掘进面风流监测及适应性智能调控系统研制

针对目前掘进面通风系统因无法对风流进行实时监测及适应性动态调控而造成的瓦斯与粉尘聚集严重等问题,研制出了风流监测及适应性智能调控原型系统来优化风流场分布。通过对掘进面风流监测及出风口风流适应性智能调控方法和系统实现的整体架构进行分析,基于流场相似与模化理论对掘进面进行了相似还原设计,确定了风速、瓦斯及粉尘隐患监测点位置,完成了基于ZigBee及GPRS技术的数据采集及传输架构,利用PLC控制技术实现了风流智能调控装置的动态调控,并研发了上位机系统。以柠条塔矿S1202掘进面为对象,对研制的风流监测及适应性智能调控原型系统进行了测试,结果表明：出风口距迎头5 m时,司机位置与回风侧行人呼吸带高度平均粉尘质量浓度分别降低了48.94%和34.36%,平均瓦斯体积分数降低了41.18%;出风口距迎头10 m时,司机位置与回风侧行人呼吸带高度平均粉尘质量浓度分别降低了38.04%和41.36%,平均瓦斯体积分数降低了43.02%,验证了风流适应性智能调控的可行性。     

天井掘进通风风流形态及粉尘分布研究

以现场试验和模型实验对天井掘进时抽出式、压入式和混合式局部通风的风流结构及粉尘分布进行了研究。结果表明:压入式通风时约有10％的风量进入工作面;压入射流二次产尘强度为凿岩时的17％左右;现有的局部通风方法不可能使工作面粉尘浓度降到2mg/m~3以下;现行测尘方法不能准确反映工作面环境粉尘浓度。     

综掘面风幕集尘除尘系统的参数优化与数值模拟

针对目前井下综掘面粉尘治理难的问题,研制了一种新型风幕集尘除尘系统。其中风幕风机的风速、除尘风筒的结构尺寸及出口压力是影响整个系统集尘除尘效果的决定性因素。为使风幕集尘除尘系统的防治粉尘效果达到最优,通过计算流体力学FLUENT软件,分析风幕风机风速、除尘风筒直径及出口压力改变的条件下风机的表面空气流线以及粉尘颗粒轨迹。得到风机风速、除尘风筒的直径及出口压力对整个系统集尘除尘效果影响的规律。结果表明:单方面增加风幕风机的风速或出口压力时,系统的集尘除尘效果在一定范围内可以变好,但是超过一定范围之后,风速的增加或者出口压力的增大反而使系统集尘除尘效果变差;在其他条件不变的情况下,除尘风筒直径越大系统集尘除尘效果越好。     

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。     

连采掘进面压入式通风下最佳风场调控规则研究

针对连采掘进面压入式通风系统不能实时改变风流状态造成风场分布不均、瓦斯及粉尘积聚严重等隐患问题,提出利用风筒出风口风流动态调控来优化风场分布,进而达到高效通风降尘需求。采用流场数值模拟及井下实测手段提取风流调控参数与风速、瓦斯及粉尘质量浓度关联关系的样本数据,利用K-means算法和四段式编码建立风场调控下的瓦斯及粉尘质量浓度信息库,基于小生境遗传算法建立最佳风场调控规则获取方法并开发参数化程序。利用自主研制的风流调控装置在柠条塔S1231面进行最佳风场调控规则井下测试验证和效果分析。结果表明：出风口距迎头最近距离5 m和最远距离10 m时实测值均在调控规则计算值范围内,距迎头5 m时司机处粉尘质量浓度最高降低46%,回风侧粉尘质量浓度最高降低49%;距迎头10 m时司机处粉尘质量浓度最高降低55%,回风侧粉尘质量浓度最高降低52%;验证了调控规则的准确性和有效性,可为连采掘进面的风场动态调控提供理论依据。     

新型水处理装备及其响应曲面法优化

为了达到制备富氧水时低能耗、高含氧、易操作的目的,采用静态螺旋切割细分子化技术自主开发设计了富氧水制备装置,并采用响应曲面法研究了富氧水装置的氧气流量、氧气压力、水流量、水压力等4个关键参数对富氧水含氧量的影响。试验结果表明,所测试的富氧水制备装置最优生产工艺参数组合为:氧气流量0. 9 L/min,氧气压力0. 25 MPa,水流量0. 6 m~3/h,水压力0. 4 MPa。优化后制备的富氧水含氧量可达46. 20 mg/L,较优化前含氧量提高了6. 73%,富氧水制备装置的生产性能得到了改善。     

基于响应面法的木粉尘最大爆炸压力试验研究——以桑木粉尘为例

为研究粉尘质量浓度、粒径和点火延迟时间对木粉尘最大爆炸压力影响,以桑木粉尘为对象,利用1.2 L的Hartmann管进行试验。研究结果表明:最大爆炸压力随着粉尘质量浓度的增加先增大后减小,随着粉尘粒径的增大而减小,随着点火延迟时间的增大而增大。在单因素试验基础上,运用Design-Expert软件对Box-Behnken所设计的响应面试验方案分析,得到影响粉尘最大爆炸压力大小顺序为:点火延迟时间>质量浓度>粒径,同时Design-Expert软件预测出最危险爆炸强度的试验条件为:质量浓度840.24 g/m3,粒径260目,点火延迟时间12 s,最大爆炸压力为0.511 775 MPa,经检验,拟合性较好,为防爆设备本质安全强度设计提供了一定的参考价值。     

多功能矿井风流调控设施的研究与应用

为了解决因行人、运输较频繁或易受爆破冲击波影响等而导致传统风流调控设施使用受制约的难题,通过分别对单、多机阻隔、增阻、引射型矿用空气幕模型进行理论推导与分析,提出应用多功能的空气幕来替代传统风流调控设施。针对某矿山通风系统存在的风流短路、有效风量率低、冬季井筒结冰等问题,拟采用多功能空气幕来建立柔性风门、风窗,并应用矿井通风系统优化软件中风机选型功能,将初步选定的空气幕经数字化处理后,优选出使用效果最佳空气幕型号、布置方式、安装位置,从而有效、可靠的对井下风流进行调控。应用结果表明:井筒结冰与风流短路等现象得到了有效、稳定的控制,通风效果得到了明显的提高,为可持续化安全生产提供了保障。     

基于响应曲面法的有效抽采半径多因素交互影响机制研究*

为探究钻孔有效抽采半径的关键影响因素及各因素间交互作用,构建应力应变-瓦斯吸附解吸耦合渗透率变化模型,采用COMSOL软件进行数值模拟,分析单一因素变化对钻孔有效抽采半径的影响,并通过Design-Expert软件设计响应曲面试验,分析多因素交互作用对钻孔有效抽采半径变化的影响机制,获得有效抽采半径对多因素交互影响的响应曲面模型。研究结果表明:不同因素对钻孔有效抽采半径影响的显著性顺序为:煤层初始渗透率、原始瓦斯压力、抽采时间,煤层初始渗透率和抽采时间与有效抽采半径呈正相关关系,原始瓦斯压力与有效抽采半径呈负相关。1个影响因素的变化会影响其他因素对有效抽采半径的影响,煤层初始渗透率能够放大其他因素对有效抽采半径的影响,而原始瓦斯压力则会降低其他因素对有效抽采半径的影响。     

新型风幕控尘除尘机除尘系统数值模拟

针对以往风幕存在不能全断面封闭掘进工作面的问题,设计了一种240°弧形风幕控尘除尘机除尘系统,利用流体力学计算软件Fluent对此系统的风幕宽度、除尘机压力、风幕与吸尘口距离和除尘效果进行了模拟.结果表明:当局扇提供的风量为280 m3/min,风幕宽度为50mm时,抗扩散能力较弱,风幕宽度为100 mm时,风幕风速分布较均匀,抗扩散能力较强,风幕宽度选取150 mm时,末速度达不到阻尘的作用;在风幕宽度为100 mm、风幕距除尘机吸尘口2.4 m的条件下,除尘机压力为-400 Pa和-500 Pa时,不利于粉尘的排出,除尘机压力为-250 Pa和-350 Pa时除尘效果较好;在风幕宽度为100nn、除尘机压力为-350 Pa的条件下,风幕距除尘机吸尘口距离小于2.0m时,不利于粉尘的排出,间距大于2.4m时除尘效果良好;当风幕宽度为100 mm、风幕与吸尘口间距2.4m时,除尘机压力-350 Pa比-250 Pa更有利于粉尘的排出.研究表明,240°弧形风幕控尘除尘机除尘系统在合理的工况参数下除尘效果更好.     

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。     

水幕隔尘用缝隙喷口的边界流线构造与出流速度分布

为解决常规水幕除尘装置阻隔巷道或隧道的问题,基于势流叠加原理,推导缝隙喷口边界流线方程,构造喷口流线型边界线。在SolidWorks中利用流线型边界线形成二维面,拉伸得到三维结构;针对该喷口及现有锥形缝隙喷口,采用CFD软件中的Realizable k-ε湍流模型,完成内部流场的数值模拟。研究结果表明:入水口附近存在流动分离,该分离影响出水端速度衰减快慢;相比常规锥形喷口,流线型缝隙喷口的内部流场稳定性提高,全段出流曲线上出流速度离散程度下降46.98%,等速核心区离散程度下降42.93%,研究结果可用以指导水幕隔尘用缝隙喷口的研发。     

综采工作面旋转风幕隔尘理论及试验研究

为了进一步提高综采工作面空气幕隔尘效率,提出采用新型旋转风幕进行隔尘.根据冲击射流相关理论,推导出了垂帘合理安装位置及垂吊高度.利用旋风分离理论,导出了旋转风幕所能控制的最大粉尘粒径和隔尘效率表达式.借助模型试验,对旋转风幕隔尘下的综采工作面粉尘质量浓度分布及旋转风幕的隔尘效率进行了分析.结果表明:采用旋转风幕隔尘时,空气幕气流在煤壁侧形成一旋转风幕,采煤机滚筒割煤所产生的粉尘在该旋转风幕的卷吸作用下,被控制在煤壁侧,并被工作面风流带走;由于垂帘的阻隔作用,空气幕气流冲击顶板后只能往煤壁方向运动,阻止了空气幕将卷吸进来的粉尘带到采煤司机的工作区,提高了空气幕的隔尘效率;旋转风幕隔尘时,司机侧的粉尘质量浓度较普通空气幕隔尘时进一步降低,其粉尘质量浓度由78 mg/m3降低至69 mg/m3,粉尘隔尘效率由81.8％提高至84.2％,提升了2.4％;旋转风幕对呼吸性粉尘的隔尘优势更为明显,司机侧呼吸性粉尘质量浓度由14mg/m3降至8 mg/m3,呼吸性粉尘隔尘效率高达92.6％,较普通空气幕提高了6.5％;旋转风幕对不同粒径粉尘的隔尘效率有差异,随粉尘粒径增加,旋转风幕的隔尘效率不断下降.     

多层螺旋雾幕技术的喷雾模拟及降尘试验研究

为了解决掘进工作面传统喷雾除尘无法有效抑制粉尘扩散的问题,提出了一种将气动喷嘴呈螺旋状布置的多层螺旋雾幕除尘方法。采用k-ω湍流模型与K-H液滴破碎模型,通过Comsol多物理场耦合数值模拟,得出了多层螺旋雾幕速度场分布和粒子轨迹的变化规律,结合模拟结果搭建试验平台,并将多层螺旋雾幕与传统喷雾的除尘效果进行对比分析。以2层雾幕为例的模拟结果显示,喷雾2 s时就会形成明显的2层螺旋状雾幕,10 s后旋转水雾充满整个模拟区域,并且雾滴粒径较传统喷雾更小。试验表明多层螺旋雾幕的除尘效果明显强于自然降尘与传统喷雾,3 min后可将浓度470 mg/m3左右的粉尘降到4 mg/m3以下。     

高海拔矿井掘进工作面局部增压的空气幕调控仿真研究

矿井环境一直是制约矿井地下安全生产的重要因素之一,尤其是在高海拔地域,由于空气的各项参数都与海拔高度相关,高海拔地区矿井在通风方面要比平原矿井有更多特殊要求。为解决高海拔地区矿井掘进工作面存在的低压缺氧问题,在对高海拔地区低压环境特性分析及传统矿用空气幕理论分析的基础上,根据增能增阻设计提出了多功能矿用空气幕联合增压模型,该模型在巷道两端分别布置引射型和增阻型矿用空气幕,以达到增压进而间接提高工作场所含氧量的效果。以青海省某金矿3 850 m中段开拓巷道掘进作业面为背景,借助有限元仿真软件Fluent对构建的开拓巷道的三维立体模型进行数值模拟。模拟结果与现场实测结果基本相符,结果表明:采用基于空气幕的增压增氧调控技术可使开拓巷道掘进作业面绝对气压由63 835 Pa增加至68 273 Pa,氧分压从12 040 Pa提高至14 213 Pa,达到海拔3 000 m的水平,可明显改善通风效果和通风质量;同时,随掘进作业面压力提高,采空区有害气体的逸出也得到有效抑制。该调控方法可以克服传统风流调控设施存在的布置困难、影响通行的问题,为提高高海拔地区井下压力及含氧量提供了新的思路。     

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。     

基于空气幕与排烟系统的隧道火灾烟气控制研究*

为研究隧道火灾时空气幕与排烟系统复合模式下的烟气蔓延规律,优化选择防排烟方式,以某越江隧道为研究对象,运用FDS数值模拟方法探究射流速度、排烟量和空气幕与排烟口间距对防排烟效果的影响。结果表明:空气幕与排烟口间距对射流特性与烟气蔓延有较强影响,间距为30 m的控烟效果最佳;空气幕与机械排烟复合作用的控烟效果远优于每个独立系统,可实现可靠挡烟和有效排烟;当火源功率20 MW时,随空气幕射流速度的增加挡烟效果有所增加,但射流速度不宜过大,取20~30 m/s;机械排烟对温度与可见度影响比空气幕作用效果显著,一定程度上增加排烟量可降低所需气幕射流速度;综合考虑防排烟的有效性和经济性,取射流速度为20 m/s、排烟量为100 m3/s为最优防排烟组合方式。     

基于正交模拟试验的矿用空气幕结构优化

为了降低空气幕的能耗,依据空气动力学理论,建立了以双三次方曲线为整流器外轮廓线的矿用空气幕模型,采用正交模拟试验方法,以出风口速度分布均匀性及阻力损失为评价指标,研究了不同结构参数下矿用空气幕内流场分布规律,计算出矿用空气幕出风口断面的速度分布均匀性参数及压力损失,得到了最优的矿用空气幕结构模型,该模型风流速度均匀性参数为0.038 5,压力损失为98.3Pa.结果表明,压力漩涡的大小及流速滞留区的范围与整流器密切相关.对矿用空气幕出风口速度分布均匀性影响最大的是供风器出风口宽度,其次为导流体中截面半径;对矿用空气幕压力损失影响最大的是供风器出风口宽度,其次为整流器及供风器长度.当导流体为圆锥体时,矿用空气幕的性能最优.