区域化组合雾场-多粒径粉尘颗粒撞凝行为特征试验平台

技术领域

本发明属于煤矿开采、金属矿山开采、隧道钻进等岩土工程安全生产领域，具体涉及一种兼多粒径定量煤(岩)机械发尘、区域化组合雾场颗粒群撞凝特征监测试验平台。

背景技术

随着我国煤矿采掘机械化水平提高，作业产尘量也成倍增加，高浓度粉尘的危害主要表现在导致尘肺病，危害矿工的身体健康，因此，降低岩土工程开掘粉尘浓度和减少呼吸性粉尘的危害已成为煤矿职业安全健康的重要研究课题。

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-雾滴凝并、沉降过程的研究成果及相关报道，而且设计一种兼多粒径定量煤(岩)发尘、全尺寸区域化组合雾场颗粒群撞凝特征监测试验平台也没有相关研究报道。

而现有技术中液滴与颗粒碰撞的试验平台，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：

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；

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；

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；

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；

5)相关研究中粉尘-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；

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；

7)缺少对粉尘-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；

8)无法实现对喷雾降尘后水-尘混合物的相关物理参数的监测，以往研究将水-尘混合物直接排至污水处理装置中，缺少对水-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-雾滴撞凝特征。

在降尘研究方面，现有技术相关的研究报道主要有：

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-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-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。

在产尘研究方面，现有技术相关的研究报道主要有：

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。

综上所述，现有技术还有待于进一步改进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种区域化组合雾场-多粒径粉尘颗粒撞凝行为特征试验平台，其通过定量化机械刨钉式产尘的发尘系统与颗粒凝并特征监测系统、电控多点雾化液滴系统、多面激光同步控制发射系统与显微摄像系统共同配合，可实现对雾场-粉尘颗粒撞凝行为特征可视化实验的研究，并且该试验平台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-尘混合物撞击能量和粘度监测的技术问题。

为了实现上述目的，本发明所需克服的主要技术难题在于：

如何实现定量化机械刨钉式产尘，使这种产尘方式与实际生产条件相符；如何实现全尺寸粒径颗粒大范围的抛射，使其可以完成对粉尘降尘区域的分级研究；如何使得上述试验平台可同时实现对喷雾降尘后水-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。

为了解决上述技术难题，本发明采用了以下技术方案：

一种区域化组合雾场-多粒径粉尘颗粒撞凝行为特征试验平台，其包括定量煤/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；

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，所述的动力装置用于向多粒径煤/岩发尘装置提供动力，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的粉尘颗粒；

所述的发尘约束罩紧贴所述的多区域颗粒凝并特征监测系统，并且通过所述的发尘约束罩将定量煤/岩发尘系统获得的粒径为1nm～2cm的粉尘颗粒通入所述的多区域颗粒凝并特征监测系统中；

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-尘混合物；

所述的多面激光同步控制发射系统和所述的动态显微摄像系统用于对三个监测舱内不同粒径雾滴、粉尘的三维运动轨迹跟踪以及碰撞凝并行为进行捕捉，在尘雾颗粒碰撞凝并颗粒现象的基础上，进而收集尘雾颗粒发生碰撞凝并现象的条件与评价指标。

上述技术方案所带来的直接有益技术效果为：

从产尘方面，本发明没有选择现有技术中的旋转切割式产尘方式，而是巧妙地引入机械刨钉式(敲打式)产尘方式，机械敲打式产尘相比旋转切割产尘，其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，使得本发明对于多粒径粉尘颗粒撞击行为特征方面的研究更加精准；另外，与机械刨钉式产尘相结合使用的多区域颗粒凝并特征监测系统，其通过布置第一监测舱、第二监测舱及第三监测舱，可实现对不同粒径颗粒的单独监测，此外，通过单项喷嘴水压控制器的引入，其可以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，进一步使得单分散液滴发生器可以以不同速度喷射，用于定位雾滴喷射；此外，与上述多区域颗粒凝并特征监测系统配合使用的多面激光同步控制发射系统可以发射多组体状光源照亮实验测量区域，动态显微摄像系统可完成对多面激光同步控制发射系统发射的待测区域进行拍摄记录，通过调整相机镜头焦距对整个体积内的粒子进行聚焦成像。

作为本发明的一个优选方案，所述的多粒径煤/岩发尘装置设置有至少两组，且间隔均匀地焊接在所述的控制台上；所述的动力装置包括多楔带和变频电机，所述的变频电机与多粒径煤/岩发尘装置的数量相对应，所述的变频电机设置在控制台的下方，所述的多粒径煤/岩发尘装置与其对应的所述的变频电机通过所述的多楔带连接，所述的控制台用于控制变频电机的转速及力矩。

作为本发明的另一个优选方案，所述的发尘约束罩为透明材料制作而成，在远离多区域颗粒凝并特征监测系统一侧的发尘约束罩上设置有进气孔，通过所述的进气孔保持发尘约束罩与外界相通。

进一步优选，所述的固定座整体呈“L”型，截面呈“凹”型；所述的煤/岩试样整体形状为长方体，所述的煤/岩试样镶嵌于所述的固定座内部，并且通过固定螺栓对其加固；所述的刨钉式发尘器通过紧固螺栓固定在所述的固定座和煤/岩试样的上方。

优选的，所述的动力传输轴的左侧连接在所述的动力装置的多楔带上，所述的偏心轮的一侧为半圆形，另一侧为半椭圆形。

优选的，相邻的截尺的长度不同，所述的发尘刨钉与钻孔之间为可拆卸连接，所述的发尘刨钉的断面为圆形。

优选的，在所述的第一监测舱、第二监测舱及第三监测舱靠近中下部位置均设置有声发射传感器，所述的声发射传感器的频率带宽100～1500kHz，用于监测不同粒径雾滴、粉尘混合物对监测舱的撞击程度。

优选的，所述的电控多点雾化液滴机构包括上端盖、横向滑动杆、纵向滑动杆及单分散液滴发生器，所述的上端盖整体盖在第一监测舱、第二监测舱及第三监测舱的上方，所述的上端盖的四条边上，位置相对的两条边上设置有横向导轨，位置相对的另外两条边上设置有纵向导轨，所述的横向导轨上设置所述的横向滑动杆，所述的纵向导轨上设置所述的纵向滑动杆，在所述的横向滑动杆和纵向滑动杆上布置所述的单分散液滴发生器，随着横向滑动杆和纵向滑动杆的移动，所述的单分散液滴发生器的位置也随着移动，若干个单分散液滴发生器均通过各自连接的连接管连接在连通水管上，通过所述的恒压水箱向所述的连通水管内通水。

优选的，靠近连通水管的连接管的一端设置有电动水压阀门，所述的连通水管通过高水压软管与恒压水箱连接，所述的单向喷嘴水压控制器与每个电动水压阀门连接，通过所述的单项喷嘴水压控制器控制电动水压阀门来给单分散液滴发生器提供稳定的水压和流量。

优选的，所述的动态显微摄像系统是由四台CCD相机按照长方形结构布置在垂直平面上，来完成对待测区域的拍摄记录。

下面对本发明区域化组合雾场-多粒径粉尘颗粒撞凝行为特征试验平台的产尘和降尘方面的工作原理做主要说明：

通过控制台控制使得变频电机开始工作，变频电机带动多楔带工作，多楔带进一步带动与其连接的动力传输轴进行旋转，当动力传输轴旋转时，位于其外围的偏心轮也随之转动，截尺受到偏心轮的旋转作用和弹簧的影响完成往复运动，此时，位于截尺上的发尘刨钉在截尺的往复运动下，完成对煤/岩试样的机械性敲击，从而产生粒径大小不同的粉尘。

产生的粉尘，进入控制台上方的发尘约束罩中，由于发尘约束罩的右侧紧贴多区域颗粒凝并特征监测系统，因此，粒径不同的粉尘进入多区域颗粒凝并特征监测系统中，首先，通过连接舱和发尘约束罩实现对粉尘颗粒的导流，大粒径、中粒径、小粒径分别通入第一监测舱、第二监测舱和第三监测舱，通过位于负压舱内的变频风机的转速的调节，可以改变变频风机的风量，为各个监测舱提供设定的风流条件；在每个监测舱的上方设置的电控多点雾化液滴机构和单项喷嘴水压控制器的作用下，可完成对水-尘混合物粘度、流速的监测，监测数据可进一步反应不同粒径区域内粉尘-雾滴撞凝特征。

与现有技术相比，本发明带来了以下有益技术效果：

第一、本发明试验平台可用于雾场-粉尘颗粒撞凝行为特征可视化实验的相关研究。

第二、产尘方面，通过刨钉式产尘有效避免了旋转切割式产尘出现的粒径分布分小、抛射距离短和粉尘颗粒难以定量生产等特点，可以模拟现场机械切割岩石的产尘现象，与实际生产条件相符。

第三、通过产尘方面参数的相关控制，可以获得不同粒径的粉尘，可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；可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。

第四、可实现全尺寸粒径颗粒大范围抛射，通过设置第一监测舱、第二监测舱及第三监测舱可以完成对粉尘降尘区域的分级研究。

第五、通过单项喷嘴水压控制器可实现对单点喷嘴的水压控制，多个同类型喷嘴的不同水压控制雾场大小组合。

第六、可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，实现区域化监测；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。

综上所述，本发明试验平台可实现对喷雾降尘后水-尘混合物的相关物理参数的监测，完成对水-尘混合物粘度、流速的监测。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明区域化组合雾场-多粒径粉尘颗粒撞凝行为特征试验平台的整体装配图；

图2为本发明煤/岩试样与固定座装配图；

图3为本发明刨钉式发尘器装配图；

图4为本发明多粒径煤/岩发尘装置截面图；

图5为本发明多区域颗粒凝并试验装置的整体装配图；

图6为本发明电控多点雾化液滴机构的装配图；

图7为本发明监测舱整体结构图；

图8为本发明监测舱剖面图；

图中：

1、定量煤/岩发尘系统，11、多粒径煤/岩发尘装置，111、刨钉式发尘器，1111、动力传输轴，1112、偏心轮，1113、截尺，1114、发尘刨钉，1115、固定轴，1116、弹簧，1117、紧固螺栓，112、固定座，113、固定螺栓，114、煤/岩试样，12、多楔带，13、变频电机，14、控制台，15、发尘约束罩，2、多区域颗粒凝并特征监测系统，21、多区域颗粒凝并试验装置，211、多区域透明雾场监测舱，2111、连接舱，2112、第一监测舱，2113、第二监测舱，2114、第三监测舱，2115、负压舱，2116、支撑架，2117、声发射传感器，212、电控多点雾化液滴机构，2121、上端盖，2122、横向滑动杆，2123、纵向滑动杆，2124、单分散液滴发生器，2125、连接管，2126、电动水压阀门，2127、连通水管，2128、高水压软管，213、水泥混合物流动管道，214、黏度流量传感器，215、变频风机，22、单项喷嘴水压控制器，23、恒压水箱，24、伺服水泵，25、凝并数据集中控制台，26、污水收集仓，3、多面激光同步控制发射系统，4、动态显微摄像系统。

具体实施方式

本发明提出了一种区域化组合雾场-多粒径粉尘颗粒撞凝行为特征试验平台，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做详细说明。

除非另有其他明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”等等将被理解为包括所陈述的部件或组成部分，而并未排除其他部件或其他组成部分。

在本文中，为了描述的方便，可以使用空间相对术语，诸如“下面”、“下方”、“下”、“上面”、“上方”、“上”等，来描述一个部件或特征与另一部件或特征在附图中的关系。应理解的是，空间相对术语旨在包含除了在图中所绘的方向之外物件在使用或操作中的不同方向。例如，如果在图中的物件被翻转，则被描述为在其他部件或特征“下方”或“下”的部件将取向在所述部件或特征的“上方”。因此，示范性术语“下方”可以包含下方和上方两个方向。部件也可以有其他取向(旋转90度或其他取向)且应对本文使用的空间相对术语作出相应的解释。

本发明一种区域化组合雾场-多粒径粉尘颗粒撞凝行为特征试验平台，具体结构如图1所示，其主要包括定量煤/岩发尘系统1、多区域颗粒凝并特征监测系统2、多面激光同步控制发射系统3及动态显微摄像系统4，其中，定量煤/岩发尘系统1用于提供不同粒径的粉尘，多区域颗粒凝并特征监测系统2来监测大、中、小粒径雾滴、粉尘混合物对监测舱的撞击程度，进一步收集能量、幅值、撞击事件等试验数据，进一步反应不同粒径区域内粉尘-雾滴撞凝特征；多面激光同步控制发射系统3来发射多组体状光源照亮实验测量区域；动态显微摄像系统4来完成对多面激光同步控制发射系统发射的待测区域进行拍摄记录，通过调整相机镜头焦距对整个体积内的粒子进行聚焦成像。

作为本发明的一个主要改进点，在通过定量煤/岩发尘系统1进行产尘方面，本发明通过采用更加贴合实际生产的机械敲打式产尘方法，即通过刨钉式发尘器来完成对煤/岩试样的机械敲打，从而获得不同粒径的粉尘。经过实验研究发现，这里的不同粒径的涵盖范围为1nm～2cm，相当于获得了全尺寸粒径的粉尘。为了实现上述机械敲打式产尘，本发明有针对性地对定量煤/岩发尘系统进行了改进，具体参见图2至图4所示，包括控制台14、多粒径煤/岩发尘装置11及动力装置，其中，动力装置为多粒径煤/岩发尘装置11提供动力，具体结构本发明优选包括多楔带12和变频电机13，变频电机设置在控制台的下方，多粒径煤/岩发尘装置与其对应的变频电机通过多楔带连接，控制台用于控制变频电机的转速及力矩。

上述的多粒径煤/岩发尘装置11设置有至少两组，如根据实际实验需要，本领域技术人员可以合理选择，如本发明优选多粒径煤/岩发尘装置11设置有三组，分别命名为第一多粒径煤/岩发尘装置、第二多粒径煤/岩发尘装置和第三多粒径煤/岩发尘装置，三组装置间隔距离相等的设置在控制台上。

为了便于对每组多粒径煤/岩发尘装置11进行控制，变频电机13与多粒径煤/岩发尘装置的数量相对应，本发明优选三台变频电机，相当于每组多粒径煤/岩发尘装置配备一台变频电机，这样可以方便对发尘装置的单独控制。

每组多粒径煤/岩发尘装置11包括刨钉式发尘器111、固定座112、固定螺栓113、煤/岩试样114，固定座焊接在所述的14控制台上方，整体成“L”型，截面成“凹”型，采用精钢制作而成，固定座用以固定煤/岩试样。

煤/岩试样为长方体，镶嵌于固定座内部，利用固定螺栓113紧固，优选煤/岩试样长方体尺寸为40cm×30cm×10cm。

上述的刨钉式发尘器111利用紧固螺栓1117固定于固定座和煤/岩试样上方，刨钉式发尘器111通过机械性击打煤/岩试样进而产生粉尘颗粒。

作为本发明的另一主要改进点，通过对刨钉式发尘器111的结构进一步限定，可实现对煤/岩试样的机械敲打，并获得不同粒径的粉尘。具体的，刨钉式发尘器111包括动力传输轴1111、偏心轮1112、截尺1113、发尘刨钉1114、固定轴1115、弹簧1116及紧固螺栓1117，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多楔带，在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，截尺分布在偏心轮的下方，且截尺的顶端固定在所述的固定轴上，截尺的上端连接弹簧，截尺的数量与所述的偏心轮的数量相同，相邻的截尺的长度不同，这样设置的目的在于：其一、提供扬尘空间，其二、截尺的长度不同，通过改变长度参数，截尺角动量不同，进一步扩大了粉尘粒径产生范围；其三、方便拆卸。在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，所述的发尘刨钉与钻孔之间为可拆卸连接，刨钉通过对煤/岩试样进行机械性敲击来获得粒径为1nm～2cm的粉尘颗粒。

本发明优选动力传输轴均匀安置9个偏心轮；偏心轮由精钢制作而成，一侧为半圆形，一侧为半椭圆形，厚度2cm，偏心轮可以围绕动力传输轴进行旋转；截尺受偏心轮旋转作用和弹簧影响完成往复运动；截尺共布置9根，其中5根截尺的长度均为32cm，4根截尺的长度均为17cm，依次分布在偏心轮下方；截尺上间隔3cm设置有钻孔，钻孔内安装发尘刨钉1114；所述的发尘刨钉1114可拆卸，由球墨铸铁制作而成，发尘刨钉断面为圆形，圆形尺寸可以选择多类型，实现多参数刨煤。

发尘约束罩15安装在控制台上方并将多粒径煤/岩发尘装置罩在内部，该发尘约束罩由透明材料制作而成，优选为长方体由透明亚克力板制作，壁厚5cm，发尘约束罩左侧钻取小孔方便进气，右侧紧贴多区域颗粒凝并特征监测系统，并且通过发尘约束罩将定量煤/岩发尘系统获得的粒径为1nm～2cm的粉尘颗粒通入多区域颗粒凝并特征监测系统中。

作为本发明的另一个主要改进点，通过对多区域颗粒凝并特征监测系统进行改进，其与多粒径煤/岩发尘装置相互配合使用。

具体的，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21、单项喷嘴水压控制器22、恒压水箱23、伺服水泵24、凝并数据集中控制台25及污水收集仓26，其中，恒压水箱23、伺服水泵24、凝并数据集中控制台25及污水收集仓26的结构借鉴现有技术即可实现。

单项喷嘴水压控制器22利用电线连接多区域颗粒凝并试验装置内的电动水压阀门2126，用于控制阀门的开启和喷嘴内水压的大小；恒压水箱23一侧通过高水压软管2128连接多区域颗粒凝并试验装置21，恒压水箱由精钢制作成圆柱型，用以给喷嘴提供稳定的水压和流量；伺服水泵24连接恒压水箱23，用以向恒压水箱23内打压注水；凝并数据集中控制台通过数据线连接单项喷嘴水压控制器、伺服水泵和黏度流量传感器，用于提供指令发送和数据采集工作；污水收集仓布置于多区域颗粒凝并试验装置下方，用以收集水-尘混合物。

结合图5至图8所示，上述的多区域颗粒凝并试验装置21包括多区域透明雾场监测舱211、电控多点雾化液滴机构212、水泥混合物流动管道213、黏度流量传感器214和变频风机215，多区域透明雾场监测舱包括依次连接的连接舱2111、第一监测舱2112、第二监测舱2113、第三监测舱2114及负压舱2115，连接舱与发尘约束罩保持连通，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，本发明优选在第一监测舱为大颗粒粉尘，第二监测舱为中颗粒粉尘，第三监测舱为小颗粒粉尘，变频风机位于负压舱内，通过调节变频风机可以改变风机风量，从而为监测舱提供设定风流条件。

优选，上述的多区域透明雾场监测舱由不锈钢框架和亚克力板组成，并分成5个区域；电控多点雾化液滴机构布置于多区域透明雾场监测舱上方，共均匀分布有三组；水泥混合物流动管道位于透明雾场监测舱下部，共分布三组，水泥混合物流动管道由聚氯乙烯制作而成，用以导通监测舱内的水-粉尘混合物；黏度流量传感器位于水泥混合物流动管道下方，并通过数据线与凝并数据集中控制台连接，用于完成对水-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-雾滴撞凝特征。

上述的第一监测舱、第二监测舱和第三监测舱可实现风流条件下雾滴与大、中、小三级粒径粉尘碰撞凝并，并利用多面激光同步控制发射系统和动态显微摄像系统实现对大、中、小三级粒径雾滴、粉尘的三维运动轨迹跟踪以及碰撞凝并行为捕捉，在尘雾颗粒碰撞凝并颗粒现象的基础上，进而收集尘雾颗粒发生碰撞凝并现象的条件与评价指标。

优选在上述的多区域透明雾场监测舱的下方设置支撑架2116，对监测舱起到支撑作用，支撑架2116如为金属框架。

在第一监测舱、第二监测舱及第三监测舱靠近下部的位置设置声发射传感器2117，声发射传感器为谐振式声发射传感器，频率带宽100～1500kHz，具体，第一监测舱、第二监测舱和第三监测舱如优选为漏斗形，声发射传感器分布于第一监测舱、第二监测舱、第三监测舱的漏斗形的下方，用以监测大、中、小三级粒径雾滴、粉尘混合物对监测舱的撞击程度，进一步收集能量、幅值、撞击事件等试验数据，进一步反应不同粒径区域内粉尘-雾滴撞凝特征。

进一步优选，连接舱、第一监测舱、第二监测舱及第三监测舱均由透明亚克力板制作，壁厚5cm。

上述的电控多点雾化液滴机构，包括上端盖2121、横向滑动杆2122、纵向滑动杆2123、单分散液滴发生器2124、连接管2125、电动水压阀门2126、连通水管2127、高水压软管2128。上端盖2121为不锈钢焊接而成的长方形框架，截面为“L”型，布设在第一监测舱、第二监测舱及第三监测舱的上方。

在上端盖的四条边上，对应的两条边设置两组横向导轨，对应的另外两条边设置两组纵向导轨，导轨上方布置横向滑动杆和纵向滑动杆。横向滑动杆和纵向滑动杆两端设置滑轮，滑轮嵌入横向导轨和纵向导轨中，通过滑轮和横、纵向导轨的配合可实现横、纵向滑动杆的横纵向移动；横向滑动杆2122和纵向滑动杆2123连接处设置单分散液滴发生器2124，一组横向滑动杆和纵向滑动杆可布设一个喷头，单分散液滴发生器数量由粉尘颗粒粒径大小、岩样单轴抗压强度等参数确定。单分散液滴发生器依次与连接管、电动水压阀门、连通水管和高水压软管连接；进一步单分散液滴发生器可以产生60μm～300μm统一大小液滴(流)，并以不同速度喷射，用于定位雾滴喷射。连接管为高压水管，电动水压阀门与单项喷嘴水压控制器连接，用以给喷嘴提供稳定的水压和流量。

上述的多面激光同步控制发射系统发射多组体状光源照亮实验测量区域，几何尺寸为100mm×100mm×50mm。

上述的动态显微摄像系统由4台CCD相机按照长方形结构在垂直平面上布置组成，可对多面激光同步控制发射系统发射的待测区域进行拍摄记录，通过调整相机镜头焦距对整个体积内的粒子进行聚焦成像，通过动态显微摄像系统可对三个监测舱内不同粒径雾滴、粉尘的三维运动轨迹跟踪以及碰撞凝并行为进行捕捉，在尘雾颗粒碰撞凝并颗粒现象的基础上，进而收集尘雾颗粒发生碰撞凝并现象的条件与评价指标。

下面对本发明区域化组合雾场-多粒径粉尘颗粒撞凝行为特征试验平台的使用方法做详细说明。

具体包括以下步骤：

(1)煤/岩试样制作及性能测试

a、在煤矿、隧道等工程现场设计区域获取煤/岩试样的样品，利用岩石钻心设备钻取样品，获取

b、在工程现场满足R

(2)定量煤/岩发尘系统相关参数设定

a、设计实验粉尘颗粒粒径范围(d

b、依据设计粉尘粒径范围，进一步确定煤/岩发尘系统相关调节参数，比如变频电机转速v

式(1)中，c-转述调节参数；k-幅度值调节参数。

(3)电控多点雾化液滴机构相关参数设定

a、确定单分散液滴发生器和电动水压阀门参数

结合煤矿实际，设计雾压力工况，电动水压阀门压力P范围1MPa～10MPa，为了分析喷嘴喷孔直径对雾化特性的影响；

b、实验中选用的单分散液滴发生器孔径d’分别为1mm、1.5mm、2mm和2.5mm，设定液滴发生器数目N，数目N由雾场组合设定；

c、结合煤矿实际，设计检测舱内负压工况，变频风机设定风量Q，Q＝100R

(4)多面激光同步控制发射系统相关参数设定

移动CCD相机对喷雾流场3个区域进行多次的拍摄，测定记录2124单分散液滴发生器出口50mm处，针对3个区域过直尺一次标定440mm的雾场；把喷嘴出口中心作为坐标原点，定义喷嘴出口轴线为X轴，同时把与喷嘴中心轴线相垂直的水平径向定义为Y轴。

(5)动态显微摄像系统相关参数设定

喷雾流场中，不同位置的雾滴速度差别比较大，通过大量的实验，选择在各个压力下比较合适的Δt值，Δt＝50/P，P为电动水压阀门设定水压力；为保证获取足够精确的数据，每次实验拍摄喷50张雾流场液滴流动的图像，采用多尺度空间平均法对实验图像进行处理。

(6)实验步骤

a、将3组煤/岩试样嵌入固定座，并用固定螺栓固定；

b、更换设定发尘刨钉的型号(不同截面型号)和使用数量；

c、更换设定单分散液滴发生器型号和适用数量；

d、调整多面激光同步控制发射系统所在位置，针对3个区域内网格标定激光交界面位置；调整动态显微摄像系统所在位置并准备拍摄；

e、打开凝并数据集中控制台，打开变频风机达到设定值，设定3个区域内电动水压阀门压力达到设定值，打开声发射传感器；

f、打开控制台，调整变频电机转速达到设定值；

g、打开电动水压阀门，调节流量，调整喷嘴角度位置，使雾场少量雾滴与粉尘颗粒接触；

h、观察计算机上实时录像，录制适当时间，点击停止拍摄保存录像至计算机。

上述实验完成后，即可根据相关理论展开研究，完成对水-尘混合物粘度、流速的监测。

上述的固定座也可以设置为四组、五组…，对应的煤/岩试样制作数量与大小与固定座相匹配，其余步骤与上述方法相同。

综上所述，本发明试验平台通过定量化机械刨钉式产尘和雾滴-粉尘凝并监测系统相互配合，可实现对全尺寸粒径大范围抛射情况下的多区域降尘监测，雾滴-粉尘凝并监测系统具有多点独立水压控制喷嘴、多类型雾场组合的特点，可实现对水-尘混合物撞击能量和粘度的监测。

本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。

尽管本文中较多的使用了诸如定量煤/岩发尘系统1、刨钉式发尘器111、动力传输轴1111、偏心轮1112等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

需要进一步说明的是，本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明的精神所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。