大断面综掘巷道长压短抽条件下粉尘运移模拟

为改善大断面掘进巷道内通风除尘效果,针对龙王沟煤矿副斜井净断面积24.9 m2、供风量1 500 m3/min的情况,采用计算流体软件Fluent,建立长压短抽混合式通风条件下稳态离散相模型(DPM),研究压、抽风筒口相对位置和压抽风量配比对粉尘-风流耦合运移的影响。结果表明,当压入式风筒口到工作面距离为27.5 m,抽出式风筒口到工作面距离为5.0 m,压抽比为1.2时,龙王沟煤矿副斜井大断面综掘巷道内风流稳定,综合除尘效果最佳,模拟结果与现场实测结果基本一致。     

大断面掘进压入式风筒最佳高度的数值模拟

为了确定大断面掘进工作面压入式风筒的最佳安设高度,采用数值模拟方法分别模拟了风筒中心距底板6 m、4.5 m、3 m、2 m以及风筒安设于洞室顶部时,通风20 min后爆破炮烟(CO)的稀释效果,并求解了各种风筒布置情况下不同断面的通风死区比例。结果表明,通风排烟效果最差的情况为风筒固定于侧帮距底板6 m时,其次为风筒固定于侧帮距底板4.5 m时,再次为风筒固定于顶部中央时,风筒固定于侧帮距底板2 m时CO在巷道内的呼吸带高度沿程浓度分布与风筒距底板3 m时差别不大,但风筒中心距底板2 m时容易造成掘进工作面上隅角炮烟和粉尘的积聚。因此,大断面掘进工作面压入风筒最佳安设高度为3 m。     

综掘工作面压入式风筒出口有效距离研究

综掘工作面是井下粉尘的重要污染场所。对压入式通风综掘工作面而言,压入式风筒出口距掘进头的距离是一个非常重要的工况参数。如何在有效距离范围内提高减尘率也是一项值得研究的工作。采用气固两相流数学模型来研究掘进工作面的粉尘运移规律,采用基于欧拉-拉格朗日法的离散型模型(DPM)模拟粉尘在气场中的运动。采用三维立体模式,借助流体力学软件Fluent对综掘工作面压入式风筒出口距掘进头不同距离时的粉尘运移规律进行数值模拟。综合分析风筒出口距掘进头不同距离时的风速云图和粉尘粒子轨迹及其逃逸统计后发现,在风筒出口风速为12 m/s时,风筒出口距掘进头距离在5~10 m较合适,排尘效果较好;而综掘机安装上挡尘板后,风筒出口距掘进头距离在5~8 m较合适,且同距离情况下,运移到司机处的粉尘粒子较之前明显减少,控尘效果较好。现场应用结果表明,当压入式风筒出口距工作面煤壁距离为6.0~8.5 m时,安装挡尘板后综掘机司机处的粉尘质量浓度减尘率达21%,效果良好。     

综掘工作面风幕控尘除尘系统数值模拟及试验研究

针对综掘工作面掘进过程中粉尘污染问题,设计了一种新型高效的风幕控尘除尘系统,利用风幕风速衰减试验分析了风幕风速与距出口距离衰减的关系,当风幕末端风速达到2 m/s以上就能够有效控制呼吸性粉尘逃逸,另外,利用数值模拟的方法,对风幕控尘除尘系统工作原理进行了模拟,当风幕初速度为15 m/s、除尘风筒负压为-250 Pa时,风流到达巷道壁时的风速均达到了3m/s以上,风幕控尘除尘系统起到了很好的控尘和除尘作用.并对压入式通风+湿式除尘机除尘的方式进行了数值模拟,压入式通风的风流大部分被除尘风筒吸入,掘进头和压入式风筒与除尘风筒重叠段形成了无风区,大部分粉尘颗粒和瓦斯不能够及时排出,给生产带来了极大的安全隐患.     

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。     

基于CFD的高海拔矿山掘进面通风增氧方案优化

以海拔3 400 m金属矿山为例，基于CFD模拟软件，以矿山巷道内原有氧气质量分数提高5%为目标，设计正交试验，在“长压短抽”通风方式下，优化压入风筒放置高度，分析压入风筒与掘进面距离、供氧管与压入风筒出口水平距离、抽压比3个因素对氧气质量及分布规律的影响。研究结果表明:压入风筒、抽出风筒距掘进面分别为12，3 m，供氧管与压入风筒出口水平距离为6 m，抽压比为0.8时，氧气质量分数提高5%且分布情况达到最佳状态；对氧气分布影响最大的因素为压入风筒出口与掘进工作面的距离，在设置管道布置方案时应重点考虑。     

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.     

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。     

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.     

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.     

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。     

基于Ventsim的南山煤矿孤岛工作面均压通风方案研究*

孤岛工作面掘进期间，采用在原有采空区内掘进进风巷、回风巷、切眼的方案以降低工作面冲击地压风险等级。为了降低此布置方案产生的采空区漏风对工作面的影响，设计了6种均压通风方案，使用Ventsim三维通风仿真软件对工作面实施6种方案后通风系统和风压分布状态进行模拟。通过对模拟结果比较，确定以局部通风机吸风量400 m3/min（方案3）为最优设计方案，并根据方案3对该工作面实施均压通风。对该工作面通风系统实测结果分析表明，局部通风机出口风量为346.8 m3/min，进、回风巷及工作面的通风阻力分别为22.8，29和15.2 Pa，验证了该方案的有效性及可靠性，通风系统风量能保证工作面正常开采，且漏风量较小。最后，对工作面采煤过程中以及推进到停采线时均压通风系统进行了稳定性分析，并提出了管理措施。     

抽出式通风煤巷掘进过程中粉尘浓度分布规律的数值模拟

根据气固两相流理论，针对矿井掘进工作面的特点，采用计算流体力学的离散相模型（DPM）对掘进工作面通风过程中粉尘浓度进行数值模拟，总结抽出式通风掘进巷道中粉尘浓度的沿程分布及变化规律。     

输煤巷道通风排尘特征参数数值模拟优化研究

针对输煤巷道煤炭运输过程中煤尘污染问题,利用数值模拟的方法,对不同风速下的煤尘颗粒运移规律、巷道底板沉积煤尘粒子扬尘规律进行模拟。通过对两种模拟结果进行对比分析,确定在一般干燥巷道中排尘风速以1.5～2.7 m/s为宜,既有利于粒径小于24μm的煤尘颗粒排出井外,也有利于粒径大于24μm的煤尘颗粒沉降;并且风速+带速不超过4m/s为宜,可以把粒径小于30μm的煤尘颗粒排出井外,很好地起到风流稀释作用。并与现场实测结果进行对比,结论基本一致。     

协同通风影响全断面隧道掘进机工作面岩尘分布规律研究

针对全断面掘进机施工过程中，产生大量岩尘影响施工人员工作环境的问题，采用理论分析、数值模拟与现场测定相结合的方法，以青岛地铁2号线全断面隧道掘进机工作面为对象，对协同通风影响全断面隧道掘进机工作面风流运移与岩尘污染分布规律进行研究。结果表明:在复合式通风模式和一定条件下，在隧道中段会形成由主通风与回风主导的耦合风场；当协同通风量(Qcv)从6 m3/s增大至12 m3/s时，产生的岩尘可控制在距掌子面77.2 m的范围内；当Qcv=8 m3/s时，岩尘最小扩散距离为44.7 m，工作区周围岩尘浓度约为30.1 mg/m3。     

高温独头巷道人工制冷降温效果的优化研究*

为优化移动式人工制冷设备在高温独头掘进巷道工作面的制冷效果,通过设置风障形成密闭制冷空间,利用数值计算的方法,分别分析风障距工作面距离、回风管压力、回风管垂直高度对掘进工作面制冷效果的影响。研究结果表明:设置风障能够有效缩小制冷空间,阻隔热量,提高制冷效果;风障与工作面之间的距离对制冷效果有显著影响,风障的最佳布置距离为5 m;回风口压力过大或过小都不利于制冷效果,最佳压力为-70 Pa;回风管垂直高度不同,制冷效果也大有不同,其最佳高度为1 m。利用数值模拟所得工况参数进行现场试验,结果表明风障在高温独头掘进巷道降温中具有良好的实际应用效果。研究结果对高温矿井人工制冷工况优化,提高制冷效果具有指导意义。     

皮带巷粉尘浓度分布规律及全自动气水调节雾化除尘系统

鉴于传统的输煤皮带巷雾化除尘系统不能根据煤流高度自动调节雾化程度,难以达到预期除尘效果,以同忻煤矿输煤皮带巷为研究对象,基于COMSOL Multiphysics建立了输煤皮带巷煤流扬尘模型,研究了输煤皮带巷煤流高度对粉尘运移、分布的影响,继而设计了基于超声波物位传感器等多种传感器和V形调节电动球阀联动的气水调节雾化除尘系统。结果表明:在巷道高度1.5 m以上,煤流厚度越大,同一位置处的粉尘质量浓度越大,且以呼吸性粉尘为主,同时,在巷道走向沿程上,从风流入口处至下风向30~40 m范围内,粉尘质量浓度快速增长,污染严重;全自动气水调节雾化除尘系统可使呼尘质量浓度最高下降93.57%,具有良好的可行性和应用推广性。     

高瓦斯易自燃工作面高抽巷瓦斯抽采与采空区遗煤自燃相互影响研究

为了实现瓦斯与煤自燃两大灾害的联合防治,首先对布置高抽巷条件下瓦斯与遗煤自燃多因素相互影响关系进行了理论分析和归纳总结。结合淮南潘二煤矿11223高瓦斯易自燃工作面,建立了带有高抽巷的物理模型,利用UDF编译了本煤层与邻近层瓦斯涌出源项、采空区三维孔隙率和低温条件下煤氧化反应氧气消耗速率。在此基础上,分析了高抽巷布置参数和抽采参数以及工作面风量对高抽巷瓦斯抽采效果和采空区自燃带分布相互影响的规律。结果表明,当工作面风量为2 000 m3/min,高抽巷布置在顶板上方40 m时,高抽巷瓦斯抽采浓度和纯量分别达32.3%和29.07 m3/min,占总瓦斯涌出量的69.71%,同时能满足实际防火的要求。研究结果可为类似条件下高抽巷最佳施工与抽采参数提供借鉴。