掘进面出风口风流与风幕调控下的粉尘分布响应曲面优化研究*

为了解决煤矿掘进面风筒出风口参数不能动态变化,而传统风幕全断面控尘效果不理想引起的粉尘浓度高等问题,通过分析风幕和出风口参数对粉尘分布规律的影响,以此得到合理的出风口风流与风幕综合调控方案,降低粉尘浓度。以陕西神木柠条塔煤矿N1212巷道为研究对象,利用Fluent软件建立出风口风流与风幕综合调控的粉尘场有限元模型,设计出风口风流及风幕综合调控响应曲面实验,得到最佳综合调控方案为:风幕射流出口宽度为0.16 m,风幕射流出口速度为6 m/s,出风口口径为0.9 m,出风口右偏角度为3°。搭建相似模拟实验平台来验证最佳综合调控方案,研究结果表明:调控后回风侧行人呼吸处和司机位置处粉尘平均浓度分别降低89%和81%,有效改善掘进面作业环境。     

综掘面抽风口调控下的旋流风幕降尘优化

为提高煤矿综掘面粉尘防治技术水平,通过旋流风幕与抽风口的协同作用优化风流减少粉尘聚集,改善工作面通风环境。将附壁风筒和自主研制的风流调控装置相结合,设计混合式通风下的旋流风幕与抽风口风流调控系统。首先,利用数值模拟方法,分析附壁风筒条缝宽度、轴径风量比和抽风口口径、偏转角度单参数变化对粉尘运移分布的影响;其次,采用粒子群优化算法(PSO),求解得到司机及行人位置粉尘双目标优化的最优调控方案;最后,分别通过数值模拟和搭建的调控降尘试验平台测试验证最优方案优化效果。结果表明：调控后司机位置粉尘质量浓度降低41.5%;回风侧行人呼吸带平均粉尘质量浓度降低64.2%,物理试验与数值模拟的降尘优化效果基本一致,验证了旋流风幕与抽风口综合降尘方法的有效性。     

风筒出口位置对掘进工作面瓦斯分布的影响

根据计算流体动力学(CFD)理论,运用Fluent软件对掘进工作面的风流流场及瓦斯分布进行数值模拟,研究了在断面形状为梯形的掘进巷道中,瓦斯从掘进迎头和巷道两帮均匀涌出时,风筒出口离掘进迎头的距离对掘进巷道中风流流场和瓦斯分布的影响.结果表明: 压入式局部通风掘进巷道工作面风流从风筒出口流出后,沿风流方向瓦斯浓度逐渐增大,在靠近迎头处巷道两帮底部和顶部瓦斯浓度较高;随着瓦斯涌出量的增加,由于高浓度瓦斯密度降低而产生的上浮力的作用,在靠近迎头的上部区域发生瓦斯沿顶板逆风流方向流动的现象;上浮力的作用会改变流场的分布状况,在靠近迎头处产生涡流;风筒出口离掘进迎头越近,风流到达迎头时携带的瓦斯量越少,且迎头处的风速越大,靠近迎头区域中的瓦斯浓度越低.     

风筒出口至迎头距离对流场分布的影响

为考察风筒出口至迎头距离对掘进巷道流场分布的影响,利用Fluent软件模拟研究了风筒出口至迎头不同距离下的掘进巷道流场分布情况。结果表明,风筒出口至迎头不同距离下的瓦斯及粉尘浓度分布规律基本一致,均在风筒出口处较低,在迎头及巷道底板处较大,在迎头端底板处达到最大值。随着风筒出口至迎头距离的增大,靠近迎头区域处瓦斯及粉尘浓度均得以降低,但远离迎头处的瓦斯及粉尘浓度则有所增大。风筒出口不宜距迎头过远,也不可过近,过远会导致迎头处瓦斯超限,过近则会增大粉尘弥漫范围,不利于现场工人作业。     

煤矿综掘面泡沫降尘技术研究与实施

针对煤矿综掘面粉尘治理技术中存在的不足,采用泡沫降尘新技术结合长压短抽式通风方式进行粉尘防治。以霍尔辛赫矿为例,根据井下实际情况,利用GAMB IT和FLUENT建立掘进巷道的几何模型,并对巷道掘进通风过程中粉尘分布规律进行解算,将模拟结果和现场实测数据对比,确定掘进面回风侧的高浓度粉尘分布区。对掘进面煤样进行湿润性试验,确定最佳的发泡剂添加比例。综合以上情况,泡沫降尘技术实施时采用环形前置式喷头布置,发泡剂添加比例定为10‰,并在回风侧距掘进面5 m、距底板2 m处设置风筒,将高浓度粉尘抽出并沉降。现场实测数据显示,泡沫降尘技术降尘效率明显高于喷雾降尘技术。使用泡沫降尘时,在司机侧测得全尘及呼吸性粉尘降尘效率分别达到75.4%和74.7%。     

基于覆岩裂隙带发育高度的走向高抽巷合理位置确定

为确定大采高综采面高抽巷的合理位置，以李村煤矿1303工作面为研究背景，采用理论分析、数值模拟及现场监测等研究方法，对1303工作面覆岩裂隙发育特征、高抽巷空间位置对其围岩稳定性与抽采效果的影响规律进行系统研究。研究结果表明:高抽巷宜布置在覆岩裂隙发育区，远离回风巷道采动应力影响的位置；1303工作面覆岩破坏范围随推进距离增加，呈现先急剧增大后趋于稳定的趋势，工作面推进距离为300 m时，裂隙带高度稳定在50 m左右，形成瓦斯抽采的优势通道；高抽巷距离煤层顶板、回风巷越近，越易失稳，不利于长期抽采，综合考虑高抽巷不同位置时的瓦斯抽采效率及围岩稳定性，确定其合理位置分别是距离回风巷平距为35 m，垂距为45 m；结合现场瓦斯浓度监测结果，得出上隅角、工作面、回风巷瓦斯浓度最大值分别为0.42%，0.24%，0.33%，远低于瓦斯超限标准1%，进一步证明高抽巷层位的合理布置，可以提高瓦斯抽采效果。     

煤矿岩巷综掘工作面控除尘技术优化研究与应用

分析了北二11-2盘区顶板瓦斯治理巷粉尘治理措施中存在的问题,计算得到了工作面合理供风量范围,并通过分风三通的设计应用对原供风进行了调节,解决了工作面供风量与除尘器处理风量不匹配问题;通过工作面迎头风流控制器的设计应用,解决了供风筒出风口直吹工作面迎头、粉尘扩散严重不利于收集处理的问题;通过吸尘罩的优化改进,成功将吸尘罩与迎头的距离由原来的7 m缩短到3 m。通过一系列的优化改造,大大提高了工作面的降尘效率。各测点总粉尘、呼吸性粉尘降尘效率分别达到93%,90%以上。     

压入式局部通风倾斜巷道掘进工作面瓦斯分布规律

运用Fluent软件对压入式局部通风倾斜巷道掘进工作面瓦斯分布进行了模拟.比较了向上掘进和向下掘进巷道中瓦斯分布的不同;分析了风量对向上、向下倾斜掘进巷道中瓦斯分布的影响;研究了消除瓦斯高浓度区域向上、向下倾斜巷道所需风量的差别.结果表明:当条件相同,即风筒出口平均风速、倾斜角度和迎头瓦斯涌出量相同时,向上倾斜掘进工作面的高浓度瓦斯区域比向下倾斜时的高浓度瓦斯区域大;当回风流中瓦斯平均浓度不变时,随着风量和瓦斯涌出量的增加,由于风量的增加使到达迎头的风速变大,使空气和瓦斯混合得更加均匀,向上倾斜掘进工作面的高浓度瓦斯区域和向下倾斜的高浓度瓦斯区域之间的差距逐渐减小.消除高浓度瓦斯区域所需的风筒出口风量向上倾斜掘进巷道比向下倾斜掘进巷道大.     

采煤工作面粉尘浓度分布及传感器的部署

为给煤矿井下采煤工作面上粉尘浓度传感器的安放位置提供理论依据,建立了回采工作面巷道几何模型,根据气体、尘粒运动方程和欧拉-拉格朗日方法中的离散相模型,采用Fluent软件仿真井下采煤工作面及回风巷粉尘浓度的分布情况.仿真结果表明:粉尘在司机后方10-20m 处粉尘浓度达到最大,在司机30m后趋于稳定,粉尘传感器应放置在回风巷距综采工作面的距离小于或等于10m的位置.     

敞开式TBM施工隧道粉尘扩散及除尘系统研究

TBM掘进过程中产生大量粉尘，为了掌握粉尘的分布规律并优化除尘系统，以敞开式TBM为例，采用数值计算方法研究不同除尘风管位置，不同除尘风速和不同掘进面产尘量下的洞内粉尘浓度分布规律。研究结果表明:敞开式TBM隧道施工过程中，掘进面至除尘风管区域质量粉尘浓度较高，在除尘风管口后方区域下降到 2 mg/m3以下；除尘风管布置在距掘进面30 m位置处时，洞内沿程粉尘含量相对较大，除尘风管布置在距掘进面20 m位置处时洞内沿程及TBM支护区域粉尘含量相对较小；排风风速为15 m/s时，敞开式TBM支护区域粉尘质量浓度最小，排风风速为30 m/s时，该区域粉尘质量浓度最大；掘进面产尘量越大，洞内沿程及敞开式TBM支护区域粉尘质量浓度越大，不同产尘量下洞内粉尘浓度均在除尘风管后方达到规范限值以下。     

采煤工作面回风巷瓦斯气团漂移现象初探

了解瓦斯气体在采掘空间的分布及运移规律，是有效开展煤矿瓦斯治理工作的基础。通过对井下瓦斯浓度监测数据可视化及数理分析，揭示了回采工作面回风流中存在瓦斯气团的可能性，表明了回风巷中瓦斯气体运移具有风流携带气团漂移的特点；回风巷中的同一瓦斯气团先后经过相邻2个传感器时，2个传感器分别观测到的瓦斯浓度变化的曲线形态具有相似性，根据这一特点，给出了回风巷瓦斯气团漂移速度计算公式和应用实例。研究成果有助于优化采煤工作面通风设计，有效监测回风巷中瓦斯气体运移状态，避免高浓度瓦斯气团导致的矿井灾害。     

金属矿山掘进巷道新型通风除尘系统研究与应用

为了减少掘进巷道的粉尘危害,以某金属矿掘进工作面为研究对象,经过现场调研和理论分析,研究开发了1种适合掘进巷道的新型通风除尘系统。介绍了新型通风除尘系统的结构和工作原理,并将该通风除尘系统应用于掘进巷道的粉尘治理,对该系统在掘进巷道的应用效果进行现场测定。研究结果表明:该通风除尘系统将压风筒布置在巷道中心位置的顶部,抽风筒布置在巷道两侧的呼吸带高度,使得掘进工作面的风流位置控制在1.5 m之下,保障了作业人员的职业健康。系统的湿式除尘风机对掘进巷道粉尘除尘效率达到了91%以上,彻底解决了掘进巷道粉尘污染问题。同时该系统能够实现按需通风除尘,净化后的风流可以循环利用,节能效果显著,在金属矿山掘进巷道生产系统具有较好的应用前景。     

快掘面抽风口集尘参数变化下粉尘场优化模型研究

为了解决长压短抽通风方式下传统抽风口集尘效果不适应掘进速度快、产尘量大的工作面集尘需求等问题,提出设计抽风筒集尘口装置及系统布局,以降低快掘面高粉尘危害和污染等隐患。利用Fluent建立集尘系统的粉尘场有限元模型,分析单集尘参数对粉尘场影响并确定参数取值范围,设计二次回归正交试验,建立司机和人行道呼吸带粉尘质量浓度双目标优化模型,采用NSGA-Ⅱ算法求解模型。以陕西某矿快掘面为研究对象,求解得到该集尘布局下最佳集尘参数方案。搭建集尘系统试验平台来测试最佳集尘参数方案,研究结果表明：试验测试值和预测值误差小于8%,优化后的司机处粉尘质量浓度和人行道呼吸带平均粉尘质量浓度分别降低79.3%,58.7%,证明优化模型准确且有效。研究结果可为实现快掘面空气净化目标提供参考。     

煤矿抽压混合式通风除尘系统布置方式的选择和技术参数的确定

我国煤矿抽压混合式通风除尘技术是在采用抽压混合式通风系统的基础上、逐步配套使用除尘风机、除尘器以及集尘器的生产实践中发展起来的。近年来,徐州、双鸭山、兖州、淮南、平顶山、大同等矿区陆续采用SCF系列型除尘风机、JTC—Ⅰ型掘进除尘器,MAD-Ⅱ型风流净化器及净化水幕等专用除尘设备,系统除尘效率高达85～96％以上。瓦斯煤尘比较大的综掘工作面,采用抽压混合通风除尘技术,粉尘浓度由700～2000mg/m~3降至20～30mg/m~3,工作面温度降低,司机位置和巷道内沼气及其     

综掘面尘源位置对负压抽风口位置的影响

为探究综掘机配套抽风口位置对巷道除尘效果的影响,利用FLUENT软件建立综掘巷道相似几何模型,开展粉尘从不同尘源位置释放时,压入式通风系统和综掘机配套抽尘系统的流场及粉尘场模拟研究。结果表明:综掘工作面压入式通风系统的粉尘扩散范围在距工作面1～2 m处;综掘机配套抽尘口位置在距工作面1 m时的风流特征最利于除尘且此时各个尘源位置巷道内的粉尘均得到明显改善;当采用综掘机配套抽尘技术后,综掘工作面各个尘源释放粉尘时,巷道内的总体粉尘质量浓度都得到降低,平均除尘效率在80%以上,最高可达93%,可以很好地满足煤矿井下的降尘要求。     

机掘工作面旋转射流通风理论探讨

湖南省自然科学基金项目 (基金号 :0 1JJY30 19)。【摘　要】　根据旋转射流理论 ,结合机掘工作面作业特点 ,提出在机掘工作面应用旋转射流通风方法 ,以控制工作面粉尘的扩散 ,阻止掘进机作业时所产生的粉尘进入掘进机司机工作区 ;同时还能防止工作面瓦斯局部积聚 ;通过对旋转射流通风风流结构特点及通风作用机理进行了分析 ,为掘进工作面通风新方法、新技术的研究提供了新的理论及参考依据。     

煤巷迎头深部瓦斯赋存规律的实验数据分析

根据近两年来对不同矿区、不同煤层的不同煤巷掘进工作面迎头深部瓦斯赋存量以及突出预测数据的现场及实验室测定结果,得出一个在动态应力场作用下的工作面(掘进、回采)迎头深部瓦斯赋存量随深度变化的一个驼峰曲线,即工作面迎头深部的瓦斯赋存量受采动的影响而在不太深的位置处(如5~10m)会产生一个赋存峰,随着深度的增加瓦斯赋存量并非随之一直增大,其分布特征也与现有认识不尽相同。该测定结果为解释和研究工作面迎头深部的瓦斯运移、应力场分布、突出预测等提供了一个现场数据结论,为煤岩体流变模型的建立提供了相应的参考,也提出针对测定结果的疑问。     

大型选煤厂粉尘在线监测与智能喷雾降尘系统研究

为解决大型选煤厂粉尘污染问题,提出了粉尘在线监测与智能喷雾相结合的降尘技术.以同煤集团塔山选煤厂输煤系统为研究背景,采用理论分析、现场实测及数值模拟等方法对输煤系统尘源扩散机理进行了研究.采用κ-ε湍流模型、欧拉模型和离散相模型(DPM)进行模拟,选择SIMPLE算法进行计算.模拟结果与实测数据基本一致.结果表明:在诱导风流的作用下输煤系统粉尘质量浓度较大,并以给料机及导料槽为中心径向逐步降低;同时,粉尘在线监测与智能喷雾降尘技术能有效降低输煤系统空间粉尘质量浓度,改善作业环境,空间粉尘质量浓度保持在国家标准以下.     

综掘面旋流风幕抽吸控尘流场数值模拟

针对目前井下巷道内综掘工作面产尘量大,煤尘浓度高,降尘效率低的实际现状,探讨了配有附壁风筒的综掘工作面旋流风幕抽吸控尘的新型降尘方式,建立气体-粉尘颗粒两相流动的数学模型,利用Fluent对巷道流场进行数值模拟,并分析了风流扩散规律、粉尘分布规律以及影响粉尘分布规律的因素.模拟结果显示,综掘面旋流风幕抽吸控尘系统可在机掘工作面的有限空间内形成一个具有屏蔽作用的旋转风幕,将粉尘基本封闭在距掘进面0～3m的范围内.抽风口距离掘进面越近,高浓度粉尘存在范围和巷道中的粉尘浓度越小;增加抽风口个数可以提高除尘效率.     

综放工作面顶板随采式专用排瓦斯巷布置研究

确定合理的专用排瓦斯巷参数是确保能否高效治理综放工作面瓦斯积聚及上隅角瓦斯超限现象的关键。结合五阳煤矿7605工作面的实际情况,采用瓦斯运移规律、矿压理论、矿井通风等理论及FLAC3D数值模拟软件,对专用排瓦斯巷的合理层位、距离回风巷的水平距离、巷道断面面积等参数进行了研究。结果表明,专用排瓦斯巷适合布置在岩层垮落带的中下部,距离回风巷的水平距离受巷道等效半径影响,巷道断面面积由通风能力和掘进工程量决定,7605工作面专用排瓦斯巷的3个参数分别为距煤层顶板2.65~6.75 m、距离回风巷水平距离约15 m、巷道断面面积7 m~2。现场应用表明,工作面回采期间瓦斯体积分数维持在0.3%左右,上隅角瓦斯体积分数未发生超限,瓦排巷与工作面连通顺畅,瓦斯治理效果显著。