗粒边界之间的相互作用，发现了二相粒子对颗粒边界运动的拖动作用；S.Wang等发现：在粘性流体中，惯性力会降低粉尘颗粒的速度，而颗粒之间的相互作用则能增强粒子的速度。

虽然国内外学者已对总粉尘颗粒的受力情况、颗粒之间相互作用，以及在不同流体中的运动过程进行了分析。但目前仍缺乏针对煤矿综掘面内呼吸尘受力及运动特征的研究。因此，目前亟需一种能够模拟分析综掘面呼吸尘运动特征的方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种模拟综掘面呼吸尘运动特征的方法，根据呼吸尘颗粒在综掘面巷道的水平和垂直方向上的受力情况建立运动方程，计算出在巷道水平和垂直方向上的运动参数，揭示出呼吸尘在巷道内的运动特征；从而使综掘面粉尘运动的模拟试验更接近实际矿井作业中的粉尘运动，为综掘面的防尘、降尘工作提供了技术指导和支持。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种模拟综掘面呼吸尘运动特征的方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：

S1：建设模拟综掘面和发尘装置，模拟呼吸尘颗粒以不同速度在巷道内的运动；

S2：分析呼吸尘颗粒在综掘面巷道的水平和垂直方向上的受力情况；

S3：建立呼吸尘颗粒在巷道水平和垂直方向上的运动方程，分析呼吸尘颗粒在巷道内的运动特征；

S4：根据运动方程，计算呼吸尘颗粒以初速度0m/s在垂直方向上的终极时间、终极速度和终极距离等运动参数；以及有风速时的水平方向上运动经历的时间和距离等参数。

进一步，步骤S2中，分析呼吸尘颗粒在综掘面巷道的水平方向上的受力情况，具体包括：

1)当呼吸尘直径≤0.25μm时，呼吸尘颗粒在综掘面巷道的水平方向上主要受布朗力作用，由巷道高浓度区向低浓度区做扩散运动；

2)当呼吸尘颗粒直径≤7.07μm且＞0.25μm时，呼吸尘颗粒在综掘面巷道水平方向上受到的外力主要是空气阻力F1，其表达式为：

其中，C_D是斯托克斯阻力系数；d_p是呼吸尘颗粒的直径m；u_p是呼吸尘颗粒沿水平方向上的运动速度，m/s；u是沿巷道水平方向的风速分量，m/s；ρ是巷道内空气密度，kg/m³。