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。     

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.     

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。     

巷道内皮带输煤系统粉尘运移规律数值模拟研究

针对巷道内皮带输煤过程中粉尘污染的问题,通过巷道内粉尘质量沿程分布测试,并利用数值模拟的方法,分别对不同风速下的粉尘颗粒运移、巷道底板沉积单个粉尘粒子扬尘、输煤皮带粉尘粒子运移进行了模拟.通过对以上3种模拟结果进行分析,得出了不同风速下巷道内皮带输煤系统粉尘运移规律,并与现场实测结果对比基本一致.     

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%。     

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。     

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.     

煤矿掘进工作面粉尘延时采样测量方法

为研究煤矿掘进工作面采样时刻对滤膜称重法测量长距离巷道粉尘运移情况的影响,结合有限元分析方法提出延时采样法。首先分析粉尘颗粒沿巷道径向的运动模型,然后估算粉尘在巷道中运移所需的时间,制定粉尘质量浓度测量方案,并在煤矿巷道实地测量。结果表明：延时采样法得到不同时间、不同位置和不同作业工况下相同批次粉尘的运移分布情况,而多点同步采样法的不同起始时间的测试结果稳定性差;分析延时采样法的数据发现“尘汇现象”,其导致弱风巷道粉尘质量浓度的每小时增长速率约为扩散至该区域粉尘质量浓度的10%～15%。分析延时采样法在不同工况下的粉尘质量浓度及其对应的尘汇浓度和测量误差,发现新的非截割尘源位置,并计算产尘浓度,为针对性布置和安装巷道降尘设备提供参考依据。     

基于稳态与非稳态的喷吹管内流场的对比研究

针对等孔径喷吹管,利用CFD软件对其内流场进行数值模拟,得到不同入口流量条件下的流场分布特性。对喷吹管进行非稳态流场模拟,并与稳态模拟结果分析比较,模拟结果误差控制在1%以内,验证了将喷吹管非稳态内流场简化为稳态流场分析具有一定的可行性。沿着喷吹管气流流动方向,喷嘴出口流量分布不均匀,整体有增大的趋势;沿喷吹管轴向气流渐趋均匀,即越靠近端面,喷吹偏心角越小,甚至为0。     

掘进巷道风流温度分布规律的数值模拟

根据紊流状态下的守恒原理 ,导出了描述掘进巷道风流紊流流动和温度分布的微分方程。通过对矿内风流流动及热力过程的理论分析及现场实测 ,系统地开展矿内风流流场和风流温度场的分布规律及其耦合作用机理的理论分析与研究 ,并利用PHOENICS程序进行数值模拟 ,初步得出了矿井掘进巷道风流温度与各种参数的变化规律。掘进巷道风流温度随风速提高呈负幂函数规律降低 ,随入风流温度升高而线性升高。     

基于相似理论的掘进巷道流场结构分析

为探究掘进巷道内的粉尘运移规律,依据相似理论,自主搭建掘进巷道相似试验平台,开展风速分布试验,并通过软件fluent模拟研究掘进巷道风流场的分区特征和回流区变化特征。结果表明:风流场特征表现为掘进工作面附近风速波动明显,后方风速分布均匀;数值模拟分析进一步得出,回流区占巷道横截面的比例随着横截面与工作面距离的增加而增大,且存在3个增长停滞段,它们分别与工作面附近的2处涡流和巷道后方区域相对应;大断面巷道与相似模型的平均风速满足相似比,且试验数据与模拟结果基本吻合,验证了模拟的有效性。     

掘进巷道瓦斯分布数值实验研究

根据局部通风流场特点确定适合矿井局部通风掘进巷道工作面瓦斯与风流质量交换的数学模型,在近壁面使用标准壁面函数法解决近壁面的流动,在湍流充分发展区,使用RNG k-ε双方程湍流模型;讨论考虑巷道支护的情况下壁面粗糙度的影响,确定矿井掘进工作面局部通风模型网格划分的方法、掘进头瓦斯涌出的边界条件;利用计算流体力学(CFD)软件Fluent对掘进工作面的风流与瓦斯的混合过程进行了模拟;得出不同瓦斯涌出量情况下掘进巷道工作面风流分布和瓦斯浓度的分布规律。研究表明:瓦斯涌出量和风速对流场分布有影响,随着瓦斯涌出量的增大和风速的降低,瓦斯对流场的影响越来越明显。     

采场爆破粉尘运移规律的Fluent数值模拟

在对爆破烟尘源及其特征分析的基础上,以西石门铁矿南二采区为研究背景,运用Fluent软件通过气固两相流数值模拟方法对爆破后粉尘的分布及扩散规律进行研究,得出在现有条件下爆破粉尘的运移规律.采场爆破后很快产生大量粉尘且浓度较高,粉尘的运移受风流流场影响较为明显.在现有通风条件下,粉尘的净化主要靠重力沉降,而难以沉降的呼吸性粉尘的排出则需要较长时间.这不利于生产,亟须改善通风条件或采取其他措施较快速降低爆破粉尘浓度.数值模拟结果与现场测量结果基本一致,爆破产尘量大,排尘耗时久.     

风筒位置对掘进巷道流场影响的PIV实验*

为探究风筒位置对掘进巷道风流分布规律的影响,利用Fluent软件确定出实验模型内流体进入“第二自模区”的临界风速,保证实验模型与实际巷道的流动相似,采用粒子图像测速仪（PIV）对压、抽风筒距迎头不同距离下的前压后抽式通风流场进行测量。实验结果表明:抽风筒距巷道迎头距离的改变对迎头处流场影响较小,涡流中心位置也不会发生改变,当抽风筒距迎头距离大于4.5S,回流区的风流充分发展,流动较为平缓。压风筒距巷道迎头距离的改变对迎头处流场和涡流影响较大,当压风筒距迎头距离大于3S,涡流中心位置向远离迎头的方向移动,涡流区域逐渐扩大。基于相似理论的PIV实验结果可为矿井掘进巷道通风工作提供一定参考。     

双压入贴附送风在高温巷道掘进中的降温规律研究*

为量化研究高温矿井深部开采掘进巷道在抽压混合通风中设备布置及风量分配对降温效果的影响规律问题,利用ANSYS-FLUENT软件数值模拟掘进巷道通风降温模型。首先,提出双压入式混合贴附通风降温思路,并分别建立传统抽压混合通风与双压入式混合通风的巷道三维几何模型;然后,进行6组不同设备布置及风量分配的降温方案对比实验;最后,总结分析双贴附送风在掘进巷道内的降温规律和降温机制。研究结果表明:双贴附送风降温效果显著,后置压入风筒出风口布置于距掘进面30 m处且前置压入风筒与后置压入风筒送风风量比值为0.6时,掘进作业面30 m范围内温度较低且分布均匀。本文实验得出的掘进巷道气温变化规律可为其他类似条件下的通风降温系统研究提供参考。     

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。     

灵泉煤矿粉尘浓度分布规律的实测研究

为解决大流量工序定点短时测尘结果与工人实际接尘情况存在差距的问题,本文对综放工作面粉尘浓度现场测量,应用全工班呼吸性粉尘监测方法进行测尘。在实测和分析的基础上,采用平均数、标准差、累计百分比等统计学方法对监测结果进行了深入的分析,得出了综放工作面粉尘浓度的分布规律。以一定初速度从滚筒割煤处抛出的粉尘,在风流作用力、重力、底板和煤壁的吸附以及对落尘的反弹作用下沿程扩散。靠近底板和煤壁处的总粉尘浓度沿程分布曲线是双峰型曲线,距底板和煤壁较远处的总粉尘浓度沿程分布曲线是单峰型曲线。按粉尘粒径大小,双峰型总粉尘浓度沿程分布曲线可以分为两个区域,一个是可沉降的大颗粒粉尘为主的区域,另一个是难以沉降的微细颗粒粉尘为主的区域。从而有利于矿山管理者有的放矢地采取防尘措施,减少投资,提高效率,确保劳动者健康。     

热喷涂粉尘质量浓度分布规律数值模拟及实验研究

基于气固两相流理论,采用仿真软件Fluent对热喷涂粉尘的扩散过程进行了数值模拟,分析了热喷涂车间气流速度对粉尘质量浓度分布的影响规律,并通过实验测定了车间呼吸层风速与粉尘质量浓度沿程分布,通过与模拟结果作对比分析,验证了数值模型的可行性。结果表明:粉尘颗粒自尘源处沿径向周围扩散,高质量浓度区域集中在尘源附近;车间气流速度越大,高质量浓度粉尘区域越小,车间粉尘质量浓度越低;当车间出风口风速为12 m/s时,除尘源区域外,呼吸层粉尘质量浓度已明显低于标准限值;通过对比分析,实测数据与数值模拟结果基本吻合,表明采用数值模拟方法研究热喷涂粉尘扩散规律是一种行之有效的方法。     

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。